基金項(xiàng)目：

2023年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練模型的課堂行為智能分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究”（編號(hào)：2023KY1158）；2023年廣西教育科學(xué)規(guī)劃課題“成果導(dǎo)向下‘專思創(chuàng)’三融合的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系建設(shè)研究”（編號(hào)：2023ZJY1476）

作者簡(jiǎn)介：

覃 卓（1988—），工程師，主要從事公路橋梁工程管理工作。

摘要：文章提出一種隧道施工智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用方案，旨在解決當(dāng)前隧道施工中存在的系統(tǒng)集成性不足、現(xiàn)場(chǎng)流程與地質(zhì)情況管理缺失、智能化技術(shù)應(yīng)用效果不佳等痛點(diǎn)問題。在典型應(yīng)用場(chǎng)景中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了隧道全景全要素管控、人員管理、施工流程管理以及資料管理的智能化與自動(dòng)化，提高了隧道施工管理的效率與精度，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，提升了隧道施工的安全性；該系統(tǒng)還具備靈活調(diào)整填報(bào)與審批責(zé)任人員、多端協(xié)同應(yīng)用等亮點(diǎn)，提高了管理的便捷性與靈活性。

關(guān)鍵詞：隧道施工；智能管理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U455.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 53 176 4

0 引言

隨著隧道工程建設(shè)的快速發(fā)展，施工管理的智能化成為迫切需求。隧道施工智能管理系統(tǒng)旨在通過集成先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)施工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能決策，以提升管理效率、確保施工安全。盡管已有基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的研究成果，但目前仍存在系統(tǒng)集成性、覆蓋面不足、智能化程度不足等問題。為此，本文提出了一種隧道施工智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用方案，旨在通過信息化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工全面、高效、精準(zhǔn)的管理。

1 隧道施工智能管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀及問題

隨著隧道整體建設(shè)整體朝向“大埋深、長(zhǎng)洞線”方向轉(zhuǎn)變，“選址遠(yuǎn)、高應(yīng)力、強(qiáng)巖溶、高水壓、構(gòu)造復(fù)雜”等特點(diǎn)也逐步凸顯［1］，隧道安全管理變得愈加重要。近年來，隨著各類信息化技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)隧道施工期的系統(tǒng)智能化、信息化管理已成為了可能，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多痛點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

（1）系統(tǒng)集成性、覆蓋面不足，難以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)全面監(jiān)管的需求。

現(xiàn)存綜合管理平臺(tái)功能相對(duì)單一、覆蓋范圍較小，往往需同時(shí)應(yīng)用多個(gè)軟件或系統(tǒng)。而應(yīng)用、數(shù)據(jù)之間缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無法互聯(lián)互通，進(jìn)而導(dǎo)致信息難以整合、重復(fù)輸入或遺漏錯(cuò)誤等問題，不僅未能提高施工管理效率，反而易造成權(quán)責(zé)不清、管理混亂的局面。

（2）缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流程的追蹤管理與地質(zhì)情況的深入分析，風(fēng)險(xiǎn)管控能力存在一定缺陷。

明晰地質(zhì)情況及確保施工合理是實(shí)現(xiàn)隧道安全施工的重要前提。目前多數(shù)信息化管理系統(tǒng)多側(cè)重于經(jīng)營(yíng)側(cè)的數(shù)據(jù)管控，對(duì)實(shí)際施工過程缺乏有效監(jiān)管手段，并缺乏對(duì)開挖揭露地質(zhì)信息的有效采集、調(diào)查與分析，存在對(duì)隧道實(shí)際地質(zhì)及施工穩(wěn)定性情況認(rèn)知不足，進(jìn)而難以有效評(píng)估相應(yīng)施工安全風(fēng)險(xiǎn)及指導(dǎo)隧道施工的變更等問題［2］。

（3）智能化技術(shù)應(yīng)用較為零散、效果欠佳，未能有效達(dá)到減人增效。

基于智能化技術(shù)進(jìn)行施工監(jiān)管已成為行業(yè)主要趨勢(shì)，但當(dāng)前市面上的已有主流智能化監(jiān)控手段尚不足以適用于復(fù)雜的隧道建設(shè)具體場(chǎng)景，在現(xiàn)階段因難以獲取高質(zhì)量的實(shí)際隧道場(chǎng)景樣本，在穩(wěn)定性、可調(diào)整性、自適應(yīng)能力等方面還多有不足，尚需較多管理人員介入或干預(yù)，應(yīng)用效果未達(dá)預(yù)期。

（4）施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主觀性強(qiáng)，缺乏對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的挖掘與融合分析。

