CN110847963B - 一种针对铁路隧道施工的数据交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对铁路隧道施工的数据交互系统，所述系统包括：隧道模型展示模块，其配置为获取隧道设计数据，根据所述隧道设计数据构造隧道设计模型；施工辅助模块，其配置为获取并整理所述隧道设计数据，将所述隧道设计数据中的各类数据分别发送给对应的施工设备；施工状态监视模块，其配置为获取并整理施工数据和/或监视视频数据，生成并输出隧道施工现场描述；施工信息管理模块，其配置为获取隧道日志数据中的钻孔日志数据，分析所述钻孔日志数据反映的周边围岩地质情况，生成隧道围岩分级结果。相较于现有技术，根据本发明的系统，可以有效提高隧道施工机械设备的利用率并加强施工机械协同作业能力，加快施工进度，缩短工期。

Description

一种针对铁路隧道施工的数据交互系统

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种针对铁路隧道施工的数据交互系统。

背景技术

隧道施工是铁路建设过程中必不可少的一个重要环节。现有技术环境下的隧道施工，通常是在施工前根据施工环境的勘探结果以及隧道设计标准对隧道开挖及支护过程进行参数设计，再根据制定好的开挖及支护参数进行施工。一般的，开挖及支护参数以及相关的工程设计参数都是以数据图表等形式被记录保存，非专业人士很难直接理解这些工程设计参数，即使是专业人士，也需要消耗相当大的工作量才能理解这些工程设计参数。

由于隧道施工工程量大，在施工过程中需要多种施工设备相互配合，施工现场管理难度大，并且为了保证隧道施工的安全性和施工质量，需要加大人力物力的投入，施工成本高。另一方面，由于地质环境的复杂性，施工前期的勘探结果可能存在很多错漏，导致依照最初制定的开挖及支护参数去施工不能完全达到隧道设计标准，需要在施工过程中根据实际情况调整施工作业参数，这将进一步提高施工管理难度以及施工成本，并造成施工周期长、施工质量低、安全隐患大等问题。

发明内容

为了在保证隧道施工安全的基础上缩短施工周期、提高施工质量、控制施工成本，本发明提出了一种针对铁路隧道施工的数据交互系统。为了减少工作量本发明的技术方案中采用直观展示隧道工程设计参数的方式，在提供的数据交互系统中，构造了隧道模型展示模块。隧道模型展示模块包括设计模型生成单元，该设计模型生成单元配置为获取隧道设计数据，根据隧道设计数据构造隧道设计模型。这样，通过隧道设计模型就可以方便直观的展示隧道工程设计参数，从而降低相关施工人员在分析理解隧道设计数据时花费的工作量。

另一方面，由于隧道施工需要多种不同类型的设备以及人员协同进行，每种参与施工的设备所需要的施工数据是不同的。在现有技术中，通常是施工管理人员人工将对应的隧道设计数据分发给对应的设备(或者设备的操作人员)，但这势必消耗巨量的工作量，并且存在分发错误的可能性从而带来施工安全隐患。因此，为了提高工作效率，降低工作量，尽可能的提高施工安全性，在本发明的数据交互系统中，构造了施工辅助模块。施工辅助模块包括设计数据整理单元，设计数据整理单元配置为获取并整理隧道设计数据，将隧道设计数据中的各类数据分别发送给对应的施工设备。

此外，由于铁路隧道施工现场的特殊性，施工安全问题尤为重要。为了尽可能的保证施工安全，在本发明的数据交互系统中，还构造了施工状态监视模块。施工状态监视模块包括施工现场监视单元，施工现场监视单元配置为获取并整理施工数据和/或监视视频数据，生成并输出隧道施工现场描述。

进一步的，为了克服现有技术中由于最初制定的开挖及支护参数存在错漏，导致施工过程中需要调整开挖及支护参数的问题，在本发明的数据交互系统中，还构造了施工信息管理模块，其包括地质分析单元。地质分析单元配置为获取隧道日志数据中的钻孔日志数据，分析钻孔日志数据反映的周边围岩地质情况，生成隧道围岩分级结果。这样，设计人员就可以根据最新的隧道围岩分级结果对当前的施工参数进行及时有效地调整。接下来，对本发明提供的针对铁路隧道施工的数据交互系统进行说明。

