赋能智慧隧道施工：工程车辆多模态数据采集系统

随着智慧工地与无人化施工技术的推进，隧道施工装备的数字化转型已成为行业焦点。近期，在和众多该类客户的沟通过程中，我们观察到了一些被频繁提到的客户需求和场景痛点，针对于此，以隧道运输设备——MSV胶轮车为例，本文为该类客户量身定制了一套高性能多模态数据采集方案。

本文将从客户的实际痛点出发，详细拆解如何在无GPS信号、环境恶劣的隧道场景中，实现高精度、多传感器的数据融合与采集。

一、 客户需求与场景痛点

1、复杂的作业环境与对象

本次搭载对象为MSV胶轮车（用于TBM隧道施工物料运输）。车辆长期运行于狭长、封闭的隧道内部，且需要分别在车辆的“前端”和“后端”搭载两套独立的感知系统，以满足双向行驶的作业需求。

2、多模态传感器融合

为了实现对环境的全面感知，单车集成了复杂的传感器组，包括：

• 视觉传感器： 华阳 GMSL2 3M 相机（前后共4路）

• 激光雷达： 主雷达 + 补盲雷达（前后共6颗）

• 毫米波雷达： ARS410（前后共2颗）

• 定位与姿态： IMU hwt905-CAN（前后共2颗）

• 车辆总线： CAN数据采集

传感器布局：

前端布局（左）、后端布局（右）

3、核心痛点：隧道内的时空同步

• 无GPS信号： 隧道内无法获取卫星授时（GPS/GNSS），传统依赖PPS/NMEA的同步方式失效。

• 高带宽并发： 多路激光雷达与高分辨率相机的同时接入，对采集系统的带宽和写入速度提出了巨大挑战。

• 恶劣工况： 隧道施工现场震动大、粉尘多，要求设备具备极高的工业级稳定性。

二、 解决方案概览

针对上述挑战，我们提出了两套差异化的技术路线：“极致性能方案（方案一）”与“高性价比方案（方案二）”，以满足不同研发阶段的需求。

1、方案一：工业级硬同步方案 (BRICKplus + MDILink)

此方案采用了德国b-plus的数据采集生态系统，主打硬件级时间同步和高可靠性。

数采系统方案架构图

（1）核心算力与存储： 使用 BRICKplus 工控机，搭载8TB大容量BRICK STORAGE存储模块。设备支持宽温运行，抗震等级高，专为车载环境设计。

加装了BMC-ETH6000和CAN拓展模块的 BRICKplus

（2）无损数据接入：通过 MDILink 转换器，将相机的GMSL2信号无损转换为万兆/千兆以太网数据。SerDes测量数据转换器，适配GMSL、CSI-2、FPDLink等多种接口的传感器，实现无损解耦原始数据和时间戳。接收端软件可将RAW数据转换并存储为AVI、MP4等格式，便于分析和处理。支持时间同步802.1AS

通过 TE CAN combo 模块采集CAN/CAN-FD数据。

​

MDILink

TE CAN combo 模块

（3）微秒级硬同步（gPTP）： 针对隧道无GPS痛点，该方案采用基于XTSS协议的gPTP硬件时间同步。BRICKplus作为主时钟源，与激光雷达、MDILink及CAN模块进行亚微秒级同步，完全不依赖外部卫星信号。

（4）闭环数据回注： 配备 BRICK THUNDER DOCK，支持通过雷电3接口或万兆网口极速回传数据，大幅缩短数据落地时间。

（5）方案总结：

• 优势： 硬件适配性极高，微秒级同步精度，数据安全性好，适应恶劣环境，开发工作量低。

• 不足： 硬件成本相对较高。

2、方案二：灵活型软同步方案 (ECX-3800 + PCIe采集卡)

此方案采用高性能通用工控机配合专业PCIe采集卡的方式，适合对成本敏感且能接受软件同步精度的项目。

方案二数采系统方案架构图

• 高性能计算平台： 选用 ECX-3800 PEG，搭载Intel i7-13700E处理器与64GB DDR5内存，提供强大的板端处理能力。

• 标准化扩展采集：

• 视频采集： 使用 友思特 Proframe 3.0 采集卡，支持4路GMSL2输入，适配性强。

• CAN采集： 使用 PCAN-PCI Express FD 4通道卡，通过PCIe接口直接通信。

• 毫秒级软同步： 在缺乏硬件PTP支持的情况下，采用软件层面的时间戳对齐，通过ROS等中间件调整各数据流时间戳，精度在毫秒（ms）级别。

• 便捷存储： 采用标准SATA接口的8TB SSD（如三星870 EVO），支持直接插拔换盘。

友思特 Proframe3.0 视频采集卡（左）；PCAN-PCI Express FD - PCI Express转CAN FD接口卡 4通道

（1）方案总结：

• 优势： 配置灵活，硬件成本大幅降低（约为方案一的40%），后期维护及部件更换方便。

• 不足： 仅支持软件同步（ms级），在高动态场景下可能存在数据对齐误差；需投入较多集成开发工作。

三、 软件生态与可视化

无论选择哪种硬件方案，我们均提供基于 ROS/ROS2 的完整软件支持。

• 实时监控： 定制的数采上位机软件，支持对所有传感器状态的实时监控。

• 数据可视化： 完美适配 Rviz，可实时显示激光雷达点云、相机图像及融合效果，方便工程师现场调试。

• 数据存储： 支持Rosbag录制及通过上位机将RAW数据转换为AVI/MP4等通用格式。

四、 综合建议与选型指南

在最终的方案选择上，我们需要回归到工程场景本身：

（1）关于同步精度：隧道内无GPS信号是最大的限制。如果工程车辆运行速度较慢（如隧道内低速行驶），方案二的毫秒级软同步通常是可以接受的。但如果涉及高速自动驾驶算法验证，建议选择方案一。

（2）关于环境适应性：考虑到隧道施工存在大量粉尘、潮湿和震动，方案一（BRICKplus） 的全封闭、无线缆堆叠设计在可靠性上具有显著优势，且已在德系主机厂有大量成熟应用案例。

（3）实施建议：

1. 方案一适合作为标杆项目的首选，确保数据质量万无一失，降低开发风险。

2. 方案二适合预算受限或需批量复制的场景，但建议在前期进行充分的PoC（概念验证）测试，重点验证软同步在隧道工况下的稳定性。