集成實時掘進數(shù)據(jù)的盾構(gòu)隧道施工管理虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

瞿浩，李海寶，周應(yīng)華

（1.中鐵二局集團勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2.中國中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450001）

0 引言

近年來，盾構(gòu)法以其高效、快速、安全等特點，在城市地下空間開發(fā)施工過程中得到廣泛應(yīng)用［1］，但面對日益繁重的工程建設(shè)任務(wù)及復(fù)雜多變的工程施工風(fēng)險，由于施工技術(shù)人員經(jīng)驗不足、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、施工過程數(shù)據(jù)量大等主客觀因素的存在，盾構(gòu)隧道施工中還存在著諸如信息溝通不及時、人機物調(diào)配不合理、管理制度不完善等問題［2］。因此，應(yīng)用先進信息化技術(shù)，探索研發(fā)科學(xué)、有效的盾構(gòu)施工安全、質(zhì)量監(jiān)控管理手段與方法，已成為地鐵隧道工程建設(shè)日常管理工作的當(dāng)務(wù)之急。

目前，盾構(gòu)法施工監(jiān)控的管理主要針對盾構(gòu)機傳輸數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用。周文波等［3］介紹了一種盾構(gòu)隧道信息化施工智能管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)、數(shù)據(jù)的發(fā)布、施工數(shù)據(jù)的分析方法進行了詳細(xì)介紹；項貽強等［4］對盾構(gòu)設(shè)備施工遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建進行介紹。目前盾構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)多以B/S構(gòu)架為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸方面的工作原理也較為完善，而對于結(jié)合項目對盾構(gòu)風(fēng)險監(jiān)控的功能需求、與BIM 技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的研究較少。

隨著現(xiàn)代計算機可視化技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)日益趨于成熟，其中，三維渲染引擎Unity3D 有易操作性和學(xué)習(xí)時間成本低，并且能夠讓開發(fā)者創(chuàng)建如視頻中絢麗的場景、逼真的建筑物、實時三維動畫等優(yōu)勢［5］，已得到廣泛應(yīng)用。基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)模型整合、數(shù)據(jù)集成、信息分析、界面交互等功能，方便使用者在逼真的虛擬環(huán)境中了解盾構(gòu)掘進全方位信息，輔助施工管理與決策。

1 項目概況

新建珠三角城際軌道廣佛環(huán)線是珠三角城際軌道交通網(wǎng)重要骨干線路。項目地處廣州市中心城區(qū)，線路起于廣州南站，經(jīng)大石、科學(xué)中心、琶洲、金融城、智慧城、龍洞、大源和太和站，連接至白云機場，全長46.537 km。預(yù)計通車時間為2021年12月。屆時廣州南站至白云機場僅需30 min。GFHD-1 標(biāo)段包含4 站4區(qū)間（廣州南站—大石站區(qū)間、大石站、大石站—科學(xué)中心站區(qū)間、科學(xué)中心站、科學(xué)中心站—琶洲站區(qū)間、琶洲站（廣州地鐵11號線代建）、琶洲站—金融城站區(qū)間、金融城站），線路走向見圖1。

圖1 GFHD-1標(biāo)段線路走向

GFHD-1標(biāo)段工程重難點如下：

（1）Φ9.13 m 大直徑盾構(gòu)區(qū)間12 次穿越珠江水系，最長穿越段長890 m，盾構(gòu)區(qū)間距河床底最小距離約10 m，施工極易出現(xiàn)噴涌、滲漏水等安全風(fēng)險。

（2）盾構(gòu)區(qū)間下穿佛莞城際隧道、運營地鐵3號線和8 號線及有軌電車線，上跨地鐵7 號線，多處下穿橋梁和隧道、高壓鐵塔、近距離穿越居民區(qū)等建/構(gòu)筑物，安全風(fēng)險極高。

（3）大直徑盾構(gòu)長距離穿越上軟下硬地層，累計穿越長度約6 700 m（單線），極易出現(xiàn)盾構(gòu)機偏移、卡住、蛇行推進，造成地面沉降甚至塌陷、隧道管片破損、盾構(gòu)機損壞等問題。

（4）廣州南站—大石站盾構(gòu)區(qū)間788 m 長距離穿越硬巖地層，花崗巖最高強度123 MPa。

通過研發(fā)盾構(gòu)施工管理虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)盾構(gòu)掘進可視化、過程信息實時共享、施工風(fēng)險預(yù)警預(yù)報和工程數(shù)據(jù)分析借鑒等功能，加強對掘進過程的實時管理，確保掘進安全和順利。

