隧道施工智能調度管理系統研究

于大成

（中鐵十局集團城建工程有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

近年來，隨著我國隧道施工技術水平的發展，隧道施工逐步從人力施工向機械化施工轉變。但是，在隧道施工的工序管理、人員管理、機械設備調度方面，仍要依靠施工現場的管理人員進行組織管理，而管理人員的業務水平、管理經驗、責任心，在很大程度上影響了施工的效率和質量。目前，資源配置不足、各工序銜接不緊湊、作業時間長等突出問題，造成了隧道工程進度緩慢、工期滯后等問題，大幅增加了后期趕工的成本，施工質量也不能得到有效保障。因此，隧道施工組織管理流程化、規范化，勢在必行。一套適合于隧道施工組織的智能化管理系統，可以有效減少各種不利因素。

1 隧道施工組織中的主要問題

1.1 工序銜接不可控

隧道施工專業性強，施工環境較為惡劣，一些經驗不足、責任心不強的管理人員，很難合理地組織施工。但是，由于施工工序的組織多依賴于勞務班組的管理人員或現場管理人員的技術水平，因而不合格的管理人員，極易因失誤造成工序銜接不緊湊的問題。

1.2 作業人員管理混亂

隧道作業人員的考勤管理，主要依靠現場點名的方式進行。但隧道作業人員更換頻繁，作業班組謊報人數等問題突出，因而常常出現報表與實際不符，無法準確掌握各道工序每班的作業人員數量，不能及時發現作業班組管理中存在的問題，無法準確掌握現場資源的配置情況。

1.3 機械設備的有效利用率低

隧道工程施工常常受制于作業空間狹小，外加管理力量薄弱，致使機械設備的有效利用率普遍較低。在有限的空間內，對機械設備的調度難度大，特別是在單線隧道中，往往因為無法錯車而造成長距離倒車，不能形成有序的交通運輸體系，同時還增加了油耗，降低了施工效率。同時，項目部也無法及時掌握隧道內車輛的運轉狀態和運行軌跡，不利于對車輛的調度。項目管理也無法做到精準的單機核算，使得大量性能差的老舊設備得不到及時更換，造成油耗大、施工效率低、養護成本高等問題[1]。

2 隧道施工智能工序調度管理系統的業務架構

針對隧道施工調度不精確的痛點，利用隧道施工智能化系統，結合隧道內的車輛定位、人員定位、現場管理、安全管理、視頻監控等模塊，開發出一套隧道標準化施工調度指揮流程，就可以對人員、材料、機械設備和工序進行有效控制，實現各道工序的無縫對接，各班組間的緊密配合。同時，還能打造智能裝備和工裝，升級傳統工藝、工法，降低作業風險，減少資源消耗，提高作業效率。

隧道智能工序調度管理系統，可分為四個層面：感知層、網絡層、數據平臺層和應用層。

2.1 感知層

感知層面應充分利用物聯網技術和移動通信設備，提高工地的現場管控能力，通過傳感器、攝像頭、RFID和手機等專業的終端設備，實現對隧道內數據的實時監控與采集，對現場的智能感知和高效協同，提升現場管理能力[2]。

2.2 網絡層

以隧道洞口為例，可以從隧道口的機房開始，架設24芯國標電信級單模光纖進入隧道內，基于隧道內的施工環境，將光纖布置到襯砌臺車的后方，通過光轉電模塊，網絡信號通過無線網橋，通過大功率戶外無線AP實現掌子面及其他重點區域的Wi-Fi信號覆蓋，為掌子面提供網絡通信，把視頻信號、有毒或有害氣體檢測及其他監測數據傳送回隧道洞口的機房。

隧道內每隔約500m安裝一個防塵、防爆箱，箱內包含光纜終端盒、工業交換機和電源適配器，每個防塵、防爆箱通過光纜進行連接，最終匯聚到隧道口/斜井口附近的信息機房交換機。交換機連接著無線Mesh路由器，無線Mesh路由器以無線多跳互聯的方式形成自組織網絡，并通過無線連接的方式連接Mesh網關，Mesh網關將信息通過光纜匯聚到信息機房，見圖1。

