王 飛，劉金飛，尹習(xí)雙，張志偉

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 611130)

川藏鐵路工程規(guī)模大，隧道占比高、總量大，隧橋比高達(dá)90%以上；工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜且環(huán)境敏感性高；鐵路沿線交通多數(shù)無法滿足大型機械設(shè)備使用運輸要求，施工條件差，挑戰(zhàn)巨大；高寒高海拔下，現(xiàn)有隧道人工、機械化施工效率低，工期保障性差，要求提高機械化、信息化高。

隨著BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，工程建設(shè)數(shù)字化與信息化受到各級政府、建設(shè)與運營單位的高度重視，其中雅礱江流域水電開發(fā)公司研究并構(gòu)建基于流域水電全生命周期管理的流域數(shù)字化平臺總體架構(gòu)[1]，提出了平臺建設(shè)實施規(guī)劃；重點研究了流域徑流信息的數(shù)字化監(jiān)測、預(yù)報以及優(yōu)化調(diào)度，工程安全信息的數(shù)字化監(jiān)測，分析、預(yù)警和管理，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水電工程全生命周期信息采集和融合集成等數(shù)字化管理關(guān)鍵技術(shù),并在雅礱江流域?qū)嵺`應(yīng)用。通過BIM[2-3]參數(shù)化模型整合項目信息，在項目規(guī)劃、設(shè)計、施工、運行和維護(hù)等全壽命周期過程中共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種信息做出正確理解和高效應(yīng)對，為包括工程建設(shè)及運營單位在內(nèi)的各建設(shè)主體提供協(xié)同工作基礎(chǔ)，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本和縮短工期。在水利水電工程智能建造實踐[4-5]的基礎(chǔ)上，本文提出隧洞工程智能建造數(shù)學(xué)模型與框架，并概述了智能建造的主要建設(shè)內(nèi)容。

1 隧洞工程智能建造數(shù)學(xué)模型

根據(jù)建設(shè)管理要素“人、機、料、法、環(huán)”五方面的劃分，隨著時間階段的不同根據(jù)不同工程不同層級部位,需要建立建設(shè)管理決策集D，根據(jù)決策產(chǎn)生措施集M，構(gòu)建隧洞工程智能建造數(shù)學(xué)模型：

(1)

M～DI

(2)

式中I為指標(biāo)集(Men?Mer.?Mac.?T.L.?E.)；DI為決策集DI(Men?Mer.?Mac.?T.L.?E.)；F為以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的智能分析方法與手段(一般為函數(shù)關(guān)系)；M為措施集合，無措施則為φ，反作用于決策集DI；Men為人，監(jiān)測變量集；Mer.為料，監(jiān)測變量集；Mac.為機，監(jiān)測變量集；T.L.(technology and low)為法，監(jiān)測變量集；E.為環(huán)，監(jiān)測變量集；?為各方法手段及變量之間的耦合作用；MAT(data monitoring technology)為在措施集M下隧洞各變量數(shù)據(jù)的監(jiān)測手段，下標(biāo)表示不同的技術(shù)方式；i為工程；j為部位。

2 隧洞工程智能建造框架

隧洞工程智能建造平臺采用深度融合物聯(lián)網(wǎng)的6層架構(gòu)如圖1所示，包含物理層、感知層、傳輸層、分析層、業(yè)務(wù)層和展示層。

圖1 隧洞工程智能建造平臺框架示意

1) 物理層

物理層是感知的對象，即隧道及其環(huán)境。

2) 感知層

感知層是感知的手段，借助各類硬件設(shè)備感知隧道及其周圍物理環(huán)境。

3) 傳輸層

利用各類傳輸手段將感知的信息傳輸至數(shù)據(jù)分析層，提供數(shù)據(jù)支撐，主要包含平臺所需的基礎(chǔ)空間地理數(shù)據(jù)、工程三維模型數(shù)據(jù)、工程圖檔數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)、設(shè)計建造數(shù)據(jù)和實時監(jiān)控數(shù)據(jù)等，通過自動采集與人工錄入相結(jié)合的方式進(jìn)入平臺。

