長距離單車道隧道無軌運(yùn)輸智能避讓系統(tǒng)研制及應(yīng)用

2021-07-05 03:15:00趙海雷曾垂剛王利明李鳳遠(yuǎn)

隧道建設(shè)(中英文) 2021年6期

趙海雷，曾垂剛，王利明, *, 李鳳遠(yuǎn)，張兵

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)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(shè)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(jìn)與出碴進(jìn)料的關(guān)系，否則將會(huì)導(dǎo)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(shè)置斜井是提供一種解決碴料快速運(yùn)輸?shù)目煽糠椒╗9]。目前，斜井碴料運(yùn)輸大多采用皮帶機(jī)與無軌車輛相結(jié)合的方式[10]。由于斜井?dāng)嗝孑^小及皮帶機(jī)的布置方式所限，往往造成斜井運(yùn)輸單車道多車輛行駛的情況，給現(xiàn)場(chǎng)施工車輛調(diào)度管理帶來了巨大的安全隱患。

針對(duì)長距離大坡度隧道行車安全，許多專家和學(xué)者都進(jìn)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(yùn)輸施工中,通過運(yùn)輸管理實(shí)踐,總結(jié)分析了有軌運(yùn)輸斜井溜車的各種原因,提出相應(yīng)的針對(duì)性防控措施,確保了斜井有軌運(yùn)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(duì)斜井溜車主要原因進(jìn)行深入分析,從防溜墩設(shè)置、道路設(shè)計(jì)、管線布置、車輛及司機(jī)管理和行車安全等5個(gè)方面的安全技術(shù)措施進(jìn)行了探討；宿喜紅[13]研究了交通隧道聯(lián)動(dòng)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(yùn)營和車輛安全行駛；梁峻海等[14]研究了長距離大直徑盾構(gòu)隧道洞內(nèi)單車道段車輛調(diào)度模型；陳鵬等[15]以蘇通GIL綜合管廊工程為例，對(duì)長距離大直徑泥水盾構(gòu)隧道洞內(nèi)無軌運(yùn)輸模型優(yōu)化進(jìn)行研究，為蘇通GIL綜合管廊工程洞內(nèi)物料運(yùn)輸方案提供理論指導(dǎo)。以上研究在隧道車輛無軌物料運(yùn)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(duì)隧道施工無軌運(yùn)輸智能避讓系統(tǒng)研究較少。

本文針對(duì)長距離隧道幽暗濕滑環(huán)境司機(jī)視線受阻、物料運(yùn)輸效率低、單車道多車輛行車風(fēng)險(xiǎn)大等問題，對(duì)長距離單車道隧道無軌運(yùn)輸智能避讓系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期提升物料運(yùn)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(jìn)的發(fā)展，超長距離隧道工程施工不可避免。如：新開工建設(shè)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(yùn)輸機(jī)和傳統(tǒng)的無軌運(yùn)輸車輛相結(jié)合的碴料運(yùn)輸方式。

依托工程新疆YE供水2期輸水工程喀雙段V標(biāo)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?dāng)嗝嬷睆綖? m，13個(gè)錯(cuò)車洞，間距約為200 m，內(nèi)部軸向架設(shè)有風(fēng)道、出碴用膠帶輸送機(jī)、輸水管道、電力線纜、通信線纜、照明燈等設(shè)備，實(shí)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(yùn)輸方式只能采用單車道無軌運(yùn)輸。在幽暗濕滑環(huán)境下，司機(jī)通過機(jī)車燈光進(jìn)行避讓車操作，容易造成對(duì)向行駛避車效率低、同向跟車追尾的風(fēng)險(xiǎn)，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(yùn)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(fēng)險(xiǎn)顯得很有必要。單車道隧道如圖1所示。

(a) 運(yùn)輸框架示意圖

(b) 現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)方案主要以實(shí)現(xiàn)車載終端設(shè)計(jì)和后臺(tái)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛定位以及會(huì)車避讓的功能，應(yīng)滿足以下核心需求。

