施工機械數據驅動下的鐵路隧道工程智能建造數據共享方案

郭鵬飛，郭 釗，梁 策，王騰霄

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2.陜西交控工程技術公司，西安 710117）

鉆爆法施工作為鐵路隧道工程重要的建造方式之一，具備經濟、高效及地質適應能力強等優勢，目前，我國80%以上的隧道采用鉆爆法修建[1]。隨著工業技術的發展和施工工藝的革新，鉆爆法隧道施工已初步形成了全工序機械化作業模式[2-3]。數據在機械化作業中扮演著至關重要的角色，是支撐鉆爆法隧道機械化、智能化建造的基礎。然而，由于隧道工程施工環境惡劣、網絡信號受限，機械設備群（簡稱：機群）間普遍存在信息孤島問題，機械設備狀態、定位、施工日志、監控視頻等信息無法及時地提供給相關信息化管控系統，使得整體工序銜接能力和施工效率受到了較大的限制，無法實現多任務、多工序、多機械設備的協同作業。因此，亟待突破鉆爆法隧道施工智能建造數據共享技術瓶頸。

針對鉆爆法隧道施工成套機械設備的數據共享、協同作業問題，國內外許多學者進行了相關研究。劉飛香[4]圍繞鄭萬高鐵隧道鉆爆法機群協同作業技術需求，以成套智能裝備為基礎，研發了裝備數據驅動的施工協同管理平臺，實現了對裝備機群感知獲取的數據進行在線分析、挖掘和決策； 王朋樂[5]采用C# 語言開發了山嶺隧道鉆爆法施工信息采集與機械化施工配套分析軟件，實現了施工循環基本信息的采集、機械配套數量計算和開挖作業時間預估等功能；Sharafat等人[6]提出了一種基于BIM的隧道模型信息建模框架，并應用于實施案例中，將工程鉆爆法施工的5個相互關聯數據模型，以IFC標準集成起來，從而實現了施工過程的可視化與工程數據的共享；費廣海等人[7]建立了一個集信息管理、分析預測及安全預警等功能于一體的鉆爆法隧道施工監測系統，能夠對各類隧道的多元施工信息進行全面監測，并對監測信息進行有效管理、準確分析、及時反饋；馬少雄等人[8]在研究中建立了數字化施工協同管理平臺，能夠快速分析各個工序的施工數據，避免了“信息斷層”和“信息孤島”問題。綜上可知，既有的一些研究雖然能夠在一定程度上解決鉆爆法隧道施工成套機械設備多工序協同監測的難題，但提出的方法均圍繞具體的施工應用層面，對成套機械設備多源數據共享及應用方法的研究較少。

鑒于此，本文研究鐵路隧道工程智能建造數據共享方案，設計了適用于鉆爆法隧道施工成套機械設備協同的云－邊－端組網架構，提出適用于該架構的數據處理、數據壓縮與加密及數據傳輸與存儲等數據共享關鍵技術，以期實現成套機械設備協同作業，支撐鉆爆法隧道智能化建造應用。

1 云-邊-端組網架構

鉆爆法隧道施工的5種作業線包括超前作業線、開挖作業線、初支作業線、結構作業線及輔助作業線[9]。多功能鉆機、智能型鑿巖臺車、智能型鏟銑機、混凝土噴射臺車、錨桿臺車、拱架臺車、新型襯砌臺車等系列機械的研發應用，形成了涵蓋5種作業線的隧道全工序機械化施工作業體系，構筑起隧道智能建造作業機械設備的基礎。

為保障鉆爆法隧道施工現場數據采集、傳輸、共享的高效性和安全性，結合實際隧道多機械作業需求，以及鐵路行業當下的隧道內部組網環境條件與信息系統云邊協同體系架構[10]，本文設計了鉆爆法隧道施工成套機械設備協同作業的云-邊-端組網架構，如圖1所示。

圖1 鉆爆法隧道施工成套機械設備協同的云-邊-端組網架構

（1）終端側以鉆爆法隧道施工成套機械設備為核心。通過光纖+隧道壁接入點（AP，Access Point）的方式向隧道內掌子面延伸網絡，實現掌子面附近網絡全覆蓋；同時，建立車載無線AP與隧道壁無線AP間的連接，形成隧道內本地網，施工機械設備基于機載感知、決策、執行系統實現隧道環境下的智能作業。

（2）邊緣側以本地指揮中心為核心。通過車載無線AP和標準交互接口，接收終端機械設備自動采集處理的工作實時數據、施工日志數據、視頻監控數據，并實時下發控制指令，實現機械設備真實作業場景重現和協同交互控制。

（3）云端側為機械設備協同管理云平臺（簡稱：云端平臺）。通過邊緣側指揮中心與云端側的網絡互連，將數據傳至云端平臺，從而為圍巖信息交互、設計動態調整、施工智能監控、質量動態評估等核心應用場景提供數據支撐，以此提升建設單位、設計單位及施工單位等多方用戶的工作效率。

