隧道施工智能管理系統(tǒng)設計與運用探討

基金項目：

2023年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“基于多模態(tài)預訓練模型的課堂行為智能分析系統(tǒng)設計與應用研究”（編號：2023KY1158）；2023年廣西教育科學規(guī)劃課題“成果導向下‘專思創(chuàng)’三融合的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系建設研究”（編號：2023ZJY1476）

作者簡介：

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)的設計與運用方案，旨在解決當前隧道施工中存在的系統(tǒng)集成性不足、現(xiàn)場流程與地質(zhì)情況管理缺失、智能化技術(shù)應用效果不佳等痛點問題。在典型應用場景中，該系統(tǒng)實現(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化，提高了隧道施工管理的效率與精度，有效降低了施工風險，提升了隧道施工的安全性；該系統(tǒng)還具備靈活調(diào)整填報與審批責任人員、多端協(xié)同應用等亮點，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)設計

中圖分類號：U455.1文獻標識碼：A 53 176 4

0 引言

隨著隧道工程建設的快速發(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)旨在通過集成先進技術(shù)，實現(xiàn)施工過程的實時監(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)的設計與運用方案，旨在通過信息化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段，實現(xiàn)對隧道施工全面、高效、精準的管理。

1 隧道施工智能管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀及問題

隨著隧道整體建設整體朝向“大埋深、長洞線”方向轉(zhuǎn)變，“選址遠、高應力、強巖溶、高水壓、構(gòu)造復雜”等特點也逐步凸顯［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，但在實際應用中仍存在諸多痛點，主要表現(xiàn)在：

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

現(xiàn)存綜合管理平臺功能相對單一、覆蓋范圍較小，往往需同時應用多個軟件或系統(tǒng)。而應用、數(shù)據(jù)之間缺乏統(tǒng)一標準，無法互聯(lián)互通，進而導致信息難以整合、重復輸入或遺漏錯誤等問題，不僅未能提高施工管理效率，反而易造成權(quán)責不清、管理混亂的局面。

（2）缺乏對現(xiàn)場流程的追蹤管理與地質(zhì)情況的深入分析，風險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)營側(cè)的數(shù)據(jù)管控，對實際施工過程缺乏有效監(jiān)管手段，并缺乏對開挖揭露地質(zhì)信息的有效采集、調(diào)查與分析，存在對隧道實際地質(zhì)及施工穩(wěn)定性情況認知不足，進而難以有效評估相應施工安全風險及指導隧道施工的變更等問題［2］。

（3）智能化技術(shù)應用較為零散、效果欠佳，未能有效達到減人增效。

基于智能化技術(shù)進行施工監(jiān)管已成為行業(yè)主要趨勢，但當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雜的隧道建設具體場景，在現(xiàn)階段因難以獲取高質(zhì)量的實際隧道場景樣本，在穩(wěn)定性、可調(diào)整性、自適應能力等方面還多有不足，尚需較多管理人員介入或干預，應用效果未達預期。

（4）施工風險評估主觀性強，缺乏對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的挖掘與融合分析。

盡管實際應用中采用了各類信息化與數(shù)字化手段進行信息采集，但當前隧道施工風險仍多沿用傳統(tǒng)風險評估指標體系與方法，高度依賴于現(xiàn)場技術(shù)人員的主觀判斷，存在較強的隨意性與不確定性，未能有效挖掘多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中所蘊藏的風險信息并加以融合，實際過程中仍缺乏隧道施工風險動態(tài)評估的有效方法與工具［3］。

2 總體思路

針對當前隧道施工行業(yè)管理痛點，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，為隧道施工管理提供綜合性管理與技術(shù)服務，以實現(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)采用分層設計，包括技術(shù)層、數(shù)據(jù)層、應用層及用戶層。數(shù)據(jù)層主要負責數(shù)據(jù)的管理，包括數(shù)據(jù)的查詢、存儲、分析，能夠收集現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)，包括人員定位、視頻監(jiān)控、地質(zhì)信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、預警數(shù)據(jù)等；應用層根據(jù)實際場景，實現(xiàn)隧道全景、人員管理、施工流程、地質(zhì)分析，監(jiān)測預警、風險評價等功能；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 典型應用場景

