基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道掘進(jìn)機(jī)故障篩選及預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

張迅博

摘要：國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)在施工時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中時(shí)常會(huì)遇到各種突發(fā)情況，然而報(bào)警信息無(wú)法及時(shí)傳遞到技術(shù)專(zhuān)家手中，這為盾構(gòu)施工埋下了安全隱患。為解決這一困難，文章設(shè)計(jì)了一套基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道掘進(jìn)機(jī)故障篩選及預(yù)警系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)搜集多臺(tái)盾構(gòu)機(jī)施工中的報(bào)警信息，通過(guò)因特網(wǎng)匯集到遠(yuǎn)端服務(wù)器，利用故障篩選及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)向技術(shù)專(zhuān)家，業(yè)主，監(jiān)理發(fā)出預(yù)警短信。系統(tǒng)保障了施工人員及機(jī)械的安全，提高了管理效率節(jié)約了項(xiàng)目成本。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；報(bào)警篩選；短信預(yù)警

0 引言

我國(guó)在盾構(gòu)施工法方面已然有一定成功經(jīng)驗(yàn)，但仍然存在不足。城市地下隧道項(xiàng)目，往往是多個(gè)施工企業(yè)，多個(gè)工地同時(shí)施工，位置分布廣且分散。施工時(shí)常有突發(fā)情況，如何高效率地處理故障，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，減少成本是擺在人們面前的問(wèn)題。

對(duì)于隧道工程施工安全狀態(tài)的評(píng)判，主要包括2個(gè)方面的內(nèi)容。（1）通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，加以管理、分析；（2）通過(guò)分析計(jì)算，事先確定隧道施工安全警戒值。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同安全警戒值的比較，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道安全狀態(tài)的判斷。

1 總體系統(tǒng)方案

1.1 總體框架

地下隧道里把盾構(gòu)機(jī)的報(bào)警數(shù)據(jù)先通過(guò)局域網(wǎng)傳輸?shù)降厣希缓笤倩诨ヂ?lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)筋A(yù)警篩選系統(tǒng)，過(guò)濾后的報(bào)警再通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)，把預(yù)警信息傳遞給專(zhuān)家，業(yè)主，監(jiān)理?？傮w框架分為地上和地上2個(gè)部分來(lái)描述。

1.1.1 地下

（1）PLC：作為盾構(gòu)機(jī)的電氣控制中樞，通過(guò)傳感器采集盾構(gòu)機(jī)工作時(shí)的各種參數(shù)并匯集到PLC中以及傳送主控室中下達(dá)的命令控制各個(gè)元器件。（2）主控室：盾構(gòu)機(jī)控制室的Pc客戶端讀取PLC中的數(shù)據(jù)并形象化展現(xiàn)出來(lái)，供盾構(gòu)施工人員參考。

1.1.2 地上

（1）監(jiān)控室：地面控制室的PC中常駐服務(wù)器，負(fù)責(zé)讀取PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和人機(jī)界面上的歷史數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端服務(wù)器。（2）預(yù)警篩選系統(tǒng)：該系統(tǒng)作為報(bào)警及預(yù)警的核心，接收從各地項(xiàng)目上實(shí)時(shí)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)一個(gè)智能專(zhuān)家?guī)靵?lái)進(jìn)行報(bào)警篩選。（3）短信網(wǎng)關(guān)：該網(wǎng)關(guān)提供一個(gè)第三方的短信接口，來(lái)向指定人群發(fā)送短信。（4）專(zhuān)家：指行業(yè)專(zhuān)家、業(yè)主方和監(jiān)理方。

1.2 通信協(xié)議及開(kāi)發(fā)框架

報(bào)警及預(yù)警系統(tǒng)其中一部分是從地下盾構(gòu)機(jī)到工地地面項(xiàng)目部，隧道在掘進(jìn)過(guò)程中，因?yàn)榫嚯x長(zhǎng)，要考慮信號(hào)的衰減以及帶寬，可選用光纖接入。光纖的抗干擾、帶寬高、速度快，傳輸距離遠(yuǎn)使其成為更優(yōu)選。

