盾構(gòu)監(jiān)控數(shù)據(jù)實時報表系統(tǒng)開發(fā)

馬 強,蒲曉波

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

盾構(gòu)監(jiān)控數(shù)據(jù)實時報表系統(tǒng)開發(fā)

馬 強,蒲曉波

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

為解決施工管理人員分析盾構(gòu)原始歷史數(shù)據(jù)困難問題，設(shè)計了一套盾構(gòu)監(jiān)控數(shù)據(jù)實時報表系統(tǒng)，實現(xiàn)在盾構(gòu)一環(huán)掘進完成后，及時分析該環(huán)盾構(gòu)運行參數(shù)和統(tǒng)計該環(huán)重要材料的消耗。分別從系統(tǒng)總體框架、歷史數(shù)據(jù)分析、關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)等方面對系統(tǒng)進行研究，最終實現(xiàn)從盾構(gòu)海量歷史數(shù)據(jù)中自動選擇、過濾、統(tǒng)計、計算數(shù)據(jù)，并以環(huán)數(shù)為單位生成報表文件。系統(tǒng)在中鐵系列盾構(gòu)中的應(yīng)用證明：施工人員或業(yè)主通過報表文件可以方便有效地了解施工狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)等信息，相較于手動檢索原始數(shù)據(jù)，管理成本大大減少。

盾構(gòu)監(jiān)控數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析；報表系統(tǒng)；插件；SQLite數(shù)據(jù)庫

0 引言

近幾年，伴隨著國內(nèi)城市地鐵及其他隧道工程的快速發(fā)展，盾構(gòu)得到了廣泛使用。盾構(gòu)均配有數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，可將重要掘進參數(shù)存檔為歷史數(shù)據(jù)。如何從海量的歷史數(shù)據(jù)中快捷地分析統(tǒng)計盾構(gòu)掘進工作狀態(tài)及施工用料消耗情況，是施工管理人員面臨的一大難題。通過軟件技術(shù)在盾構(gòu)一環(huán)掘進完成后，自動將這一環(huán)的重要參數(shù)獲取分析后集中呈現(xiàn)形成報表，同時生成PDF格式文檔作為施工資料存入檔案,是一種非常有效的方法。目前國內(nèi)外主要品牌盾構(gòu)(如海瑞克、砝瑪通、上海隧道和鐵建重工)都有掘進報表系統(tǒng)。文獻[1]和文獻[2]介紹了鐵建重工開發(fā)的系統(tǒng)，其重點在于使用西門子軟件WinCC7.0自帶的報表功能;文獻[3]介紹了海瑞克的系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PDV中集成了自主開發(fā)的掘進報表；文獻[4]提到的報表功能指的是上海隧道開發(fā)的系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和報表功能是獨立開發(fā)的。

從目前來看，大多數(shù)盾構(gòu)廠家都是在自己已成熟的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上為進一步挖掘數(shù)據(jù)而開發(fā)了盾構(gòu)掘進報表功能，但都無法在不影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用上加裝或卸除報表功能，也不能在監(jiān)控系統(tǒng)界面中瀏覽查看歷史報表文件，且環(huán)號數(shù)據(jù)依賴于導向系統(tǒng)。本文以中鐵系列盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析了中鐵盾構(gòu)數(shù)據(jù)格式，通過推導盾構(gòu)相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)計算環(huán)號，并采用數(shù)據(jù)庫、軟件插件等技術(shù)將開發(fā)的報表系統(tǒng)以可插拔的形式集成到數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)中，既能在監(jiān)控系統(tǒng)界面中查看，又能自動生成PDF格式文件存檔打印，系統(tǒng)運行可靠、安全，且具有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)。

