鐵路隧道智能建造通信承載平臺方案研究

陶柁丞

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

1 概述

2017年，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司的《鐵路信息化總體規(guī)劃》提出全力推進(jìn)中國鐵路信息化CR1623標(biāo)志性工程建設(shè)的目標(biāo)[1]。智能京張、智能京雄等重大工程建設(shè)中提出建設(shè)“智能鐵路”的發(fā)展目標(biāo)。“智能鐵路”是高速發(fā)展的信息技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用，包含智能建造、智能裝備和智能運(yùn)營3部分[2]。智能建造作為智能鐵路的前沿陣地，而隧道智能建造代表了智能建造的先進(jìn)性和未來發(fā)展方向，是智能建造在隧道領(lǐng)域發(fā)展的必然成果。

目前國內(nèi)鐵路隧道施工通信主要采用模擬對講機(jī)、有線電話、WLAN局域網(wǎng)或部分公網(wǎng)引入等方式為隧道施工提供語音通話和數(shù)據(jù)傳輸功能，呈現(xiàn)碎片性、差異性和不規(guī)范性的形態(tài)，沒有系統(tǒng)化、可靠、安全和大帶寬的通信技術(shù)方案支撐隧道施工作業(yè)，已逐漸無法滿足當(dāng)前隧道施工指揮調(diào)度和數(shù)字化建設(shè)的需求。其中艱險山區(qū)鐵路沿線環(huán)境艱險復(fù)雜，面臨極端地質(zhì)災(zāi)害、工程異常艱巨的困難與挑戰(zhàn)。與其他鐵路不同的是隧道占比極高，施工工期長，大量施工作業(yè)在隧道內(nèi)進(jìn)行。面對復(fù)雜惡劣的隧道內(nèi)作業(yè)條件，靈活多樣的隧道智能建造通信需求，當(dāng)前的隧道施工通信條件更無法勝任，需要加強(qiáng)鐵路智能建造通信承載平臺的方案研究。

2 需求研究

2.1 總體需求

隧道智能建造為智能建造在隧道范疇內(nèi)的具體延伸與實踐，是基于信息化技術(shù)。通過對“地-隧-機(jī)-信-人”及內(nèi)外部環(huán)境的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，以數(shù)字資源為核心，以智能化施工裝備為工具，以現(xiàn)代化監(jiān)控量測為輔助，實現(xiàn)建造過程智能化[3]。智能化施工裝備和監(jiān)控量測等基于BIM的隧道工程施工領(lǐng)域技術(shù)是智能建造的基礎(chǔ)，隧道施工調(diào)度管理和安全管理是智能建造的保障，通信傳輸網(wǎng)絡(luò)則是實現(xiàn)上述基礎(chǔ)和保障的必要條件。因此隧道智能建造承載平臺應(yīng)滿足隧道施工安全調(diào)度管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

目前鐵路隧道施工以鉆爆法為主，TBM（Tunnel Boring Mechine）法為輔。鉆爆法和TBM法隧道的智能建造都需要進(jìn)行施工監(jiān)測以及智能工裝施工狀態(tài)實時感知與動態(tài)調(diào)控。在機(jī)械裝備施工期間采集、收集的多類型數(shù)據(jù)需要實時或定期回傳，多個班組的施工作業(yè)人員也需要進(jìn)行調(diào)度管理和安全管理。鉆爆法和TBM法隧道的典型施工機(jī)械和人員配置如圖1所示。

圖1 典型隧道施工工法配置示意Fig.1 Typical tunnel construction method configuration diagram

2.2 承載業(yè)務(wù)

鐵路隧道智能建造需要一個支持隧道掌子面、移動工程車輛、工點等多種工程作業(yè)點接入；支持語音、視頻、定位、寬帶、智能化設(shè)備等多種終端接入；支持多級施工、管理組織架構(gòu)；具備防塵、防水、防震等施工環(huán)境適應(yīng)性的有線和多種無線通信融合的通信系統(tǒng)，主要承載業(yè)務(wù)有施工調(diào)度指揮、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸（智能工裝監(jiān)測數(shù)據(jù)和有害物質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)）、建設(shè)管理信息數(shù)據(jù)傳輸和定位數(shù)據(jù)傳輸5類業(yè)務(wù)。如圖2所示。

圖2 隧道智能建造通信承載平臺承載業(yè)務(wù)架構(gòu)Fig.2 Bearer service architecture of communication bearer platform for intelligent tunnel construction

