0 引言
截至2023年底, 中国铁路营业里程达到15.9万 km,其中,投入运营的铁路隧道18573座,总长23508km;已投入运营的特长铁路隧道共286座,总长约3869km[1]。 中国铁路特长隧道新增运营及在建规模呈逐年增长趋势。 在长大铁路隧道建设过程中,TBM 法逐渐得以推广应用,尤其是水利水电隧道应用 TBM 施工更为广泛。TBM 隧道长距离有轨运输是隧道施工的关键环节,与隧道施工的效率、质量和安全性密切相关。 采取有效措施提高有轨运输组织效率、降低和规避有轨运输安全事故的发生,是项目施工组织管理的重点。
近年来,针对隧道施工长距离有轨运输技术研究已经取得了一些进展。 例如: 郑孝福[2]结合西秦岭特长隧道 TBM 施工有轨运输系统工程实践,从运能分析、列车编组、轨线布置和调度系统配置等方面介绍了整个运输系统设置的方法和调整过程; 杨志勇等[3]以北京地铁新机场线一期工程为例,对有轨运输系统和有轨运输+皮带输送机组合系统2种运输方式进行对比分析; 熊文安[4]以乌兹别克斯坦安革连—琶布铁路安全隧道有轨运输技术应用为例,从有轨运输设备选型、洞内外场地布置、轨线设置和资源配置方面进行了详细介绍; 齐梦学[5]针对 TBM 施工材料运输,分析有轨运输和MSV运送施工材料的综合成本,大运距时有478第3期林春刚, 等 : TBM 隧道有轨智能运输系统研究与应用轨运输系统具有一定的优势,并且运距越长其优势越明显; 罗刚等[6]以天台山特长隧道1号陡坡斜井为例,从工程量估算、设备选型、有轨运输设备布置和运输方案优化等方面研究陡坡斜井有轨运输系统的设计与施工; 杨永强等[7]以西秦岭单洞双线铁路隧道TBM施工有轨运输为例,引入视频监控系统、对讲机系统、车载系统、有线电话系统和移动通信系统等信息化通信手段,有效控制了有轨运输安全风险; 石文林[8]以改建南疆铁路吐库二线中天山特长隧道为例,对长大单线铁路隧道有轨运输快速施工组织,从有轨运输资源配置、有轨运输轨道合理布置和铺设、有轨运输轨道铺设及要求等方面进行阐述。
综上所述,TBM 隧道长距离有轨运输技术在列车编组配置方案、轨线布置和调度系统等施工组织方面研究较为深入,为提高运输效率与安全发挥了一定作用。 但是, 在隧道有轨运输障碍物检测与预警方法[9]、在长大隧道有轨运输组织方法[10]、长大隧道施工有轨运输度管理系统[11]、长大隧道施工中有轨运输轨道高低不平顺估计[12] 等方面,研究不够深入,现场应用测试效果不足。 主要体现在以下方面: 1)在测试障碍物检测算法时并没有测试提取边基点云的效果,且未在实际情况中得到应用; 2)长大隧道有轨运输组织 TBM 掘进编组与同步衬编组,需要综合统筹组织调度,特别是智能调度分析模型未建立、样本数据量不足; 3)有轨运输调度管理系统中,出现数据传输丢失、施工干扰环境下定位精度不足、软件与终端模块功能不全等问题; 4)有轨运输轨道平顺性针对车辆运行建立仿真模型,但是需进一步现场实际应用和验规律深入研究。 近 2 年,随着物联网、大数据及新一代通讯技术应用,以上方面研究逐渐成为 TBM 隧道智能有轨运输系统的研究热点,结合依托项目深入研究,对提高有轨运输效率与安全性发挥重要作用,将促进我国隧道建设领域迈入智能建造新时代。为提高隧道洞内运输的安性全和效率,本文开展隧道洞内运输组织及方案、隧道洞内运输安全防控及管理、隧道运输信息化与智能化研究,形成有轨运输信号传输系统、环境感知与定位系统、故障报警系统、调度管理系统等关键技术;列车编组定位实时显示洞内牵引列车行驶里程、状态;列车故障预警实时采集、分析判断当前运行状态参数及变化趋势,实现故障预警;智能调度开发手机 APP 和计算机客户端,使调度、运输班、掘进班、二次衬砌班等掌握列车运行过程信息,提高运输组织效率;根据列车运行情况及位置,自动切换轨道,实现轨道与列车运行自动化匹配控制,以期为TBM隧道长距离有轨运输系统智能化运行提供基础与前提。