4) 分析層

根據(jù)業(yè)務(wù)層的需要進(jìn)行后臺分析處理。

5) 業(yè)務(wù)層

根據(jù)隧洞施工管理的業(yè)務(wù)需求，與數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)相結(jié)合形成業(yè)務(wù)應(yīng)用(包括隧洞建設(shè)過程中的技術(shù)、進(jìn)度、生產(chǎn)、質(zhì)量、資源、安全環(huán)保等的管理)。

6) 展示層

通過PC端、電子大屏和移動終端實現(xiàn)應(yīng)用接入，為用戶提供可視化的輔助管控工具以及決策會商環(huán)境與智能信息服務(wù)。

3 隧洞工程智能建造主要內(nèi)容

隧洞工程數(shù)字孿生全面整合BIM、GIS、三維數(shù)字引擎、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等信息化技術(shù)，基于GIM+BIM模型集成的工程設(shè)計、施工、監(jiān)測數(shù)據(jù)資產(chǎn)為基礎(chǔ)，對異常報警、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、視頻圖像等運維信息的三維可視化監(jiān)控與集中展示，實現(xiàn)物理空間與虛擬數(shù)字空間交互映射、融合共生，顛覆傳統(tǒng)運營模式，打造跨時代的隧洞智慧運營體系，以及時、高效、準(zhǔn)確的智慧化管理，充分保障隧洞工程的安全施工。

3.1 TBM設(shè)備管理

在系統(tǒng)BIM平臺上，基于TBM及隧洞三維模型，集成展示TBM狀態(tài)參數(shù)，遠(yuǎn)程可視化掌握TBM的主要工作狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，采集故障信息、指導(dǎo)備品備件管理。

TBM實時在線自動監(jiān)測信息的遠(yuǎn)程管理方面，利用TBM自身裝配有各種傳感器裝置，在線實時采集和監(jiān)控運行過程中的主要狀態(tài)參數(shù)，如刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速、主電機電壓、電流，推進(jìn)油缸位移、壓力等；將在線監(jiān)測的狀態(tài)信息通過洞內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)及時傳輸至洞外的后方監(jiān)控平臺，為TBM的全面監(jiān)控和遠(yuǎn)程會商提供基礎(chǔ)。運行管理方面，對TBM設(shè)備在運行過程進(jìn)行管理與記錄，包括掘進(jìn)、調(diào)度及維護(hù)三個方面。記錄每天的掘進(jìn)數(shù)據(jù)、消耗材料及每天操作人員的交接班信息，并形成統(tǒng)計報表，可以查詢掘進(jìn)運行臺賬、交接班臺賬及材料消耗臺賬；TBM狀態(tài)監(jiān)測、故障智能分析預(yù)警與備品備件管理方面，對TBM包括(不限于)盾構(gòu)機運行狀態(tài)，推進(jìn)系統(tǒng)壓力，鉸接系統(tǒng)油壓，注漿系統(tǒng)狀態(tài)，刀盤系統(tǒng)工作狀態(tài)、皮帶機工作狀態(tài)、導(dǎo)向系統(tǒng)等設(shè)備的運行狀態(tài)。臺賬管理方面，對TBM設(shè)備進(jìn)行基礎(chǔ)臺賬管理，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)臺賬和設(shè)備管理臺賬兩個方面，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)臺賬主要完成設(shè)備技術(shù)參數(shù)、設(shè)備缺陷及設(shè)備使用周期的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的記錄工作。巡檢管理方面，通過手持PDA設(shè)備，完成現(xiàn)場設(shè)備巡檢工作，并可以在完成巡查后，即進(jìn)行巡檢結(jié)果記錄，并查看歷史巡查記錄。完成巡檢后，如果發(fā)現(xiàn)缺陷，即調(diào)用設(shè)備進(jìn)行缺陷記錄，缺陷分為緊急與重大兩類，分別做不同的類別記錄。

3.2 智慧工地

為適應(yīng)施工區(qū)域安全智能管理的需要，利用相對成熟的監(jiān)控手段，建設(shè)智慧工地[6]，提升建設(shè)管理水平，智慧工地建設(shè)內(nèi)容可包含人員與設(shè)備定位等10余項內(nèi)容。