OPC是PLC與PC數(shù)據(jù)交換的接口，而西門(mén)子OPC的實(shí)現(xiàn)只能通過(guò)西門(mén)子專(zhuān)有的OPC Server軟件。比如Simatic NET，MatrikonOPC Server。

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議使用UDP協(xié)議通信。這個(gè)系統(tǒng)是性能優(yōu)先，允許一定量丟包。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中選擇利用廠商提供的通信接口，然后使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)功能模塊。

2 報(bào)警篩選及短信預(yù)警開(kāi)發(fā)方案

2.1 報(bào)警篩選系統(tǒng)

該系統(tǒng)的核心為報(bào)警篩選專(zhuān)家?guī)欤瑥墓さ馗黜?xiàng)目部匯集的報(bào)警信息是否達(dá)到預(yù)警閡值，構(gòu)成預(yù)警條件，其判斷依據(jù)就是報(bào)警篩選專(zhuān)家?guī)臁?zhuān)家?guī)焓怯伤淼朗┕し矫娴耐聊?、機(jī)電專(zhuān)家依據(jù)地質(zhì)情況，盾構(gòu)自身性能特點(diǎn)形成的報(bào)警條件庫(kù)。每條報(bào)警判斷值由中文語(yǔ)義組成。比如，“刀盤(pán)速度大于x轉(zhuǎn)/分”“油箱油位油溫高于X度”“推進(jìn)泵壓力小于設(shè)定值”“冷卻液位持續(xù)異常X秒”“皮帶機(jī)急停、按繩、跑偏不正?！钡取R集的報(bào)警值進(jìn)入報(bào)警篩選庫(kù)進(jìn)行匹配篩選，匹配成功則進(jìn)入預(yù)警流程。

上述報(bào)警如“X項(xiàng)鉸接位移之和再乘以Y系數(shù)大于設(shè)定最大值”是中文語(yǔ)義，對(duì)于人們來(lái)說(shuō)很好理解。將其轉(zhuǎn)換成表達(dá)式：

（第1項(xiàng)鉸接位移+第2項(xiàng)鉸接位移）*Y系數(shù)=設(shè)定最大值。

上述表達(dá)式為中綴表達(dá)式，但對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)確不容易被解析。所以采用后綴表達(dá)式來(lái)描述。

逆波蘭記法不需要括號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)操作符的優(yōu)先級(jí)。把上述表達(dá)式轉(zhuǎn)為后綴表達(dá)式：

第1項(xiàng)鉸接位移第2項(xiàng)鉸接位移+Y系數(shù)*=設(shè)定最大值。

可以看到，上面的后綴表達(dá)式已經(jīng)不需要括號(hào)。這樣使計(jì)算機(jī)理解起來(lái)就非常容易。把中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)為后綴可以采用二叉樹(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在利用二叉樹(shù)來(lái)表示表達(dá)式時(shí)，用葉子節(jié)點(diǎn)來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)，用內(nèi)部節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)操作符。

2.2 短信網(wǎng)關(guān)

采用第三方的短信網(wǎng)關(guān)，它基于TCP協(xié)議，數(shù)據(jù)包壓縮傳輸，通訊效率高，使用SOCKET5的80端口。相比于WebService效率更高。（基于SOAP協(xié)議，通訊效率低，跨平臺(tái)的可互操作特性、不受防火墻限制。）

可以發(fā)送即時(shí)和定時(shí)短信，發(fā)送短信到第三方平臺(tái)，第三方平臺(tái)收到短信數(shù)據(jù)后，即時(shí)提交到短信網(wǎng)關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道掘進(jìn)機(jī)故障篩選及預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)工地上多臺(tái)盾構(gòu)集中實(shí)時(shí)傳輸報(bào)警數(shù)據(jù)，解決了大型施工單位擁有多臺(tái)盾構(gòu)，且盾構(gòu)施工地分散不易管理，避免同時(shí)施工時(shí)造成故障不易預(yù)警，延遲解決給施工帶來(lái)的傷害，提高了管理效率節(jié)約了管理成本，具有很好的推廣價(jià)值。