小断面长斜井隧道智能交通调度与组织施工工法

小断面长斜井隧道智能交通调度与组织施工工法1.前言新建兰张三四线新乌鞘岭隧道位于甘肃省武威市横跨古浪县和天祝县隧道全长17.125公里，是全线的控制性工程。中铁三局集团有限公司承建先期2标全长9.104公里，位于隧道出口端，起讫里程为DK168+941～DK178+045。新乌鞘岭隧道位于既有兰武二线乌鞘岭特长隧道东侧、上方，呈平行之势，通过利用既有兰武二线乌鞘岭特长隧道8号、9号、10号斜井，并在斜井内增设4#、5#、6#支洞、6#平导与新建隧道连通，利用既有斜井总长5380m。其中8#斜井利用2200米，设10处避车洞，坡度-9.2%；9#斜井利用1980米，设7处避车洞，坡度-5.0%两座斜井全部为单车道断面净空尺寸为5.14m×5.8m由于既有斜井的行车宽度十分有限，斜井内无法实现两辆车并行通过，传统方式进行洞内交通与物流组织存在以下问题：1.0.1车辆间无法通信，驾驶员只能通过目视方式判断对向来车，观测方式落后，且在光线不好的洞内具有一定的危险性。1.0.2多车错车时，可能会造成某一方向车辆整体后退，将极大地降低通行效率，还可能发生拥堵现象。1.0.3隧道外车辆无法获知隧道内车辆情况，不能选择最优的进出洞时机。1.0.4项目部无法及时掌握隧道内的情况，也无法分析车辆利用率和隧道通行效率，从而无法及时做出调度决策，造成隧道进度管理不力。鉴于此，中铁三局集团有限公司兰张三四线兰武段XQ2标项目部技术人员集中力量进行技术攻关和创新，开展了小断面长斜井隧道智能交通调度与组织关键技术的研究，该技术通过定位技术、Lora无线技术、车载智能导向技术、调度与组织技术，实现隧道施工机械车辆的精确定位、智能调度、交通管控的功能，最大限度提高洞内物流组织效率，提升了工效指标，确保了洞内交通安全，具有明显的经济、社会效益。为促进其关键技术在类似工程中的推广应用，编制完成本工法。11新乌鞘岭隧道平面布置图2.工法特点2.1洞内会车时系统通过算法自动计算依据预先设置好的行车优先级向相应车辆下达指令，进行智能调度指挥，完成会车，避免洞内交通拥堵。洞外车辆进入洞内前，可实时掌握洞内交通情，提前选择最优进洞时间避免进洞车辆与出洞车辆同时聚集在洞口处提高通行效率。2.2通过建立调度指挥系统，项目部可实时掌握洞内交通情况，分析车辆利用率和隧道通行效，及时做出调度决策辅助进度管理，提高了项目管理水平。2.3车辆之间实现实时通信，在光线不好的洞内驾驶人员可实时掌握洞内车辆位置信息，辅助进行预判避免目视观察的方式造成误判降低洞内交通风险。2.4面对突发情况时，如有车辆损坏在斜井通道中，造成无法通车，这时损坏车辆通过车辆实时定位系统调度人员第一时间知道车辆位置，通知维修人员及装载机拖至就近错车道进行维修；同时发出调度指令，暂时暂停所有车辆通行，待到损坏车辆进入错车道进行维修时，由调度人员通过车辆实时定位系统发出调度指令，调度车辆进行进出隧道避免了车辆的拥堵。3.适用范围本工法适用于小断面长隧道智能交通调度与组织。4.工艺原理车辆智能调度系统主要包括三大架构即洞内定位网络车载智能终端及智能调度操作系统。