CN110307037B - 隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程施工管理领域，其公开了一种隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法，解决传统隧洞工程施工管理方案中，存在的对于掌子面附近的人员、车辆难以进行定位和监控；对施工面貌的识别需要由人工采集数据和手动录入进度管控系统的问题。该方法包括：A.通过布设超宽频定位基站，并通过在施工人员、车辆上配置超宽频定位卡来实现对人员、车辆的位置定位；B.根据人员、车辆活动轨迹进行开挖面貌自动识别和自动采集至进度管控系统；C.结合施工进度计划和采集的开挖面貌判断是否进行进度预警。本发明适用于隧洞工程施工中对人车的定位和开挖面貌的自动识别和预警。

Description

隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法

技术领域

本发明涉及工程施工管理领域，具体涉及一种隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法。

背景技术

隧道施工进度控制是隧洞施工管控的重要内容，实时掌握实际施工面貌，有利于及时了解进度偏差并采取优化措施纠正进度偏差，从而实现进度目标。隧洞施工包括开挖、支护、衬砌和灌浆等主要施工工序，一般用桩号描述施工面貌。桩号用于描述隧洞中施工位置，一般指从洞口到该施工位置的长度，如K0+245m，指的是距离洞口245m处。

对于大型隧洞施工群，如水电工程引水发电系统，其隧洞多达数十条、工作面多，每个工作面爆破频率高，开挖面貌动态变化，因而数据搜集、录入工作十分繁杂。在传统类似工程中一般通过人工采集数据、手动录入进度管控系统的方式，存在及时性差、录入工作量大的问题。

此外，由于隧洞工程往往面临较大的安全风险，常常利用定位技术对人员和主要施工机械进行定位和实时监控。常用的地下工程人员、车辆定位技术包括wifi定位、蓝牙定位、RFID定位等，能实时监控人员和车辆的活动轨迹，定位精度从m级到10m不等。但定位设备在爆破作业环境中需面临爆破飞石、粉尘、岩爆等风险，一般安装位置需远离爆破作业面(距离一般在100m以上)，对于爆破作业面附近100m范围内的人车位置难以监控。

综上，在传统隧洞工程施工管理方案中，存在以下缺陷：对于掌子面附近的人员、车辆难以进行定位和监控；对施工面貌的识别需要由人工采集数据和手动录入进度管控系统，及时性差，工作量大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：一种隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法，解决传统隧洞工程施工管理方案中，存在的对于掌子面附近的人员、车辆难以进行定位和监控；对施工面貌的识别需要由人工采集数据和手动录入进度管控系统的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法，包括：

A.通过布设超宽频定位基站，并通过在施工人员、车辆上配置超宽频定位卡来实现对人员、车辆的位置定位；

B.根据人员、车辆活动轨迹进行开挖面貌自动识别和自动采集至进度管控系统；

C.结合施工进度计划和采集的开挖面貌判断是否进行进度预警。

作为进一步优化，步骤A中，所述布设超宽频定位基站，并通过在施工人员、车辆上配置超宽频定位卡来实现对人员、车辆的位置定位的方法为：

对于全断面开挖的隧洞，在距离开挖掌子面满足远离爆破作业面要求距离的同一侧隧洞洞壁或洞顶上安装两台超宽频定位基站，基于到达时间差法计算人员、车辆的一维定位；

对于分层开挖的隧洞，第一层开挖时采用2台超宽频定位基站，实现对人员、车辆的一维定位；在第二层开挖时，在第一层洞壁上安装二维定位基站，对第二层作业的人员和车辆进行二维定位；在第三层开挖时，将二维定位基站移动到第二层布置，以此类推，所述二维定位基站由布设在洞壁两侧的至少3台超宽频定位基站组成。

本方案中，根据不同的隧洞施工方案，通过对应的超宽频定位基站的布置和施工人员、车辆上配置的超宽频定位卡来实现对人员、车辆的位置定位，由于超宽频定位具有定位距离远、可对基站布设区域外目标进行定位的优势，因此可以将基站布置在距离开挖掌子面满足远离爆破作业面要求距离的位置(大于100米)，基于到达时间差法实现对基站连线延长线方向上的人、车定位。

作为进一步优化，步骤B中，所述根据人员、车辆活动轨迹进行开挖面貌自动识别，具体包括：

B1.分别对人员活动轨迹、车辆活动轨迹求取包络线：

在一维定位方式下，以两个基站的连线为X轴，以掘进方向为正值，计算所有施工人员的定位轨迹的最大值K_人＝Max(x_人)；计算所有施工车辆的定位轨迹的最大值K_车＝Max(x_车)；

在二维定位方式下，以掘进方向为X轴，以垂直掘进方向为Y轴，计算所有施工人员定位轨迹的最大值K_人x＝Max(x_人)、K_人y＝Max(y_人)；计算所有施工车辆的定位轨迹的最大值K_车x＝Max(x_车)、K_车y＝Max(y_车)；