無論鉆爆法還是TBM法隧道，每個掌子面均有大量作業(yè)人員參與班組作業(yè)或利用智能工裝進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，集中在掌子面的信息量約占整個信息量的90%以上[4]。在掌子面到隧道口區(qū)域利用運(yùn)輸車輛進(jìn)行材料運(yùn)輸。高集中度的智能建造帶來多種智能裝備和班組人員，增加了需要協(xié)調(diào)管理作業(yè)人員的難度。

在調(diào)度管理方面，主要調(diào)度場景在隧道區(qū)域，隧道口調(diào)度人員與隧道內(nèi)作業(yè)人員及車輛操作人員進(jìn)行語音調(diào)度，同時考慮施工單位各級組織和建設(shè)單位管理人員參與的調(diào)度指揮。以語音調(diào)度需求為主，多媒體通話等手段為輔完成人員和車輛的指揮調(diào)度，需要有較高的可靠性、穩(wěn)定性，同時滿足快捷通話和應(yīng)急呼叫的功能。

在安全管理方面，需要對隧道內(nèi)的人員、車輛機(jī)械以及火工品進(jìn)行定位管理，定位數(shù)據(jù)可及時為應(yīng)急救援提供支撐。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，語音數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、建設(shè)管理信息數(shù)據(jù)傳輸和定位數(shù)據(jù)主要集中在掌子面區(qū)域，是通信承載平臺承載業(yè)務(wù)的主體。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸類型

施工作業(yè)人員之間及作業(yè)人員與調(diào)度人員之間需要進(jìn)行語音通話，語音數(shù)據(jù)保障了調(diào)度安全管理的上傳下達(dá)以及隧道智能建造的如臂指揮，是存在于整個隧道范圍的窄帶數(shù)據(jù)，應(yīng)保證安全性和可靠性。

視頻監(jiān)控是隧道智能建造的必要手段，不僅能準(zhǔn)確的掌握施工進(jìn)度、工作環(huán)境、工裝狀態(tài)和安全制度的落實情況，同時也能記錄并輔助判斷安全生產(chǎn)事件。在隧道內(nèi)掌子面上的攝像機(jī)通常安裝于相對固定的臺車上。

智能工裝是隧道智能建造的主體，智能工裝的支撐技術(shù)系統(tǒng)是構(gòu)建智能裝備的大腦和五官[5]，包含機(jī)械車輛本身的監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧道環(huán)境的檢測數(shù)據(jù)等。實時數(shù)據(jù)以點位數(shù)據(jù)為主，一臺TBM設(shè)備約有1 000個點位，每秒鐘采集一次數(shù)據(jù)。非實時數(shù)據(jù)以點云數(shù)據(jù)為例，隧道施工的點云數(shù)據(jù)根據(jù)分辨率以及掃描范圍的不同，每次可產(chǎn)生幾十至幾百兆比特數(shù)據(jù)。隧道智能建造通信承載平臺則是智能建造和智能裝備的血液，為隧道內(nèi)智能裝備采集、感知的數(shù)據(jù)提供傳輸通道。

隧道內(nèi)可能存在有害氣體、放射性物質(zhì)等有害因素，有害因素監(jiān)測數(shù)據(jù)及時傳輸同樣重要。在穿越放射性地層的隧道施工時，需實時監(jiān)測隧道工作面的放射性數(shù)據(jù)；高瓦斯隧道施工時，實時監(jiān)測掌子面、二襯臺車、回風(fēng)等有害氣體濃度數(shù)據(jù)。

除施工作業(yè)外，隧道智能建造還包含施工建設(shè)管理系統(tǒng)，通過圍巖量測、超前地質(zhì)預(yù)報等建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，能及時預(yù)警，滿足參建各方協(xié)同工作的需要。該類建設(shè)管理信息化數(shù)據(jù)按隧道工點配置。

3 方案研究

3.1 主要功能

根據(jù)隧道智能建造需求研究，鐵路隧道智能建造通信承載平臺主要功能是提供施工調(diào)度指揮數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)、建設(shè)管理信息數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)傳輸通道；提供調(diào)度人員與施工人員的組呼、群呼、廣播呼叫功能，以及工程局指揮部對施工項目部及施工現(xiàn)場人員的調(diào)度指揮管理功能；提供作業(yè)人員、大型機(jī)械和火工品的位置定位功能，以及實現(xiàn)施工現(xiàn)場遠(yuǎn)程指導(dǎo)功能。