2系统先构建洞内定位网络，然后通过安装在车辆上的智能终端获取车辆位置信息，通过智能调度操作系统的算法发出调度指令实现智能调度、交通管控的功能，各架构工艺原理如下：4.1洞内定位网络：通过隧道内定位基站、通讯设备、位置计算服务器等基础设施的建立，构建洞内定位网络4.2车载智能终端：通过单片机、定位卡与声光语音模块的集成开发，构建车载智能终端硬件系统4.3智能调度操作系统：开发智能调度指令算法软件和网页版的车辆位置展示软件，构建智能调度操作系统5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程施工工艺流程如下：洞外车辆获取洞内交通信息，选择最优进洞时机→洞外车辆进入洞内洞内相向车辆会车系统通过算法发出指令调度指挥洞内车辆按照系统指令操作→完成会车5.2操作要点5.2.1定位技术1.车辆定位技术：由于隧道属于地下空间，不能使用GPS卫星定位，只能使用室内定位技术，常用室内定位技术主要有RFID技术、Zigbee技术和UWB技术。RFID定位技术定位精度和测距能力都是最差的，当两个错车位距离较近时，可能发生误读的情况。UWB技术也可满足本方案，但其成本较高综合比较下来本工法使用Zigbee紫蜂技术来对车辆实现精确到米的定位可实现较高的性价比2.车载定位芯片车载芯片为有源芯片自备一颗备用供电电池，备用电池的供电寿命不小于2个月芯片也可通过车辆电源系统取电。芯片外观如下图所示：35.2.1车载定位芯片5.2.2Lora无线技术既有8#9斜井断面小且坡度较大这导致洞内使用AP网络基站传输信号存在较大的障碍，在充分选型后隧道内调度指令的传输使用最新的Lora（远距离无线电无线通讯技术它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大35。支洞、主洞内Lora通讯基站大约200～400米部署一台，组网后就能将错车指令发送到隧道内的任何角落。网络结构如下图所示4图5.2.2网络结构5.2.3车载智能导向技术车载智能终端设备属于专用设备，车载设备要直接接入到调度网中且保持长期连接。但由于既89#斜井断面小且坡度较大当运渣车等大型车辆进入隧道后会形成一个屏蔽面所以wifi技术无法用于洞内，这也导致本工法不能直接使用多媒体平板或智能手机作为车载终端，必须利用单片机技术和Lora通讯板进行定制化开发。基于此，开发了STM-32单片机和Lora无线通讯模块，通过印刷电路将二者集中到一个外壳最终形成车载智能终端硬件。55.2.3车载智能终端5.2.4调度与组织技术车辆调度与指挥软件实现错车算法、人机监控界面和统计报表。系统部署在互联网云端，项目部、分部访问调度指挥软件可以和隧道内车载多媒体系统实现双向通讯功能。图5.2.4-1系统界面1行车优先级软件里面可对车辆进行优先级进行配置，例如按进出规则设置先出后进，这样出洞车辆的优先6级会高于进洞车辆的优先级从而保障出洞车辆优先通行，进洞车辆进错车位等待。表5.2.4行车优先级序号情况高优先级备注1一进一出错车出2多进少出错车进3少进多出错车出4特种车辆错车特种车辆5多进多出错车重型车辆行车优先级可由业务人员与软件开发人员商讨确定，将讨论结果转换为计算机算法提前植入进软件系统，软件系统即可根据实时采集到的标签数据进行优先度计算，将计算结果转换为错车指令后下发到驾驶室车载Android设备行车优先级示意图如下所示：5.2.4-2行车优先级示意图2错车指令调度指令）的下发调度软件计算出调度指令后，需要将指令下发到车载多媒体设备，车载设备上的软件接收到指令讯息后触发闪光灯闪烁并语音播报指令消息如下图所示：5.2.4-3错车指令下发示意图调度中心也可利用信息平台以手工方式向调度车辆发送停车、错车或其它提示信息，真正实现7自动调度和人工调度。管理员既可以向指定车辆发送，也可以批量发送，发送消息的界面如下图所5.2.4-4指令发送界面3查询车辆实时位置与历史轨迹项目部可通过调度系统实时查看所有车辆的位置信息和在隧道洞内外的轨迹信息。