B2.开挖面貌识别：

在一维定位方式下，若|K_人-K_车|<a，则施工桩号N＝max(K_人，K_车，K_历史),若|K_人-K_车|≥a，则施工桩号N＝max(K_车，K_历史)；其中，a为允许的人车定位偏差值常量，K_历史为上次自动识别的施工桩号；

在二维定位方式下，若隧洞仅有一个开挖工作面，则开挖面貌识别方式为：

若|K_人x-K_车x|<a，则施工桩号N＝max(K_人x，K_车x，K_历史),若|K_人x-K_车x|≥a，则施工桩号N＝max(K_车x，K_历史)；其中，a为允许的人车定位偏差值常量，K_历史为上次自动识别的施工桩号；

若隧洞有多个开挖工作面，则首先根据所有施工人员、施工车辆的定位轨迹中的Y轴坐标数据与各个开挖工作面中Y值范围进行匹配，判断各定位数据所属的开挖工作面，按照工作面对隧洞所有定位数据进行分组；然后，针对每一组定位数据，采用与隧洞仅有一个开挖工作面情况下的相同开挖面貌识别的方式。

本方案中，通过对人员活动轨迹、车辆活动轨迹求取包络线，并与历史面貌对比的方式来综合确定当前施工面貌，能够更加准确地反映当前的施工面貌。而当人员、车辆定位轨迹包络线差别较大时，以车辆轨迹为主进行面貌识别。

作为进一步优化，步骤C中，所述结合施工进度计划和采集的开挖面貌判断是否进行进度预警，具体包括：

根据施工进度计划，计算当前时间t的计划面貌N_t；若N-N_t>b,则产生进度预警，提醒工程管理人员采取进度优化措施，其中b为允许进度偏差常量。

本方案中，在获取当前开挖面貌后，可以与根据施工进度计划计算的计划面貌进行比较，从而判别当前施工进度是否与计划施工进度差距较大，在差距较大时产生预警，从而便于及时进行进度优化。

本发明的有益效果是：

利用超宽频定位距离远、可对基站布设区域外目标进行定位的特性，可以在远离爆破工作面，保障设备安全的前提下，对爆破面(掌子面)附近的人员和车辆进行实时定位；并且基于定位出来的人员、车辆的轨迹，通过求取人员、车辆活动轨迹的包络线，并与历史面貌对比，综合计算自动获取当前施工面貌，不需要人工进行数据采集和手动录入；由此可以将当前施工面貌与计划施工进度进行对比和预警，从而便于施工进度管理。

具体实施方式

本发明旨在提供一种隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法，解决传统隧洞工程施工管理方案中，存在的对于掌子面附近的人员、车辆难以进行定位和监控；对施工面貌的识别需要由人工采集数据和手动录入进度管控系统的问题。

在具体实现上，本发明中的隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法采用以下方案：

一、通过布设超宽频定位基站，并通过在施工人员、车辆上配置超宽频定位卡来实现对人员、车辆的位置定位，被定位对象包括掌子面附近施工人员和装载机、出渣运输汽车等：

(1)对于全断面开挖的隧洞，在距离开挖掌子面100m左右的同一侧的隧洞洞壁或者洞顶上安装2台超宽频定位基站，在人员和车辆上携带超宽频定位卡，基于到达时间差法(DTOA)能实现基站连线延长线方向大约250～300m范围内的人员和车辆的一维定位(一维定位是指只能获得被定位对象沿两个基站连线方向的轨迹)，基站可以在掌子面推进150～200m左右时向前移动一次。

(2)对于分层开挖的隧洞，第一层开挖时采用2台超宽频定位基站，布置方式与全断面开挖布置方案相同，利用一维定位方式对施工人员和车辆进行定位；在第二层开挖时，为了识别施工人员和车辆处于哪个工作面，可以在第一层洞壁两侧上安装至少由三个超宽频定位基站组成的二维定位基站，可以对第二层作业的人员和车辆进行二维定位，精确识别对定位对象的实时平面坐标。同理，在第三层开挖时，基站可以移动到第二层布置，以此类推。

二、根据人员、车辆活动轨迹进行开挖面貌自动识别和自动采集至进度管控系统：

通常施工人员活动范围大、活动轨迹较无规律，施工车辆主要在掌子面附近开展出渣施工。因此采用以下方法来进行面貌识别：

(1)分别对人员活动轨迹、车辆活动轨迹求取包络线：

在一维定位方式下，以基站连线为X轴，以掘进方向为正值，计算所有施工人员的定位轨迹的最大值K_人＝Max(x_人)；计算所有施工车辆的定位轨迹的最大值K_车＝Max(x_车)；

在二维定位方式下，以掘进方向为X轴，以垂直掘进方向为Y轴，计算所有施工人员定位轨迹的最大值K_人x＝Max(x_人)、K_人y＝Max(y_人)；计算所有施工车辆的定位轨迹的最大值K_车x＝Max(x_车)、K_车y＝Max(y_车)；