盡管實(shí)際應(yīng)用中采用了各類信息化與數(shù)字化手段進(jìn)行信息采集，但當(dāng)前隧道施工風(fēng)險(xiǎn)仍多沿用傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系與方法，高度依賴于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的主觀判斷，存在較強(qiáng)的隨意性與不確定性，未能有效挖掘多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)藏的風(fēng)險(xiǎn)信息并加以融合，實(shí)際過程中仍缺乏隧道施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估的有效方法與工具［3］。

2 總體思路

針對(duì)當(dāng)前隧道施工行業(yè)管理痛點(diǎn)，本系統(tǒng)方案以信息化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)等為支撐，以人員管理、流程管理、地質(zhì)管理為監(jiān)管重點(diǎn)，為隧道施工管理提供綜合性管理與技術(shù)服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)隧道安全施工的有效管控。系統(tǒng)總體思路如圖1所示。

3 技術(shù)框架

隧道施工智能管理系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，包括技術(shù)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層及用戶層。數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，包括數(shù)據(jù)的查詢、存儲(chǔ)、分析，能夠收集現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)，包括人員定位、視頻監(jiān)控、地質(zhì)信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)等；應(yīng)用層根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)隧道全景、人員管理、施工流程、地質(zhì)分析，監(jiān)測(cè)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等功能；用戶層提供面向用戶的友好的操作界面，方便業(yè)主單位、施工單位、檢查單位在PC端、App端及微信小程序進(jìn)行信息查詢、操作與控制。隧道施工智能管理系統(tǒng)技術(shù)框架如圖2所示。

4 典型應(yīng)用場(chǎng)景

隧道施工智能管理系統(tǒng)典型應(yīng)用場(chǎng)景包括隧道全景、人員管理、施工流程管理、資料管理、地質(zhì)分析、監(jiān)測(cè)分析與預(yù)警、施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等，具體如圖3所示。

4.1 隧道全景全要素管控

以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)人員定位、視頻監(jiān)控、地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)等多元施工信息的有效融合，以“一張圖”展示隧道施工建造全要素場(chǎng)景。具有以下特點(diǎn)：

（1）融合多源信息的隧道施工數(shù)字孿生場(chǎng)景。以三維地質(zhì)模型為載體，將地質(zhì)、監(jiān)測(cè)、進(jìn)度、預(yù)警、定位及視頻監(jiān)控信息在模型中融合展示，基于模型掛接數(shù)據(jù)即可了解隧道施工現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)場(chǎng)景。

（2）隧道場(chǎng)景全要素動(dòng)態(tài)快速更新。根據(jù)隧道動(dòng)態(tài)施工情況，快速建立并更新與隧道實(shí)際施工要素匹配的數(shù)字孿生模型，保證三維場(chǎng)景與隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況一致，主要包含匹配隧道施工信息的三維模型快速建模與更新、對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)到的不良地質(zhì)體進(jìn)行三維展示、基于實(shí)際施工里程對(duì)掌子面三維掃描結(jié)果進(jìn)行展示。

4.2 人員管理

基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)洞內(nèi)人員位置的實(shí)時(shí)展示、報(bào)警發(fā)送與求助信息接收、視頻監(jiān)控在線查看，綜合提升對(duì)洞內(nèi)人員的管控能力。同時(shí)，系統(tǒng)支持人員管理、流程管理、地質(zhì)管理等功能，幫助管理人員全面掌握施工現(xiàn)場(chǎng)情況，提高施工效率和質(zhì)量。

其具有以下特點(diǎn)：（1）人員、設(shè)備位置實(shí)時(shí)展示、歷史軌跡查詢及統(tǒng)計(jì)，基于三維地質(zhì)模型與二維平面兩種模式實(shí)時(shí)展示洞內(nèi)人員、設(shè)備位置，并支持歷史軌跡回放與分時(shí)段、分區(qū)域人員數(shù)量統(tǒng)計(jì)；（2）隧道內(nèi)、外信息雙向傳遞，基于物聯(lián)網(wǎng)定位設(shè)備實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)作業(yè)人員與洞外管理人員雙向信息傳遞；（3）視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)查看與回放，可通過網(wǎng)頁(yè)端與手機(jī)端實(shí)時(shí)查看各隧道洞口視頻畫面，了解洞內(nèi)施工作業(yè)情況，指定時(shí)段視頻回放、倍速播放；（4）洞內(nèi)作業(yè)人員不安全行為監(jiān)測(cè)，基于AI視覺識(shí)別技術(shù)，通過視頻監(jiān)控畫面監(jiān)測(cè)洞內(nèi)作業(yè)人員不安全行為（如未佩戴安全帽、未穿反光衣等）。