所述系统包括：隧道模型展示模块，其包括设计模型生成单元，所述设计模型生成单元配置为获取隧道设计数据，根据所述隧道设计数据构造隧道设计模型；

施工辅助模块，其包括设计数据整理单元，所述设计数据整理单元配置为获取并整理所述隧道设计数据，将所述隧道设计数据中的各类数据分别发送给对应的施工设备；

施工状态监视模块，其包括施工现场监视单元，所述施工现场监视单元配置为获取并整理施工数据和/或监视视频数据，生成并输出隧道施工现场描述；

施工信息管理模块，其包括地质分析单元，所述地质分析单元配置为获取隧道日志数据中的钻孔日志数据，分析所述钻孔日志数据反映的周边围岩地质情况，生成隧道围岩分级结果。

在一实施例中，所述施工辅助模块还包括：

施工数据共享单元，其配置为获取各设备产生的施工数据和隧道日志数据，并在多个施工设备间共享所述施工数据和/或所述隧道日志数据。

在一实施例中，所述施工状态监视模块还包括设备现场监视单元，所述设备现场监视单元包括：

设备建模单元，其配置为为隧道施工现场的设备进行模型建模；

模型驱动单元，其配置为获取施工设备的传感器数据，基于所述传感器数据，利用设备模型展示施工设备的实际动作。

在一实施例中，所述施工状态监视模块还包括场景展示单元，所述场景展示单元配置为根据所述模型驱动单元的输出结果以及所述隧道施工现场描述生成并输出隧道施工现场的虚拟场景展示。

在一实施例中，所述施工状态监视模块还包括设备状态监视单元，所述设备状态监视单元配置为描述施工设备或待调设备的位置信息及自身状态。

在一实施例中，所述施工信息管理模块还包括地质云图生成单元，所述地质云图生成单元配置为根据所述钻孔日志数据生成地质云图。

在一实施例中，所述施工信息管理模块还包括参数优化单元，所述参数优化单元配置为根据最新的所述隧道围岩分级结果优化当前的隧道设计数据和/或对应的现场施工参数。

在一实施例中，所述施工信息管理模块还包括隧道验标单元，所述隧道验标单元配置为获取所述隧道设计数据和隧道日志数据，基于隧道验收标准，将隧道设计数据驱动的隧道设计模型与隧道日志数据驱动的隧道实体模型进行比对，完成隧道工程质量检验，生成隧道验标报表。

在一实施例中，所述系统包括BIM平台、智能设备平台以及视频监控平台，其中：

基于所述BIM平台实现所述隧道模型展示模块；

基于所述智能设备平台实现所述施工辅助模块以及所述施工信息管理模块；

基于所述智能设备平台以及所述视频监控平台实现所述施工状态监视模块。

在一实施例中，所述系统的硬件架构包括：

应用服务器，其用于布署所述系统的各种服务与应用；

模型服务器，其用于非实时与实时显示的模型处理；

数据库服务器，其提供数据库管理服务，用于存放数据库以及所述系统的全部后台处理；

系统监控及日志服务器，其用于分析所述系统是否正常。

相较于现有技术，根据本发明的系统，可以有效对隧道施工现场进行管理，提高隧道施工设备的利用率和协同作业能力，加快施工进度，缩短工期。本发明的系统可以在保证隧道施工安全和质量的前提下减少施工现场人员投入，有效控制施工成本。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1以及图4是根据本发明实施例的系统结构示意图；

图2是根据本发明实施例的隧道轮廓地质云图；

图3是根据本发明实施例的隧道断面地质云图；

图5是根据本发明一实施例的系统硬件布局示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

针对现有技术中铁路隧道施工的施工特点，本发明提出了一种针对铁路隧道施工的数据交互系统。

如图1所示，在一实施例中，针对铁路隧道施工的数据交互系统包括隧道模型展示模块110、施工辅助模块120、施工状态监视模块130以及施工信息管理模块140。

隧道模型展示模块110包括设计模型生成单元111。设计模型生成单元111配置为获取隧道设计数据(来自施工设计人员100)，并根据隧道设计数据构造隧道设计模型。设计模型生成单元111生成的隧道设计模型可以直接在展示终端102上展示，从而实现隧道工程设计参数的直观展示，减少施工人员在分析隧道设计数据时花费的工作量。