隧道施工智能管理系統(tǒng)典型應用場景包括隧道全景、人員管理、施工流程管理、資料管理、地質(zhì)分析、監(jiān)測分析與預警、施工風險評估等，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)，實現(xiàn)人員定位、視頻監(jiān)控、地質(zhì)預報、監(jiān)控量測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景。具有以下特點：

（1）融合多源信息的隧道施工數(shù)字孿生場景。以三維地質(zhì)模型為載體，將地質(zhì)、監(jiān)測、進度、預警、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)場真實場景。

（2）隧道場景全要素動態(tài)快速更新。根據(jù)隧道動態(tài)施工情況，快速建立并更新與隧道實際施工要素匹配的數(shù)字孿生模型，保證三維場景與隧道現(xiàn)場實際施工情況一致，主要包含匹配隧道施工信息的三維模型快速建模與更新、對地質(zhì)預報探測到的不良地質(zhì)體進行三維展示、基于實際施工里程對掌子面三維掃描結(jié)果進行展示。

4.2 人員管理

基于物聯(lián)網(wǎng)設備應用，實現(xiàn)對洞內(nèi)人員位置的實時展示、報警發(fā)送與求助信息接收、視頻監(jiān)控在線查看，綜合提升對洞內(nèi)人員的管控能力。同時，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)場情況，提高施工效率和質(zhì)量。

其具有以下特點：（1）人員、設備位置實時展示、歷史軌跡查詢及統(tǒng)計，基于三維地質(zhì)模型與二維平面兩種模式實時展示洞內(nèi)人員、設備位置，并支持歷史軌跡回放與分時段、分區(qū)域人員數(shù)量統(tǒng)計；（2）隧道內(nèi)、外信息雙向傳遞，基于物聯(lián)網(wǎng)定位設備實現(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)控實時查看與回放，可通過網(wǎng)頁端與手機端實時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，基于AI視覺識別技術(shù)，通過視頻監(jiān)控畫面監(jiān)測洞內(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)頁端與手機端上報、審批業(yè)務數(shù)據(jù)，規(guī)范施工流程，提升工序報驗、地質(zhì)預報、監(jiān)控量測、施工信息等業(yè)務數(shù)據(jù)上報的及時性與準確性，加強質(zhì)量與安全監(jiān)管。同時，系統(tǒng)支持填報與審批責任人員的靈活設置，確保流程管理不混亂。多端協(xié)同應用功能使得管理人員可隨時隨地進行業(yè)務工作，提高工作效率。

其具有以下特點：（1）工序驗收流程管理，規(guī)范工序報驗與質(zhì)量檢查流程，提升流程管控效率；（2）業(yè)務數(shù)據(jù)填報、審批、統(tǒng)計及待辦提醒，數(shù)據(jù)上報、審批線上完成，據(jù)填報情況自動統(tǒng)計，責任落實到人，待辦事項提醒保證工作無遺漏；（3）填報與審批責任人員設置，根據(jù)項目實際情況靈活調(diào)整填報與審批責任人員，流程管理不混亂；（4）多端協(xié)同應用，網(wǎng)頁端與移動端協(xié)同應用，隨時隨地進行業(yè)務工作。

4.4 資料管理

通過對地質(zhì)預報、監(jiān)控量測、施工日志等數(shù)據(jù)與資料的規(guī)范化管理，提升業(yè)務人員資料制作、存儲與查詢效率。

其具有以下特點：（1）各類數(shù)據(jù)、資料的存儲、查詢與管理。提供施工日志、工序檢查、地質(zhì)預報、監(jiān)控量測等各類數(shù)據(jù)、資料的在線存儲、便捷查詢與管理功能。（2）報告自動化生成。基于上報信息可自動形成相關(guān)統(tǒng)計與三維模型的掛接，可生成地質(zhì)素描、施工日志、監(jiān)測預警等報告，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)場人員便捷開展地質(zhì)分析，并增強施工管理人員地質(zhì)識別與判斷能力，以輔助開展隧道圍巖質(zhì)量評定。

其具有以下特點：（1）地質(zhì)信息總覽展示，基于橫道圖直觀展示隧道相應里程地質(zhì)勘查、地質(zhì)預報圍巖等級結(jié)果；（2）地質(zhì)預報數(shù)據(jù)解譯，對地質(zhì)雷達、超前水平鉆探數(shù)據(jù)智能解譯，自動識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)量識別，基于掌子面照片識別巖體結(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)測分析與預警