1)車載終端應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸和定位功能：集成藍(lán)牙定位、無線通信和車載語音播報(bào)功能；整套定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，應(yīng)支持下行數(shù)據(jù)通訊與車載終端之間的交互，完成相關(guān)下行數(shù)據(jù)的私有協(xié)議設(shè)計(jì)，協(xié)議包括【服務(wù)器?定位基站】、【定位基站?車載終端】。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的斜井CAD圖紙，結(jié)合實(shí)際情況，可快速完成定位現(xiàn)場(chǎng)效果地圖制作，地圖可在一定范圍內(nèi)調(diào)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(tái)整合對(duì)接，實(shí)現(xiàn)定位顯示終端的數(shù)據(jù)聯(lián)調(diào)測(cè)試。

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

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

圖2 長距離隧道無軌運(yùn)輸智能避讓系統(tǒng)解決方案

圖3 長距離隧道無軌運(yùn)輸智能避讓系統(tǒng)示意圖

2.1.2 系統(tǒng)工作原理

藍(lán)牙信標(biāo)不斷向外廣播信標(biāo)本身的相對(duì)位置信息，車載定位終端實(shí)時(shí)接收藍(lán)牙信標(biāo)廣播的相對(duì)位置信息，并通過網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(zhuǎn)換為車輛之間的運(yùn)行方向和相對(duì)距離信息，結(jié)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(jī)進(jìn)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(jìn)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(guān)，硬件進(jìn)入初始化狀態(tài)，車載終端接收信標(biāo)傳來的數(shù)據(jù)，進(jìn)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(jìn)行整合發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后返回車載終端，車載終端對(duì)服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查；然后，基于CPU控制單元內(nèi)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(bào)功能。具體語音播報(bào)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(huì)車請(qǐng)減速行駛 */

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

voice_play(2);/**前方會(huì)車請(qǐng)進(jìn)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(shè)計(jì)，具體包含定位標(biāo)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(huì)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(gòu)和實(shí)物圖如圖5所示。

2.3 隧道定位及應(yīng)用系統(tǒng)

隧道定位及應(yīng)用系統(tǒng)主要功能是運(yùn)輸車輛在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，能夠提供車輛實(shí)時(shí)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(gè)基本層次，即位置感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、定位應(yīng)用層。

2.3.1 位置感知層

位置感知層由定位信標(biāo)組成，用于獲取車輛位置的有效信息。定位信標(biāo)在斜井隧道內(nèi)10 m布置1個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)車輛位置信息在隧道內(nèi)的全覆蓋。定位信標(biāo)通過與車載終端的信息交互，實(shí)現(xiàn)車載終端在隧道內(nèi)的精準(zhǔn)定位。定位信標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖6所示。

(a) 選位置

(b) 固定

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層負(fù)責(zé)將位置感知層獲得的與定位相關(guān)的信息通過有線方式和無線方式傳輸給后臺(tái)服務(wù)器。通信網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層。即在隧道區(qū)域布設(shè)無線定位基站AP，通過光纖連接至監(jiān)控中心服務(wù)器組成環(huán)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)傳輸現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖7所示。

2.3.3 定位應(yīng)用層

定位應(yīng)用層主要包括定位引擎、應(yīng)用軟件平臺(tái)。定位引擎用于實(shí)時(shí)解算定位標(biāo)簽的位置信息，為解析車輛位置信息提供依據(jù)；應(yīng)用軟件平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，為用戶提供各種業(yè)務(wù)功能應(yīng)用，主要包括系統(tǒng)管理、避讓管理與統(tǒng)計(jì)查詢功能，其中系統(tǒng)管理可實(shí)現(xiàn)用戶管理、角色管理和組織機(jī)構(gòu)管理，避讓管理可實(shí)現(xiàn)車載終端設(shè)備管理、車輛管理和避讓規(guī)則設(shè)置，查詢功能可進(jìn)行車載終端的避讓日志、車輛在隧道內(nèi)運(yùn)行工作記錄以及軌跡回放的查詢。定位應(yīng)用層如圖8所示。

(a) 光纖布設(shè)

(b) 定位基站安裝

(a) 定位引擎

(b) 應(yīng)用軟件平臺(tái)