具体的，隧道设计数据主要包含隧道线、轮廓线和炮眼图。隧道模型展示模块110以隧道设计数据和图纸为依据，提取3D模型搭建要素，并通过精确算法将设计数据转换为模型搭建所需的信息。进一步的，隧道设计模型的模型搭建要素包括但不限于隧道线、轮廓线、钻孔布置、锚杆布置、拱架布置、排水盲管、排水沟槽、土工布、防水板、预制沟槽等参数。

施工辅助模块120包括设计数据整理单元121。设计数据整理单元121配置为获取并整理隧道设计数据，将隧道设计数据中的各类数据分别发送给对应的现场施工设备103。具体的，设计数据整理单元121实现项目列表和隧道设计数据的下载。

在本实施例中，项目列表列出项目施工过程中所有的项目文件，用于各现场施工设备103选择相应项目进行施工，获取当前施工隧道项目信息，并且项目在更改后需要同步更新至相应现场施工设备103；隧道线在施工阶段保证隧道相向开挖时能按规定的精度正确贯通，并使建筑物的位置符合限界，以确保运营安全；轮廓线指导如何进行施工，包含初始开挖轮廓到中期轮廓直至最终成型的隧道轮廓；炮眼图包含被爆破体(如岩体或矿体)上钻凿的孔眼布置情况，用以装填炸药进行爆破。

施工状态监视模块130包括施工现场监视单元131。施工现场监视单元131配置为获取并整理施工数据和/或监视视频数据(来自施工现场101中的现场施工设备103和/或现场监控设备104)，生成并输出隧道施工现场描述。施工现场监视单元131生成的隧道施工现场描述可以直接在展示终端102上展示，实现隧道施工现场实时监控。

具体的，施工现场监视单元131在施工过程中对设备施工状态进行监视，获取施工数据和监视视频数据并进行整理，最终以数据报表与施工影像的形式展示现场施工设备103的各项工作数据、工作状态。其中，施工数据包含施工设备的工作电压、工作电流、变速箱温度、发动机转速、发动机水温、柴油液位、液压油温等；监视视频数据能够再现施工现场的施工管理状况和设备工作状态，包括历史视频和实时视频。在本实施例中，系统通过视频录像机或视频服务器访问历史视频，可随时查询设备历史施工状态；另一方面，施工现场各处安装摄像头，系统通过网络连接交换机、路由器、服务器，实现现场实时监控，使施工人员掌握最新施工进展，并保证隧道内施工人员的安全。

施工信息管理模块140包括地质分析单元141。地质分析单元141配置为获取隧道日志数据中的钻孔日志数据，分析钻孔日志数据反映的周边围岩地质情况，生成隧道围岩分级结果。隧道围岩分级结果可以直接在展示终端102上展示，便于施工设计人员根据围岩状况及时调整施工设计方案。

优选的，在本实施例中，施工信息管理模块140采用随钻测量(Measurement WhileDrilling，MWD)技术进行地质分析，在隧道开挖时对掌子面前方及其周边围岩与地层情况做出超前预报。MWD地质分析主要是在岩土工程勘察及矿山、隧道等工程钻进过程中，应用钻孔过程监测(Drilling Process Monitoring，DPM)技术，监测钻机的随钻记录数据，根据获取的随钻数据变化特性来反应周边围岩的地质情况。在其他实施例中也可以采用TSP(地震波法)或地质雷达进行地质分析，但精确度相对较低。

进行地质分析前，首先需要采集连续多次的随钻数据，为后续工作打下基础。具体的，在本实施例中，凿岩台车每钻进0.02m自动采集一次凿岩机传感器当前钻孔信息(包括推进速度、推进压力、冲击压力、回转压力、水压力、水流量等钻进参数)，然后结合所有钻孔信息生成当前工作循环的钻孔日志。

进一步的，地质分析单元141获取凿岩台车的钻孔日志数据，进行数据提取、处理和分析，生成隧道围岩分级结果。正确判断围岩稳定性类别是确定合理的巷道支护形式、支护参数、施工工艺和施工工法的基础，隧道围岩级别划分是根据岩石坚韧性、岩体的完整性、结构面特征、地下水、地应力状态等因素综合确定的。在本实施例中，地质分析单元141的围岩判识主要是通过凿岩台车的随钻数据对岩石特性、岩层状况和完整程度进行探析完成，在凿岩机钻进过程中，推进速度与冲击压力、推进压力、回转压力的关系十分紧密。具体的：