1 技术背景
1. 1 长距离有轨运输现状
1. 1. 1 基本配置
依托工程隧道施工基本配置如图 1 所示。 依托工程隧道采用 1 台 TBM 施工,仰拱采用预制混凝土块随TBM 掘进同步铺设,二次同步衬砌边顶拱由 3 台衬砌台车分区域协同现浇作业,隧道铺设四轨三线制轨道,由 10 列编组列车保障正常掘进、二次衬砌施工所需的物料运送。 TBM 施工总长度为 17 km,目前已掘进479隧道建设(中英文) 第 45 卷7. 8 km,TBM 开挖直径为 10. 33 m,衬砌台车外轮廓直径为 9. 26 m,TBM 最高月进尺为 613 m,平均每月进尺约为 300 m。
图 1 依托工程隧道施工基本配置
1. 1. 2 通讯方式
TBM 施工信息互通方式框架如图 2 所示。TBM 施工过程中的信息互通方式以调度为中心节点,以对讲机、固定电话和工作群为手段。 通讯站点较多, 对无线通信的覆盖范围及可靠性要求较高。
图 2 TBM 施工信息互通方式框架图
1. 1. 3 运输方式
有轨运输列车编组服务于隧道内 TBM 掘进和同步衬砌施工。 用于TBM掘进的列车编组主要负责初期支护材料、工机具和人员等运输,编组方式为“1 辆机车+1 辆混凝土罐车+1 辆材料车+2 辆仰拱块车”,人车根据需要加挂。用于同步衬砌的编组主要负责二次衬砌混凝土运输,编组方式为“1 辆机车+1 辆混凝土罐车”,编组进洞时采用推行式、出洞时采用牵引式运行。 每条隧道6列编组用于 TBM 掘进,4列编组用于同步衬砌施工,结合工程计划调度按需调整编组配置。 有轨运输列车编组示意如图 3 所示。
图 3 有轨运输列车编组示意图
1. 1. 4 运行管理
运输班负责车辆编组管理,每列编组配置驾驶员与调车员各1名。 调车员指挥列车编组运输如图 4 所示。 调车员是列车运行的眼睛和耳朵,也是列车运行障碍的“清障夫” ,负责列车的正常安全运行指挥,与驾驶员通过对讲机通讯。 调车员主要职责如下:1)熟知调车作业区域的线路状态以及接近线路一切建筑物的形态和距离。2)根据行车规律及调度控制中心要求选择运行线路和换道,并在列车通过道岔前扳道。3)清除线路运行前方的障碍物,疏散人员。4)指挥列车前进、后退,控制列车在不同路段、道岔段的运行速度。5)根据编组要求对列车进行编组。6)列车阻车器、软连接等安全设备的操作。7)列车跳道后的应急处理等。
图 4 调车员指挥列车编组运输
1. 1. 5 道岔控制
在运输过程中,列车配置 1 名调车员手动控制道岔,现场交通无信号指示。 每台衬砌台车前后各设置1 组浮放道岔,用于洞内左右线路切换,浮放道岔距离衬砌台车约 100 m,随衬砌台车作业同步移动。二次衬砌浇筑作业时,由于衬砌台车区域为车道通行单线,混凝土罐车和机车占用 1 股行车道,此时TBM 运输物料中断。 遇到紧急通行情况,临时中断二次衬砌浇筑作业,恢复 TBM 物料运输后,继续二次衬砌浇筑作业。 列车编组在隧道运行道岔控制如图5 所示。
图 5 列车编组在隧道运行道岔控制
1. 2 长距离有轨运输问题分析
1. 2. 1 信息不通畅
目前,调度员、驾驶员、各班组之间采用传统无线对讲机通话方式,存在通话连接不可靠、噪声大、通讯距离受限等问题。 由于隧道长度较大,无线对讲广播后,接收人员是否收到相关信息无法得到有效确认。因此,信息传达的及时性与有效沟通,成为影响在长大距离隧道中施工效率的重要因素。
