復雜工況下盾構隧道車輛智能調度系統開發及應用

王利明, 曾垂剛, 趙海雷*, 李鳳遠, 全永威, 何蒙蒙

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室, 鄭州 450001; 2.中鐵隧道局集團有限公司, 廣州 511458;3.新疆額爾齊斯河投資開發(集團)有限公司, 烏魯木齊 830000)

隨著國家建設的迅速發展,盾構隧道建設日益增多,僅2022年中國盾構機行業需求量達到578臺,預計2024年需求超過700臺,其中超大直徑盾構將達到16米級[1-4],長距離大直徑隧道施工時,物料運輸的智能化調度對高效施工的作用越來越明顯,假如一旦車輛調度不合適,極易導致車輛擁堵,物料運輸效率低,進而影響盾構正常掘進。目前隧道內運輸車輛主要采用無軌運輸和有軌運輸,其中有軌運輸由于鋪設臨時軌道,車輛行駛速度慢,常常導致物料供應不及時,產生窩工現象,如一般直徑盾構隧道工程[5]。無軌運輸多采用膠輪車,沒有固定的軌道,以現澆底板或者安裝好的預制件作為行駛路面,相對靈活方便,物料運輸速度快[6]。短距離、少車輛的情況下無軌運輸車輛調度相對簡單,已操作。但是在長大直徑盾構隧道施工時,運輸車輛較多,人工車輛調度就顯得復雜,合理安排運輸車輛就比較難了,而且容易產生車輛擁堵甚至碰撞等現象。因此,長大直徑盾構隧道工程無軌運輸時開展車輛智能調度系統研究,合理調度所有車輛對盾構正常掘進至關重要。

目前許多學者針對隧道工程施工中物料運輸車輛安全高效運行開展了部分研究,例如,徐正帥[7]針對蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程斜井車輛溜車問題,開展了道路設計、管線布設、防溜裝置、車輛管理和安全駕駛5個方面進行了研究;鄭麗洪[8]優化了太行山隧道單線長斜井工程車輛方案,提高了車輛運輸效率;宿喜紅[9]研究了交通和隧道兩個監控系統的聯動控制方案,對運營隧道車輛安全行駛提供了技術保障;李良[10]指定了單車道隧道時無軌車輛機械化配套方案,并提出了進度指標,提高了物料運輸效率;代永文[11]依托通海隧道施工,利用理論計算方法確定了無軌運輸相關參數,提高了車輛使用效率。另外,也有部分學者通過數學方法建立車輛運輸相關計算模型,例如,白云[12]在尋求車輛運輸最優化時采用用拉格朗日乘子法建立模型,獲得了盾構隧道工程單軌道岔數量及最優布設問題;梁峻海等[13]針對長距離大直徑的盾構隧道工程,建立了單車道運輸車輛調度模型;徐華升等[14]基于運籌學規劃技術建立物料運輸數學模型,得到了最佳物料調度方案;朱鵬浩等[15]基于神經網絡和粒子算法建立隧道事故圖像識別技術,建立了隧道智能巡檢系統;陳鵬等[16]依托蘇通(氣體絕緣金屬封閉輸電線路gas-insulated metal-enclosed transmission line,GIL)綜合管廊工程,針對長大盾構隧道無軌運輸開展模型優化研究,指導了物料運輸方案制定和實施;封坤等[17]建立了無軌運輸車輛安全性評價模型,優化了車輛運輸方案;唐義[18]利用遺傳算法研究了運輸車輛調度策略,建立了無軌運輸車輛調度數學模型,對工程施工具有一定的指導意義。

綜合分析,關于隧道工程物料運輸車輛調度方面的研究多是理論研究,而關于車輛智能調度及系統的開發更是少見。因此,現依托上海軌道交通市域線機場聯絡線度假區站(不含)～凌空路轉換井區間超大直徑盾構隧道工程,針對施工物料及運輸車輛的特點,開展單車道運輸車輛智能調度、智能避讓技術的研究,建立車輛智能調度及避讓模型,開發隧道車輛智能調度系統,通過施工現場的成功應用,有效地提升長大隧道工程施工效率及行車安全。