1 總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

考慮到報表系統(tǒng)與盾構(gòu)上位機數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)有著千絲萬縷的聯(lián)系，二者既相互關(guān)聯(lián)又相對獨立。如報表的源數(shù)據(jù)來自于上位機數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)等，如何既能保證上位機版本不更新且正常穩(wěn)定運行，又能使報表系統(tǒng)和上位機自動同步運行(報表系統(tǒng)是在中鐵系列盾構(gòu)上位機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行開發(fā)設(shè)計的)是需要解決的問題。綜合分析上述情況后，不建議報表系統(tǒng)作為獨立程序。本文采用的方式是系統(tǒng)以插件結(jié)構(gòu)作為上位機的一種擴展功能集成在上位機中。插件結(jié)構(gòu)是一種非常靈活的組件式軟件體系結(jié)構(gòu)和開發(fā)方法，是可獨立開發(fā)的程序模塊，它能夠動態(tài)地插入到系統(tǒng)中，且可以被自由地刪除和替換；因此，它能夠提高軟件開發(fā)的并行性和開發(fā)效率，降低設(shè)計開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，增強應(yīng)用程序的可運行性、可測試性和可維護性[5]。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源于上位機監(jiān)控系統(tǒng)記錄的歷史數(shù)據(jù)，是一種自定義的二進制文件。系統(tǒng)的配置信息采用了SQLite數(shù)據(jù)庫，它是一種開源的、內(nèi)嵌的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫功能全、體積很小，不需要擴展的數(shù)據(jù)庫服務(wù)，不需要網(wǎng)絡(luò)配置和管理，只需引用SQLite的動態(tài)鏈接庫DLL文件就和程序部署在一起，適用于中小規(guī)模程序[6]。數(shù)據(jù)分析計算的結(jié)果也存儲在SQLite數(shù)據(jù)庫中，當在界面查詢某環(huán)報表時，只需查詢數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，無需重復分析計算，方式快捷有效，且不占用計算機資源。系統(tǒng)總體框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.2 軟件開發(fā)流程圖

圖2為報表系統(tǒng)的程序流程圖。盾構(gòu)上位機按一定周期記錄監(jiān)控參數(shù)，當系統(tǒng)監(jiān)測到環(huán)號發(fā)生變換時(即上一環(huán)推進結(jié)束、下一環(huán)準備開始時)，系統(tǒng)獲取此時時刻值作為上一環(huán)的結(jié)束時間和下一環(huán)的起始時間，并存儲在SQLite數(shù)據(jù)庫中；然后，系統(tǒng)從二進制數(shù)據(jù)文件中讀取上一環(huán)工作時間段的歷史數(shù)據(jù)，并從配置信息中讀取待處理的參數(shù)和處理方法，經(jīng)過系統(tǒng)運算后再將結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中，同時加載報表模板，按照數(shù)據(jù)綁定規(guī)則將系統(tǒng)運算的數(shù)據(jù)和報表模板控件逐一對應(yīng)后生成PDF文件。

圖2 系統(tǒng)的程序流程圖Fig.2 Flowchart of the system

1.3 開發(fā)環(huán)境選擇

中鐵系列盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境選擇了C#編程語言。C#語言作為目前軟件業(yè)的主流語言之一，幾乎集中了所有關(guān)于軟件開發(fā)和軟件工程研究的最新成果，包括面向?qū)ο?、類型安全、組件技術(shù)、自動內(nèi)存管理、跨平臺異常處理、版本控制和代碼安全管理[7]。在微軟系統(tǒng)中，Visual Studio是一套完整的編程、調(diào)試、生成、部署工具平臺，集成了Visual C#開發(fā)環(huán)境C#.Net，能高效、安全、共享式的開發(fā)C# 程序[7]。簡言之，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在Visual Studio 2010版本中C#.Net環(huán)境下開發(fā)系統(tǒng)程序的。

2 歷史數(shù)據(jù)格式分析

中鐵系列盾構(gòu)歷史數(shù)據(jù)沒有采用通用的數(shù)據(jù)庫存儲，而是自定義的一種歷史數(shù)據(jù)存儲類型，命名為SD文件[8]。SD文件按照一定的存儲機制存儲實時數(shù)據(jù)、開關(guān)量數(shù)據(jù)和環(huán)累計數(shù)據(jù)等[8]。SD文件具體存儲了哪些參數(shù)數(shù)據(jù)，在監(jiān)控系統(tǒng)的配置文件HmiOPCItems.xml中有定義。HmiOPCItems.xml文件部分內(nèi)容見圖3。

圖3中，“Comment=‘主油箱油溫’”表示該參數(shù)的名稱；“Archive=‘true’”表示該參數(shù)是否保存歷史數(shù)據(jù)，“true”為保存；“DataType=‘R4’”為該參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型見表1；“db40_8”為參數(shù)在計算機程序中的標簽名，因為程序代碼不方便處理漢字；“OPCItem”排列的順序是參數(shù)歷史數(shù)據(jù)在SD文件中排列的順序。對HmiOPCItems.xml文件中定義的、需保存歷史數(shù)據(jù)的參數(shù)進行分類，見表2。

圖3 HmiOPCItems.xml文件部分內(nèi)容Fig.3 Part of the HmiOPCItems.xml file

表1歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型
Table 1 Types of historical data

數(shù)據(jù)類型標識數(shù)據(jù)類型說明 R4實數(shù)U22字節(jié)正整數(shù)U44字節(jié)正整數(shù)B4離散型數(shù)值(值只有0和1)