1. 2. 2 调度管理差
长大隧道有轨运输系统中人员管控、设备运行、材料供应、司机排班、道岔控制、轨线切换等问题,需调度指挥中心统一协调、高效运行。 而目前 TBM 运输调度指挥依靠调度员,根据施工计划任务与现场需求派发任务,各工班长、操作工、驾驶员根据任务自行管理,未能做到有效沟通融合。
1. 2. 3 资源保障难
长距离有轨运输列车编组无法实现实时定位,车辆状态信息掌握不及时,运输编组信息不够透明,导致隧道洞外资源组织保障难、洞内工作面资源紧急、耗时长等现象。 尤其是二次衬砌混凝土及 TBM 喷浆料,无法实现工作区域作业与备料有效衔接,依靠调度员经验判别,对运输组织及调度管理要求较高。
1. 2. 4 行车风险高
长距离有轨运输行车中对驾驶员责任心要求较高,由于隧道内景象单一,易造成视觉疲劳,特别是夜间行车易困倦,对行车安全有较大隐患。 同时,隧道内同向行车、对向错车需要调车员提前规划行车路线,各列车编组驾驶员与调车员间需保持通讯交流,掌握隧道内所有列车编组位置,避免发生车辆对撞事故。
1. 3 有轨运输功能及需求分析
为保证施工更高效率、更安全、更智能,实现编组列车信息化安全高效运行,本系统主要实现以下功能:1)实现列车、轨道监视与控制,对施工人员位置监控,对障碍自动识别和预警,对重要位置视频监控,确保列车编组运行更安全。2)实现列车与轨道的自动化匹配控制、智能规划行车路径,根据列车运行情况及位置自动扳道。
3)调度指挥中心调度员通过系统管理平台实时查看洞内列车编组运行情况,列车编组驾驶员通过车载管理系统实时查看洞内各列车运行情况,使列车运输位置与施工状况更清晰。
2 智能有轨运输系统总体方案设计
2. 1 系统组成
TBM 隧道智能有轨运输系统主要由信号传输系统、环境感知与定位系统、故障报警系统、调度管理系统 4 部分组成,基于依托工程隧道有轨运输现场实际情况,TBM 隧道智能有轨运输系统总体架构设计如图6 所示。
图 6 TBM 隧道智能有轨运输系统总体架构设计图
2. 2 主要功能
1)实现隧道 WiFi 信号无线覆盖、UWB 信号全覆盖。 无线信号覆盖半径为 WiFi 不小于 500 m、UWB 不小于 500 m(无遮挡视距情况下)。2)实现调度室、司机、各班组之间的群组语音通话、音视频调度。3)实现隧道内固定站点的广播。4)实现道岔(固定道岔、浮放道岔) 自动控制、车载显示及系统显示。5)实现隧道内人员、列车编组、衬砌台车、修复台架、浮放道岔的精确定位及系统显示。6)实现列车编组所在运行轨道识别、车载显示及系统显示。7)实现洞内运行列车之间相对位置识别、车载显示及系统显示。8)实现隧道口运输区域机车及编组的精确定位及系统展示。9)实现隧道内温湿度在线监测、基站处实时视频监控及系统显示。10)实现列车运行前方障碍信息感知、车载显示及系统显示。11)实现列车运行前后方视频监测、车载显示及系统报警。12)定制开发一套系统软件,基于 B / S 架构,实现有轨运输智能调度管理。13)定制开发一套配套 APP 软件(安卓版),实现相关数据的手机 APP 实时查看。
2. 3 信号传输系统
长距离隧道有轨运输信号传输系统主要由网络通信系统和信息传输系统组成。 有轨运输信号传输系统总体架构设计如图 7 所示。
图 7 有轨运输信号传输系统总体架构设计图
2. 3. 1 网络通信系统
2. 3. 1. 1 系统组成