4.3 施工流程管理

通過網(wǎng)頁(yè)端與手機(jī)端上報(bào)、審批業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，規(guī)范施工流程，提升工序報(bào)驗(yàn)、地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)、施工信息等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報(bào)的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，加強(qiáng)質(zhì)量與安全監(jiān)管。同時(shí)，系統(tǒng)支持填報(bào)與審批責(zé)任人員的靈活設(shè)置，確保流程管理不混亂。多端協(xié)同應(yīng)用功能使得管理人員可隨時(shí)隨地進(jìn)行業(yè)務(wù)工作，提高工作效率。

其具有以下特點(diǎn)：（1）工序驗(yàn)收流程管理，規(guī)范工序報(bào)驗(yàn)與質(zhì)量檢查流程，提升流程管控效率；（2）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)填報(bào)、審批、統(tǒng)計(jì)及待辦提醒，數(shù)據(jù)上報(bào)、審批線上完成，據(jù)填報(bào)情況自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，責(zé)任落實(shí)到人，待辦事項(xiàng)提醒保證工作無遺漏；（3）填報(bào)與審批責(zé)任人員設(shè)置，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況靈活調(diào)整填報(bào)與審批責(zé)任人員，流程管理不混亂；（4）多端協(xié)同應(yīng)用，網(wǎng)頁(yè)端與移動(dòng)端協(xié)同應(yīng)用，隨時(shí)隨地進(jìn)行業(yè)務(wù)工作。

4.4 資料管理

通過對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)、施工日志等數(shù)據(jù)與資料的規(guī)范化管理，提升業(yè)務(wù)人員資料制作、存儲(chǔ)與查詢效率。

其具有以下特點(diǎn)：（1）各類數(shù)據(jù)、資料的存儲(chǔ)、查詢與管理。提供施工日志、工序檢查、地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)等各類數(shù)據(jù)、資料的在線存儲(chǔ)、便捷查詢與管理功能。（2）報(bào)告自動(dòng)化生成?；谏蠄?bào)信息可自動(dòng)形成相關(guān)統(tǒng)計(jì)與三維模型的掛接，可生成地質(zhì)素描、施工日志、監(jiān)測(cè)預(yù)警等報(bào)告，且可根據(jù)需求靈活調(diào)整模板。

4.5 地質(zhì)分析

基于地質(zhì)工程理論與人工智能技術(shù)，輔助現(xiàn)場(chǎng)人員便捷開展地質(zhì)分析，并增強(qiáng)施工管理人員地質(zhì)識(shí)別與判斷能力，以輔助開展隧道圍巖質(zhì)量評(píng)定。

其具有以下特點(diǎn)：（1）地質(zhì)信息總覽展示，基于橫道圖直觀展示隧道相應(yīng)里程地質(zhì)勘查、地質(zhì)預(yù)報(bào)圍巖等級(jí)結(jié)果；（2）地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)解譯，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)、超前水平鉆探數(shù)據(jù)智能解譯，自動(dòng)識(shí)別巖體完整程度及不良地質(zhì)體類別與分布，輔助開展圍巖狀態(tài)分析；（3）結(jié)構(gòu)面與巖體質(zhì)量識(shí)別，基于掌子面照片識(shí)別巖體結(jié)構(gòu)面特征與巖體質(zhì)量，輔助開展圍巖狀態(tài)分析。

4.6 監(jiān)測(cè)分析與預(yù)警

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析與預(yù)警，并可通過人工智能與數(shù)理概率分析實(shí)現(xiàn)超前預(yù)測(cè)，提升風(fēng)險(xiǎn)防控能力。

其具有以下特點(diǎn)：（1）監(jiān)測(cè)與預(yù)警結(jié)果大屏展示，基于三維地質(zhì)模型展示監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，變形監(jiān)測(cè)與氣體監(jiān)測(cè)預(yù)警統(tǒng)計(jì)與展示；（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析與預(yù)警，根據(jù)變形、氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制監(jiān)測(cè)目標(biāo)值時(shí)程變化曲線，設(shè)置的預(yù)警閾值自動(dòng)發(fā)送監(jiān)測(cè)預(yù)警信息；（3）安全步距監(jiān)測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)上報(bào)結(jié)果自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各隧道洞口安全步距并進(jìn)行超步距預(yù)警；（4）變形預(yù)測(cè)，基于已有變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)未來可能產(chǎn)生的變形結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.7 施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

提供全面的隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方案，可實(shí)現(xiàn)跟隨施工進(jìn)度的隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定，輔助判別隧道施工潛在風(fēng)險(xiǎn)，提升隧道施工管理人員風(fēng)險(xiǎn)分析能力。