結(jié)合不同鐵路建造條件的自身特點，通信承載平臺應(yīng)充分考慮鐵路隧道施工建設(shè)難度大、工期長、條件惡劣等因素，應(yīng)滿足安全可靠、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理、便于管理維護(hù)的原則。充分考慮公網(wǎng)資源，合理布局網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，建造期設(shè)施可用于運(yùn)營期相關(guān)工程。建造期的通信系統(tǒng)在發(fā)生緊急突發(fā)事件時，能提供應(yīng)急救援的通信手段，具備一網(wǎng)多用的功能。

3.2 系統(tǒng)框架

鐵路隧道智能建造的通信承載平臺包含通信承載網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)兩部分。

通信承載網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)和語音網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，解決語音、數(shù)據(jù)、視頻圖像等寬窄帶數(shù)據(jù)傳輸功能。數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)采用無線中繼或光纜連接交換機(jī)方式提供傳輸通道，并在隧道內(nèi)設(shè)置WLAN為各類數(shù)據(jù)提供無線傳輸通道。語音網(wǎng)絡(luò)采用DMR網(wǎng)絡(luò)對隧道內(nèi)進(jìn)行全覆蓋。如圖3所示。

圖3 通信承載網(wǎng)絡(luò)框架示意Fig.3 Communication bearer network framework diagram

應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)為現(xiàn)場隧道施工作業(yè)人員提供指揮調(diào)度、人員車輛定位、可視化遠(yuǎn)程控制、協(xié)同作業(yè)等功能業(yè)務(wù)。在通信承載網(wǎng)絡(luò)上搭載DMR施工調(diào)度指揮通信系統(tǒng)、建設(shè)單位和施工單位指揮部調(diào)度系統(tǒng)、多媒體施工調(diào)度指揮通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)及智能穿戴系統(tǒng)等應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通過公網(wǎng)既有傳輸通道連接，為隧道施工提供調(diào)度、定位等業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 總體框架示意Fig.4 General framework diagram

3.3 關(guān)鍵技術(shù)難題及實施方案

1）跟隨不斷推進(jìn)的掌子面提供傳輸網(wǎng)絡(luò)

隧道內(nèi)掌子面附近作業(yè)區(qū)域施工環(huán)境復(fù)雜多變，同時作業(yè)面隨著隧道施工進(jìn)程不斷推進(jìn)，采用有線光纜傳輸方式不適用動態(tài)變化的傳輸距離和不穩(wěn)定的光纜敷設(shè)條件。傳輸網(wǎng)絡(luò)采用無線中繼方案，分段接力中繼的方式構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，在滿足可靠性的前提下保障傳輸帶寬容量需求。

2）建造期隧道內(nèi)的無線電波傳播

隧道環(huán)境獨特的傳播特性，在建造期變得更加復(fù)雜。各類智能建造工裝與材料的使用，讓狹長、粗糙的內(nèi)部墻壁，呈現(xiàn)更多規(guī)則或不規(guī)則的形狀。隧道的長度、尺寸、形狀及產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)等均對傳播信道產(chǎn)生一定影響[6]。因此，隧道內(nèi)安裝的天線類型及安裝方式需結(jié)合具體環(huán)境考慮，條件較好時采用定向天線增加覆蓋距離，條件復(fù)雜的場景可采用全向天線保障覆蓋質(zhì)量。

3）增強(qiáng)隧道智能建造可視化遠(yuǎn)程協(xié)同管控

隧道智能建造管理領(lǐng)域包含“地-隧-機(jī)-信-人”智能建造協(xié)同管控與可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。針對隧道內(nèi)惡劣自然環(huán)境、地質(zhì)條件及作業(yè)難度，以BIM為先導(dǎo)[7]，結(jié)合采用VR、AR等信息化技術(shù)手段，為施工作業(yè)人員提供可視化遠(yuǎn)程協(xié)助指導(dǎo)施工操作或機(jī)械維護(hù)，提供機(jī)械化、信息化的多方協(xié)同管理。

4） 隧道作業(yè)人員、車輛機(jī)械以及火工品等定位管理

隧道智能建造的安全管理需要掌握作業(yè)人員、車輛機(jī)械以及火工品的位置信息，采用適用于隧道場景以及施工作業(yè)環(huán)境的定位系統(tǒng)，兼顧高精度定位、靈活延伸建設(shè)、低維護(hù)性和智能化的特點，同時在突發(fā)事件時，能為應(yīng)急救援指揮提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語

鐵路建設(shè)周期長，特別是艱險山區(qū)的鐵路施工環(huán)境惡劣，加上地質(zhì)異常復(fù)雜[8]，隧道智能建造是必然的選擇，通信承載平臺是其發(fā)揮作用必不可少的保障環(huán)節(jié)。