鐵路隧道智能建造通信承載平臺方案研究

陶柁丞

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 概述

2017年，中國國家鐵路集團有限公司的《鐵路信息化總體規劃》提出全力推進中國鐵路信息化CR1623標志性工程建設的目標[1]。智能京張、智能京雄等重大工程建設中提出建設“智能鐵路”的發展目標。“智能鐵路”是高速發展的信息技術在鐵路行業的應用，包含智能建造、智能裝備和智能運營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性和未來發展方向，是智能建造在隧道領域發展的必然成果。

目前國內鐵路隧道施工通信主要采用模擬對講機、有線電話、WLAN局域網或部分公網引入等方式為隧道施工提供語音通話和數據傳輸功能，呈現碎片性、差異性和不規范性的形態，沒有系統化、可靠、安全和大帶寬的通信技術方案支撐隧道施工作業，已逐漸無法滿足當前隧道施工指揮調度和數字化建設的需求。其中艱險山區鐵路沿線環境艱險復雜，面臨極端地質災害、工程異常艱巨的困難與挑戰。與其他鐵路不同的是隧道占比極高，施工工期長，大量施工作業在隧道內進行。面對復雜惡劣的隧道內作業條件，靈活多樣的隧道智能建造通信需求，當前的隧道施工通信條件更無法勝任，需要加強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的具體延伸與實踐，是基于信息化技術。通過對“地-隧-機-信-人”及內外部環境的全面感知、泛在互聯、融合處理、主動學習和科學決策，以數字資源為核心，以智能化施工裝備為工具，以現代化監控量測為輔助，實現建造過程智能化[3]。智能化施工裝備和監控量測等基于BIM的隧道工程施工領域技術是智能建造的基礎，隧道施工調度管理和安全管理是智能建造的保障，通信傳輸網絡則是實現上述基礎和保障的必要條件。因此隧道智能建造承載平臺應滿足隧道施工安全調度管理和數據傳輸的需求。

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行施工監測以及智能工裝施工狀態實時感知與動態調控。在機械裝備施工期間采集、收集的多類型數據需要實時或定期回傳，多個班組的施工作業人員也需要進行調度管理和安全管理。鉆爆法和TBM法隧道的典型施工機械和人員配置如圖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 承載業務

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點接入；支持語音、視頻、定位、寬帶、智能化設備等多種終端接入；支持多級施工、管理組織架構；具備防塵、防水、防震等施工環境適應性的有線和多種無線通信融合的通信系統，主要承載業務有施工調度指揮、視頻監控數據傳輸、監測數據傳輸（智能工裝監測數據和有害物質監測數據）、建設管理信息數據傳輸和定位數據傳輸5類業務。如圖2所示。

圖2 隧道智能建造通信承載平臺承載業務架構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人員參與班組作業或利用智能工裝進行生產作業，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域利用運輸車輛進行材料運輸。高集中度的智能建造帶來多種智能裝備和班組人員，增加了需要協調管理作業人員的難度。

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

在安全管理方面，需要對隧道內的人員、車輛機械以及火工品進行定位管理，定位數據可及時為應急救援提供支撐。

在數據傳輸方面，語音數據、視頻監控數據、監測數據、建設管理信息數據傳輸和定位數據主要集中在掌子面區域，是通信承載平臺承載業務的主體。

2.3 數據傳輸類型

施工作業人員之間及作業人員與調度人員之間需要進行語音通話，語音數據保障了調度安全管理的上傳下達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據，應保證安全性和可靠性。

視頻監控是隧道智能建造的必要手段，不僅能準確的掌握施工進度、工作環境、工裝狀態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事件。在隧道內掌子面上的攝像機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系統是構建智能裝備的大腦和五官[5]，包含機械車輛本身的監測數據和隧道環境的檢測數據等。實時數據以點位數據為主，一臺TBM設備約有1 000個點位，每秒鐘采集一次數據。非實時數據以點云數據為例，隧道施工的點云數據根據分辨率以及掃描范圍的不同，每次可產生幾十至幾百兆比特數據。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，為隧道內智能裝備采集、感知的數據提供傳輸通道。

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

除施工作業外，隧道智能建造還包含施工建設管理系統，通過圍巖量測、超前地質預報等建設業務數據的傳輸，能及時預警，滿足參建各方協同工作的需要。該類建設管理信息化數據按隧道工點配置。

3 方案研究

3.1 主要功能

根據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度指揮數據、視頻監控數據、監測系統數據、建設管理信息數據和定位數據傳輸通道；提供調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場人員的調度指揮管理功能；提供作業人員、大型機械和火工品的位置定位功能，以及實現施工現場遠程指導功能。

結合不同鐵路建造條件的自身特點，通信承載平臺應充分考慮鐵路隧道施工建設難度大、工期長、條件惡劣等因素，應滿足安全可靠、技術經濟合理、便于管理維護的原則。充分考慮公網資源，合理布局網絡架構，建造期設施可用于運營期相關工程。建造期的通信系統在發生緊急突發事件時，能提供應急救援的通信手段，具備一網多用的功能。

3.2 系統框架

鐵路隧道智能建造的通信承載平臺包含通信承載網絡和應用業務系統兩部分。

通信承載網絡由數據承載網絡和語音網絡構成，解決語音、數據、視頻圖像等寬窄帶數據傳輸功能。數據承載網絡采用無線中繼或光纜連接交換機方式提供傳輸通道，并在隧道內設置WLAN為各類數據提供無線傳輸通道。語音網絡采用DMR網絡對隧道內進行全覆蓋。如圖3所示。

圖3 通信承載網絡框架示意Fig.3 Communication bearer network framework diagram

應用業務系統為現場隧道施工作業人員提供指揮調度、人員車輛定位、可視化遠程控制、協同作業等功能業務。在通信承載網絡上搭載DMR施工調度指揮通信系統、建設單位和施工單位指揮部調度系統、多媒體施工調度指揮通信系統、定位系統及智能穿戴系統等應用業務系統，通過公網既有傳輸通道連接，為隧道施工提供調度、定位等業務功能。系統框架如圖4所示。

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

3.3 關鍵技術難題及實施方案

1）跟隨不斷推進的掌子面提供傳輸網絡

隧道內掌子面附近作業區域施工環境復雜多變，同時作業面隨著隧道施工進程不斷推進，采用有線光纜傳輸方式不適用動態變化的傳輸距離和不穩定的光纜敷設條件。傳輸網絡采用無線中繼方案，分段接力中繼的方式構建數據傳輸網，在滿足可靠性的前提下保障傳輸帶寬容量需求。

2）建造期隧道內的無線電波傳播

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

3）增強隧道智能建造可視化遠程協同管控

隧道智能建造管理領域包含“地-隧-機-信-人”智能建造協同管控與可視化遠程控制系統。針對隧道內惡劣自然環境、地質條件及作業難度，以BIM為先導[7]，結合采用VR、AR等信息化技術手段，為施工作業人員提供可視化遠程協助指導施工操作或機械維護，提供機械化、信息化的多方協同管理。

4） 隧道作業人員、車輛機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人員、車輛機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環境的定位系統，兼顧高精度定位、靈活延伸建設、低維護性和智能化的特點，同時在突發事件時，能為應急救援指揮提供數據支撐。

4 結束語

鐵路建設周期長，特別是艱險山區的鐵路施工環境惡劣，加上地質異常復雜[8]，隧道智能建造是必然的選擇，通信承載平臺是其發揮作用必不可少的保障環節。