CN115909730A - 一种基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统，包括用于对车辆管控的信息进行收集的数据采集单元、用于对数据采集单元获取的各项信息进行集成加工的预警分析单元和用于将预警分析单元的计算结果进行可视化呈现的展示调度单元。本发明通过多源数据采集单元，收集基于UWB的车辆定位数据、隧道各工作面施工进度数据、信号灯位置数据、摄像头实时监控数据，根据车辆通行规则，以及交通管理方案，对车辆运行速度、区域分布、会车行为进行分析，得到推荐的车辆调度方案；通过监控中心大屏、洞内信号灯及车载情报板发布调度指令，实现对隧道交通的智能管控，解决特长隧道中导洞施工过程中，洞内交通“看不见，管不到，调不动”的困局。

Description

一种基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统

技术领域

本发明涉及公路隧道施工管理的技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统。

背景技术

特长隧道在克服高山峡谷等地形障碍，缩短空间距离和改善陆路交通运行质量等方面具有巨大优势。随着隧道建设水平提高，技术装备升级，在地形、地貌、地质条件复杂地区，有越来越多的特长隧道被建成使用，如瑞士的Gotthard Base隧道长度为16.9km，甘肃大坪里隧道长度为12.3km，陕西秦岭终南山隧道长度为18.0km，在建的新疆乌尉高速天山胜利隧道长度更是达到了22.1km，建成后将成为世界上最长的高速公路隧道。

在两主洞间设置平行中导洞，是一种特殊的特长隧道建设方案，具有众多优势。中导洞常采用TBM工法，进度较快，可为主洞提供超前地质预报，探明隧道前方工程地质及水文地质情况。中导洞配合横洞，可增加主洞施工工作面，实现特长隧道“长洞短打”，加快主洞施工进度，有效缩短建设工期。在运营期，中导洞还可作为防灾救援通道，提升隧道安全服务水平。中导洞方案正被越来越多的应用在特长隧道建设中。

然而，采用中导洞建设方案，主洞多工作面同步施工，会导致洞内物流组织复杂，施工管理难度增大。施工高峰期，洞内中导洞TBM工作面和主洞钻爆工作面多达数十个，物料运输、爆破出渣、施工管理、机械设备等车辆众多，由于缺少可视化集成管理的方法，无法掌握洞内车辆的行驶速度、位置分布和工作状态；隧道内能见度较低，靠近工作面附近的平交口视距较差，加之工程车转弯半径大，容易发生拥堵；中导洞空间狭小，工程车辆只能在错车带区域进行会车通行，倒车避让危险，交通组织效率较低。以上问题对隧道施工期的交通组织管理水平提出了很高的要求，传统的交通管控方法已无法满足。

发明内容

基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统，实现对隧道交通的智能管控，解决特长隧道中导洞施工过程中，洞内交通“看不见，管不到，调不动”的困局。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统，包括数据采集单元、预警分析单元和展示调度单元；所述数据采集单元用于对车辆管控的信息进行收集，所述数据采集单元包括：车辆定位模块，由定位标签、定位基站、同步控制器、服务器和计算单元组成；BIM环境仿真模块，用于将隧道设计成BIM模型，转化为轻量化隧道三维模型，形成隧道工程的数字孪生三维模型，在系统中进行可视化呈现，作为车辆三维展示的基础环境：施工进度管理模块，用于通过连接工程建设管理平台的进度数据，集成各工作面所在路线桩号，得到工作面实际空间位置，从而构造出隧道内可行车的空间，为后续车辆的统计分析和预警调度分析提供基础；所述预警分析单元用于对数据采集单元获取的各项信息进行集成加工，根据管控需求，计算各项指标，并进行可视化展示；所述预警分析单元包括：车辆定位展示模块，用于构造车辆所在隧道环境的坐标系统，提取所述车辆定位模块中车辆坐标数据，将所述施工进度管理模块中提取的各工作面桩号数据进行解析和转换，映射到隧道的三维直角坐标系中，进行集成和二三维的展示；车辆统计分析模块，用于根据所述车辆定位展示模块中获取车辆的坐标，以及车辆定位模块携带的车辆类型属性，对洞内车辆的数量进行统计，并对历史数量进行分析；车辆预警调度模块，包括车辆超速预警、工作面超员预警、中导洞会车调度和中导洞独占调度；所述展示调度单元用于将所述预警分析单元的计算结果进行可视化呈现，所述展示调度单元包括：监控中心大屏模块，用于将展示调度单元的交通管控信息投射于隧道施工建设管理中心的监控大屏，以常驻情报板的形式，展示车辆定位、历史数据、车辆类型、车辆分布状态、车辆超速情况、工作面超员情况、中导洞拥堵情况、信号灯状态和计时以及追踪视频监控；车载情报板模块，用于在司机手机上部署的情报板APP，发布车辆当前是否超速、通过平交口时间、是否应前往工作面信息，实现预警分析单元分析成果的执行。

