趙海雷， 曾垂剛， 王利明, *, 李鳳遠， 張 兵

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，西部地區(qū)高埋深長大隧道的建設方興未艾，距離也越來越長[1-6]。在隧道修建過程中，必須處理好快速掘進與出碴進料的關系，否則將會導致修建效率低下，造成工期延誤的后果[7-8]。借助特定環(huán)境條件，在長大隧道設置斜井是提供一種解決碴料快速運輸?shù)目煽糠椒╗9]。目前，斜井碴料運輸大多采用皮帶機與無軌車輛相結合的方式[10]。由于斜井斷面較小及皮帶機的布置方式所限，往往造成斜井運輸單車道多車輛行駛的情況，給現(xiàn)場施工車輛調度管理帶來了巨大的安全隱患。

針對長距離大坡度隧道行車安全，許多專家和學者都進行了研究。如： 趙喜斌等[11]在龍巖至廈門鐵路象山隧道斜井有軌運輸施工中,通過運輸管理實踐,總結分析了有軌運輸斜井溜車的各種原因,提出相應的針對性防控措施,確保了斜井有軌運輸?shù)陌踩?徐正帥[12]以蘭渝鐵路西秦嶺隧道羅家理斜井為背景,對斜井溜車主要原因進行深入分析,從防溜墩設置、道路設計、管線布置、車輛及司機管理和行車安全等5個方面的安全技術措施進行了探討； 宿喜紅[13]研究了交通隧道聯(lián)動控制方案，通過交通監(jiān)控系統(tǒng)和隧道監(jiān)控系統(tǒng)的使用，確保了隧道運營和車輛安全行駛； 梁峻海等[14]研究了長距離大直徑盾構隧道洞內單車道段車輛調度模型； 陳鵬等[15]以蘇通GIL綜合管廊工程為例，對長距離大直徑泥水盾構隧道洞內無軌運輸模型優(yōu)化進行研究，為蘇通GIL綜合管廊工程洞內物料運輸方案提供理論指導。 以上研究在隧道車輛無軌物料運輸研究方面取得了一定的成果，但大部分以車輛防溜車以及理論研究和數(shù)值模擬層面入手，對隧道施工無軌運輸智能避讓系統(tǒng)研究較少。

本文針對長距離隧道幽暗濕滑環(huán)境司機視線受阻、物料運輸效率低、單車道多車輛行車風險大等問題，對長距離單車道隧道無軌運輸智能避讓系統(tǒng)進行研究，以期提升物料運輸速率和行車安全。

1 研發(fā)背景

隨著我國隧道工程突飛猛進的發(fā)展，超長距離隧道工程施工不可避免。如： 新開工建設的川藏鐵路工程，其中色季拉山隧道長度近38 km。目前施工的長距離隧道工程，多采用皮帶運輸機和傳統(tǒng)的無軌運輸車輛相結合的碴料運輸方式。

依托工程新疆YE供水2期輸水工程喀雙段V標T2斜井長度為2 987 m，斜井坡度為12%(傾角6°50′34″，約6.84°)，斜井斷面直徑為7 m，13個錯車洞，間距約為200 m，內部軸向架設有風道、出碴用膠帶輸送機、輸水管道、電力線纜、通信線纜、照明燈等設備，實際留給車輛安全行駛的有效空間僅4 m×4 m(截面尺寸)，車輛運輸方式只能采用單車道無軌運輸。在幽暗濕滑環(huán)境下，司機通過機車燈光進行避讓車操作，容易造成對向行駛避車效率低、同向跟車追尾的風險，尤其在冬季洞口水蒸氣彌漫段。

基于此，研發(fā)深埋長距離單車道隧道無軌運輸智能避讓系統(tǒng)，解決目前存在的問題，提高其工作效率，降低車輛行駛安全風險顯得很有必要。單車道隧道如圖1所示。