人員與設(shè)備定位方面，建設(shè)工程室內(nèi)及室外一體化定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在室內(nèi)隧洞及地下空間采用藍(lán)牙(或RFID射頻)識別，在室外則采用GPS定位技術(shù)與之相結(jié)合，實現(xiàn)室內(nèi)室外一體化定位管理需要；在通信層面采用WIFI等無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS通信，為硬件定位模塊提供地下工程接入網(wǎng)絡(luò)支持、向上對接工程中建設(shè)的工區(qū)至機房通信網(wǎng)絡(luò)；實現(xiàn)對地下工程的運輸車輛、施工設(shè)備及人員、進(jìn)行定位管理，實時定位、軌跡跟蹤等功能。勞務(wù)管理方面，通過系統(tǒng)建設(shè)實施，加強工地人員管理，精確掌握工人考勤情況、各工種上崗情況、安全專項教育落實情況、違規(guī)操作情況，實現(xiàn)施工現(xiàn)場勞務(wù)人員實時動態(tài)管理和安全監(jiān)督，提升企業(yè)信息化管理水平，同時切實落實企業(yè)社會責(zé)任。環(huán)境量監(jiān)測方面，感知PM2.5、PM10、空氣、溫度、濕度、噪音等，設(shè)備包括不限于揚塵實時監(jiān)控設(shè)備(PM2.5、PM10)、氣象監(jiān)控設(shè)備、噪聲采集設(shè)備、錄音采集設(shè)備、報警及控制系統(tǒng)、電源線、施工輔材，同時需滿足功能要求。車輛進(jìn)出管理方面，車輛進(jìn)出管理集成攝像頭、圖像識別、車牌對比、路障攔截，實現(xiàn)車輛進(jìn)出記錄、車牌識別、預(yù)警提示、車輛進(jìn)出控制監(jiān)管。運輸車輛監(jiān)控方面，負(fù)責(zé)砂石料/混凝土/管片車等主要原材料及渣土運輸車輛監(jiān)測管理，相關(guān)設(shè)備包括不限于車載主機、通訊模塊、IP攝像機、車載顯示屏、對講設(shè)備延長線、硬盤、報警按鈕、車載取電線、防護(hù)機箱等，同時滿足功能要求。門式起重機(龍門吊)監(jiān)測實現(xiàn)對起重機狀態(tài)進(jìn)行24 h全天候監(jiān)控，如運行數(shù)據(jù)，環(huán)境參數(shù)，司機的操作指令等，保護(hù)起重機的正常、有效運行。在事故發(fā)生之前偵測潛在危機，使機器停止作業(yè)，并通過各種方式將報警信息發(fā)送給相關(guān)人員及時處理。攪拌站監(jiān)測方面，混凝土攪拌站不但對攪拌機實時的管理監(jiān)測，而且需要對大環(huán)境的噪音、揚塵的進(jìn)行環(huán)保管理；拌合站生產(chǎn)的每盤混凝土的數(shù)據(jù)信息(骨料配比、水泥量、粉煤灰量、水膠比、參配比、拌合產(chǎn)量等)并與提前錄入系統(tǒng)的工藝要求比對，當(dāng)生產(chǎn)質(zhì)量未達(dá)到規(guī)范要求時，系統(tǒng)自動預(yù)警，提示相關(guān)負(fù)責(zé)人，及時做出調(diào)整。施工用電監(jiān)測則實現(xiàn)低壓配電柜出線交流電路中的電壓、電流、功率(如果有)數(shù)據(jù)的采集、錄入、修改、存盤功能，可由用戶設(shè)置顯示列、排序條件、過濾條件等。移動巡更實現(xiàn)按指定巡更路線對現(xiàn)場安全隱患進(jìn)行手拍，在手機APP上對巡查的問題直接轉(zhuǎn)成需要解決的任務(wù)，包含參與人、解決時間要求、監(jiān)督人等；可對巡查信息批量導(dǎo)出，作為工程建設(shè)過程資料。視頻監(jiān)控方面，在工區(qū)安裝視頻監(jiān)控設(shè)備，對工區(qū)實際情況進(jìn)行記錄，可真實反映工地現(xiàn)場施工動態(tài)和進(jìn)度以及防范措施等。同時對特殊情況進(jìn)行判別，將信息及時反饋給相關(guān)人員。安全教育方，將現(xiàn)場WIFI權(quán)限與安全知識相結(jié)合，強化安全防范意識，促進(jìn)熟練掌握安全操作技能。同時對答題情況進(jìn)行智能統(tǒng)計，分析答題情況，助力針對性安全再教育；同時將VR技術(shù)與員工安全培訓(xùn)相結(jié)合，可以讓用戶足不出戶就擁有沉浸式課堂體驗，突破時間和空間教學(xué)局限。工藝仿真與培訓(xùn)方面，在三維可視化環(huán)境中，模擬鉆爆法的掘進(jìn)原理，包括全斷面掘進(jìn)法、導(dǎo)洞法及分部開挖法；模擬鉆孔、裝藥、爆破工藝，開挖出渣運輸、豆礫石吹填、回填灌漿等各工序的工藝流程。為用戶提供可交互的培訓(xùn)平臺，支持通過鼠標(biāo)、鍵盤與三維模型的點選、拖動、縮放等交互，以TBM組裝與操作的工藝邏輯為基礎(chǔ)，基于動態(tài)仿真算法驅(qū)動空間模型狀態(tài)以響應(yīng)用戶操作，并對用戶的操作流程進(jìn)行評價，以促進(jìn)用戶快速掌握TBM的組裝及運行操作。

