隧道施工智能调度管理系统研究

于大成

（中铁十局集团城建工程有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

近年来，随着我国隧道施工技术水平的发展，隧道施工逐步从人力施工向机械化施工转变。但是，在隧道施工的工序管理、人员管理、机械设备调度方面，仍要依靠施工现场的管理人员进行组织管理，而管理人员的业务水平、管理经验、责任心，在很大程度上影响了施工的效率和质量。目前，资源配置不足、各工序衔接不紧凑、作业时间长等突出问题，造成了隧道工程进度缓慢、工期滞后等问题，大幅增加了后期赶工的成本，施工质量也不能得到有效保障。因此，隧道施工组织管理流程化、规范化，势在必行。一套适合于隧道施工组织的智能化管理系统，可以有效减少各种不利因素。

1 隧道施工组织中的主要问题

1.1 工序衔接不可控

隧道施工专业性强，施工环境较为恶劣，一些经验不足、责任心不强的管理人员，很难合理地组织施工。但是，由于施工工序的组织多依赖于劳务班组的管理人员或现场管理人员的技术水平，因而不合格的管理人员，极易因失误造成工序衔接不紧凑的问题。

1.2 作业人员管理混乱

隧道作业人员的考勤管理，主要依靠现场点名的方式进行。但隧道作业人员更换频繁，作业班组谎报人数等问题突出，因而常常出现报表与实际不符，无法准确掌握各道工序每班的作业人员数量，不能及时发现作业班组管理中存在的问题，无法准确掌握现场资源的配置情况。

1.3 机械设备的有效利用率低

隧道工程施工常常受制于作业空间狭小，外加管理力量薄弱，致使机械设备的有效利用率普遍较低。在有限的空间内，对机械设备的调度难度大，特别是在单线隧道中，往往因为无法错车而造成长距离倒车，不能形成有序的交通运输体系，同时还增加了油耗，降低了施工效率。同时，项目部也无法及时掌握隧道内车辆的运转状态和运行轨迹，不利于对车辆的调度。项目管理也无法做到精准的单机核算，使得大量性能差的老旧设备得不到及时更换，造成油耗大、施工效率低、养护成本高等问题[1]。

2 隧道施工智能工序调度管理系统的业务架构

针对隧道施工调度不精确的痛点，利用隧道施工智能化系统，结合隧道内的车辆定位、人员定位、现场管理、安全管理、视频监控等模块，开发出一套隧道标准化施工调度指挥流程，就可以对人员、材料、机械设备和工序进行有效控制，实现各道工序的无缝对接，各班组间的紧密配合。同时，还能打造智能装备和工装，升级传统工艺、工法，降低作业风险，减少资源消耗，提高作业效率。

隧道智能工序调度管理系统，可分为四个层面：感知层、网络层、数据平台层和应用层。

2.1 感知层

感知层面应充分利用物联网技术和移动通信设备，提高工地的现场管控能力，通过传感器、摄像头、RFID和手机等专业的终端设备，实现对隧道内数据的实时监控与采集，对现场的智能感知和高效协同，提升现场管理能力[2]。

2.2 网络层

以隧道洞口为例，可以从隧道口的机房开始，架设24芯国标电信级单模光纤进入隧道内，基于隧道内的施工环境，将光纤布置到衬砌台车的后方，通过光转电模块，网络信号通过无线网桥，通过大功率户外无线AP实现掌子面及其他重点区域的Wi-Fi信号覆盖，为掌子面提供网络通信，把视频信号、有毒或有害气体检测及其他监测数据传送回隧道洞口的机房。

隧道内每隔约500m安装一个防尘、防爆箱，箱内包含光缆终端盒、工业交换机和电源适配器，每个防尘、防爆箱通过光缆进行连接，最终汇聚到隧道口/斜井口附近的信息机房交换机。交换机连接着无线Mesh路由器，无线Mesh路由器以无线多跳互联的方式形成自组织网络，并通过无线连接的方式连接Mesh网关，Mesh网关将信息通过光缆汇聚到信息机房，见图1。