网络通信系统主要由千兆核心交换机( 1 台)、UWB+WiFi 无线基站(13 台)、mesh 无线通信基站(8台)、AC 控制器(1 台)、千兆防火墙(1 台)、网络管理软件(1 套)、8 芯通信光缆(10 km)等组成,构建千兆工业环网确保网络的可靠性、冗余性,并实现隧道内WiFi 信号和 UWB 信号全覆盖。 无线基站之间采用光纤连接,无线基站采用一体化设计,方便拆装。
2. 3. 1. 2 主要功能
1)实现千兆工业环网,网络延迟小,传输性能稳定可靠,环网故障恢复时间<50 ms。2)实现隧道内 UWB 定位信号全覆盖。3)实现隧道内 WiFi 无线信号全覆盖。4)实现无线基站集中管理、无线终端接入管控。5)实现无线基站内置交换机板卡的在线管理,网络平台无单点故障,系统故障时可自动切换,保证信息可靠传输。6) 实现网络通信系统 的 防 病 毒 管 理, 确 保 网络安全。7)采用工业级设备,保证系统的可靠性。8)千兆核心交换机与无线基站之间采用光纤传输,利用隧道内已有的光纤(占用 4 芯)组建千兆工业环网,确保网络传输稳定可靠。9)机车和衬砌台车上安装的多媒体智能调度终端通过 mesh 无线通信基站设备,采用 mesh 组网方式利用无线基站的 WiFi 网络进行数据传输。TBM主控室的多媒体智能调度终端通过主控室的交换机进行数据传输。
2. 3. 2 信息传输系统
2. 3. 2. 1 系统组成
信息传输系统主要由融合通信服务器(1 台)、调度控制台(2 台)、多媒体智能调度终端(9 台)、SIP 防水电话机(9 部)、广播电话机(3 台)、广播电话机电源(3 台)等功能模块组成。
2. 3. 2. 2 主要功能
1)实现调度指挥中心、机车驾驶室、二次衬砌班组、TBM 主控室等终端人员实时语音通信与任务派发。2)通过融合通信服务器的调度管理功能,实现调度分组及状态监控。3)在调度指挥中心,可实现各个洞内站点终端集群对讲、视频会议、视频调度等。
2. 4 有轨运输环境感知与定位系统
长距离隧道洞内有轨运输环境感知与定位系统主要由环境感知系统和定位系统组成。 有轨运输环境感知与定位系统总体架构设计如图 8 所示。
2. 4. 1 环境感知系统
2. 4. 1. 1 系统组成
环境感知系统由 13 台无线基站(共用有轨运输信号传输系统)、13 台温湿度传感器、13 台隧道视频监控摄像仪、1 台硬盘录像机、1 套流媒体服务软件等组成。 其中,温湿度传感器和隧道视频监控摄像仪与无线基站之间采用一体化设计,便于后期整体挪移。
2. 4. 1. 2 主要功能
1)隧道内温湿度监测。2)隧道内视频监控。3)视频存储与回放。4)编组定位监控。5)车载视频监控。6)在车载多媒体智能调度终端上查看环境感知数据。7)在二次衬砌台车多媒体智能调度终端上查看环境感知数据。8)在TBM主控室多媒体智能调度终端上查看环境感知数据。
图 8 有轨运输环境感知与定位系统总体架构设计图
2. 4. 2 定位系统
2. 4. 2. 1 系统组成
定位系统由无线基站(共用有轨运输信号传输系统)、10 台浇封读卡器、3 台二维定位读卡器、100 张人员标识卡、70 张车辆标识卡组成。
2. 4. 2. 2 主要功能
1) 隧道右洞100名作业人员的实时 UWB 精确定位。2)隧道内1台TBM、10 辆机车、10 台混凝土罐车、10 台仰拱块车、10 台材料车、5 辆人车、3 台衬砌台车、2 架修复台架、 7 处浮放道岔的实时 UWB 精确定位。3) 静态定位精度小于 0. 3 m ( 无遮挡视距情况下)。4)列车编组定位监控。5)在车载多媒体智能调度终端上查看定位数据。6)在二次衬砌台车多媒体智能调度终端上查看定位数据。7)在 TBM 主控室多媒体智能调度终端上查看定位数据。