3.3 應(yīng)急管理

為適應(yīng)隧洞工程施工應(yīng)急管理需要，在系統(tǒng)BIM平臺中建設(shè)應(yīng)急管理模塊，依托于BIM有效管控隧洞施工安全與風(fēng)險，實現(xiàn)風(fēng)險源信息管理、災(zāi)害預(yù)警預(yù)報及分析模擬、應(yīng)急物資與后勤保障管理、災(zāi)害應(yīng)對預(yù)案管理及演練，確保風(fēng)險受控、施工安全、應(yīng)對高效。

風(fēng)險源信息管理方面，針對項目所涉范圍內(nèi)的風(fēng)險源與歷史災(zāi)害點，以可視化方式綜合展現(xiàn)其地理分布、跟蹤狀態(tài)等相關(guān)信息[7]，通過系統(tǒng)關(guān)鍵字可快速檢索查詢、利用統(tǒng)計圖表方式顯示相關(guān)實時及報送信息。災(zāi)害預(yù)警預(yù)報及分析模擬方面，結(jié)合風(fēng)險源、項目地理環(huán)境、水文水情、氣象、歷史地質(zhì)災(zāi)害、歷史洪澇自然災(zāi)害等現(xiàn)有信息資源，通過災(zāi)害與安全評價評估，對災(zāi)害及二次災(zāi)害進(jìn)行分級預(yù)警預(yù)報，并在可視化環(huán)境中對災(zāi)害的影響進(jìn)行分析模擬，為災(zāi)害的應(yīng)對提供基礎(chǔ)支撐。應(yīng)急物資與后勤保障管理方面，在BIM平臺中，將應(yīng)急物資、應(yīng)急組織、應(yīng)急隊伍等的地理位置分布、數(shù)量、種類等數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，為決策人員提供智能化應(yīng)急處置與應(yīng)急后勤保障管理提供會商環(huán)境，并跟蹤應(yīng)急物質(zhì)和后勤保障的動態(tài)變化。災(zāi)害應(yīng)對預(yù)案管理及演練方面，針對不同的災(zāi)害類型和風(fēng)險等級，設(shè)置對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，在BIM平臺中結(jié)合流程化圖形展示手段，顯示響應(yīng)突發(fā)事件的應(yīng)急處置流程與預(yù)案，并針對事件現(xiàn)場的反饋信息，在地圖上顯示對應(yīng)應(yīng)急處置措施，為系統(tǒng)決策人員提供智能化應(yīng)急處置決策意見。

3.4 智能監(jiān)測

超長隧道施工監(jiān)測點多，監(jiān)測周期、頻率較高，數(shù)據(jù)量非常大。而采用傳統(tǒng)的存儲及查閱的方式，不僅數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式單一、枯燥，而且工作量大，容易出錯。GIS系統(tǒng)是基于空間的數(shù)據(jù)庫，能高效地顯示大場景信息適用于多項目的集中管理，但模型精度不高。BIM模型在顯示精細(xì)度和信息整合上具有先天優(yōu)勢，可與GIS系統(tǒng)的形成優(yōu)勢互補。因此，基于GIS+BIM系統(tǒng)的隧道圍巖全自動監(jiān)測系統(tǒng)能將監(jiān)測信息與BIM模型關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)監(jiān)測信息的可視化，監(jiān)測信息共享化、施工管理信息化、工程信息集成化[8-9]。

