基于互聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在盾構(gòu)維護(hù)保養(yǎng)中的應(yīng)用

陳文遠(yuǎn)， 張繼宏， 張剛宏， 趙 珀， 田水清

(中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司， 陜西 西安 710054)

0 引言

城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和用地等優(yōu)點(diǎn)，已成為解決城市交通問(wèn)題的主要方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016 年底，中國(guó)內(nèi)地共有29 座城市擁有城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路，總長(zhǎng)3 832 km，運(yùn)營(yíng)線路129條[1]。軌道交通建設(shè)有高速、安全等要求，極大地促進(jìn)了盾構(gòu)在地鐵隧道施工中的應(yīng)用。

盾構(gòu)是集機(jī)械、電氣、液壓、光學(xué)、網(wǎng)絡(luò)、自控、傳感和信息等先進(jìn)技術(shù)于一體的高附加值復(fù)雜裝備，可靠性要求極高。刀盤主軸承、主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)、螺旋機(jī)減速機(jī)和液壓系統(tǒng)等核心零部件及系統(tǒng)的狀態(tài)，直接影響盾構(gòu)施工的工期、安全、成本和質(zhì)量。由于施工單位人員流動(dòng)性大、人員水平參差不齊、施工環(huán)境復(fù)雜等的原因，盾構(gòu)一直處于粗放式管理模式，在盾構(gòu)施工中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備的非正常停機(jī)，嚴(yán)重影響工程的施工成本、質(zhì)量和工期。近年來(lái)，韓向遠(yuǎn)等[2]設(shè)計(jì)了自帶監(jiān)測(cè)傳感器的智能型盾構(gòu)主軸承，并利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸； 文獻(xiàn)[3-4]對(duì)盾構(gòu)的遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷技術(shù)進(jìn)行了研究； 文獻(xiàn)[5-8]研究了狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在風(fēng)電、船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，為該技術(shù)在盾構(gòu)中的應(yīng)用提供了參考。當(dāng)前的研究主要集中在盾構(gòu)設(shè)備潤(rùn)滑管理[9-10]、設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)[11]和驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的第三方檢測(cè)[12-13]等，但都沒(méi)有形成統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行管理，如何將先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[14-15]結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到盾構(gòu)的健康管理中一直是盾構(gòu)施工行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。本文將先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)，打通了盾構(gòu)設(shè)備管控一體化存在的壁壘，提供了一種盾構(gòu)智能維護(hù)與健康管理方案。

1 盾構(gòu)智能維護(hù)與健康管理總體方案

根據(jù)盾構(gòu)各核心零部件的潤(rùn)滑狀況、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)工況和各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，建立了油液在線、油液離線、振動(dòng)、電流頻譜和紅外成像等多種技術(shù)融合的盾構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及智能維護(hù)體系，以滿足盾構(gòu)在施工中低速大轉(zhuǎn)矩、變負(fù)載、高可靠性的要求。結(jié)合設(shè)備的日常管理，制定了盾構(gòu)智能維護(hù)與健康管理制度，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)智能維護(hù)與健康管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Structure of intelligentized maintenance and health management system for shield

采用B/S架構(gòu)，應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+”的技術(shù)理念，將狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器及技術(shù)、管理、維修人員等納入統(tǒng)一的管理與交流平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)中心的所有檢測(cè)儀器聯(lián)網(wǎng)組成檢測(cè)局域網(wǎng)，利用工業(yè)以太網(wǎng)、RS-232、RS-485和USB等總線通信及文件導(dǎo)入方式實(shí)現(xiàn)所有檢測(cè)數(shù)據(jù)的智能采集與上傳，提高了檢測(cè)效率并減少了人工錄入數(shù)據(jù)的出錯(cuò)概率。通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告并完成檢測(cè)報(bào)告的編制、審核、批準(zhǔn)與發(fā)放。系統(tǒng)將各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、智能分析等先進(jìn)技術(shù)手段進(jìn)行分析，科學(xué)地制定檢測(cè)項(xiàng)目的參考值和診斷結(jié)果。管理部門通過(guò)系統(tǒng)及時(shí)查詢狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告，制定設(shè)備的維保計(jì)劃并實(shí)施。現(xiàn)場(chǎng)人員將設(shè)備的實(shí)際維保情況以文字、圖片和錄像等形式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)即時(shí)反饋到系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康與維修的閉環(huán)管理。設(shè)備的檢測(cè)報(bào)告、維保措施和反饋信息等統(tǒng)一保存在系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中，以實(shí)現(xiàn)故障診斷專家系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)積累。

該系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)如下： 1)將油液在線、油液離線、振動(dòng)、電流頻譜和紅外成像等技術(shù)在盾構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了深度融合應(yīng)用； 2)建立了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的盾構(gòu)智能維護(hù)與健康管理體系，開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)，加強(qiáng)了公司技術(shù)與管理部門之間的溝通； 3)運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果來(lái)指導(dǎo)盾構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造與再制造、維護(hù)與保養(yǎng)； 4)建立了盾構(gòu)全生命周期的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康與維修管理檔案。

2 基于互聯(lián)網(wǎng)的多種技術(shù)在盾構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 盾構(gòu)油液離線監(jiān)測(cè)技術(shù)