(2)开挖面貌识别：在一维定位方式下，若|K_人-K_车|<a，则施工桩号N＝max(K_人，K_车，K_历史),若|K_人-K_车|≥a，则施工桩号N＝max(K_车，K_历史)；其中，a为允许的人车定位偏差值常量，K_历史为上次自动识别的施工桩号；

在二维定位方式下，若隧洞仅有一个开挖工作面，则开挖面貌识别方式为：

若|K_人x-K_车x|<a，则施工桩号N＝max(K_人x，K_车x，K_历史),若|K_人x-K_车x|≥a，则施工桩号N＝max(K_车x，K_历史)；其中，a为允许的人车定位偏差值常量，K_历史为上次自动识别的施工桩号；

若隧洞有多个开挖工作面，则首先根据所有施工人员、施工车辆的定位轨迹中的Y轴坐标数据与各个开挖工作面中Y值范围进行匹配，判断各定位数据所属的开挖工作面，按照工作面对隧洞所有定位数据进行分组；然后，针对每一组定位数据，采用与隧洞仅有一个开挖工作面情况下的相同开挖面貌识别的方式。

通过上述手段，可以实现对掌子面附近的人员、车辆定位并根据人员车辆定位轨迹识别当前施工面貌，为工程施工面貌分析预警和进度偏差控制提供技术支撑。

三、结合施工进度计划和采集的开挖面貌判断是否进行进度预警：

根据施工进度计划，计算当前时间t的计划面貌N_t。若N-N_t>b,则产生进度预警，提醒工程管理人员采取进度优化措施，其中b为允许进度偏差常量。

Claims (3)

1.隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法，其特征在于，包括：

A.通过布设超宽频定位基站，并通过在施工人员、车辆上配置超宽频定位卡来实现对人员、车辆的位置定位；

B.根据人员、车辆活动轨迹进行开挖面貌自动识别和自动采集至进度管控系统；

C.结合施工进度计划和采集的开挖面貌判断是否进行进度预警；

步骤A中，所述布设超宽频定位基站，并通过在施工人员、车辆上配置超宽频定位卡来实现对人员、车辆的位置定位的方法为：

对于全断面开挖的隧洞，在距离开挖掌子面满足远离爆破作业面要求距离的同一侧隧洞洞壁或洞顶上安装两台超宽频定位基站，基于到达时间差法计算人员、车辆的一维定位；

对于分层开挖的隧洞，第一层开挖时采用2台超宽频定位基站，实现对人员、车辆的一维定位；在第二层开挖时，在第一层洞壁上安装二维定位基站，对第二层作业的人员和车辆进行二维定位；在第三层开挖时，将二维定位基站移动到第二层布置，以此类推，所述二维定位基站由布设在洞壁两侧的至少3台超宽频定位基站组成。

2.如权利要求1所述的隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法，其特征在于，

步骤B中，所述根据人员、车辆活动轨迹进行开挖面貌自动识别，具体包括：

B1.分别对人员活动轨迹、车辆活动轨迹求取包络线：

在一维定位方式下，以两个基站的连线为X轴，以掘进方向为正值，计算所有施工人员的定位轨迹的最大值K_人＝Max(x_人)；计算所有施工车辆的定位轨迹的最大值K_车＝Max(x_车)；

在二维定位方式下，以掘进方向为X轴，以垂直掘进方向为Y轴，计算所有施工人员定位轨迹的最大值K_人x＝Max(x_人)、K_人y＝Max(y_人)；计算所有施工车辆的定位轨迹的最大值K_车x＝Max(x_车)、K_车y＝Max(y_车)；

B2.开挖面貌识别：

在一维定位方式下，若|K_人-K_车|<a，则施工桩号N＝max(K_人，K_车，K_历史),若|K_人-K_车|≥a，则施工桩号N＝max(K_车，K_历史)；其中，a为允许的人车定位偏差值常量，K_历史为上次自动识别的施工桩号；

在二维定位方式下，若隧洞仅有一个开挖工作面，则开挖面貌识别方式为：

若|K_人x-K_车x|<a，则施工桩号N＝max(K_人x，K_车x，K_历史),若|K_人x-K_车x|≥a，则施工桩号N＝max(K_车x，K_历史)；其中，a为允许的人车定位偏差值常量，K_历史为上次自动识别的施工桩号；

若隧洞有多个开挖工作面，则首先根据所有施工人员、施工车辆的定位轨迹中的Y轴坐标数据与各个开挖工作面中Y值范围进行匹配，判断各定位数据所属的开挖工作面，按照工作面对隧洞所有定位数据进行分组；然后，针对每一组定位数据，采用与隧洞仅有一个开挖工作面情况下的相同开挖面貌识别的方式。

3.如权利要求2所述的隧洞工程施工面貌自动识别与预警方法，其特征在于，

步骤C中，所述结合施工进度计划和采集的开挖面貌判断是否进行进度预警，具体包括：

根据施工进度计划，计算当前时间t的计划面貌N_t；若N-N_t>b,则产生进度预警，提醒工程管理人员采取进度优化措施，其中b为允许进度偏差常量。