车辆位置实时监控界面如下图所示5.2.4-5车辆实时位置与历史轨迹5.3劳动力组织（见表5.85.3劳动力组织情况表序号职务及工种职责人数1系统项目负责人统筹系统开发与应用12系统架构师软件架构13软件工程师配置与协调14软件工程师物联网、软件工程15软件工程师软件工程电气16软件工程师软件工程17软件工程师配置与协调18工程师物联网实施46.材料与设备6.1材料计划本工法所需的硬件设备全部由相关厂商供应。6.2机具设备本工法用到的主要机具设备见表6.。6.2机具设备表（单个通风工区）序号设备名称规格型号数量1车载智能终端/根据洞内机械设备数量确定2Lora通讯基站/约200～400米部署1台3读卡总站RJHSZN01每座隧道～3台4读卡分站RJ-GW-F03每处错车道1台7.质量控制7.1所有进洞车辆设备均需安装车载智能终端并保持开启状态，才能完全发挥车辆智能调度系统作用7.2洞内网络要经常维护，确保无线网络运行正常定位准确。7.3洞内通讯基站读卡总站与分站要经常维护，并采取有效措施防止机械设备碰撞损伤，保证工作性能稳定98.安全措施8.1车载智能终端设备要采用声光技术在不干扰驾驶人员的前提下完成调度指令的有效传达，确保驾驶安全8.2洞内行车严禁超速行驶严禁超载。8.3驾驶人员要集中注意力避免当车辆智能调度系统故障时，无法及时收到指令。8.4斜井内避车洞防撞灯轮廓线等部位要安装灯带标识清晰。8.5及时清除洞内杂物确保路面清洁有序。9.环保措施9.1对于更换的硬件设备及时回收，集中处理。9.2加强进出洞机械设备清洁管理，设备及时清洗减少扬尘。10.效益分析10.1经济效益采用本工法进行新乌鞘岭隧道8#、9#斜井工区交通物流组织，提高了洞内物流组织效率，提升了工效指标具有良好的经济效益18斜井工区地处Ⅱ级大变形带Ⅴ级围岩两个工作面平均进度指标89m/月，高于设计指标70m月；（2）9#斜井工区地处Ⅲ级大变形带Ⅴ级围岩，两个工作面平均进度指标78m，高于设计指标65m。综上该工法提高了工效指标，降低了工期成本，节省了管理费。10.2社会效益小断面长斜井隧道智能交通调度与组织施工工法的应用提高了洞内物流组织效率提升了工效指标，降低了洞内交通通行风险，为公司技术创新和技术实力的提升做出了重要贡献，得到了监理单位的高度认可，受到了当地政府和建设单位的高度赞扬，为公司赢得了良好的口碑和信誉社会效益明显10.3节能环保效益小断面长斜井隧道智能交通调度与组织施工工法提高了洞内物流组织效率避免了洞内车辆拥堵，规避了传统物流组织方式可能引起的重复倒车、停车等待等现象，减少了车辆设备不必要的油耗损失从而减少了碳排放量环保节能效益十分明显。11.应用实例11.1工程部位新建兰张三四线兰武段XQ2标新乌鞘岭隧道8、9号斜井工区。1011.2应用情况20207月至今，该工法成功应用于新建兰张三四线兰武段XQ2标新乌鞘岭隧道8号、9号斜井工区洞内交通及物流组织施工11.3应用效果本工法在新乌鞘岭隧道8#9#斜井工区交通物流组织施工的应用在安全性优质性经济性等方面效果显著，提高了洞内物流组织效率，提升了工效指标，降低了洞内交通通行风险，取得了良好的经济效益、社会效益和环保节能效益。114应用前景新乌鞘岭隧道隧道有3个斜井3个支洞和1个平导总长7735m,共8个掌子面如果按每天堵1小时计算，一个月总计堵塞30小时，期间可能会影响到混凝土运输、初期支护施工、出渣、钢材倒运等工序，保守估计每月每个掌子面影响施工进度最低滞后1米3个斜井工区8个掌子面则进度滞后8米，一年最低96米的进度滞后，数据非常惊人。而