优选的，所述车辆统计分析模块还用于对各类车辆分布状态进行分析，分布状态指各类车辆在具体位置的数量统计，通过对洞内车辆总数、历史数量、分布状态的分析，辅助隧道建设管理者优化各类车辆和机械设备的运营安排，优化洞内交通组织质量。

进一步的，所述车辆超速预警根据车辆坐标计算车辆实时速度，并与各类车辆在洞内行驶的限速进行比对，车辆超速后将在监控中心大屏模块中提示，并通过车载情报板模块提示司机减速；所述工作面超员预警包括在左右洞工作面区域，当掌子面进行爆破后，设置工作面车辆数量阈值，超值后系统向调度中心发出提示，暂缓向该工作面继续增派车辆，缓解洞内交通压力；所述中导洞会车调度通过两车位置和通行优先级，提示低权限车辆提前在错车带前等待，并将该指令通过车载情报板模块发送给司机；所述中导洞独占调度识别特种设备进入中导洞区域，通过信号灯管理模块，向在本平交口和前方平交口发布停止指令，禁止车辆继续驶入该中导洞区域。

可选的，所述预警分析单元中的信号灯管理模块具备平交口自动配时计算和中导洞配时计算的功能；所述平交口自动配时计算根据通过平交口车辆类型属性，定义不同的通过时间，提高平交口通行能力；所述中导洞配时计算获取车辆预警调度模块中的中导洞会车调度分析的结果，返回低权限车辆提前在错车带前等待的剩余时间。

进一步的，所述数据采集单元中的视频监控管理模块获取摄像头的定位数据，记录摄像头所在位置特征，包括所在左右洞或中导洞编号，及所在桩号，解析和记录摄像头编号列表，通过数据接口，获取各摄像头的视频流；所述预警分析单元中的视频监控管理模块根据关键车辆的坐标，检索到最近的摄像头；所述展示调度单元下中的视频监控管理模块将摄像头的视频进行呈现，实现对关键车辆的自动追踪监视。

由上，本发明的基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统通过多源数据采集单元，收集基于UWB的车辆定位数据、隧道各工作面施工进度数据、信号灯位置数据、摄像头实时监控数据等；然后根据车辆通行规则，以及交通管理方案，对车辆运行速度、区域分布、会车行为等进行分析，得到推荐的车辆调度方案；最终通过监控中心大屏、洞内信号灯及车载情报板发布调度指令，从而实现对隧道交通的智能管控，解决特长隧道中导洞施工过程中，洞内交通“看不见，管不到，调不动”的困局。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统的结构示意图；

图2为隧道三维直角坐标系统图；

图3为施工进度和车辆定位集成展示图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1至图3所示，本发明的基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统包括：数据采集单元、预警分析单元和展示调度单元，所有单元接入高性能图形工作站进行数据交换和处理。

本发明的数据采集单元主要针对车辆管控的信息进行收集。而影响车辆行为的因素主要有车、环境和人三大类。通过设置车辆定位模块、BIM环境仿真模块、施工进度管理模块、信号灯管理模块和视频监控管理模块，分别收集车、环境和人的各类数据，为后续的分析计算提供基础数据。

车辆定位模块可采用UWB(Ultra Wide Band)定位系统，由定位标签、定位基站、同步控制器、服务器和计算单元组成。不同于普通的UWB定位系统，本发明结合隧道施工特点，对定位系统进行了优化，体现在：定位标签增加车辆类型属性，区分多功能双头平板车、炸药运输车、混凝土罐车、机械设备、渣土运输车、小型巡检通勤车和特种设备，以支持后续不同车辆会车避让调度行为的分析计算。

BIM环境仿真模块将隧道设计BIM模型，转化为轻量化隧道三维模型，形成隧道工程的数字孪生三维模型，在系统中进行可视化呈现，作为车辆三维展示的基础环境。轻量化体现在根据车辆通行特性，根据特征值筛选仅保留车辆可通行位置的隧道二衬和路面模型，忽略其他要素，以保证系统运行流畅。

施工进度管理模块通过连接工程建设管理平台的进度数据，集成各工作面所在路线桩号Ki，得到工作面实际空间位置，从而构造出隧道内可行车的空间，为后续车辆的统计分析和预警调度分析提供基础。

信号灯管理模块由数据采集单元、预警分析单元和展示调度单元下的三个子功能组成。在数据采集单元下，定义信号灯的编号和定位。信号灯根据实际调度需求，安装在车流密度大，路线交织严重的平交口位置。

本发明的预警分析单元主要针对数据采集单元获取的各项信息进行集成加工，根据管控需求，计算各项指标，并进行可视化展示。设置了车辆定位展示模块、车辆统计分析模块、车辆预警调度管理模块、信号灯管理模块和视频监控管理模块。