2.3 數據平臺層

為了更好地對隧道內的施工情況進行把控，除了在感知層進行現場監控外，還需要利用平臺層處理多種復雜的數據。在整體構架中，平臺層提供著高性能的計算能力以及低成本的含量數據存儲能力，云平臺可以對網絡層傳回的基礎數據進行存儲和高效計算，使項目的參與人員更便捷、更快速地對感知層上報的信息進行分析、處理，從而實現高效的協同作業。

2.4 應用層

隧道施工智能工序調度管理系統應用層的核心內容，始終圍繞著提升隧道施工管理這項核心業務，通過在平臺系統中預置的施工工序時間分配、人員調度信息、車輛分配信息等模塊，利用手機端和電腦端操作系統，實現通知人員上下班及分級預警、作業時間監控、輔助工序考核等功能。具體功能包括：

2.4.1 提前自動通知各工序人員上班時間、打卡、施工準備等工作，對延誤時間的人員進行統計，自動形成周、月預警信息統計分析。

2.4.2 提前通知施工中所需的各類機械化設備進場，合理安排隧道內各種車輛的工作。

2.4.3 設置工序時間統計分析模塊，根據圍巖級別、開挖工法、進度指標等確定各工序的施工標準時長，通過系統自動分析形成每道工序循環時長的統計分析表[3]。

3 隧道施工智能調度系統

隧道施工組織智能調度系統以施工作業面為核心，以合理組織施工工序，提高施工效率，實現隧道工序管理智能化、高效化、協同化為目的，以影響隧道施工進度的人員管理、機械設備管理、工序管理為對象進行研究，實現隧道工序管理、工序考核、人員管理、車輛管理為一體的智能化管理，見圖2。

3.1 人員管理模塊

隧道人員定位及安全監測管理系統是在UWB技術的基礎上，結合通信、計算機及網絡技術，實現綜合管理應用。該系統可以幫助管理人員隨時掌握隧道施工現場所有人員的運動軌跡，便于更合理地調度、管理。

3.1.1 作業人員定位系統

通過對作業人員的信息錄入、門禁系統、UWB無線通信技術人員定位管理系統的應用，可實現人員的實時定位、考勤統計等功能，方便員工及特定人員（如值班員、特殊人員）進行查找，便于調度、指揮工作，如圖3所示。

3.1.2 作業人員行動軌跡管理

通過人員定位系統和模擬地圖，能夠準確掌握作業人員的上下班時間及作業地點，并按周、月統計作業人員的有效工作時間。對于單洞口多作業面隧道施工，還能準確統計、分析作業人員軌跡，避免當同一作業班組同時承擔兩個及以上作業面時，因人員不足而造成瞞報、虛報的情況。

3.2 機械設備管理

在鐵路隧道施工過程中，由于鐵路隧道較窄，只能在一定長度內設置錯車車道，因此當隧道內的施工車輛交匯時，需要其中一輛車倒車至錯車道處，才能進行錯車，這樣就降低了車輛的通行效率，影響了施工進度。

3.2.1 機械設備定位監控功能

采用UWBLOC技術的隧道車輛精確定位功能，可以通過車輛定位系統和洞內模擬地圖，實時監控洞內車輛和避車洞的位置，在車輛駕駛室增裝實時顯示設備，可讓駕駛員清楚了解前方車輛的精準位置；通過智能監控系統，可自動提出車輛行駛、避讓的建議，實時提醒駕駛員[4]；車輛調度指揮平臺，可在洞口值班室與車輛駕駛室之間建立無障礙溝通，讓值班人員與駕駛員之間、駕駛員與駕駛員之間實時語音通話，見圖4。

3.2.2 機械設備的性能監測

該系統可實時監控車輛信息，對車輛的使用狀態、修理狀態進行實時監控，便于車輛的調度、管理。同時，還可實時監控車輛的油耗情況，按周、月分析車輛的運轉時間、維修次數、油耗等信息，分析機械設備的利用率。