表2 歷史數(shù)據(jù)的參數(shù)分類Table 2 Classification of parameters of historical data

3 關(guān)鍵技術(shù)點的實現(xiàn)

3.1 C#.Net實現(xiàn)軟件插件結(jié)構(gòu)

C#提供的反射(Reflection)機制使得程序能夠動態(tài)地分析程序集，判斷一個DLL文件是否滿足接口的要求,并動態(tài)生成一個插件[9]。C#的接口、抽象類可以用于和插件通信。在設(shè)計過程中使用了接口，使得插件的發(fā)現(xiàn)(匹配)、載入和通信都非常簡單[9]。首先定義插件的接口，接口定義了預期的功能，這些功能并沒有描述具體怎么來完成，只是保證支持這些方法的調(diào)用；然后插件項目實現(xiàn)這個接口，每個具體的函數(shù)必須嚴格按照接口的定義完成所描述的功能；待編譯完成插件項目DLL文件后放在主程序的插件目錄中，主程序通過反射實例化這個插件，調(diào)用插件的接口方法，就實現(xiàn)了插件功能。插件將源代碼從主程序中分離出來，然后通過程序集反射機制載入主程序中,部分代碼見圖4。

圖4 反射機制加載插件部分代碼Fig.4 Part of the code of loading plug-in by reflection mechanism

3.2 環(huán)數(shù)判斷

環(huán)數(shù)的判斷有2種方式,一種是直接讀取導向系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，另一種是根據(jù)盾構(gòu)采集數(shù)據(jù)自行計算得出。由于中鐵系列盾構(gòu)導向系統(tǒng)中未接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)無法從導向系統(tǒng)獲取掘進環(huán)數(shù)信息，需通過對歷史數(shù)據(jù)進行分析，用推進位移、總推力和盾構(gòu)工作模式按鈕狀態(tài)3個參數(shù)來計算判斷環(huán)數(shù)是否加1。只要校準好起始環(huán)數(shù)，就能獲得準確的環(huán)數(shù)信息。環(huán)數(shù)判斷示意圖如圖5所示。

在圖5中,環(huán)起始點“_startOK”往右到環(huán)結(jié)束點“_endOK”范圍內(nèi)，“_startOK”=true，“_endOK”=false?！癬startOK”=true的觸發(fā)條件如表3所示。環(huán)結(jié)束點“_endOK”往右到環(huán)起始點“_startOK”范圍內(nèi)，“_endOK”=true，“_ startOK” =false?！癬endOK”=true的觸發(fā)條件如表4所示。環(huán)數(shù)加1的觸發(fā)條件如表5所示。

圖5 環(huán)數(shù)判斷示意圖Fig.5 Diagram of judgment on ring numbers

表3 “_startOK”=true的觸發(fā)條件Table 3 Trigger condition of “_startOK”=true

表4 “_endOK”=true的觸發(fā)條件Table 4 Trigger condition of “_endOK”=true

表5 環(huán)數(shù)加1的觸發(fā)條件Table 5 Trigger condition of number of rings plus 1

以上觸發(fā)條件中，“_locateLow”，“_locateHigh”，“_thrustRef”的默認值是根據(jù)實際情況分析歷史數(shù)據(jù)設(shè)定的。從圖4、表3—5中得知：當管片拼裝模式結(jié)束后，盾構(gòu)啟動推進系統(tǒng)進入推進模式，總推力值和推進位移值開始上升；當總推力值大于“_thrustRef”設(shè)定值、多組油缸平均推進位移值小于“_locateLow”設(shè)定值時，設(shè)置環(huán)起始點標記“_startOK”為true；隨著推進位移值不斷上升，當其大于“_locateHigh”設(shè)定值時，預示一環(huán)馬上推進完畢，標記環(huán)結(jié)束點“_endOK”為true；當盾構(gòu)推進完畢啟動管片拼裝系統(tǒng)進入管片模式后，判斷標記環(huán)結(jié)束點“_endOK”為true時，環(huán)號值加1，此時盾構(gòu)進入新的一環(huán)工作。

3.3 系統(tǒng)配置信息和計算結(jié)果的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計的科學性和合理性對于提高數(shù)據(jù)庫的運行效率和數(shù)據(jù)庫安全至關(guān)重要[10]。系統(tǒng)總體設(shè)計數(shù)據(jù)庫分為系統(tǒng)參數(shù)配置和環(huán)報表計算結(jié)果2類，在2類數(shù)據(jù)庫中建立相應(yīng)的表。如環(huán)號信息表存儲了環(huán)號、環(huán)起始時間、環(huán)終止時間等信息；報表變量配置表存儲了哪些參數(shù)變量需要做成報表，報表涉及這些變量的哪些統(tǒng)計值，如最大值、最小值、平均值、持續(xù)時間等信息；界面控件數(shù)據(jù)綁定表存儲了報表值與報表模板標簽的對應(yīng)關(guān)系，保證界面加載數(shù)據(jù)的正確；報表統(tǒng)計值表存儲了報表統(tǒng)計值。報表系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 報表系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of database of the report system