2 系統(tǒng)研發(fā)總體思路

集成實時掘進數(shù)據(jù)的盾構(gòu)隧道施工管理虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包括區(qū)間隧道工程模型、盾構(gòu)機設(shè)備模型、線路地形地質(zhì)模型和周邊主要建/構(gòu)筑物BIM模型搭建，全標(biāo)段盾構(gòu)機掘進和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)集成，以及管理地質(zhì)信息、風(fēng)險源信息、設(shè)備信息和人員信息等的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計、掘進過程進度分析和風(fēng)險源預(yù)警預(yù)報算法研究、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)工作。該系統(tǒng)通過集成盾構(gòu)機掘進和監(jiān)控量測實時數(shù)據(jù)，驅(qū)動數(shù)字化盾構(gòu)機在地質(zhì)模型中掘進，精確展示盾構(gòu)機掘進位置，方便施工管理人員對掘進過程中盾構(gòu)機工況的全面掌握；結(jié)合周邊風(fēng)險源、地形地質(zhì)、轉(zhuǎn)彎半徑和埋深等信息，輔助優(yōu)化掘進方案；將區(qū)間掘進風(fēng)險控制表信息輸入系統(tǒng)并設(shè)置盾構(gòu)施工參數(shù)預(yù)警值，實現(xiàn)掘進過程的預(yù)警預(yù)報；綜合大量掘進過程數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)施工進度進行大數(shù)據(jù)分析，能夠預(yù)測類似外部條件下盾構(gòu)機掘進的施工效率和最佳施工參數(shù)，指導(dǎo)后續(xù)施工組織和實施。系統(tǒng)開發(fā)工作內(nèi)容見圖2。

2.1 全景模型搭建

根據(jù)設(shè)計圖紙，搭建區(qū)間管片、地形地質(zhì)和主要建/構(gòu)筑物BIM 模型；參考周邊環(huán)境圖片，對周邊環(huán)境進行修改更新；根據(jù)設(shè)備資料，搭建盾構(gòu)機模型。將區(qū)間管片、地形地質(zhì)模型和主要建/構(gòu)筑物模型進行整合，形成地面模型；然后沿著區(qū)間線路，將模型縱斷面進行展開，并參考現(xiàn)場鉆探信息，對區(qū)間縱斷面模型進行更新。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)工作內(nèi)容

分別將區(qū)間管片模型、地面模型、縱斷面模型和盾構(gòu)機模型導(dǎo)入3DMax 進行模型整合、貼圖和渲染（見圖3、圖4），完成與真實場景相符的模型搭建工作。搭建模型清單見表1。

圖3 BIM原始模型示意圖

2.2 工程監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)集成

與盾構(gòu)機掘進監(jiān)控、區(qū)間監(jiān)控量測和視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)集成主要通過Web Service 服務(wù)按照統(tǒng)一的報文格式從指定地址的服務(wù)器中讀取。其中盾構(gòu)機掘進監(jiān)控數(shù)據(jù)主要包含盾構(gòu)機掘進數(shù)據(jù)、盾構(gòu)機VMT 導(dǎo)向數(shù)據(jù)和盾構(gòu)機監(jiān)測數(shù)據(jù)；區(qū)間監(jiān)控量測主要獲取測點數(shù)據(jù)和安全風(fēng)險等級數(shù)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

盾構(gòu)隧道施工監(jiān)控數(shù)據(jù)集成主要包含3個部分：施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、公司總部數(shù)據(jù)存儲發(fā)布和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)集成。數(shù)據(jù)集成架構(gòu)見圖5。

在施工現(xiàn)場，數(shù)據(jù)采集主要是利用盾構(gòu)內(nèi)部傳感器獲取實時施工數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集計算機有2臺，1臺在井下，1臺在地面控制室。這2臺計算機通過網(wǎng)絡(luò)集線器（HUB）相連，實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的共享。

圖4 3DMax渲染模型示意圖

由于盾構(gòu)生成廠商和型號不同，所以公司總部在獲取實時施工數(shù)據(jù)時，需要通過1個Read 程序，為每個盾構(gòu)定做1個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對照表，將不同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到施工現(xiàn)場的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中，將此數(shù)據(jù)片段加密后通過互聯(lián)網(wǎng)傳送至公司總部，經(jīng)公司總部的服務(wù)器將其解密等處理后，放置到總部的服務(wù)器中［3］。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過指定地址集成各公司總部服務(wù)器盾構(gòu)機監(jiān)控數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一采用JSON標(biāo)準(zhǔn)，JSON是一種輕量級數(shù)據(jù)交換格式［6］，易于閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成并有效提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。本項目JSON格式示意如下：