(1)在功率一定的条件下，随着冲击压力的增大，凿岩机推进速度也不断上升，但上升幅度逐渐减小。

(2)通常根据岩层情况选择冲击压力，当岩层较软时，采用低的冲击压力，能够有效防止卡钻；岩石较硬时，采用高的冲击压力，能够提高凿岩效率，使每一次冲击所产生的能量被充分利用。另外，若凿岩过程中冲击压力突然变小，说明此处岩层有裂缝、空洞等不良地质条件。

(3)推进压力必须与冲击压力相匹配，高的冲击压力需要高的推进压力，低的冲击压力需要低的推进压力。在钻头类型和直径已定的情况下，现场应根据不同岩石性质设置合适的冲击压力，并调节推进压力以使其达到最优值。最优的推进压力使钻头与孔底始终保持良好接触，这样凿岩速度才会更快。

(4)回转压力也应与冲击压力、推进压力相匹配。凿岩过程中，推进压力过大会增加回转阻力，加剧钻头的径向磨损；回转压力与冲击压力不匹配时，甚至出现岩石孔底二次或多次重复破碎，造成能量损耗，凿岩速度必然下降。

综上所述，推进速度、冲击压力、推进压力及回转压力的大小，在一定程度上能够综合反映出围岩的软硬程度和岩层状况。简单地说，就是当推进压力反馈值在低于预设的推进压力阈值时，表明钻孔周围具有岩层裂缝、空洞等缺陷；当推进速度反馈值低于预设的推进速度阈值时，则表明钻孔周围岩层较硬，反之较软；当冲击压力反馈值高于预设的冲击压力阈值时，则表明钻孔周围岩层较硬，反之较软；当回转压力反馈值高于预设的旋转压力阈值时，则表明钻孔岩层周围碎石较多，反之碎石较少。地质分析单元141最终将这些钻进参数归一化成一个总的判定参数，去进行围岩判识。

相较于现有技术，根据本发明的系统，可以有效对隧道施工现场进行管理，提高隧道施工机械设备的利用率和协同作业能力，加快施工进度，缩短工期。本发明的系统可以在保证隧道施工安全和质量的前提下减少施工现场人员投入，有效控制施工成本。

隧道施工涵盖超前作业、开挖、初支、二衬、衬砌检测等工序，涉及注浆台车、凿岩台车、湿喷台车、多功能作业车、锚杆台车、仰拱桥模台车、防水板台车、衬砌台车等多台施工设备。进一步的，考虑到在实际应用场景中，施工现场的各个施工设备所需的施工数据并不是绝对独立的，其间存在数据共享的需求。因此，在本实施例中，施工辅助模块还包括施工数据共享单元，其配置为获取各设备产生的施工数据和隧道日志数据，并在多个施工设备间共享施工数据和/或隧道日志数据，实现多机数据共享和多机数据互驱的功能。

具体的，在本实施例中，多台施工设备在施工过程中的数据通过施工数据共享单元进行共享，共享的内容主要涉及前一台设备会影响到下一台设备施工的施工数据。以具体的应用场景为例，在隧道施工过程中：

(1)注浆台车需要获取凿岩台车的钻孔日志。注浆台车与凿岩台车通过施工数据共享单元进行数据交互，获取凿岩台车的钻孔日志数据，并根据数据分析后生成的围岩分析结果匹配制定对应的注浆参数信息，指导注浆施工作业。

(2)防水板台车需要获取湿喷台车扫描得到的初支轮廓面。防水板台车与湿喷台车通过施工数据共享单元进行数据交互，获取湿喷台车上的扫描仪扫描得到的初支轮廓面，确保初支轮廓面表面平整，无外露钢筋、锚杆头等尖锐棱角，防止顶破防水板。否则要割除尖锐物、用砂浆抹平表面，并对局部凹凸部分补喷混凝土，使表面平整才能铺设防水板。

(3)凿岩台车将钻孔日志上传至施工数据共享单元。施工人员可随时登录本发明的系统查看历史钻孔数据及钻孔分析图，并对隧道围岩进行地质分析，优化隧道支护参数，将优化结果共享给相应支护工程施工设备。

多机数据互驱是在数据共享的基础上，根据共享获取的数据驱动现有施工设备相应工作。具体的，在本实施例中，多台施工设备在施工过程中存在数据相互间的利用，在多机数据共享的基础上，现有设备将利用上一施工环节设备产生的数据进行作业。以具体的应用场景为例：

