铁路隧道智能建造通信承载平台方案研究

陶柁丞

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

1 概述

2017年，中国国家铁路集团有限公司的《铁路信息化总体规划》提出全力推进中国铁路信息化CR1623标志性工程建设的目标[1]。智能京张、智能京雄等重大工程建设中提出建设“智能铁路”的发展目标。“智能铁路”是高速发展的信息技术在铁路行业的应用，包含智能建造、智能装备和智能运营3部分[2]。智能建造作为智能铁路的前沿阵地，而隧道智能建造代表了智能建造的先进性和未来发展方向，是智能建造在隧道领域发展的必然成果。

目前国内铁路隧道施工通信主要采用模拟对讲机、有线电话、WLAN局域网或部分公网引入等方式为隧道施工提供语音通话和数据传输功能，呈现碎片性、差异性和不规范性的形态，没有系统化、可靠、安全和大带宽的通信技术方案支撑隧道施工作业，已逐渐无法满足当前隧道施工指挥调度和数字化建设的需求。其中艰险山区铁路沿线环境艰险复杂，面临极端地质灾害、工程异常艰巨的困难与挑战。与其他铁路不同的是隧道占比极高，施工工期长，大量施工作业在隧道内进行。面对复杂恶劣的隧道内作业条件，灵活多样的隧道智能建造通信需求，当前的隧道施工通信条件更无法胜任，需要加强铁路智能建造通信承载平台的方案研究。

2 需求研究

2.1 总体需求

隧道智能建造为智能建造在隧道范畴内的具体延伸与实践，是基于信息化技术。通过对“地-隧-机-信-人”及内外部环境的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，以数字资源为核心，以智能化施工装备为工具，以现代化监控量测为辅助，实现建造过程智能化[3]。智能化施工装备和监控量测等基于BIM的隧道工程施工领域技术是智能建造的基础，隧道施工调度管理和安全管理是智能建造的保障，通信传输网络则是实现上述基础和保障的必要条件。因此隧道智能建造承载平台应满足隧道施工安全调度管理和数据传输的需求。

目前铁路隧道施工以钻爆法为主，TBM（Tunnel Boring Mechine）法为辅。钻爆法和TBM法隧道的智能建造都需要进行施工监测以及智能工装施工状态实时感知与动态调控。在机械装备施工期间采集、收集的多类型数据需要实时或定期回传，多个班组的施工作业人员也需要进行调度管理和安全管理。钻爆法和TBM法隧道的典型施工机械和人员配置如图1所示。

图1 典型隧道施工工法配置示意Fig.1 Typical tunnel construction method configuration diagram

2.2 承载业务

铁路隧道智能建造需要一个支持隧道掌子面、移动工程车辆、工点等多种工程作业点接入；支持语音、视频、定位、宽带、智能化设备等多种终端接入；支持多级施工、管理组织架构；具备防尘、防水、防震等施工环境适应性的有线和多种无线通信融合的通信系统，主要承载业务有施工调度指挥、视频监控数据传输、监测数据传输（智能工装监测数据和有害物质监测数据）、建设管理信息数据传输和定位数据传输5类业务。如图2所示。

图2 隧道智能建造通信承载平台承载业务架构Fig.2 Bearer service architecture of communication bearer platform for intelligent tunnel construction

无论钻爆法还是TBM法隧道，每个掌子面均有大量作业人员参与班组作业或利用智能工装进行生产作业，集中在掌子面的信息量约占整个信息量的90%以上[4]。在掌子面到隧道口区域利用运输车辆进行材料运输。高集中度的智能建造带来多种智能装备和班组人员，增加了需要协调管理作业人员的难度。

在调度管理方面，主要调度场景在隧道区域，隧道口调度人员与隧道内作业人员及车辆操作人员进行语音调度，同时考虑施工单位各级组织和建设单位管理人员参与的调度指挥。以语音调度需求为主，多媒体通话等手段为辅完成人员和车辆的指挥调度，需要有较高的可靠性、稳定性，同时满足快捷通话和应急呼叫的功能。

在安全管理方面，需要对隧道内的人员、车辆机械以及火工品进行定位管理，定位数据可及时为应急救援提供支撑。

在数据传输方面，语音数据、视频监控数据、监测数据、建设管理信息数据传输和定位数据主要集中在掌子面区域，是通信承载平台承载业务的主体。

2.3 数据传输类型

施工作业人员之间及作业人员与调度人员之间需要进行语音通话，语音数据保障了调度安全管理的上传下达以及隧道智能建造的如臂指挥，是存在于整个隧道范围的窄带数据，应保证安全性和可靠性。

视频监控是隧道智能建造的必要手段，不仅能准确的掌握施工进度、工作环境、工装状态和安全制度的落实情况，同时也能记录并辅助判断安全生产事件。在隧道内掌子面上的摄像机通常安装于相对固定的台车上。