2.3 数据平台层

为了更好地对隧道内的施工情况进行把控，除了在感知层进行现场监控外，还需要利用平台层处理多种复杂的数据。在整体构架中，平台层提供着高性能的计算能力以及低成本的含量数据存储能力，云平台可以对网络层传回的基础数据进行存储和高效计算，使项目的参与人员更便捷、更快速地对感知层上报的信息进行分析、处理，从而实现高效的协同作业。

2.4 应用层

隧道施工智能工序调度管理系统应用层的核心内容，始终围绕着提升隧道施工管理这项核心业务，通过在平台系统中预置的施工工序时间分配、人员调度信息、车辆分配信息等模块，利用手机端和电脑端操作系统，实现通知人员上下班及分级预警、作业时间监控、辅助工序考核等功能。具体功能包括：

2.4.1 提前自动通知各工序人员上班时间、打卡、施工准备等工作，对延误时间的人员进行统计，自动形成周、月预警信息统计分析。

2.4.2 提前通知施工中所需的各类机械化设备进场，合理安排隧道内各种车辆的工作。

2.4.3 设置工序时间统计分析模块，根据围岩级别、开挖工法、进度指标等确定各工序的施工标准时长，通过系统自动分析形成每道工序循环时长的统计分析表[3]。

3 隧道施工智能调度系统

隧道施工组织智能调度系统以施工作业面为核心，以合理组织施工工序，提高施工效率，实现隧道工序管理智能化、高效化、协同化为目的，以影响隧道施工进度的人员管理、机械设备管理、工序管理为对象进行研究，实现隧道工序管理、工序考核、人员管理、车辆管理为一体的智能化管理，见图2。

3.1 人员管理模块

隧道人员定位及安全监测管理系统是在UWB技术的基础上，结合通信、计算机及网络技术，实现综合管理应用。该系统可以帮助管理人员随时掌握隧道施工现场所有人员的运动轨迹，便于更合理地调度、管理。

3.1.1 作业人员定位系统

通过对作业人员的信息录入、门禁系统、UWB无线通信技术人员定位管理系统的应用，可实现人员的实时定位、考勤统计等功能，方便员工及特定人员（如值班员、特殊人员）进行查找，便于调度、指挥工作，如图3所示。

3.1.2 作业人员行动轨迹管理

通过人员定位系统和模拟地图，能够准确掌握作业人员的上下班时间及作业地点，并按周、月统计作业人员的有效工作时间。对于单洞口多作业面隧道施工，还能准确统计、分析作业人员轨迹，避免当同一作业班组同时承担两个及以上作业面时，因人员不足而造成瞒报、虚报的情况。

3.2 机械设备管理

在铁路隧道施工过程中，由于铁路隧道较窄，只能在一定长度内设置错车车道，因此当隧道内的施工车辆交汇时，需要其中一辆车倒车至错车道处，才能进行错车，这样就降低了车辆的通行效率，影响了施工进度。

3.2.1 机械设备定位监控功能

采用UWBLOC技术的隧道车辆精确定位功能，可以通过车辆定位系统和洞内模拟地图，实时监控洞内车辆和避车洞的位置，在车辆驾驶室增装实时显示设备，可让驾驶员清楚了解前方车辆的精准位置；通过智能监控系统，可自动提出车辆行驶、避让的建议，实时提醒驾驶员[4]；车辆调度指挥平台，可在洞口值班室与车辆驾驶室之间建立无障碍沟通，让值班人员与驾驶员之间、驾驶员与驾驶员之间实时语音通话，见图4。

3.2.2 机械设备的性能监测

该系统可实时监控车辆信息，对车辆的使用状态、修理状态进行实时监控，便于车辆的调度、管理。同时，还可实时监控车辆的油耗情况，按周、月分析车辆的运转时间、维修次数、油耗等信息，分析机械设备的利用率。

