隧道专用设备指挥中心及远程操控系统设计

盖 琛，夏毅敏，邢 泊，杜孟超

（1.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016；2.中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司，河南 新乡 453000；3.中南大学，湖南 长沙 410083）

1 引言

近年来，隧道专用设备逐渐开始普及，但依然存在施工质量不一、受限于施工人员水平、作业环境差等缺陷，这些问题对于海拔较低的施工工地没有凸显，但对于川藏铁路高质量建设而言，其施工场点多，占线长，跨越不同的气候、地理、地质区域，施工地段一般为山区或者丘陵，甚至穿越极端地区，常遇到极端条件，施工人员面临前所未有的困难，对人员安全保障形成巨大的挑战。针对这些问题，基于信息通信、视频传输、数据交互等技术，在常规隧道专用设备的基础上，本文设计了一种隧道专用设备指挥中心及远程操控系统，操作人员可在指挥中心控制远程操控系统实现对隧道专用设备的远程操控，可实现各系统协同工作，具备很好的机动性和环境适应性，是未来隧道施工的发展方向。

2 指挥中心设计

隧道专用设备指挥中心主要由底盘、上装、电气系统、中控系统以及其他辅助系统组成。指挥中心是移动式的，自带行走动力。车厢底部布置有液压支腿，以保证整车工作的稳定性，同时自带市电和光纤电缆盘，车厢自带制氧机、电加热器、多媒体等功能。在指挥中心内部，设计了远程操控系统，作为监控与控制中心，可实现对施工作业图像实时采集、处理、传输和存储，可通过对应设备工位的操作台实现对隧道专用设备的远程操控，同时开发了数据智能管控系统对不同工序的隧道设备进行数据的统一管理。指挥中心内部布局设计图如图1 所示。

图1 指挥中心内部布局设计图

2.1 指挥中心电气系统设计

指挥中心电气系统有两种供电方式，可以由市电或发电机进行供电。如果指挥中心执行定点任务，当指挥车周围50m 范围内能够取到市电220VAC 电源，且此电源接口能够提供大于8kW的容量时，优先采用市电供电，发电机作为备用；如果指挥中心在行进中执行任务，可以直接使用发电机进行供电；当发电机发生故障，还可以通过UPS 临时给指挥中心内部重要设备提供短时间供电。

2.2 指挥中心中控系统设计

指挥中心中控系统由工业电脑、显示屏、集中控制主机等组成。中控系统内的数据传输主要分为图像信号数据和人机交互数据。为提高传输效率和稳定性，采用两路独立光纤传入指挥中心外设网络接口。图像信号数据包括隧道专用设备车载端摄像头采集的视频数据和指挥中心工业电脑上位机界面数据，视频信号数据经过解码器处理后、与工业电脑界面一起可以实现任意切换显示屏画面进行投屏，便于负责隧道安全的人员更加清晰观察施工局部细节和指导工作。同时配套开发了平板电脑操作软件，实现对视频矩阵、硬盘录像机等设备的控制。

人机交互数据包括远程操控平台输出的控制信号数据和接收到的隧道专用设备车载控制器采集处理后的整机工作状态显示数据。每台工业电脑对应着各自操控平台，可实现对施工设备进行同步操控，无线网桥用于隧道内没有有线网络时进行数据传输，无线路由器可通过4G/5G 上网卡实现访问互联网功能。指挥中心中控系统示意图如图2 所示。

图2 指挥中心中控系统示意图

3 远程操控系统设计

隧道专用设备指挥中心包含湿喷台车远程操控系统、凿岩台车远程操控系统、锚杆台车以及拱架台车远程操控系统，本文以湿喷台车远程操控系统为例对远程操控系统设计进行简要介绍。整个远程操控的过程本质上是指挥中心、传输媒介和湿喷台车三者数据交互的过程，数据流链路框图如图3 所示。远程操控系统按功能模块划分为：操控模块、通信模块、车载控制模块。

图3 远程操控系统数据流链路框图

3.1 操控模块

操控模块分为硬件和软件两部分。湿喷台车远程操控平台硬件建模设计图如图4 所示，高清曲面显示屏可以清晰显示三个摄像头画面以及施工设备重要参数。操作平台上布置有信号使能元器件，包括工业级钮子开关、按钮、电位器和手柄等电气元件。工业电脑内置嵌入式数据单元，用于采集本地操作平台上的使能信号并发送相关操作指令，接收远端设备采集的视频和状态参数数据，可实现对湿喷台车臂架动作和泵送相关的远程控制。考虑安全性，操作模式可灵活切换远程/近控两种操控模式，可针对洞内复杂情况自由切换，当需要施工作业人员介入时，可以从远程模式切到近控模式，在设备端进行操作，灵活施工。