智能工装是隧道智能建造的主体，智能工装的支撑技术系统是构建智能装备的大脑和五官[5]，包含机械车辆本身的监测数据和隧道环境的检测数据等。实时数据以点位数据为主，一台TBM设备约有1 000个点位，每秒钟采集一次数据。非实时数据以点云数据为例，隧道施工的点云数据根据分辨率以及扫描范围的不同，每次可产生几十至几百兆比特数据。隧道智能建造通信承载平台则是智能建造和智能装备的血液，为隧道内智能装备采集、感知的数据提供传输通道。

隧道内可能存在有害气体、放射性物质等有害因素，有害因素监测数据及时传输同样重要。在穿越放射性地层的隧道施工时，需实时监测隧道工作面的放射性数据；高瓦斯隧道施工时，实时监测掌子面、二衬台车、回风等有害气体浓度数据。

除施工作业外，隧道智能建造还包含施工建设管理系统，通过围岩量测、超前地质预报等建设业务数据的传输，能及时预警，满足参建各方协同工作的需要。该类建设管理信息化数据按隧道工点配置。

3 方案研究

3.1 主要功能

根据隧道智能建造需求研究，铁路隧道智能建造通信承载平台主要功能是提供施工调度指挥数据、视频监控数据、监测系统数据、建设管理信息数据和定位数据传输通道；提供调度人员与施工人员的组呼、群呼、广播呼叫功能，以及工程局指挥部对施工项目部及施工现场人员的调度指挥管理功能；提供作业人员、大型机械和火工品的位置定位功能，以及实现施工现场远程指导功能。

结合不同铁路建造条件的自身特点，通信承载平台应充分考虑铁路隧道施工建设难度大、工期长、条件恶劣等因素，应满足安全可靠、技术经济合理、便于管理维护的原则。充分考虑公网资源，合理布局网络架构，建造期设施可用于运营期相关工程。建造期的通信系统在发生紧急突发事件时，能提供应急救援的通信手段，具备一网多用的功能。

3.2 系统框架

铁路隧道智能建造的通信承载平台包含通信承载网络和应用业务系统两部分。

通信承载网络由数据承载网络和语音网络构成，解决语音、数据、视频图像等宽窄带数据传输功能。数据承载网络采用无线中继或光缆连接交换机方式提供传输通道，并在隧道内设置WLAN为各类数据提供无线传输通道。语音网络采用DMR网络对隧道内进行全覆盖。如图3所示。

图3 通信承载网络框架示意Fig.3 Communication bearer network framework diagram

应用业务系统为现场隧道施工作业人员提供指挥调度、人员车辆定位、可视化远程控制、协同作业等功能业务。在通信承载网络上搭载DMR施工调度指挥通信系统、建设单位和施工单位指挥部调度系统、多媒体施工调度指挥通信系统、定位系统及智能穿戴系统等应用业务系统，通过公网既有传输通道连接，为隧道施工提供调度、定位等业务功能。系统框架如图4所示。

图4 总体框架示意Fig.4 General framework diagram

3.3 关键技术难题及实施方案

1）跟随不断推进的掌子面提供传输网络

隧道内掌子面附近作业区域施工环境复杂多变，同时作业面随着隧道施工进程不断推进，采用有线光缆传输方式不适用动态变化的传输距离和不稳定的光缆敷设条件。传输网络采用无线中继方案，分段接力中继的方式构建数据传输网，在满足可靠性的前提下保障传输带宽容量需求。

2）建造期隧道内的无线电波传播

隧道环境独特的传播特性，在建造期变得更加复杂。各类智能建造工装与材料的使用，让狭长、粗糙的内部墙壁，呈现更多规则或不规则的形状。隧道的长度、尺寸、形状及产生的波导效应等均对传播信道产生一定影响[6]。因此，隧道内安装的天线类型及安装方式需结合具体环境考虑，条件较好时采用定向天线增加覆盖距离，条件复杂的场景可采用全向天线保障覆盖质量。

3）增强隧道智能建造可视化远程协同管控

隧道智能建造管理领域包含“地-隧-机-信-人”智能建造协同管控与可视化远程控制系统。针对隧道内恶劣自然环境、地质条件及作业难度，以BIM为先导[7]，结合采用VR、AR等信息化技术手段，为施工作业人员提供可视化远程协助指导施工操作或机械维护，提供机械化、信息化的多方协同管理。

4） 隧道作业人员、车辆机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业人员、车辆机械以及火工品的位置信息，采用适用于隧道场景以及施工作业环境的定位系统，兼顾高精度定位、灵活延伸建设、低维护性和智能化的特点，同时在突发事件时，能为应急救援指挥提供数据支撑。

4 结束语

铁路建设周期长，特别是艰险山区的铁路施工环境恶劣，加上地质异常复杂[8]，隧道智能建造是必然的选择，通信承载平台是其发挥作用必不可少的保障环节。