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測分析與預警，并可通過人工智能與數(shù)理概率分析實現(xiàn)超前預測，提升風險防控能力。

其具有以下特點：（1）監(jiān)測與預警結(jié)果大屏展示，基于三維地質(zhì)模型展示監(jiān)測點信息，變形監(jiān)測與氣體監(jiān)測預警統(tǒng)計與展示；（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)自動分析與預警，根據(jù)變形、氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)自動繪制監(jiān)測目標值時程變化曲線，設置的預警閾值自動發(fā)送監(jiān)測預警信息；（3）安全步距監(jiān)測，根據(jù)數(shù)據(jù)上報結(jié)果自動統(tǒng)計各隧道洞口安全步距并進行超步距預警；（4）變形預測，基于已有變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對未來可能產(chǎn)生的變形結(jié)果進行預測。

4.7 施工風險評價

提供全面的隧道風險評價方案，可實現(xiàn)跟隨施工進度的隧道動態(tài)風險評定，輔助判別隧道施工潛在風險，提升隧道施工管理人員風險分析能力。

其具有以下特點：（1）云端二維有限元分析，基于三維地質(zhì)模型切取剖面進行云端二維有限元分析，快速分析目標斷面圍巖狀態(tài)；（2）精細化三維數(shù)值分析，可實現(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)信息的隧道施工風險動態(tài)評價，融合多源異構(gòu)風險數(shù)據(jù)信息建立指標體系，可根據(jù)需求實現(xiàn)不同尺度與目標下的施工風險評價，包括隧道整體風險評價、隧道未開挖段整體風險評價，以及隧道突泥涌水、塌方、大變形等專項風險評價。

5 系統(tǒng)整體優(yōu)勢

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)采集設備接入管控平臺，實現(xiàn)對隧道內(nèi)外各種異常事件的自動識別、及時預警與快速處置。

5.2 隧道施工全域安全風險實時掌控

融合地質(zhì)預報、監(jiān)控量測、人員定位、視頻監(jiān)控以及風險評價等隧道施工全過程風險數(shù)據(jù)源，通過自動化預警實現(xiàn)隧道施工安全風險的實時掌控。

5.3 技術(shù)驅(qū)動助力地質(zhì)分析與風險評價

基于人工智能技術(shù)實現(xiàn)對隧道超前地質(zhì)預報的智能解譯、巖體特征的識別與質(zhì)量評估及多源異構(gòu)風險信息的動態(tài)融合評估，全面輔助現(xiàn)場管理人員多方位開展隧道施工風險分析。

5.4 多端協(xié)同提升系統(tǒng)應用效率

網(wǎng)頁端、移動端、微信小程序端協(xié)同應用，提升應用友好度，滿足各項隧道監(jiān)管需求與提升數(shù)據(jù)利用價值，保障隧道安全管控質(zhì)量。

6 系統(tǒng)應用與成效

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，加上圍巖等級均為Ⅳ級、Ⅴ級頻繁交替，諸多風險疊加，施工風險極大。

通過引進監(jiān)測系統(tǒng)，項目施工中未發(fā)生安全生產(chǎn)事故，順利完成施工任務。在施工過程中，地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂等得到實時系統(tǒng)監(jiān)測，數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常時，能夠第一時間以短信形式發(fā)送負責人，共實現(xiàn)預警36次，給施工方提供了準確有效的信息，及時組織人員撤離，保障作業(yè)人員安全。

同時項目也運用了安全步距監(jiān)測，可以減少作業(yè)人員進入洞內(nèi)進行步距實測，方便直觀地體現(xiàn)出隧道內(nèi)安全步距情況。在使用中，共預警超步距25次，給項目隧道群管理提供準確數(shù)據(jù)。此外，該系統(tǒng)還展現(xiàn)了靈活調(diào)整填報與審批責任人員、多端協(xié)同應用等亮點，使得管理更加便捷與靈活。這些功能的實現(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)設計與實施過程中，注重數(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，系統(tǒng)還具備實時展示人員與設備位置、監(jiān)控施工流程、分析地質(zhì)情況等功能，有效降低了施工風險，提升了隧道施工的安全性。隧道施工智能管理系統(tǒng)的設計與運用具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。隨著技術(shù)的不斷進步和應用的深入推廣，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)展貢獻力量。

參考文獻

［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)量評價［J］.隧道建設（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］.運輸經(jīng)理世界，2021（26）：76-78.

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