3.5 會商決策

可視化會商決策是融合建筑信息模型[10]和三維地理信息系統(tǒng)(3D-GIS)技術(shù)，對工程建設(shè)管理涉及的主要空間對象進(jìn)行建模標(biāo)識和展示，提供空間對象集成的相關(guān)信息查詢與分析利用，以及由參數(shù)驅(qū)動的自然和人工過程的動態(tài)演示等功能，創(chuàng)建沉浸式的工程建設(shè)輔助管理和決策支持虛擬現(xiàn)實環(huán)境，提供工程建設(shè)管理人員遠(yuǎn)程決策、會商及日常輔助管理使用。

TBM施工資源與保障管理方面，基于BIM技術(shù)的TBM施工資源動態(tài)監(jiān)控與運行保障，集成施工資源臺賬，采用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)對施工資源進(jìn)行遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)控，依托BIM進(jìn)行集成管理和可視化展示，強化資源管理、優(yōu)化施工資源調(diào)度，保障TBM高效運行。TBM施工質(zhì)量信息集成與控制方面，基于BIM可視化技術(shù)，可視化展示TBM開挖、襯砌、回填灌漿各工序施工質(zhì)量，及時統(tǒng)計分析質(zhì)量控制信息、預(yù)測質(zhì)量趨勢、調(diào)整TBM狀態(tài)和運行參數(shù)，確保施工質(zhì)量受控。施工進(jìn)度信息集成與管理方面，以BIM模型集成的地質(zhì)信息和超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合TBM施工資源與保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)，科學(xué)制定TBM施工進(jìn)度計劃；施工過程中對施工資源，如出渣系統(tǒng)、牽引機車、設(shè)備、材料、人員等進(jìn)行動態(tài)管理，減少施工交叉干擾，避免影響TBM掘進(jìn)速度；監(jiān)控實際施工進(jìn)度，在系統(tǒng)BIM平臺中以可視化方式對比進(jìn)度計劃的差異，實時調(diào)整施工方案，確保施工進(jìn)度處于受控狀態(tài)。施工成本信息集成與管理方面，運用BIM平臺對單元工程計量支付進(jìn)行管理，集成實際成本明細(xì)，對施工全工程進(jìn)行分月、分季度跟蹤核算，分析單價的變化趨勢和影響因素，并根據(jù)實際的施工進(jìn)度，在后續(xù)施工工程中采用有效的調(diào)整或控制措施。施工安全與風(fēng)險控制方面，基于現(xiàn)代信息技術(shù)，在系統(tǒng)BIM平臺中可視化展現(xiàn)，有效管控TBM施工安全與風(fēng)險，實現(xiàn)實時檢測、現(xiàn)場巡查、視頻監(jiān)控、風(fēng)險評估、風(fēng)險預(yù)報與安全預(yù)警等信息的集中管理與快速決策，確保風(fēng)險受控、施工安全。

3.6 知識庫

重點研究隧洞工程施工過程中影響工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全和造價的各類要素，分類分級積累并收集同類工程的經(jīng)驗庫，隨工程進(jìn)展逐步擴(kuò)充，不斷演進(jìn)，充分利用深度學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)挖掘分析手段，發(fā)揮知識庫價值，為后續(xù)洞段施工過程中方案決策、參數(shù)選定提供重要參考。

4 結(jié)語

以川藏鐵路建設(shè)全生命周期管理理念為指引，以高原高海拔地區(qū)大型隧道工程建造過程精細(xì)化管控為目標(biāo)，在水利水電工程智能建造實際的基礎(chǔ)上研究并提出了基于BIM的隧洞工程智能建造數(shù)學(xué)模型與框架，對感知層感知網(wǎng)、傳輸層數(shù)傳網(wǎng)、分析層工程數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用層進(jìn)行了闡述。在此基礎(chǔ)上對智能建造主要內(nèi)容包括TBM設(shè)備管理、工藝工法數(shù)字化、智慧工地、應(yīng)急管理和安全監(jiān)測管理、會商決策指揮、隧道工程施工知識庫等進(jìn)行功能設(shè)計與概述，為實現(xiàn)對川藏鐵路隧道工程全壽命周期的數(shù)字化管理提供解決方案。