2 數據共享關鍵技術

2.1 數據標準化處理

鉆爆法隧道施工工序復雜，各工序對應的機械設備采集的數據格式不同、協議不一致，為保證各類數據與云端平臺良好的交互和共享，需要對其進行標準化處理。

2.1.1 機械設備狀態數據處理

機械設備狀態數據為施工機械設備在作業過程中產生的高頻率數據，每一道工序、每一類機械設備上的傳感器監測點位眾多。典型的鉆爆法施工機械設備本地端機載傳感系統能夠采集的數據包括：裝備狀態信息、作業項目信息、工序定位信息、工序施工作業信息、構件基礎規格信息及作業音視頻信息等。在數據采集過程中，施工機械設備從CAN總線獲取每個傳感器的實時狀態數據，基于傳輸控制協議（TCP，Transmission Control Protocol）與云端平臺建立連接，將實時狀態數據發送給云端平臺。通過制定標準的報文交互表格，云端平臺能夠將其解析為明文數據，并存儲為JSON格式，從而保證每類機械設備實時狀態數據格式統一、易讀，實現施工機械設備狀態的信息化管理。

2.1.2 視頻流數據處理

為能夠實時掌握隧道內的施工狀況，所有的施工機械設備上均安裝了高清攝像頭，以便通過直播流的方式查看隧道內的施工場景。本文基于實時流傳輸協議（RTSP，Real Time Streaming Protocol）的視頻流媒體服務，在云端平臺安裝高效、穩定的流媒體服務器軟件，以支持設備或其他平臺注冊接入、向上級聯第三方平臺，并通過可視化的Web頁面管理，對所有攝像頭視頻流進行集中管控，保證所有攝像頭數據的集中統一管理。

2.2 數據壓縮與加密

2.2.1 數據壓縮

鉆爆法隧道智能建造需要長時間、連續遠程監測機械設備運行狀態，監控過程中累計數據量大、采集頻率高，且數據流量大[11]。為減少云端平臺服務端數據采集壓力和傳輸成本，本文采取僅在第1次采集時涵蓋施工機械設備的所有監測點位的全量數據，之后僅對數據更新的監測點位進行采集，并按固定幀/包進行數據打包、壓縮的方式。通過這種方式，能夠大量減少數據冗余和數據傳輸時的負載，提高數據實時傳輸性能。

2.2.2 數據加密

為提高信息系統和數據的安全性和保密性，防止工程現場相關地理地質信息、操作指令等敏感信息被外部破譯或干擾，本文針對鉆爆法隧道施工成套機械物聯網數據傳輸需求，應用混合加密方法，如圖2所示。

圖2 數據傳輸混合加密方法

（1）云端側根據預設的固定格式生成固定的里夫斯特-沙米爾-阿德曼（RSA，Rivest-Shamir-Adleman）公私鑰對，并將公鑰提供給現場終端側；

（2）終端側隨機生成指定長度、指定規則的字符串，即為高級加密標準（AES，Advanced Encryption Standard）密鑰，并使用RSA公鑰加密AES密鑰；

（3）終端側將明文數據先壓縮再用AES密鑰進行加密，得到加密明文數據；

（4）終端側將加密后的AES密鑰和密文數據發送到云端側；

（5）云端側使用RSA私鑰解密得到AES密鑰；

（6）云端側使用AES密鑰解密密文數據，從而得到明文數據進行業務處理或者存儲；

（7）云端側將業務處理后生成的結果數據進行AES密鑰加密，并返回給終端側；

（8）終端側使用AES密鑰解密，得到結果數據進行現場應用。

綜上所述，AES和RSA密鑰都是通過隨機性特征生成，AES對稱密碼體制對傳輸數據加密，同時RSA不對稱密碼體制傳送AES的密鑰，從而綜合發揮AES和RSA的優點、避免其缺點，有效保證鉆爆法隧道施工機械設備數據的保密性、完整性和安全性。

2.3 數據傳輸與存儲

2.3.1 多源數據傳輸方法

鉆爆法隧道施工機械設備所采集的數據涉及CANopen、TCP/IP、RTSP、HTTP、MQTT等多種協議的特點，本文設計了一種高效、穩定 、統一的數據傳輸方法。該方法通過TCP/IP或者MQTT協議，實現機械設備實時狀態數據通過上位機或車載物聯網關，與云端平臺進行交互，并基于HTTP協議實現機械設備定位數據及循環日志數據與云端平臺的互通，從而實現鉆爆法隧道施工過程與云端平臺數據的動態流轉。