其具有以下特點(diǎn)：（1）云端二維有限元分析，基于三維地質(zhì)模型切取剖面進(jìn)行云端二維有限元分析，快速分析目標(biāo)斷面圍巖狀態(tài)；（2）精細(xì)化三維數(shù)值分析，可實(shí)現(xiàn)隧道三維模型-數(shù)值仿真模型的快速轉(zhuǎn)換，可根據(jù)需求開展精細(xì)化三維數(shù)值分析；（3）融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，融合多源異構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)信息建立指標(biāo)體系，可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)不同尺度與目標(biāo)下的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，包括隧道整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、隧道未開挖段整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以及隧道突泥涌水、塌方、大變形等專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

5 系統(tǒng)整體優(yōu)勢(shì)

5.1 隧道智慧物聯(lián)感知

基于云邊協(xié)同，將海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集設(shè)備接入管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)外各種異常事件的自動(dòng)識(shí)別、及時(shí)預(yù)警與快速處置。

5.2 隧道施工全域安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)掌控

融合地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)、人員定位、視頻監(jiān)控以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等隧道施工全過程風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)源，通過自動(dòng)化預(yù)警實(shí)現(xiàn)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)掌控。

5.3 技術(shù)驅(qū)動(dòng)助力地質(zhì)分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

基于人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的智能解譯、巖體特征的識(shí)別與質(zhì)量評(píng)估及多源異構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)信息的動(dòng)態(tài)融合評(píng)估，全面輔助現(xiàn)場(chǎng)管理人員多方位開展隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析。

5.4 多端協(xié)同提升系統(tǒng)應(yīng)用效率

網(wǎng)頁(yè)端、移動(dòng)端、微信小程序端協(xié)同應(yīng)用，提升應(yīng)用友好度，滿足各項(xiàng)隧道監(jiān)管需求與提升數(shù)據(jù)利用價(jià)值，保障隧道安全管控質(zhì)量。

6 系統(tǒng)應(yīng)用與成效

可馬隧道位于廣西河池市巴馬縣可馬屯，該隧道長(zhǎng)度為740 m，整體覆蓋層（砂巖）較薄，最大埋深僅約100 m，且可馬隧道為分離式雙向六車道隧道，單洞最大開挖跨度為18.5 m，為大跨徑隧道，又恰好經(jīng)過介莫斷裂層一帶，加上圍巖等級(jí)均為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)頻繁交替，諸多風(fēng)險(xiǎn)疊加，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。

通過引進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，項(xiàng)目施工中未發(fā)生安全生產(chǎn)事故，順利完成施工任務(wù)。在施工過程中，地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂等得到實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常時(shí)，能夠第一時(shí)間以短信形式發(fā)送負(fù)責(zé)人，共實(shí)現(xiàn)預(yù)警36次，給施工方提供了準(zhǔn)確有效的信息，及時(shí)組織人員撤離，保障作業(yè)人員安全。

同時(shí)項(xiàng)目也運(yùn)用了安全步距監(jiān)測(cè)，可以減少作業(yè)人員進(jìn)入洞內(nèi)進(jìn)行步距實(shí)測(cè)，方便直觀地體現(xiàn)出隧道內(nèi)安全步距情況。在使用中，共預(yù)警超步距25次，給項(xiàng)目隧道群管理提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。此外，該系統(tǒng)還展現(xiàn)了靈活調(diào)整填報(bào)與審批責(zé)任人員、多端協(xié)同應(yīng)用等亮點(diǎn)，使得管理更加便捷與靈活。這些功能的實(shí)現(xiàn)，不僅提高了隧道施工管理的效率與精度，也為隧道施工行業(yè)的智能化發(fā)展提供了有力支持。

7 結(jié)語

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中，注重?cái)?shù)據(jù)采集、處理、分析與展示的完整性，通過融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，為隧道施工提供了全景全要素管控。同時(shí)，系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)展示人員與設(shè)備位置、監(jiān)控施工流程、分析地質(zhì)情況等功能，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，提升了隧道施工的安全性。隧道施工智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入推廣，相信該系統(tǒng)將在未來隧道施工領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更加重要的作用，為隧道施工安全、高效、可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

［1］梁 銘，彭 浩，解威威，等.基于超前鉆探及優(yōu)化集成算法的隧道圍巖雙層質(zhì)量評(píng)價(jià)［J］.隧道建設(shè)（中英文），2022，42（8）：1 443-1 452.

［2］于大成.隧道施工智能調(diào)度管理系統(tǒng)研究［J］.運(yùn)輸經(jīng)理世界，2021（26）：76-78.

［3］楊世強(qiáng).隧道施工與安全智能管理系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.運(yùn)輸經(jīng)理世界，2020（17）：104-105.