(a) 運輸框架示意圖

(b) 現(xiàn)場照片

2 系統(tǒng)研制

2.1 系統(tǒng)整體方案及工作原理

2.1.1 系統(tǒng)解決方案

該系統(tǒng)設計方案主要以實現(xiàn)車載終端設計和后臺軟件系統(tǒng)實現(xiàn)車輛定位以及會車避讓的功能，應滿足以下核心需求。

1)車載終端應支持數(shù)據(jù)傳輸和定位功能： 集成藍牙定位、無線通信和車載語音播報功能；整套定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，應支持下行數(shù)據(jù)通訊與車載終端之間的交互，完成相關下行數(shù)據(jù)的私有協(xié)議設計，協(xié)議包括【服務器?定位基站】、【定位基站?車載終端】。

2)根據(jù)現(xiàn)場提供的斜井CAD圖紙，結合實際情況，可快速完成定位現(xiàn)場效果地圖制作，地圖可在一定范圍內調節(jié)長寬比例，在保障定位效果的前提下，允許圖紙比例失真或用分圖的形式呈現(xiàn)。

3)避讓系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口可與智慧隧道施工工程大數(shù)據(jù)平臺整合對接，實現(xiàn)定位顯示終端的數(shù)據(jù)聯(lián)調測試。

4)后臺軟件系統(tǒng)包括定位數(shù)據(jù)處理與避讓算法實現(xiàn)。

長距離隧道無軌運輸智能避讓系統(tǒng)解決方案見圖2。長距離隧道無軌運輸智能避讓系統(tǒng)示意見圖3。

圖2 長距離隧道無軌運輸智能避讓系統(tǒng)解決方案

圖3 長距離隧道無軌運輸智能避讓系統(tǒng)示意圖

2.1.2 系統(tǒng)工作原理

藍牙信標不斷向外廣播信標本身的相對位置信息，車載定位終端實時接收藍牙信標廣播的相對位置信息，并通過網(wǎng)絡將車輛的定位信息發(fā)送給避讓管理系統(tǒng)。避讓管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡通信接收車載定位終端發(fā)送的車輛定位信息，并將定位信息轉換為車輛之間的運行方向和相對距離信息，結合避讓管理策略，發(fā)送車輛智能避讓的指令給車載終端。車載終端根據(jù)避讓指令，通過語音提示司機進行避讓或者通行的操作。

2.2 車載終端

按照整體方案的解決思路進行車載終端的研發(fā)工作，車載終端工作流程如圖4所示。首先，打開車載終端電源開關，硬件進入初始化狀態(tài)，車載終端接收信標傳來的數(shù)據(jù)，進行邏輯判斷，數(shù)據(jù)是否符合要求，將符合要求的數(shù)據(jù)進行整合發(fā)送到服務器，服務器進行數(shù)據(jù)處理后返回車載終端，車載終端對服務器返回的數(shù)據(jù)進行檢查； 然后，基于CPU控制單元內的控制代碼，根據(jù)數(shù)據(jù)指令控制車載終端的語音播報功能。具體語音播報控制部分代碼如下。

if((UDP_data[6]==CAR_ID) && (UDP_data[15]== OxA5)){/**判斷ID和數(shù)據(jù)正確行 */

if(UDP_data[11]== Ox01) {

voice_play(1);/** 前方會車請減速行駛 */

}else if(UDP_data[11]== Ox02) {

voice_play(2);/**前方會車請進避車洞 */

}else if(UDP_data[11]==Ox03){

voice_play(3);/**前方跟車距離200 m */

}else if(UDP_data[11]== Ox04) {

voice_play(4);/**前方跟車距離100 m */

圖4 車載終端工作流程圖

車載終端采用便攜式設計，具體包含定位標簽、語音提示單元、無線通信模塊、CPU控制單元和電源(電池)管理模塊。主要功能是為控制中心提供車輛位置信息，接收會車讓車信息，并提示駕駛員避讓、減速通過還是減速慢行。車載終端架構和實物圖如圖5所示。

2.3 隧道定位及應用系統(tǒng)

隧道定位及應用系統(tǒng)主要功能是運輸車輛在隧道內運行時，能夠提供車輛實時位置，為車輛的智能避讓提供數(shù)據(jù)支持。定位系統(tǒng)根據(jù)功能不同劃分為3個基本層次，即位置感知層、網(wǎng)絡傳輸層、定位應用層。