2.3.2 多源數據存儲策略

鑒于數據類型多樣性及應用多元化的特點，云端平臺應用多種存儲引擎存儲不同類型、不同特點的數據。

（1）使用RDBMS-MySQL數據庫存儲項目、構筑物、工點、機械等結構化數據；

（2）應用MongoDB數據庫存儲相關地質數據與機械實時狀態數據，該數據庫適合存儲半結構化數據，可以較好地支持多維度的歷史數據查詢；

（3）利用分布式文件系統存儲設備文檔、文本文件等，對各種機械設備的設計參數進行管理，能滿足數據批處理及設計數據快速更新的需求；

（4）利用Redis數據庫緩存各機械實時狀態數據等。通過采用多數據存儲引擎，可以實現存儲合理設計、數據靈活取用。

3 施工機械數據驅動的鐵路隧道智能建造應用

3.1 圍巖感知信息實時交互

鉆爆法鐵路隧道智能建造過程中，基于智能三臂鑿巖臺車多傳感器，自主采集隨鉆參數。包括利用流量傳感器獲取水流量及進給速度；利用壓力傳感器獲取沖擊壓力、推進壓力、回轉壓力、水壓力；基于工業相機等自主采集掌子面圖像；應用回彈儀和彈性波速測試儀，獲取巖體的強度與完整性信息。

施工機械設備通過多級網絡，將采集的鉆進數據、掌子面圖像等圍巖感知相關信息傳至云端平臺，云端平臺將其實時轉發至相關設計單位，用于支撐圍巖智能動態判識，實現圍巖感知信息的動態交互?；谥悄苋坭弾r臺車的鐵路隧道施工圍巖信息實時交互示意如圖3所示。

圖3 基于智能三臂鑿巖臺車的鐵路隧道施工圍巖信息實時交互示意

3.2 機群協同作業

基于對各工序機械設備作業數據的采集分析，云端平臺在將數據共享給各參建方的同時，也可將其在機群之間共享，有效促進機群之間協同作業和工序智能管控。鉆爆法隧道施工成套機械設備智能監控與協同交互界面，如圖4所示。

圖4 鉆爆法隧道施工機械智能監控與協同交互界面

3.2.1 單機多臂協同

以智能三臂鑿巖臺車為例，通過對其3個臂架位移、角度等數據的采集，精確掌握每個臂在空間的相對位置，通過程序自主限制臂架移動的速度和位移，避免3個臂在空間運動過程中碰撞、干擾，實現各臂架運動路徑的自動規劃。

3.2.2 單工序多機協同

為提高施工效率，保證工程的施工進度，針對性的關鍵工序可通過多機協同作業的方式，借助統一、通用的同類型多機同步作業設備數據信息共享、交互信道，建立同源異構設備的多源信息融合自決策能力，最終打造具有單工序多機協同控制決策的機器人作業協同。例如，智能三臂鑿巖臺車在大斷面隧道雙機并打工況下的實時碰撞檢測、動態孔序規劃和臂架路徑規劃。

3.2.3 多工序協同

鉆爆法隧道施工工序復雜、涉及的機械設備種類繁多，工序安排不及時極易造成施工效率降低、工程進度滯后。多工序協同將采集的關鍵工序施工數據，以及各工序機械設備所產生的施工數據，經云端平臺交互、共享，機械設備根據接收的其他工序的數據，及時調整施工、作業控制參數；施工完成后，機械設備及時向云端平臺反饋施工數據，云端平臺接收到數據后，可動態調整工序安排，保證各工序之間無縫銜接，進一步確保工程的質量和進度。

以智能三臂鑿巖臺車為例，在開挖爆破后，經三維掃描儀對整個輪廓進行掃描，記錄整個輪廓上的超/欠挖情況，并生成相對應的掃描日志；掃描日志經多級網絡上傳至云端平臺，云端平臺可提前安排下一工序，并將掃描日志共享給智能濕噴臺車，智能濕噴臺車可根據掃描日志有效控制各區域的濕噴方量，在保證施工質量的同時，有效減少施工成本。

4 結束語

針對鐵路鉆爆法隧道施工成套機械設備協同作業的數據共享需求，提出鐵路隧道工程智能建造數據共享方案：設計了云－邊－端組網架構，以及適用于該架構的數據共享關鍵技術。該方案已在相關隧道工程中應用，進一步保障了現場成套機械設備施工數據傳輸的高效性和安全性；在隧道環境惡劣、網絡通信信號受限條件下，解決了成套機械設備數據采集、傳輸的技術難題；在機械設備群互聯與數據共享的基礎上，依托機械設備協同管理云平臺，實現了人（參建人員）－機（機械設備群）－巖（圍巖）之間的實時高效協同。

隧道工程建造由機械化逐步升級到智能化是現代鐵路發展的必然趨勢。下一步將深入研究鉆爆法隧道施工成套機械協同的作業體系，進一步提升智能建造的可靠性和過程管控的精細化程度和精準性。