(1)根据施工工序在施工数据共享单元上请求车辆的调度。各施工设备在完成本次施工后生成施工日志，上传至施工数据共享单元，施工数据共享单元分析日志，提前请求下一工序施工设备的调度，使工序衔接更加顺畅。

(2)爆破效果的判定及钻爆设计优化。爆破完毕后，凿岩台车将钻孔日志上传。施工信息管理模块自动分析地质情况，形成直观的掌子面地质云图；通过扫描仪纵向扫描开挖断面，形成开挖断面图，直观反映超欠挖情况。施工人员结合地质云图、开挖断面图及掌子面实际围岩揭示情况进行综合分析，动态调整钻爆参数。施工数据共享单元获取最新的参数并分配给凿岩台车，指导凿岩台车的下一次钻孔施工作业，减少断面超欠挖，提高光面爆破质量。

进一步的，为了更加直观地查看现场施工设备的工作状态，施工状态监视模块还包括设备现场监视单元，设备现场监视单元包括设备建模单元和模型驱动单元。其中，设备建模单元配置为为隧道施工现场的设备进行模型建模；模型驱动单元配置为实时获取施工设备的传感器数据，把传感器数据与设备模型对应以展示实际各模块的运动效果，最后加入机器人正/逆运动学对臂架末端位姿进行修正。

具体的，在本实施例中，设备现场监视单元连接到展示终端102，从而在展示终端102上通过施工设备模型展示设备当前的工作状态，实现对现场施工设备的实时监视。

进一步的，基于设备现场监视单元，施工状态监视模块还包括场景展示单元，场景展示单元配置为根据模型驱动单元的输出结果以及隧道施工现场生成并输出隧道施工现场的虚拟场景展示。

场景展示单元涉及具体设备的模型数据、各关节如何运动及约束、正向与逆向运动学、现场施工数据等，利用这些相关的内容便可实时展示隧道施工过程。进一步的，场景展示单元连接到展示终端102，从而在展示终端102展示模型化的动态现场施工场景。

具体的，在本实施例中，基于虚拟现实(VR)技术构造场景展示单元，包含以下VR展示输出模式中的一种或两种：

(1)基于施工现场监视单元和设备现场监视单元进行实景展示，根据视频监控、施工现场的数据生成虚拟实景；

(2)基于施工现场监视单元和设计模型生成单元进行模型场景展示，根据施工现场数据以及隧道设计模型生成当前施工现场对应的模型场景。

具体的，在一实施例中，施工状态监视模块的VR展示包括实景展示和模型场景展示。实景展示中包含隧道实景和设备实景，其中隧道实景通过搭建隧道实体模型生成单元实现，设备实景通过设备现场监视单元实现，获取设备建模后驱动模型动作，结合施工现场数据即可得到施工现场对应的实景。模型场景展示中包含隧道模型和设备模型，其中隧道模型通过设计模型生成单元实现，设备模型同样通过设备现场监视单元实现，获取设备建模后驱动模型动作即可得到施工设备在隧道内作业的模型场景。相比模型场景，实体隧道可直观看出超欠挖、支护、衬砌等实际施工效果。

在本实施例中，隧道模型展示模块还包括实体模型生成单元，其配置为根据施工数据和/或隧道日志数据构造当前已施工的隧道对应的隧道实体模型。具体的，实体模型生成单元通过可移动/自移动式扫描仪扫描，生成三维点云，进行隧道轮廓重建，得到隧道实体模型。进一步的，实体模型生成单元根据视频监控、拍照得到隧道表面图像，进行图像处理、拼接，使隧道实体模型具有表面纹理，最终得到隧道实景。进一步的，实体模型生成单元还配置为采集日志数据对隧道实体全要素模型做修正。进一步的，通过实体模型生成单元生成的隧道实体模型，可与设计模型实现比对，从而展示隧道里程进度、超前支护、开挖轮廓、初期支护、隧道衬砌等信息。

在本实施例中，施工状态监视模块的VR展示针对施工过程中所有设备进行线上线下体验和展示。这样，用户不用深入施工现场就能实现传统模式无法企及的沉浸式体验。施工状态监视模块通过在场景中植入数字化信息逼真展示现场施工环境，打造身临其境的交互场景。