2.3.1 位置感知層

位置感知層由定位信標組成，用于獲取車輛位置的有效信息。定位信標在斜井隧道內10 m布置1個，可以實現(xiàn)車輛位置信息在隧道內的全覆蓋。定位信標通過與車載終端的信息交互，實現(xiàn)車載終端在隧道內的精準定位。定位信標的現(xiàn)場安裝如圖6所示。

(a) 選位置

(b) 固定

2.3.2 網(wǎng)絡傳輸層

網(wǎng)絡傳輸層負責將位置感知層獲得的與定位相關的信息通過有線方式和無線方式傳輸給后臺服務器。通信網(wǎng)絡包括定位基站和車載終端的無線方式交互，以及定位基站收到的交互數(shù)據(jù)通過有線光纖的方式傳輸至定位應用層。即在隧道區(qū)域布設無線定位基站AP，通過光纖連接至監(jiān)控中心服務器組成環(huán)網(wǎng)。網(wǎng)絡傳輸現(xiàn)場安裝如圖7所示。

2.3.3 定位應用層

定位應用層主要包括定位引擎、應用軟件平臺。定位引擎用于實時解算定位標簽的位置信息，為解析車輛位置信息提供依據(jù)；應用軟件平臺用于實現(xiàn)人機交互，為用戶提供各種業(yè)務功能應用，主要包括系統(tǒng)管理、避讓管理與統(tǒng)計查詢功能，其中系統(tǒng)管理可實現(xiàn)用戶管理、角色管理和組織機構管理，避讓管理可實現(xiàn)車載終端設備管理、車輛管理和避讓規(guī)則設置，查詢功能可進行車載終端的避讓日志、車輛在隧道內運行工作記錄以及軌跡回放的查詢。定位應用層如圖8所示。

(a) 光纖布設

(b) 定位基站安裝

(a) 定位引擎

(b) 應用軟件平臺

2.4 隧道定位系統(tǒng)算法

隧道定位系統(tǒng)的核心是無線定位技術，其功能實現(xiàn)的路徑如下： 獲得位置相關的變量，建立定位數(shù)學模型，然后利用這些參數(shù)和相關的數(shù)學模型來解析坐標位置。根據(jù)測量參數(shù)的不同，隧道位置解析方法主要有信號強度法(RSSI)、角度法(AOA)、時間法(TOA/TDOA)。該系統(tǒng)主要運用的是信號強度法，此方法是根據(jù)在待測點接收到的信號強度值，利用信號傳播模型反求距離，由至少3個參考節(jié)點間的距離就可以求出待測點的坐標。相對于AOA、TOA、TDOA這幾種方式，基于信號強度的定位方法比較簡單，成本較低?；赗SSI的隧道定位技術具體模型如圖9所示。

圖9 基于RSSI的隧道定位技術

2.5 基于現(xiàn)場的系統(tǒng)避讓規(guī)則

本系統(tǒng)以新疆YE供水2期輸水工程喀雙段V標T2斜井為應用基礎，為解決車輛在斜井隧道運行時的會車避讓問題，首先對斜井進行區(qū)段劃分，每2個避讓車洞之間為1個區(qū)段。如果相向運行的2車之間只有1個完整區(qū)段時，根據(jù)避讓車規(guī)則選擇優(yōu)先級較低的車輛進入避讓區(qū)。系統(tǒng)設計時給出避讓車規(guī)則配置界面，可以配置某類車型的優(yōu)先級，從而改變避讓車規(guī)則?，F(xiàn)場車輛保障級別如表1所示。

表1 現(xiàn)場車輛保障級別分配表

根據(jù)斜井坡度、車輛類別等實際情況，設置如下車輛避讓及同向跟車距離預報規(guī)則, 規(guī)定車輛從隧道洞口向洞內方向行駛為下行，車輛從隧道洞內向洞口方向行駛為上行。