3.3 工序设置

隧道施工部位，按照影响隧道施工进度的掌子面、仰拱、二衬这三个关键部位进行设置，不需要考虑其他部位的工序管理。这三个关键部位工序的前后顺序、施工时间、施工人员数量、施工机械可根据一定的规则进行合理安排、调整。

3.4 工序管理模块

以单个隧道施工的掌子面工序管理为对象，采用便于携带、方便操作的手机管理系统和电脑端并存的方式，适应不同层级管理人员的管理需要。以隧道超前地质预报、测量放样、钻孔、爆破、出渣、找顶排险、作业台架就位、测量放样、拱架安装、喷射混凝土、作业台架移位、断面清理、作业台架就位整个闭合工序管理为对象，通过智能管理平台，实现隧道施工工序的自动分配、人员通知、自动考核上班时间等功能[5]。

3.4.1 人员通知功能

通过通信软件和点对点电话系统通知这两种不同方式，实现各工序上班人员的信息发送，在上一道工序即将完成前的一定时间内，提前通知下一道工序的作业班组做好准备，作业班组在收到通知后，可通过APP反馈信息。

3.4.2 人员监控功能

通过洞口门禁系统、人员定位系统和模拟地图，实时掌握人员的进洞时间、进入作业面时间、离开作业面时间、出洞时间，从而精准掌握资源配置是否到位、工序衔接是否紧凑。

3.4.3 车辆调度功能

车辆定位调度系统具备车辆统计、路径跟踪、轨迹查询、安全管理、出洞异常提示等功能。在车辆上安装高精度的定位设备终端与显示屏，可以实现交互功能，对进入隧道内的车辆进行定位与调度，实时监控隧道内的车辆，为车辆行驶提供安全保障，提高车辆的工作效率。同时，在车辆上安装探测器和传感器，可以监测车辆的油耗、运行状态等信息。

3.4.4 辅助工序考核功能

工序时间统计分析模块，可以根据围岩级别、开挖工法、进度指标等确定各工序施工的标准时长，通过系统自动分析形成每循环、每工序时长的统计分析表。在分析表中公布奖罚标准，可根据不同作业人员进入作业面的时间，自动计算奖罚金额，体现出考核的差异性。

若某道工序因施工原因造成延误，在系统中输入相关参数后，系统可自动调整后续工序的作业时间，对后续工作人员、车辆等进行自动延时通知。

3.4.5 分级预警、数据统计功能

系统通知作业班组上班后，可通过门禁系统和人员定位系统进行自动监控，若在规定时间内，作业班组未进洞、未进入作业面，系统会根据延误时间的不同，自动发送预警信息至班组长、现场副经理、项目经理处。同时，系统还会对延误时间进行统计考核，自动形成对周、月预警信息的统计分析，可用于对作业班组的整体评价[6]。

4 结语

隧道智能化建造已经成为全国隧道建设的前沿发展方向，研究与践行隧道智能化建造，是时代赋予工程建设者的神圣使命。未来，物联网、大数据、人工智能等技术将进一步融合，综合应用BIM、物联网、大数据、人工智能等信息技术，可实现隧道建设全过程的信息化、自动化、无人化或少人化智能理念，达到全过程数字化管理，多专业协同管控，从而形成安全、经济、高效、可靠的信息化管理体系。通过创新管理手段，更新管理理念，以信息化1+N+工区/班组、物联网等为载体，通过隧道的智慧调度管理系统，提高管理效率。因此，对隧道施工智能调度管理的理论、技术应用，必将提升我国隧道建造技术的机械化、信息化水平，推动隧道建造技术向智能化方向发展，实现高新技术的研发与扩散，使隧道工程建造产业链得到极大的拓展与延伸，带动相关产业的技术升级。