表1 搭建模型清單

2.3 數(shù)據(jù)庫

圖5 盾構(gòu)監(jiān)控數(shù)據(jù)集成架構(gòu)

搭建MySQL 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，按照不同數(shù)據(jù)類型（隧道線路參數(shù)信息、地質(zhì)埋深信息、風(fēng)險源和風(fēng)險控制表信息、盾構(gòu)掘進參數(shù)和進度信息、全標(biāo)段組織架構(gòu)、人員信息等）對數(shù)據(jù)進行分類并設(shè)計不同數(shù)據(jù)庫表；針對數(shù)據(jù)庫運行過程中巨大數(shù)據(jù)量，需要形成高效的數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)；按照施工進度順序，對數(shù)據(jù)庫中各類數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)存儲，便于尋找各類型數(shù)據(jù)變量間與盾構(gòu)機運行數(shù)據(jù)的相關(guān)性。通過系統(tǒng)應(yīng)用需求分析，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為五類：人員信息表、地質(zhì)信息表、隧道信息表、風(fēng)險信息表、盾構(gòu)信息表。

（1）人員信息表：使用MySQL 建立面向人員的數(shù)據(jù)庫，結(jié)合項目組織架構(gòu)實現(xiàn)不同用戶角色的權(quán)限管理，且由于人員信息不斷變化，支持查詢、增加、刪除等操作。人員信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計見表2。

（2）地質(zhì)信息表：建立地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，支持隧道地質(zhì)情況、地質(zhì)類別、巖石強度等地質(zhì)參數(shù)信息查詢管理，并且根據(jù)勘探數(shù)據(jù)進行不斷更新。地質(zhì)信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計見表3。

表3 地質(zhì)信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計

（3）隧道信息表：建立隧道信息數(shù)據(jù)庫，將線路平縱曲線以參數(shù)數(shù)據(jù)信息進行管理，便于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)信息展示和數(shù)據(jù)分析。隧道信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計見表4。

表4 隧道信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計

（4）風(fēng)險信息表：建立風(fēng)險信息數(shù)據(jù)庫，結(jié)合隧道施工管理過程中的風(fēng)險控制表，將施工風(fēng)險點的盾構(gòu)參數(shù)參考值集成到數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)施工過程預(yù)警預(yù)報和輔助風(fēng)險控制。風(fēng)險信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計見表5。

（5）盾構(gòu)信息表：建立盾構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫，實時記錄盾構(gòu)掘進過程中的主要參數(shù)值，實現(xiàn)盾構(gòu)參數(shù)狀態(tài)實時監(jiān)控、安全風(fēng)險預(yù)警預(yù)報和掘進過程分析優(yōu)化。盾構(gòu)信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計見表6。

2.4 掘進過程分析

風(fēng)險預(yù)警預(yù)報是分析盾構(gòu)掘進的實時數(shù)據(jù)，與風(fēng)險信息表中盾構(gòu)參數(shù)參考值進行對比，根據(jù)數(shù)據(jù)偏差大小進行紅色預(yù)警和橙色預(yù)警，對于預(yù)防危險、安全生產(chǎn)意義重大。

工程進度對比是依靠盾構(gòu)掘進的歷史數(shù)據(jù)，探索類似地質(zhì)間盾構(gòu)掘進進度的相關(guān)性和差異性，從而給盾構(gòu)掘進施工人員在掘進參數(shù)設(shè)置和取值上提供指導(dǎo)性意見。

掘進參數(shù)優(yōu)化是通過數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，使用包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計、相關(guān)性分析和規(guī)律尋找等方法研究數(shù)據(jù)分析算法，實現(xiàn)對不同盾構(gòu)機在不同地質(zhì)、埋深、轉(zhuǎn)彎半徑等條件下的掘進進度和掘進參數(shù)進行對比分析，最終形成盾構(gòu)實時掘進分析系統(tǒng)，供后續(xù)工程應(yīng)用借鑒。