进一步的，在一实施例中，为了详细展示现场设备状态，施工状态监视模块还包括设备状态监视单元，设备状态监视单元配置为描述施工设备或待调设备的位置信息及自身状态。具体的，设备状态监视单元通过位置信息和自身状态情况综合判断，设备是否需要维保和调度，提示操作人员提前做好设备维保，以便下一个工序直接使用，减少响应时间，达到提高施工效率和延长设备寿命的目的。

设备状态监视单元主要输出以下两个方面的内容。

(1)位置信息：

设备每次更换位置后，都需要向管理系统上传位置信息，同时在3D隧道模型中可以直观显示设备具体位置。

(2)运行状态：

设备在使用过程中，通过传感器直接获取设备状态信息，通过报警信息及设备状态实时数据，监视设备状态，及时维保。

进一步的，在一实施例中，施工信息管理模块还包括地质云图生成单元，所述地质云图生成单元配置为根据钻孔日志数据生成地质云图。具体的，凿岩台车随钻数据均可自动上传至施工信息管理模块并进行数据分析与处理，最终地质云图生成单元以地质云图的形式呈现地质分析情况，建设、设计、施工各方可共享、应用地质信息。

地质云图包括3D轮次图、表面图、轮廓图与断面图等，可直观读出隧道地质情况，降低了操作人员对识图相关专业性的要求。如图2以及图3所示，图2为一实施例中隧道轮廓地质云图，图3为一实施例中隧道断面地质云图。

进一步的，在本实施例中，地质云图颜色设置目的是在围岩判别时，显示效果好，清晰明了，利于分析岩层情况。例如，系统以校准后算出的平均推进速度为基准值，以与基准值相差的百分数来表示颜色值，根据显示效果需要对颜色进行调整，一般将推进速度快(即为软弱围岩)的设为红色、正常的设为黄色、推进速度慢(硬岩)的设为蓝色。这里的颜色划分是对当前隧道地质情况的相对反映，颜色设置没有绝对标准。

进一步的，在正式的施工阶段，随着数据积累，围岩分级的准确性将会越来越高，在此基础上我们便可利用围岩分级结果对开挖支护设计等设计环节的数据进行动态调整，形成一套参数优化理论，并通过管理系统实现优化。具体的，在本实施例中，施工信息管理模块还包括参数优化单元，参数优化单元配置为根据最新的隧道围岩分级结果优化当前的隧道设计数据和/或对应的现场施工参数。

进一步的，在一实施例中，施工信息管理模块还包括隧道验标单元，隧道验标单元配置为获取隧道设计数据和隧道日志数据，基于隧道验收标准，将设计数据驱动的隧道设计模型与隧道日志数据驱动的隧道实体模型进行比对，完成隧道工程质量检验，生成隧道验标报表。具体的，隧道验标单元从隧道日志数据中提取隧道里程进度、超前支护、开挖轮廓、初期支护、隧道衬砌等信息等相关隧道实际施工数据，基于隧道验收标准与隧道设计数据对比生成报表，判断是否符合标准，满足隧道验标体系由人工填报向自动验标转变。

具体的，在一实施例中，隧道验标包括针对凿岩台车、锚杆台车、湿喷台车、拱架台车、衬砌台车等施工设备的施工结果的检验。以实际的应用场景为例：

(1)在洞身开挖工程中，获取钻孔日志数据并提取相关数据，对比验收标准，检验开挖断面的中线和高程，开挖断面净空及超欠挖控制，炮眼间距、深度和角度，开挖进尺等。

(2)在支护工程中的钢拱架安装环节，获取拱架日志数据，对比验收标准，检验制作钢架用钢筋、型钢质量，制作钢架用钢筋、型钢品种、规格，钢架的弯制、结构尺寸，钢架安装位置等。

(3)在支护工程中的锚杆安装环节，获取锚杆日志数据，对比验收标准，检验锚杆安装数量，锚杆孔的孔径、孔深、孔距和锚杆插入长度，砂浆锚杆的灌注砂浆饱和度，直螺纹连接接头拧紧力矩等。

(4)在支护工程中的喷射混凝土环节，获取喷射日志数据，对比验收标准，检验喷射混凝土厚度、喷射混凝土表面质量等。

(5)在衬砌工程中，获取衬砌日志数据，对比验收标准，检验混凝土入模温度、与邻接介质温差及内外温差、混凝土施工前衬砌厚度检查等。

具体的，在一实施例中，如图4所示，针对铁路隧道施工的数据交互系统包括隧道模型展示模块410、施工辅助模块420、施工状态监视模块430以及施工信息管理模块440。