车辆定位展示模块首先需要构造车辆所在隧道环境的坐标系统。坐标系统可构造为为三维直角坐标系：坐标原点O为中导洞入口，坐标X轴为隧道中导洞路线轴线，坐标Y轴为隧道轴线切线，坐标Z轴为竖直方向。通过构造三维直角坐标系，可将隧道路线设计线平曲线和竖曲线简化为数值，对复杂的隧道工程环境进行抽象，从而简化计算，提高系统运行效率。通过三维坐标系统的构造，能够实现隧道模型、施工进度、车辆定位、摄像头和信号灯定位的统一，为进一步的计算基础。隧道三维直角坐标系统如图2所示。

进一步的，车辆定位展示模块还用于提取车辆定位模块中车辆坐标数据，计算车辆实际位置，通过坐标转换计算，映射为隧道三维直角坐标系，并利用BIM环境仿真模块得到的轻量化三维模型，进行准确的可视化呈现。并且，将施工进度管理模块中提取的各工作面桩号数据，以同样的方法进行解析和转换，映射到隧道三维直角坐标系中，进行集成和二三维的展示，如图3所示。车辆定位展示模块能够将隧道施工状态和洞内车辆运行状态进行集成显示，从而为建设管理者提供可视化决策依据，解决洞内“看不见”的困局。

车辆统计分析模块根据车辆定位展示模块中获取车辆的坐标，以及车辆定位模块携带的车辆类型属性，对洞内车辆的数量进行统计，并对历史数量进行分析。进一步的，可对各类车辆分布状态进行分析。分布状态，指各类车辆在具体位置的数量统计。通过对洞内车辆总数、历史数量、分布状态的分析，可以辅助隧道建设管理者优化各类车辆和机械设备的运营安排，从而优化洞内交通组织质量。

车辆预警调度模块包含4个主要功能，分别是车辆超速预警、工作面超员预警、中导洞会车调度和中导洞独占调度。

车辆超速预警根据车辆坐标计算车辆实时速度，并与各类车辆在洞内行驶的限速进行比对。车辆超速后将在监控中心大屏模块中提示，并通过车载情报板模块提示司机减速，保证交通安全。

工作面超员预警指在左右洞工作面区域，当掌子面进行爆破后，会有大量渣土车进出该区域，易出现排队等待装渣，造成交通拥堵。根据施工管理经验，设置工作面车辆数量阈值，超值后系统向调度中心发出提示，暂缓向该工作面继续增派车辆，从而缓解洞内交通压力，保证交通安全通畅。

中导洞会车调度指由于缺乏沟通、类视距不良等原因，混凝土罐车、机械设备、渣土运输车会在中导洞非错车带区域相遇而无法通行，需要倒车挪到错车带，通行效率不高。车辆预警调度模块通过两车位置和通行优先级，提示低权限车辆提前在错车带前等待，并将该指令通过车载情报板模块发送给司机，从而保证高权限车辆顺利通行，提高交通组织效率。

中导洞独占调度指由于特种设备尺寸巨大，会占用中导洞全部空间，无法与其他车辆错车。车辆预警调度模块可识别特种设备进入中导洞区域，通过信号灯管理模块，向在本平交口和前方平交口发布停止指令，禁止车辆继续驶入该中导洞区域，从而保障特种设备正常通行，避免洞内倒车的危险动作，保证交通安全通畅。

在预警分析单元下的信号灯管理模块具备平交口自动配时计算和中导洞配时计算的功能。平交口自动配时计算根据通过平交口车辆类型属性，定义不同的通过时间，从而提高平交口通行能力。中导洞配时计算获取车辆预警调度模块中的中导洞会车调度分析的结果，返回低权限车辆提前在错车带前等待的剩余时间。进一步的，将指令通过展示调度单元下的功能，发布到对应的信号灯。

视频监控管理模块由在数据采集单元、预警分析单元和展示调度单元下的三个子功能组成。在数据采集单元下，获取摄像头的定位数据，记录摄像头所在位置特征，包括所在左右洞或中导洞编号，及所在桩号Km。解析和记录摄像头编号列表。通过数据接口，获取各摄像头的视频流。在预警分析单元下，根据关键车辆的坐标，检索到最近的摄像头。在展示调度单元下，将该摄像头的视频进行呈现。通过视频监控管理模块，能够实现对关键车辆的自动追踪监视。

本发明的展示调度单元主要将预警分析单元的计算结果进行可视化呈现，通过设置了监控中心大屏模块、车载情报板模块、信号灯管理模块和视频监控管理模块，向监控中心的建设管理者和洞内司机和施工作业人员发布信息。