2. 5 有轨运输故障报警系统
长距离隧道洞内有轨运输故障报警系统主要由车辆运行状态监控系统和故障报警系统组成。有轨运输故障报警系统总体架构设计如图9 所示。
图 9 有轨运输故障报警系统总体架构设计图
2. 5. 1 运行状态监控系统
2. 5. 1. 1 系统组成
车辆运行状态监控系统主要由车辆状态信息显示数据库、车辆位置显示、车辆身份识别、障碍物检测、轨距检测、车辆运行状态监测等功能模块组成。系统主要由10台行车控制器(每台机车 1 台)、10 台边缘智控站(每台机车 1 台)、10 套障碍物检测装置(10 台机车)、10 台 UHF 无线接收器、100 张定位信标、10 张车辆标识卡(与定位系统共用)、1 台轨距测量装置( 1 台机车)、10 台车载视频监控摄像仪、10 套多媒体智能调度终端( 与信息通信系统共用)等组成。1)对接机车现有数据,完成机车运行参数实时采集、分析判断当前运行状态参数及变化趋势(如刹车压力、发动机转速、转矩百分比、转矩实际值、前进后退状态等)。2)实现列车所在轨道的识别。3)实现 1 台机车在运行过程中的轨距在线检测。4)实现 10 台运输机车在运行路线前方的障碍物识别,紧急情况下可实现自动控制减速停车。5)实现 10 台机车的行车视频监控。
2. 5. 2 故障报警系统
2. 5. 2. 1 系统组成
故障报警系统主要由运行速度检测、距离检测、闭锁检测、障碍物检测、故障检测、溜车事故检测等功能模块组成。 根据限速区域与限速值、同向车辆的安全距离、错车的安全距离、闭锁区间报警、障碍物及故障检测分级预警、溜车事故报警等检测结果,制定对应列车控制策略,实现列车降挡降速,必要时鸣笛并紧急停车。故障报警系统主要在调度管理系统软件中,通过对采集的人员定位数据、车辆运行数据、设备故障数据等进行在线综合研判, 达到设定的报警条件时自动报警。
2. 5. 2. 2 主要功能
故障报警系统主要功能如表 1 所示。
2. 6 有轨运输调度管理系统
长距离隧道洞内有轨运输调度管理系统主要由轨道线路系统和调度管理系统组成。 有轨运输调度管理系统总体架构设计如图 10 所示。
2. 6. 1 轨道线路系统
2. 6. 1. 1 系统组成
轨道线路系统由 19 台电动转辙机、19 台道岔控制分站、多媒体智能调度终端(共用信息通信系统设备)组成。
2. 6. 1. 2 主要功能
1)根据运输线路安排,实现固定/ 浮放道岔系统自动控制。2)紧急情况下,在调度指挥中心实现对固定/ 浮放道岔的远程控制功能。3)紧急情况下,根据权限可由司机在机车上实现对固定/ 浮放道岔的远程控制。4)具备道岔位置显示功能。5)具备列车行驶轨道线路规划、自动更新功能。
2. 6. 2 智能调度管理系统
2. 6. 2. 1 系统组成
智能调度管理系统主要由 1 套调度中心大屏显示系统、1 套操作台、2 台中心站工控机、1 台 A4 激光打印机、1 套 UPS 后备电源、1 个服务器机柜、1 套智能调度管理系统软件组成。
2. 6. 2. 2 主要功能
1)具备调度管理系统软件大屏显示功能。2)中心站工控机具备双机备份,24 h 不间断运行。 当工作主机发生故障时,备用主机应在 1 min 内投入工作。3)调度管理系统具备调度中心大屏信息汇聚展示、列车编组状态实时监控、生产调度指挥与协调、依据施工工序组织智能规划列车编组( 数量、配置、路线、时间) 、列车编组状态信息实时共享、物料与人员及运输设备管理、手机 APP 及关键信息展示等功能。4)智能调度管理系统软件由 BI 大屏模块、隧道环境监测模块、调度管理模块、定位管理模块、报警管理模块、控制模块、档案管理模块、报表模块、决策分析模块、系统管理模块等组成。 各功能模块描述如表 2 所示。