隧道模型展示模块410包括：

设计模型生成单元411，其配置为获取来自施工设计人员400的隧道设计数据，根据隧道设计数据构造隧道设计模型，隧道设计模型最终输出到显示屏405上进行展示；

实体模型生成单元412，其配置为生成并输出隧道实体模型以及隧道实景模型，隧道实体模型和/或隧道实景模型最终输出到显示屏405上进行展示。

施工辅助模块420包括：

设计数据整理单元421，其配置为获取并整理隧道设计数据，将隧道设计数据中的各类数据分别发送给施工现场401中对应的现场施工设备403；

施工数据共享单元422，其配置为实现施工现场401中不同现场施工设备间的数据共享以及数据互驱。

施工状态监视模块430包括：

施工现场监视单元431，其配置为获取并整理来自施工现场401中的现场施工设备403和/或现场监控设备404的施工数据和/或监视视频数据，生成并输出隧道施工现场描述，隧道施工现场描述最终输出到显示屏405进行展示；

设备现场监视单元432，其配置为对现场施工设备402进行建模，输出可以展示现场施工设备402当前运动状态的动态模型；

设备状态监视单元434，其配置为描述施工设备或待调设备的位置信息及自身状态；

场景展示单元433，其配置为根据现场施工设备的动态模型、隧道施工现场描述、隧道实体模型以及隧道实景模型生成并输出隧道施工现场的虚拟场景展示，最终的虚拟场景展示输出到显示屏405以及VR设备上进行展示。

施工信息管理模块440包括：

地质分析单元441，其配置为分析来自施工现场401的钻孔日志数据，获取周边围岩地质情况，生成隧道围岩分级结果；

地质云图生成单元442，其配置为根据来自施工现场401的钻孔日志数据生成地质云图，地质云图输出到显示屏405进行展示；

参数优化单元443，其配置为根据隧道围岩分级结果优化当前的隧道设计数据和/或对应的现场施工参数，输出到显示屏405进行展示，并利用设计数据整理单元分配给对应的现场施工设备；

隧道验标单元444，其配置为获取隧道设计数据和隧道日志数据，基于隧道验收标准，将隧道设计数据驱动的隧道设计模型与隧道日志数据驱动的隧道实体模型进行比对，完成隧道工程质量检验，生成隧道验标报表并输出到显示屏405进行展示。

根据本发明的系统，能够提高机械设备的利用率，减少施工现场人员投入，提高隧道施工的安全性；能够加强施工机械协同作业能力，加快施工进度，缩短工期；施工过程中能自动监管施工质量；上载至平台的设备作业日志，能够自动生成验标信息，保证隧道施工质量。

进一步的，在一实施例中，系统包括BIM平台(Building Information Modeling)、智能设备平台以及视频监控平台，其中：

基于BIM平台实现隧道模型展示模块；

基于智能设备平台实现所述施工辅助模块以及施工信息管理模块；

基于智能设备平台以及所述视频监控平台实现施工状态监视模块。

进一步的，在一实施例中，BIM平台使用隧道设计数据与施工日志数据，包括实现隧道设计模型和隧道实体模型，并且兼容GIS(Geographic Information System)。BIM是一个完备的信息模型，能够将工程项目在全生命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方便被工程各参与方使用。通过三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调、内部一致的信息模型，使该模型达到设计施工的一体化，各专业协同工作，从而降低了工程生产成本，保障工程按时按质完成。通过以GIS为索引，以BIM为数据载体，以智能装备数据为驱动，实现信息化应用。