表5 風(fēng)險信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計

表6 盾構(gòu)信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計

掘進分析輸入、輸出信息見表7、表8。

表7 掘進分析輸入信息

表8 掘進分析輸出信息

2.5 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)首先需要整合所有模型，導(dǎo)入Unity3D 虛擬現(xiàn)實引擎，利用物理動態(tài)渲染技術(shù)處理材質(zhì)、環(huán)境、燈光，實現(xiàn)全標(biāo)段工程盾構(gòu)區(qū)間虛擬現(xiàn)實環(huán)境創(chuàng)建。讀取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，通過交互功能開發(fā)和UI 設(shè)計，實現(xiàn)工程參數(shù)實時查詢、掘進位置動態(tài)展示、風(fēng)險預(yù)警預(yù)報、進度對比、參數(shù)優(yōu)化等功能，最終發(fā)布為PC 端和移動端應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)流程見圖6。

（1）模型導(dǎo)入及整合（見圖7）。將3DMax 處理后的模型導(dǎo)入Unity3D 后，分為平面展示和縱斷面展示2個場景，并分別根據(jù)2個場景應(yīng)用需求為模型添加剛體和碰撞等物理特性，防止在模型漫游過程中出現(xiàn)穿越等現(xiàn)象，增強虛擬現(xiàn)實環(huán)境的逼真程度。

（2）場景元素渲染（見圖8）。為了模擬實際環(huán)境和展示必要的工程信息，需要添加天空、光照等場景元素和必要的文字符號。在Skybox 中設(shè)置晴朗無云的天空；光照使用默認(rèn)光源Directional Light，并通過光源x、y、z值的設(shè)置實現(xiàn)照射方向的控制；調(diào)用文字控件Text在三維模型指定位置添加文字符號信息。

（3）交互指令添加。為了實現(xiàn)系統(tǒng)中模型瀏覽和功能展示，需要依托Unity3D 引擎添加一些交互指令，交互的實現(xiàn)主要通過編寫C#腳本并綁定到對應(yīng)的對象上。將自動瀏覽路徑與區(qū)間線路綁定，視圖就會沿著線路走向自動切換，實現(xiàn)自動漫游功能（見圖9）；當(dāng)盾構(gòu)機狀態(tài)為掘進中時，運行程序控制盾構(gòu)機模型旋轉(zhuǎn)，模擬現(xiàn)場掘進；虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)其他功能間切換和視圖控制也是通過腳本程序?qū)崿F(xiàn)。

圖8 場景元素渲染

圖9 自動漫游

（4）UI 設(shè)計。界面的美觀、功能的布局和操作的友好直接影響系統(tǒng)成敗。本項目界面通過參考施工現(xiàn)場盾構(gòu)監(jiān)控，結(jié)合系統(tǒng)功能應(yīng)用需求，以直觀、大方、科技感和易操作為要求，經(jīng)專業(yè)美工設(shè)計加工而成。由于盾構(gòu)是定制性產(chǎn)品，不同的掘進模式監(jiān)控界面都有所不同，所以需要按照不同盾構(gòu)單獨設(shè)計界面。掘進過程盾構(gòu)機控制參數(shù)眾多，系統(tǒng)參考風(fēng)險控制表信息，主要展示刀盤、推進、螺旋機、同步注漿、鉸接和盾構(gòu)姿態(tài)等信息，滿足盾構(gòu)隧道施工管理要求。盾構(gòu)主監(jiān)控界面見圖10。

（5）系統(tǒng)發(fā)布。為了幫助項目管理者能夠隨時隨地應(yīng)用盾構(gòu)隧道施工管理虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，利用Unity3D支持多平臺程序發(fā)布的特點，發(fā)布為PC 端和移動端應(yīng)用，滿足不同的應(yīng)用場景需要。

圖10 盾構(gòu)主監(jiān)控界面

3 結(jié)論

通過對集成實時掘進數(shù)據(jù)的盾構(gòu)隧道施工管理虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究，得出以下結(jié)論：

（1）搭建了地形地質(zhì)、周邊環(huán)境、主要建/構(gòu)筑物和區(qū)間管片模型，通過盾構(gòu)機實時掘進數(shù)據(jù)，定位到掌子面空間位置，直觀觀察到周邊地質(zhì)情況和風(fēng)險源，輔助優(yōu)化掘進方案。

（2）實時集成盾構(gòu)機掘進監(jiān)控和區(qū)間監(jiān)控量測信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過與事先制定的風(fēng)險控制表參數(shù)對比，實現(xiàn)對施工過程風(fēng)險的預(yù)警預(yù)報。

（3）建立包含掘進過程中地質(zhì)埋深、轉(zhuǎn)彎半徑、風(fēng)險源情況和盾構(gòu)機運行數(shù)據(jù)等的工程信息庫，并進行大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)進度對比和方案優(yōu)化等功能，可為后續(xù)工程應(yīng)用提供借鑒。