图 10 有轨运输调度管理系统总体架构设计图
3 智能有轨运输系统关键技术
3. 1 长距离隧道高速无线 mesh 组网及信息传输技术
针对隧道长距离有轨运输存在信息不通畅的问题,创建长距离隧道高速无线 mesh 组网及传输技术。 无线基站安装示意如图 11 所示。基于 UWB 与 WiFi 无线基站,实现隧道千兆工业环网和高速无线信号全覆盖,覆盖半径不小于500 m。 列车编组 mesh 基站与无线基站数据传输示意如图 12 所示。运行列车组、衬砌台车等设备与无线基站,通过 mesh 组网进行数据交换,实现调度指挥中心、机车、衬砌台车、TBM 主控室等各岗位工作人员相互语音通讯,保障信息通畅。
图 11 无线基站安装示意图
图 12 列车编组 mesh 基站与无线基站数据传输示意图
3. 2 基于UWB基站隧道二维高精度定位与感知技术
针对隧道长距离有轨运输存在洞内人机料位置感知难的问题,创建基于 UWB 基站隧道二维高精度定位技术。 隧道内列车编组定位示意如图 13 所示。 基于 UWB 基站可实现列车编组隧道里程定位,结合列车编组前进方向与道岔控制状态,经过系统软件算法可实现隧道轨道左右线路定位, 定位系统能够实现TBM、机车、混凝土罐车、仰拱块运输车、材料车、人车、衬砌台车、修复台架、浮放道岔、洞内作业人员实时UWB 精确定位,静态定位精度小于 0. 3 m。 无线基站视频监控界面如图 14 所示。 环境感知系统能够实现隧道内温湿度和隧道环境视频实时监测与感知。
图 13 隧道内列车编组定位示意图
图 14 无线基站视频监控界面
3. 3 基于激光雷达行车障碍物智能识别技术
针对隧道长距离有轨运输存在列车编组行车风险高的问题,创建基于激光雷达隧道障碍物智能识别技术,故障报警系统读取机车运行参数,判断当前运行状态及变化趋势,建立车辆状态信息数据库。 机车 UHF 无 线 接 收 器 读 取 轨 道 定 位 信 标 信息,从而识别车辆运行轨线。 轨距检测装置可实时在线检测运行轨道轨距,检测精度达到 0. 5 mm。通过三维高精度激光雷达障碍物识别系统,实现列车编组运行线路前方障碍物识别和预警,探测距离达到 200 m、识别精度达到 2 cm。 障碍物及故障检测能够进行分级预警,并制定列车控制策略,紧急情况下实现列车自动减速或停车。 列车识别运行轨线示意如图 15 所示。 轨距检测装置安装示意如图 16 所示。 障碍物识别系统安装示意如图 17所示。 障 碍 物 识 别 系 统 探 测 距 离 示 意 如 图18 所示。
图 15 列车识别运行轨线示意图
图 16 轨距检测装置安装示意图
图 17 障碍物识别系统安装示意图
图 18 障碍物识别系统探测距离示意图
3. 4 长距离有轨运输调度与应急通信安全保障技术
针对隧道长距离有轨运输存在资源保障难的问题,创建长距离隧道调度与应急通信安全保障技术。智能调度管理系统能实现车辆运营数据管理、司机排班管理、行车路线规划管理和运行速度控制管理,并建立运输数据库,对运输进行统计及决策分析。 系统实时显示隧道列车编组所处运输线路、速度、相对距离、行车状态、行车视频、编组信息、网络信息等,并可实现固定道岔及浮放道岔的远程控制。 调度管理系统决策分析界面如图 19 所示。 机车驾驶室运行参数示意如图 20 所示。 浮放道岔控制装置安装示意如图 21 所示。