监控中心大屏模块主要是将展示调度单元的交通管控信息投射于隧道施工建设管理中心的监控大屏，以常驻情报板的形式，展示车辆定位、历史数据、车辆类型、车辆分布状态、车辆超速情况、工作面超员情况、中导洞拥堵情况、信号灯状态和计时以及追踪视频监控。

展示调度单元的信号灯管理模块将信号灯控制信号发布至洞内平交口信号灯，包括平交口信号灯和错车带信号灯，从而实现对车辆运行管理。

车载情报板模块指在司机手机上部署的情报板APP，发布车辆当前是否超速、通过平交口时间、是否应前往工作面等信息，从而实现预警分析单元分析成果的执行。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (5)

1.一种基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统，其特征在于，包括数据采集单元、预警分析单元和展示调度单元；

所述数据采集单元用于对车辆管控的信息进行收集，所述数据采集单元包括：

车辆定位模块，由定位标签、定位基站、同步控制器、服务器和计算单元组成；

BIM环境仿真模块，用于将隧道设计成BIM模型，转化为轻量化隧道三维模型，形成隧道工程的数字孪生三维模型，在系统中进行可视化呈现，作为车辆三维展示的基础环境：

施工进度管理模块，用于通过连接工程建设管理平台的进度数据，集成各工作面所在路线桩号，得到工作面实际空间位置，从而构造出隧道内可行车的空间，为后续车辆的统计分析和预警调度分析提供基础；

所述预警分析单元用于对数据采集单元获取的各项信息进行集成加工，根据管控需求，计算各项指标，并进行可视化展示；所述预警分析单元包括：

车辆定位展示模块，用于构造车辆所在隧道环境的坐标系统，提取所述车辆定位模块中车辆坐标数据，将所述施工进度管理模块中提取的各工作面桩号数据进行解析和转换，映射到隧道的三维直角坐标系中，进行集成和二三维的展示；

车辆统计分析模块，用于根据所述车辆定位展示模块中获取车辆的坐标，以及车辆定位模块携带的车辆类型属性，对洞内车辆的数量进行统计，并对历史数量进行分析；

车辆预警调度模块，包括车辆超速预警、工作面超员预警、中导洞会车调度和中导洞独占调度；

所述展示调度单元用于将所述预警分析单元的计算结果进行可视化呈现，所述展示调度单元包括：

监控中心大屏模块，用于将展示调度单元的交通管控信息投射于隧道施工建设管理中心的监控大屏，以常驻情报板的形式，展示车辆定位、历史数据、车辆类型、车辆分布状态、车辆超速情况、工作面超员情况、中导洞拥堵情况、信号灯状态和计时以及追踪视频监控；

车载情报板模块，用于在司机手机上部署的情报板APP，发布车辆当前是否超速、通过平交口时间、是否应前往工作面信息，实现预警分析单元分析成果的执行。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统，其特征在于，所述车辆统计分析模块还用于对各类车辆分布状态进行分析，分布状态指各类车辆在具体位置的数量统计，通过对洞内车辆总数、历史数量、分布状态的分析，辅助隧道建设管理者优化各类车辆和机械设备的运营安排，优化洞内交通组织质量。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统，其特征在于，所述车辆超速预警根据车辆坐标计算车辆实时速度，并与各类车辆在洞内行驶的限速进行比对，车辆超速后将在监控中心大屏模块中提示，并通过车载情报板模块提示司机减速；

所述工作面超员预警包括在左右洞工作面区域，当掌子面进行爆破后，设置工作面车辆数量阈值，超值后系统向调度中心发出提示，暂缓向该工作面继续增派车辆，缓解洞内交通压力；

所述中导洞会车调度通过两车位置和通行优先级，提示低权限车辆提前在错车带前等待，并将该指令通过车载情报板模块发送给司机；

所述中导洞独占调度识别特种设备进入中导洞区域，通过信号灯管理模块，向在本平交口和前方平交口发布停止指令，禁止车辆继续驶入该中导洞区域。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统，其特征在于，所述预警分析单元中的信号灯管理模块具备平交口自动配时计算和中导洞配时计算的功能；所述平交口自动配时计算根据通过平交口车辆类型属性，定义不同的通过时间，提高平交口通行能力；所述中导洞配时计算获取车辆预警调度模块中的中导洞会车调度分析的结果，返回低权限车辆提前在错车带前等待的剩余时间。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的隧道施工期交通智能管控系统，其特征在于，所述数据采集单元中的视频监控管理模块获取摄像头的定位数据，记录摄像头所在位置特征，包括所在左右洞或中导洞编号，及所在桩号，解析和记录摄像头编号列表，通过数据接口，获取各摄像头的视频流；

所述预警分析单元中的视频监控管理模块根据关键车辆的坐标，检索到最近的摄像头；所述展示调度单元下中的视频监控管理模块将摄像头的视频进行呈现，实现对关键车辆的自动追踪监视。

Images