1 工程背景

上海軌道交通市域線機場聯絡線是上海市域鐵路之一,從虹橋樞紐站至上海東站,東西方向走向,全長68.6 km,其中度假區站(不含)～凌空路轉換井區間全長4 721.099 m,采用直徑14.04 m的“虹浦號”盾構機掘進施工,如圖1所示。隧道管片外徑13.6 m,內徑12.5 m,管片厚度為0.55 m,環寬2 m,采用6+2+1/2形式。隧道內部結構為全預制結構,共分為5部分,分別為下部結構、中隔墻、橫向牛腿、兩側電纜槽,如圖2所示。

圖1 “虹浦號”盾構機Fig.1 Shield machine of “Hong Pu”

圖2 隧道內部結構示意圖Fig.2 Tunnel interior schematics

根據隧道斷面和施工進度指標對水平運輸的要求,洞內運輸采用無軌運輸。管片、下部結構(弧形件)、中隔墻及管線等施工材料采用專用車輛運輸,砂漿及混凝土采用混凝土罐車運輸。所有運輸設備均配置雙車頭,在洞內單車道行駛時無需調頭即可駛出洞外。隧道內水平運輸示意圖如圖3所示。

圖3 隧道內水平運輸示意圖Fig.3 Map of horizontal transport in tunnels

單個區間管片和下部結構的運輸車共配置4輛,每車分別運輸5塊管片、1塊中隔墻預制塊和1塊弧形件;運送管線及油脂等材料安置在弧形件運輸車上;砂漿采用3輛混凝土罐車(12 m3)運輸,按注漿量35 m3/環考慮,每循環需運送3車次。

2 整體方案

2.1 車輛定位系統設計

2.1.1 定位系統架構

智能車輛調度系統中定位功能主要是實時確認地下隧道內行駛車輛的位置,為車輛避讓算法提供數據。定位系統架構主要包括位置確認、信號傳輸、和定位應用,如圖4所示。

圖4 定位系統架構圖Fig.4 Positioning system architecture

2.1.2 定位系統原理

地下隧道空間內車輛定位的關鍵技術是車輛行駛過程中的無線定位。該系統定位技術主要采用信號強度法(received signal strength indicator,RSSI),利用信號傳播模型根據車載終端獲取信號強度值反算車輛距離,并由至少3個參考節點間的距離測出車輛的坐標,該基于信號強度的定位方法計算簡單,相對成本較低,其技術具體模型如圖5所示。

APn為第n個基站

2.1.3 車載終端開發

根據功能需求研發了車載終端,車載終端采用便攜式設計,具體包含定位標簽、語音提示單元、無線通信模塊、CPU控制單元和電源管理模塊。主要功能是為控制中心提供車輛位置信息,接收會車調度信息,并提示駕駛員避讓、減速通過或者減速慢行。車載終端實物圖如圖6所示。

圖6 車載終端Fig.6 Vehicle terminal

2.2 車輛智能調度系統建立

基于施工所需物料基本信息分析一個物料運輸周期內各物料用量,結合施工用車輛類型明確運輸周期內物料運輸車輛的次數,進而確定運輸周期內車輛運行次序方案,建立車輛調度模型。

2.2.1 車輛運行時間

隧道施工主要包括盾構掘進施工、弧形件和中隔墻等預制件安裝,所需物料主要有管片、弧形件、中隔墻、砂漿、管材(泥漿管、水管等)以及螺栓、油脂等輔助物料,如表1所示。物料運輸過程中主要考慮管片、弧形件、中隔墻、砂漿、管材等,其他物料按需運送。

表1 施工物料基本信息Table 1 Construction Material Basic Information

表2為盾構施工每工序作業時間,其中工序1～4相互銜接,作業時間不重合,所需作業時間共計160 min。工序5主要是物料運輸,所需作業時間為60 min,但可以在工序1～4作業期間進行施工,所以,該項目施工時每環作業時間為160 min,在該周期內統籌調度車輛運輸管片、中隔墻、弧形件、砂漿及管路等,并根據車輛類型確定運行次數。