1)A車輛保障級別(高)=B車輛保障級別時(高)，上行車輛避讓下行車輛(上行車輛進避車洞，下行車輛緩慢通過)。

2)A車輛保障級別(高)>B車輛保障級別時(低)，A車輛緩慢通過，B車輛進避車洞。

3)A車輛保障級別(低)=B車輛保障級別時(低)，上行車輛避讓下行車輛(上行車輛進避車洞，下行車輛緩慢通過)。

4)A車距離前方B車200 m，A車距離前方B車50 m，進行跟車距離提醒。

2.6 智能避讓系統(tǒng)的工作方式

基于現(xiàn)場隧道定位系統(tǒng)算法與避讓規(guī)則，根據(jù)避讓邏輯前置要求，1個完整的運行區(qū)間只允許存在1個車輛。系統(tǒng)每隔1 s觸發(fā)避讓算法引擎1次，首先獲取當前在線設備信息，根據(jù)設備運行方向進行兩兩分組，分為同向行駛兩兩分組與相向行駛兩兩分組。根據(jù)車輛坐標位置信息判斷獲取前方避車洞坐標信息，當相向行駛的1組車輛前方避車洞是同一個避車洞時，將其加入預警序列中，根據(jù)設定距離前方避車洞30 m左右時觸發(fā)預警提示，當某一車輛距離前方信號機距離≤30 m、>10 m時，并基于當前系統(tǒng)設置啟用的避讓規(guī)則，判斷2個車輛哪個避讓，哪個減速并通過；當1組車輛同向行駛時，計算2個車載終端的距離，當2車相距較近時，提醒后車減速慢行，避免追尾。智能避讓系統(tǒng)工作流程如圖10所示。

圖10 智能避讓系統(tǒng)工作流程

3 系統(tǒng)功能測試

3.1 地面100 m模擬測試

為了驗證智能避車系統(tǒng)的功能，首先進行了地面100 m的模擬試驗。通過在地面100 m的場地上布置虛擬避車洞、擺放定位信標，利用試驗用車載終端，成功驗證了系統(tǒng)功能的準確性，實現(xiàn)了會車功能。地面100 m模擬測試如圖11所示。

3.2 地面500 m模擬測試

基于100 m距離的測試結果，以及為了驗證較長距離避車系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在市內空曠道路上進行了500 m距離的智能避車系統(tǒng)的測試。本次測試完成了系統(tǒng)功能完整性驗證，進行了車載終端定位信息采集、定位數(shù)據(jù)發(fā)送、避讓管理系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)的處理和展示、避讓指令和語音的下發(fā)等功能的測試，系統(tǒng)各項功能正常，可以進行現(xiàn)場測試與應用。地面500 m模擬測試如圖12所示。

(a) 模擬避車洞

(b) 擺放定位信標

(c) 試驗用車載終端

(d) 避讓提醒

4 現(xiàn)場應用效果

使用研發(fā)的長距離單車道隧道無軌運輸智能避讓系統(tǒng)，現(xiàn)場實現(xiàn)了隧道車輛相向行駛提前20～35 s的避讓預警時間，實現(xiàn)了同向行駛跟車50～200 m的精確定位及防追尾提醒。自2020年6月以來，該系統(tǒng)平均每天可為現(xiàn)場提供避讓車提醒19次，大大提高了現(xiàn)場物料運輸效率和施工安全指數(shù)?，F(xiàn)場應用效果如圖13所示。

(a) 終端車內安裝

(b) 路面測試場景

(a) 車載終端現(xiàn)場安裝

(b) 相向避車提醒

(c) 同向跟車距離提醒

(d) 現(xiàn)場行駛畫面

5 結論與建議

1)便攜式車載終端，可為控制中心提供車輛位置信息，接收會車讓車信息，并提示駕駛員避讓、減速通過還是減速慢行。

2)具有位置感知、網(wǎng)絡傳輸、定位應用功能的精準定位系統(tǒng)，能夠提供車輛實時位置，為車輛的智能避讓提供數(shù)據(jù)支持。

3)實現(xiàn)了長距離隧道無軌運輸車輛智能交通指揮。

4)系統(tǒng)可實現(xiàn)相向行駛車輛提前20～35 s的避讓預警時間，同向行駛可實現(xiàn)跟車50～200 m的精確定位及報告，大大提升無軌運輸綜合效率和行車安全。

下一步可將該系統(tǒng)進行更深一步的研發(fā)和升級，使該系統(tǒng)也能用于隧道施工有軌運輸系統(tǒng)的控制和定位，從而提高長大隧道有軌運輸?shù)男屎托熊嚢踩?/p>