进一步的，在一实施例中，智能设备平台使用施工过程数据与施工日志数据。

进一步的，在一实施例中，系统的硬件架构包括：

应用服务器，其用于布署系统的各种服务与应用；

模型服务器，其用于非实时与实时显示的模型处理；

数据库服务器，其提供数据库管理服务，用于存放数据库以及系统的全部后台处理；

系统监控及日志服务器，其用于分析系统是否正常。

具体的，如图5所示，在一实施例中：

应用服务器510用于布署项目管理平台各种服务与应用，如各种设备的设计数据导入与导出服务，MWD应用等。

模型服务器520用于非实时与实时显示的模型处理，涉及的模型比较复杂与体量大，需要大量内存与强劲的图形处理器。

数据库服务器530提供数据库管理服务，用于存放数据库系统的业务及本系统全部后台处理过程。

系统监控及日志服务器540用于分析交互系统是否正常，记录的信息为系统出现问题时进行排错。

显示屏550用于模型以及数据的展示。

所有数据都统一存放于磁盘阵列501，方便管理与维护。

进一步的，在一实施例中，磁盘阵列501具备高传输速率，并提供容错功能，用于存放数据，如设计数据、模型数据、日志数据等。对于后续数据的持续增加，相应的增加数据存储阵列的硬盘。

进一步的，在一实施例中，图5中所示各服务器(510～540)位于一处，布置专用机房用于统一管理；显示屏550置于一处，用于用户操作与展示用，用户通过网络与机房进行通讯；现场施工设备560位于施工现场，通过网络与机房进行通讯。现场施工设备560以及显示屏550与各个服务器间的数据通讯必须经过防火墙500的中转，从而实现数据安全防护。整个为三位一体式布局，协同完成整个工作。施工设备、交互系统、客户三方的通讯主要以HTTP协议为基础，在其他实施例中也可根据需求基于FTP协议实现通讯，此处本发明不进行限定。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种针对铁路隧道施工的数据交互系统，其特征在于，所述系统包括：

隧道模型展示模块，其包括设计模型生成单元，所述设计模型生成单元配置为获取隧道设计数据，根据所述隧道设计数据构造隧道设计模型；

施工辅助模块，其包括设计数据整理单元，所述设计数据整理单元配置为获取并整理所述隧道设计数据，将所述隧道设计数据中的各类数据分别发送给对应的施工设备；

施工状态监视模块，其包括施工现场监视单元，所述施工现场监视单元配置为获取并整理施工数据和/或监视视频数据，生成并输出隧道施工现场描述；

施工信息管理模块，其包括地质分析单元，所述地质分析单元配置为获取隧道日志数据中的钻孔日志数据，分析所述钻孔日志数据反映的周边围岩地质情况，生成隧道围岩分级结果；

所述施工状态监视模块还包括设备现场监视单元，所述设备现场监视单元包括：

设备建模单元，其配置为为隧道施工现场的设备进行模型建模；

模型驱动单元，其配置为获取施工设备的传感器数据，基于所述传感器数据，利用设备模型展示施工设备的实际动作；

所述施工信息管理模块还包括隧道验标单元，所述隧道验标单元配置为获取所述隧道设计数据和隧道日志数据，基于隧道验收标准，将隧道设计数据驱动的隧道设计模型与隧道日志数据驱动的隧道实体模型进行比对，完成隧道工程质量检验，生成隧道验标报表。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述施工辅助模块还包括：

施工数据共享单元，其配置为获取各设备产生的施工数据和隧道日志数据，并在多个施工设备间共享所述施工数据和/或所述隧道日志数据。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述施工状态监视模块还包括场景展示单元，所述场景展示单元配置为根据所述模型驱动单元的输出结果以及所述隧道施工现场描述生成并输出隧道施工现场的虚拟场景展示。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述施工状态监视模块还包括设备状态监视单元，所述设备状态监视单元配置为描述施工设备或待调设备的位置信息及自身状态。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述施工信息管理模块还包括地质云图生成单元，所述地质云图生成单元配置为根据所述钻孔日志数据生成地质云图。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述施工信息管理模块还包括参数优化单元，所述参数优化单元配置为根据最新的所述隧道围岩分级结果优化当前的隧道设计数据和/或对应的现场施工参数。

7.根据权利要求1~6中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括BIM平台、智能设备平台以及视频监控平台，其中：

基于所述BIM平台实现所述隧道模型展示模块；

基于所述智能设备平台实现所述施工辅助模块以及所述施工信息管理模块；

基于所述智能设备平台以及所述视频监控平台实现所述施工状态监视模块。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统的硬件架构包括：

应用服务器，其用于布署所述系统的各种服务与应用；

模型服务器，其用于非实时与实时显示的模型处理；

数据库服务器，其提供数据库管理服务，用于存放数据库以及所述系统的全部后台处理；

系统监控及日志服务器，其用于分析所述系统是否正常。

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