3.3 工序設置

隧道施工部位，按照影響隧道施工進度的掌子面、仰拱、二襯這三個關鍵部位進行設置，不需要考慮其他部位的工序管理。這三個關鍵部位工序的前后順序、施工時間、施工人員數量、施工機械可根據一定的規則進行合理安排、調整。

3.4 工序管理模塊

以單個隧道施工的掌子面工序管理為對象，采用便于攜帶、方便操作的手機管理系統和電腦端并存的方式，適應不同層級管理人員的管理需要。以隧道超前地質預報、測量放樣、鉆孔、爆破、出渣、找頂排險、作業臺架就位、測量放樣、拱架安裝、噴射混凝土、作業臺架移位、斷面清理、作業臺架就位整個閉合工序管理為對象，通過智能管理平臺，實現隧道施工工序的自動分配、人員通知、自動考核上班時間等功能[5]。

3.4.1 人員通知功能

通過通信軟件和點對點電話系統通知這兩種不同方式，實現各工序上班人員的信息發送，在上一道工序即將完成前的一定時間內，提前通知下一道工序的作業班組做好準備，作業班組在收到通知后，可通過APP反饋信息。

3.4.2 人員監控功能

通過洞口門禁系統、人員定位系統和模擬地圖，實時掌握人員的進洞時間、進入作業面時間、離開作業面時間、出洞時間，從而精準掌握資源配置是否到位、工序銜接是否緊湊。

3.4.3 車輛調度功能

車輛定位調度系統具備車輛統計、路徑跟蹤、軌跡查詢、安全管理、出洞異常提示等功能。在車輛上安裝高精度的定位設備終端與顯示屏，可以實現交互功能，對進入隧道內的車輛進行定位與調度，實時監控隧道內的車輛，為車輛行駛提供安全保障，提高車輛的工作效率。同時，在車輛上安裝探測器和傳感器，可以監測車輛的油耗、運行狀態等信息。

3.4.4 輔助工序考核功能

工序時間統計分析模塊，可以根據圍巖級別、開挖工法、進度指標等確定各工序施工的標準時長，通過系統自動分析形成每循環、每工序時長的統計分析表。在分析表中公布獎罰標準，可根據不同作業人員進入作業面的時間，自動計算獎罰金額，體現出考核的差異性。

若某道工序因施工原因造成延誤，在系統中輸入相關參數后，系統可自動調整后續工序的作業時間，對后續工作人員、車輛等進行自動延時通知。

3.4.5 分級預警、數據統計功能

系統通知作業班組上班后，可通過門禁系統和人員定位系統進行自動監控，若在規定時間內，作業班組未進洞、未進入作業面，系統會根據延誤時間的不同，自動發送預警信息至班組長、現場副經理、項目經理處。同時，系統還會對延誤時間進行統計考核，自動形成對周、月預警信息的統計分析，可用于對作業班組的整體評價[6]。

4 結語

隧道智能化建造已經成為全國隧道建設的前沿發展方向，研究與踐行隧道智能化建造，是時代賦予工程建設者的神圣使命。未來，物聯網、大數據、人工智能等技術將進一步融合，綜合應用BIM、物聯網、大數據、人工智能等信息技術，可實現隧道建設全過程的信息化、自動化、無人化或少人化智能理念，達到全過程數字化管理，多專業協同管控，從而形成安全、經濟、高效、可靠的信息化管理體系。通過創新管理手段，更新管理理念，以信息化1+N+工區/班組、物聯網等為載體，通過隧道的智慧調度管理系統，提高管理效率。因此，對隧道施工智能調度管理的理論、技術應用，必將提升我國隧道建造技術的機械化、信息化水平，推動隧道建造技術向智能化方向發展，實現高新技術的研發與擴散，使隧道工程建造產業鏈得到極大的拓展與延伸，帶動相關產業的技術升級。