图4 湿喷台车远程操控平台建模设计图

软件界面分为视频分区、操控分区、后台数据分区，分区之间的显示可通过翻页功能进行切换。视频分区显示湿喷台车臂架位置、驾驶室上方以及料斗送料处摄像头监控画面，可通过键盘对摄像机方向、画面大小、焦距进行调节，实现对设备整体的画面监控，如图5 所示；操控分区显示湿喷操作人员在作业过程中最关心的工作参数，如混凝土喷射方量、速凝剂添加量、速凝剂占比压力、速凝剂流量、液压油温及风压值等数据，界面如图6 所示。后台数据分区用于显示传感器监测数据、故障查询以及通信状态，同时具备所有输出控制状态的指示功能，能实时显示湿喷台车当前运行状态，通信状态、故障原因以及维修指导，方便操作人员查找和排除故障，便于设备维护。

图5 视频分区主界面

图6 数据状态指示与参数界面

3.2 通信模块

通信模块是指连接远程操控平台和湿喷台车的通信传输媒介，操控平台通过光纤将数据传输给信息交互单元，信息交互单元内部为光纤交换机、无线基站以及供电模块等，负责接收来自操控平台与湿喷台车的通信数据。隧道内的基站和车载基站通过天线进行数据交互，工作区域通过无线基站做网络覆盖。远程操控范围不受距离限制，用户可以在有线和无线两种模式中进行选择，既可以使用光纤直连交换光口，实现有线传输，也可以使用无线基站进行无线局域网通信，可根据项目实际情况进行网络架设，使网络信号覆盖工作区域。基站实际分布情况及数量视现场工况而定。用户可根据现场硬件和信号情况，快速切换网络传输方式，方便用户操作，减少信号延时。

3.3 车载控制模块

车载控制模块主要由车载控制箱、车载摄像头及车载基站组成，湿喷台车所有控制信号及信息采集均通过CAN 总线与操控平台进行通信。车载中控箱和湿喷台车CAN 总线对接，控制设备动作和采集信息；摄像头和车载基站通过以太网与车载中控箱相连，实现将摄像头画面数据和设备实时运行数据通过无线基站传至操作平台。为了节省成本，远程指挥系统可以在常规湿喷台车的基础上进行改造，增加摄像头、交换单元、控制单元、信息单元模块等硬件设备，并对控制程序进行升级。

3.4 工作过程及原理

通过湿喷台车上的传感器、摄像头获取台车的当前运行状态；通过车载数据交互单元将设备端CAN 总线数据转换成以太网数据协议格式。通过工业交换机将设备端数据和摄像头数据汇总，再通过设备端无线基站将数据发送给隧道内的无线基站，通过无线基站将无线信号转换成有线信号，再通过光纤交换机接入到隧道内光纤中。信号沿着光纤到达隧道外，这时，可以直接接入远程操控平台，也可以接入市域互联网络，再借助远程操控平台端的CPE 和防火墙终端设备，实现跨市域的超远距离数据传输。显示器显示各项参数信息，实现喷射混凝土、速凝剂等实时检测并在屏幕上进行显示，可通过操控平台翻页键进行调出和隐藏。操作系统通过新型控制器、通信模块、完备故障警报及状态显示系统，实现车体故障快速识别与诊断。反过来，利用远程操控平台获取操作指令。操作人员通过观察显示屏上显示的摄像头画面，操作控制面板上的主令开关发出控制信号。利用光纤局域网、无线CPE 或第五代移动通信专网系统传输操作指令，操控跟视频反应时效和网络带宽有关。利用车载控制设备将操作指令传递给湿喷台车的执行部件进行操作。远程操控系统工作过程示意图如图7 所示。

图7 远程操控系统工作过程示意图

4 结论

目前，指挥中心经过拆车、钣金改制、涂装、总装等工序后已在厂内生产完成，整机调试工作也基本接近尾声，待调试完毕后指挥中心将开赴川藏铁路建设工地进行工业性试验，将为川藏建设提供有力、舒适、高效的服务，如图8、图9 所示。

图8 指挥中心实物外形图

图9 指挥中心内部展示图

本文设计的隧道专用设备指挥中心可实时记录并反馈隧道专用设备施工数据信息，为隧道施工的“机群”作业提供数据支撑，为隧道智能化建设提供基础数据信息，具备远程维护、诊断和设备预警功能，助力隧道智慧建设，从而实现设备的全生命周期和智能化管理。其中的核心部分——远程操控系统，根据国内施工情况量身定制，严格还原隧道专用设备各项功能按键和操作手柄的同时，保留之前手动作业的功能，不改变原车的基本操作；同时具备友好的用户界面设计，操作界面清晰，流程简单方便，关键信息直观易懂；具备远程动作响应迅速，动作精确度高等优点，把操作人员从恶劣的施工环境解放出来，有效保障了操作人员的人身安全。