表2 各工序用時統計表Table 2 Table of time spent on each process

2.2.2 車輛運行方案

在車輛調度過程中主要考慮物料重要程度和車輛運行時間,制定物料運輸優先、減少車輛等待時間的原則,確定運輸車輛調度次序方案。隧道施工現場運輸車輛相關參數如表3所示。

表3 車輛運行相關信息表Table 3 Vehicle operation related information sheet

在盾構隧道施工過程中,管片除了作為隧道結構外,還為盾構掘進提供支撐作用,一旦管片無法及時運輸、拼裝,將會影響盾構掘進,進而影響施工周期,因此,管片運輸具有車輛調度次序方案的優先權。通過表3可知,砂漿運輸罐車運行速度最快,卸料時間短,現場調度時相對較靈活,在制定車輛調度次序方案時可以最后考慮。因此本項目車輛調度次序原則為: 先安排管片的運輸,再安排弧形件或中隔墻的運輸,最后安排砂漿罐車的運輸。砂漿罐車的運輸和卸料依次安排在雙頭車運輸和卸料的2個時間段內。在運輸周期內安排2車次雙頭車運輸管片、1車次雙頭車運輸弧形件或中隔墻、2車次罐車運輸砂漿,管材等輔助物料與弧形件或者中隔墻同車。

2.2.3 車輛調度模型建立

隧道內單車道的長度隨著盾構機掘進及弧形件和中隔墻的安裝而不斷增加,以車輛運行周期為目標函數對車輛行駛和物料卸載時間進行研究,可以得到每循環掘進所需物料車輛運輸周期與單車道長度之間的關系函數,從而得到盾構施工一定距離時每環運輸周期,從而確保盾構掘進時施工物料充足,保障長大盾構隧道工程高效施工。

Ti=L/Vi

(1)

式(1)中:Ti為某項目用時時間,min;L為單車道長度,km;Vi為某項目運行速度;km/h。

通過項目分析可知,砂漿罐車卸料后等待駛出時間Δts1、砂漿罐車等待卸料時間Δts2、運輸周期T計算公式為

Δts1=Tsk+Tsm-tqx

(2)

Δts2=tgx-Tgm-Tgk

(3)

T=Tsk+Tsm+tgx+Tsk+Tsm+tgx+
Tsk+Tsm+tqx=3(Tsk+Tsm)+2tgx+tqx

(4)

式中:Tsk為雙頭車空載運行用時,min;Tsm為雙頭車滿載運行用時,min;Tgk為罐車空載運行用時,min;Tgm為罐車滿載運行用時,min;tgx為管片卸料用時,min;tzx為中隔墻卸料用時,min;tqx為弧形件、砂漿、管材等卸料用時,min。

2.3 車輛智能避讓系統建立

2.3.1 數據處理與傳輸

智能避讓系統的建立,必須基于對數據的高效處理與穩定傳輸的基礎之上。基于此,采用Kalman濾波技術能夠消除數據傳輸誤差的方法,建立了Kalman預測模型,具體如圖7(a)所示,實現了車輛運行軌跡的精準預測;利用優選節點加權質心定位算法解算車載終端相對各參考信標的位置坐標,實現了交互數據的高效精確處理,具體如圖7(b)所示。

k為車輛行駛時刻;v為車輛運行速度;A為節點質心;Mi為算法估計質心點;Li為輔助線

2.3.2 智能避讓優先級別建立

根據現場施工物料的使用先后,為滿足智能調度的需求,必須為現場的運輸車輛的行駛級別建立一定的規則。上海軌道交通機場聯絡線配備有雙頭車和罐車,雙頭車可以用來運輸管片、中隔墻、弧形件以及管材等材料,罐車運輸砂漿確保壁后同步注漿材料的及時供應。系統設計時給出避讓車規則配置界面,可以配置某類車型的優先級,從而改變避讓車規則。現場車輛級別如表4所示。