3.4 PDF文件生成

在C#.Net開發(fā)環(huán)境中，自帶的報表控件ReportViewer主要實現(xiàn)了本系統(tǒng)的界面，而該控件具有導出多種文件格式的功能,包括PDF格式，結(jié)合C#.Net中打印控件PrintDialog將PDF打印存檔到保存文檔。因此，在程序流程中，當一環(huán)結(jié)束后,ReportViewer控件首先根據(jù)數(shù)據(jù)庫表界面控件數(shù)據(jù)綁定表中的對應(yīng)關(guān)系，將報表計算值填充到報表表格中,同時在內(nèi)存中生成PDF格式數(shù)據(jù)傳遞給PrintDialog打印控件，Print-Dialog將自動完成打印功能，并將報表PDF文件存檔。

4 系統(tǒng)界面

報表瀏覽界面如圖7所示，在該界面中選擇環(huán)號后，點擊“查看”，顯示該環(huán)的起始時間、終止時間和環(huán)報表?！靶薷摹笨梢酝ㄟ^調(diào)整一環(huán)的起始、終止時間，重新計算該環(huán)報表，防止系統(tǒng)自動記錄的環(huán)時間信息有誤，影響報表的結(jié)果?！八⑿颅h(huán)號”是在報表重新計算修改后界面顯示的調(diào)整?！坝嬎銡v史數(shù)據(jù)環(huán)報表”是為了解決在盾構(gòu)已經(jīng)運行一段時間后才添加的報表功能補算之前的環(huán)報表?！按蜷_報表文件夾”可以打開PDF文件存放處，方便拷取PDF環(huán)報表文件。

圖7 報表瀏覽界面Fig.7 Browsing interface of report

5 結(jié)論與討論

通過自主開發(fā)軟件,掌握了盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)控分析一整套技術(shù),為施工人員快速分析海量盾構(gòu)數(shù)據(jù)提供了強有力的幫助。同時，本系統(tǒng)有2大創(chuàng)新亮點：一是采用插件結(jié)構(gòu)，使上位機的功能很方便地增減，而不用去重新編譯程序代碼；二是在無導向系統(tǒng)數(shù)據(jù)的情況下，利用記錄的盾構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)推理計算盾構(gòu)的當前環(huán)數(shù)。

盡管利用記錄的盾構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)可以推理計算盾構(gòu)的當前環(huán)數(shù)，但是這個數(shù)據(jù)和導向系統(tǒng)數(shù)據(jù)相比有延遲。推算的環(huán)數(shù)是在推進模式結(jié)束后、管片拼裝模式開始時變化的，即一環(huán)時間為管片拼裝模式+推進模式。導向系統(tǒng)環(huán)數(shù)是在管片拼裝模式結(jié)束后、推進模式開始前變化的，即一環(huán)時間為推進模式+管片拼裝模式。2組數(shù)據(jù)的時間相比，推算的環(huán)數(shù)時間比導向系統(tǒng)環(huán)數(shù)時間晚了一個管片拼裝模式時間，因此，本系統(tǒng)還有待進一步修改完善。

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DevelopmentofReal-timeMonitoringDataReportingSystemofShieldMachine

MA Qiang，PU Xiaobo

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

A monitoring data reporting system is designed for shield machines so that the tunneling management personnel can analyze the historical data of the shield machines conveniently.In the paper,the monitoring data reporting system is studied in terms of overall structure of the system,historical data analysis and key technology application.For the sake of the monitoring data reporting system mentioned,automatic data selection,automatic data filtering,automatic data statistics,automatic data calculation and automatic ring-based reporting file generation are realized.The data monitoring system has been applied on CREC shields,which demonstrates that the contractor and the client can know the conditions of the tunneling and the shields conveniently by means of the monitoring data reporting system and the management cost has been reduced dramatically.

shield monitoring data; data analysis; report system; plug-in; SQLite database

2014-08-13;

2014-09-04

馬強(1987—)，男，陜西扶風人，2010年畢業(yè)于長安大學，電子信息工程專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事隧道設(shè)備自動化和信息化研究與設(shè)計工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.015

U 455

A

1672-741X(2014)11-1107-05