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(shù)，其功能實(shí)現(xiàn)的路徑如下：獲得位置相關(guān)的變量，建立定位數(shù)學(xué)模型，然后利用這些參數(shù)和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型來解析坐標(biāo)位置。根據(jù)測(cè)量參數(shù)的不同，隧道位置解析方法主要有信號(hào)強(qiáng)度法(RSSI)、角度法(AOA)、時(shí)間法(TOA/TDOA)。該系統(tǒng)主要運(yùn)用的是信號(hào)強(qiáng)度法，此方法是根據(jù)在待測(cè)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度值，利用信號(hào)傳播模型反求距離，由至少3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)間的距離就可以求出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。相對(duì)于AOA、TOA、TDOA這幾種方式，基于信號(hào)強(qiáng)度的定位方法比較簡單，成本較低?；赗SSI的隧道定位技術(shù)具體模型如圖9所示。

圖9 基于RSSI的隧道定位技術(shù)

2.5 基于現(xiàn)場(chǎng)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(biāo)T2斜井為應(yīng)用基礎(chǔ)，為解決車輛在斜井隧道運(yùn)行時(shí)的會(huì)車避讓問題，首先對(duì)斜井進(jìn)行區(qū)段劃分，每2個(gè)避讓車洞之間為1個(gè)區(qū)段。如果相向運(yùn)行的2車之間只有1個(gè)完整區(qū)段時(shí)，根據(jù)避讓車規(guī)則選擇優(yōu)先級(jí)較低的車輛進(jìn)入避讓區(qū)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(jí)，從而改變避讓車規(guī)則?，F(xiàn)場(chǎng)車輛保障級(jí)別如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)車輛保障級(jí)別分配表

根據(jù)斜井坡度、車輛類別等實(shí)際情況，設(shè)置如下車輛避讓及同向跟車距離預(yù)報(bào)規(guī)則, 規(guī)定車輛從隧道洞口向洞內(nèi)方向行駛為下行，車輛從隧道洞內(nèi)向洞口方向行駛為上行。

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

2)A車輛保障級(jí)別(高)>B車輛保障級(jí)別時(shí)(低)，A車輛緩慢通過，B車輛進(jìn)避車洞。

3)A車輛保障級(jí)別(低)=B車輛保障級(jí)別時(shí)(低)，上行車輛避讓下行車輛(上行車輛進(jìn)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(jìn)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(chǎng)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(gè)完整的運(yùn)行區(qū)間只允許存在1個(gè)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(dāng)前在線設(shè)備信息，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行方向進(jìn)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(biāo)位置信息判斷獲取前方避車洞坐標(biāo)信息，當(dāng)相向行駛的1組車輛前方避車洞是同一個(gè)避車洞時(shí)，將其加入預(yù)警序列中，根據(jù)設(shè)定距離前方避車洞30 m左右時(shí)觸發(fā)預(yù)警提示，當(dāng)某一車輛距離前方信號(hào)機(jī)距離≤30 m、>10 m時(shí)，并基于當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)置啟用的避讓規(guī)則，判斷2個(gè)車輛哪個(gè)避讓，哪個(gè)減速并通過；當(dāng)1組車輛同向行駛時(shí)，計(jì)算2個(gè)車載終端的距離，當(dāng)2車相距較近時(shí)，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(cè)試

3.1 地面100 m模擬測(cè)試

為了驗(yàn)證智能避車系統(tǒng)的功能，首先進(jìn)行了地面100 m的模擬試驗(yàn)。通過在地面100 m的場(chǎng)地上布置虛擬避車洞、擺放定位信標(biāo)，利用試驗(yàn)用車載終端，成功驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了會(huì)車功能。地面100 m模擬測(cè)試如圖11所示。

3.2 地面500 m模擬測(cè)試

基于100 m距離的測(cè)試結(jié)果，以及為了驗(yàn)證較長距離避車系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在市內(nèi)空曠道路上進(jìn)行了500 m距離的智能避車系統(tǒng)的測(cè)試。本次測(cè)試完成了系統(tǒng)功能完整性驗(yàn)證，進(jìn)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(cè)試，系統(tǒng)各項(xiàng)功能正常，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與應(yīng)用。地面500 m模擬測(cè)試如圖12所示。

(a) 模擬避車洞

(b) 擺放定位信標(biāo)

(d) 避讓提醒

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

使用研發(fā)的長距離單車道隧道無軌運(yùn)輸智能避讓系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了隧道車輛相向行駛提前20～35 s的避讓預(yù)警時(shí)間，實(shí)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(chǎng)提供避讓車提醒19次，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)物料運(yùn)輸效率和施工安全指數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果如圖13所示。