表4 現場車輛級別分配表Table 4 On site vehicle support level table

根據隧道內單車道長度、車輛類型等情況,建立車輛智能避讓、安全車距提醒規則。規定下行為車輛向洞內行駛方向,上行為車輛向洞口方向行駛。

(1)A車輛級別=B車輛級別時,上行車輛注意讓行,下行車輛緩慢通過。

(2)A車輛級別(高)>B車輛級別時(低),A車輛緩慢通過,B車輛注意讓行。

(3)后方車輛距離前方車輛200、100 m時,對后方車輛進行安全車間提醒。

3 現場安裝及應用

3.1 位置確認系統安裝

位置確認層主要是有獲取車輛位置信息的定位信標組成,通過其與車載終端數據交互實現車輛位置的反算定位。現場應用時在地下隧道內布設間距為30 m,覆蓋隧道內車輛行駛范圍,定位信標的現場安裝如圖8所示,現場安裝位置如表5所示。

表5 定位信標現場安裝位置Table 5 Site installation position of positioning beacon

圖8 定位信標現場安裝Fig.8 Positioning beacon field installation

3.2 信號傳輸系統安裝

信號傳輸層主要是通過無線和有線傳輸的方式實現車載終端與服務器進行數據交互,實現調度中心與運輸車輛的上傳下達。該功能的具體實現只要為車載終端通過無線傳輸方式將車輛數據傳至定位基站,定位基站通過光纖將數據傳至調度中心服務器,通過該系的定位及避讓算法運算后,將數據命令通過原路返回至車載終端,對運輸車輛駕駛員進行及時提醒。信號傳輸層的現場安裝如圖9所示。

圖9 網絡傳輸現場安裝Fig.9 Network transmission field installation

3.3 定位應用系統安裝

定位應用層主要是由定位引擎、智能避讓算法、軟件應用等組成。定位引擎主要是通過信號強度法(RSSI)對車輛位置信息進解算,實現車輛位置的精確定位。智能避讓算法主要是利用車輛精確位置信息根據避讓規則進行運算,得到車輛避讓、緩慢通行等結果,并通過數據傳輸至車載終端。軟件應用可實現于已有應用平臺搭載,僅作為協同管理系統的一部分,實現人機交互,其具有應用系統管理、避讓規則管理、歷史查詢等功能。系統管理主要包括用戶、角色、車輛和機構管理。避讓規則管理主要對終端設備、車輛及避讓規則進行管理。歷史查詢主要是車輛運行日志、歷史軌跡等查詢。定位應用層如圖10所示。

圖10 定位應用層Fig.10 Positioning application layer

3.4 應用效果

通過隧道車輛智能調度系統在上海軌道交通機場聯絡線度假區站～凌空路轉換井區間大直徑隧道的應用,實現了隧道車輛相向行駛的智能避讓,節省了單車道運行車輛倒車避讓所需時間,較系統使用以前運輸效率提高了60%。運輸車輛間50～200 m范圍內的防追尾提醒,有效提高現場運輸車輛的安全指數。自2022年7月份以來,智能調度系統平均每天為車輛提醒次數達26余次,使用頻率高。現場應用效果如圖11所示。

圖11 現場應用效果Fig.11 Field application effect picture

4 結論

(1)開發了具有位置感知、網絡傳輸、定位應用功能的精準定位系統,為復雜工況下車輛實時定位、智能調度和避讓提供數據支持。

(2)結合上海軌道交通市域線機場聯絡線度～凌區間超大直徑盾構隧道工程物料運輸需求,分析施工物料優先性,以減少車輛等待時間為目標確定車輛調度次序,建立了車輛調度模型。

(3)隧道車輛智能調度系統的成功應用,提前20～35 s為相對行駛車輛進行避讓預警,在相距50～200 m范圍內進行車輛安全車提醒,提高了超大直徑盾構隧道物料運輸效率,提升了長距離隧道單車道多車輛行駛安全。