油液離線監(jiān)測(cè)對(duì)象為盾構(gòu)的液壓油、主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)齒輪油、主軸承齒輪油和螺旋輸送機(jī)減速箱齒輪油等，油液牌號(hào)為ISOVG 46、ISOVG 68、ISOVG 150、ISOVG 220和ISOVG 320等。根據(jù)在用油使用指標(biāo)及盾構(gòu)的運(yùn)行工況制定了盾構(gòu)在用油樣的檢測(cè)項(xiàng)目，包含理化品質(zhì)檢測(cè)、污染監(jiān)測(cè)和磨損分析等3大類，色度、黏度、水分、總酸值、閃點(diǎn)、機(jī)械雜質(zhì)、紅外光譜、污染度、發(fā)射光譜、PQ指數(shù)、直讀鐵譜和分析鐵譜等12個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目。

2.2 盾構(gòu)油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

油液狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要目的是對(duì)油品劣化、污染和機(jī)械磨損的早期發(fā)現(xiàn)與預(yù)警。傳統(tǒng)的油液離線監(jiān)測(cè)技術(shù)的分析結(jié)果準(zhǔn)確率高，但需要經(jīng)過(guò)采樣、送樣、實(shí)驗(yàn)室分析、數(shù)據(jù)匯總與報(bào)告編寫、報(bào)告發(fā)放等一系列過(guò)程，存在檢測(cè)周期長(zhǎng)、成本昂貴和人為因素影響大(如分析鐵譜)等缺點(diǎn)，對(duì)于盾構(gòu)等連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備中潤(rùn)滑油的變化情況往往不能做到及時(shí)預(yù)警。油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)設(shè)備摩擦系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，能及時(shí)、動(dòng)態(tài)地獲取被監(jiān)測(cè)對(duì)象的潤(rùn)滑磨損等信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障診斷。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)消除了人為不確定性因素的影響，取樣和檢測(cè)幾乎同時(shí)進(jìn)行，能及時(shí)為管理者提供裝備的工作狀態(tài)。

根據(jù)被監(jiān)測(cè)對(duì)象潤(rùn)滑系統(tǒng)的特點(diǎn)，在線監(jiān)測(cè)儀器一般安裝在設(shè)備部件摩擦副之后、過(guò)濾裝置之前。目前使用的油液在線監(jiān)測(cè)儀器主要有以下幾種： 可視化鐵譜磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水分檢測(cè)、黏度檢測(cè)和激光在線顆粒度計(jì)數(shù)器等。在線傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)PROFINET、PROFIBUS和RS485協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)進(jìn)行通信，工控機(jī)將數(shù)據(jù)匯集后，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送回?cái)?shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)。

2.3 振動(dòng)、電流頻譜和紅外成像監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

盾構(gòu)屬于典型的低速、大轉(zhuǎn)矩、重載、變工況的設(shè)備，常規(guī)設(shè)備的故障診斷方法在盾構(gòu)上不完全適用，分析標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)方法根據(jù)施工工況的不同而不同。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)： 針對(duì)主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和主軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷。對(duì)所采集的振動(dòng)信號(hào)應(yīng)用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)，如傅里葉變換、小波(包)分析和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等方法提取有效信號(hào)，分析信號(hào)特性，獲得表征盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)特征。

電流頻譜技術(shù)： 主要針對(duì)電驅(qū)盾構(gòu)，研究了基于電機(jī)電流頻譜分析的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。當(dāng)盾構(gòu)部件出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)表現(xiàn)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)造成電機(jī)氣隙轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，同時(shí)會(huì)引起定子電流的波動(dòng)。通過(guò)采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流并進(jìn)行頻譜分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)定轉(zhuǎn)子、對(duì)中、偏心、軸承、缺相、斷路和負(fù)載不均等多種故障的診斷。電機(jī)電流集成了盾構(gòu)部件的負(fù)載運(yùn)動(dòng)特征，從而能夠反映電機(jī)拖動(dòng)部件的運(yùn)行狀況，提高盾構(gòu)功能部件的監(jiān)測(cè)診斷能力。

紅外成像技術(shù)： 利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng)，采用專用儀器獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息，進(jìn)而判斷設(shè)備狀況和缺陷性質(zhì)。紅外成像技術(shù)具有不需要停電、非接觸、準(zhǔn)確高效等優(yōu)點(diǎn)，解決了定期計(jì)劃?rùn)z修的盲目性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)定點(diǎn)部位周期性的紅外溫度監(jiān)測(cè)，可做到設(shè)備熱異常的早期檢出及設(shè)備狀態(tài)劣化傾向的定量管理。

2.4 掘進(jìn)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)中心的建立

掘進(jìn)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)中心(見(jiàn)圖2)成立于2016年1月，是一個(gè)專業(yè)從事盾構(gòu)、硬巖掘進(jìn)機(jī)、頂管機(jī)等大型掘進(jìn)裝備潤(rùn)滑監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、維修方案制定和狀態(tài)監(jiān)測(cè)人員培訓(xùn)的服務(wù)機(jī)構(gòu)。

圖2 掘進(jìn)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)中心Fig. 2 Condition monitoring center for boring components

2.5 盾構(gòu)智能維護(hù)與健康管理制度

為將盾構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)融入日常的設(shè)備維保工作中，特制了《盾構(gòu)智能維護(hù)與健康管理制度》，為盾構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、維保計(jì)劃的制定、控制維修成本提供了實(shí)施依據(jù)。主要包括： 1)設(shè)置了負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)健康與維修管理的組織機(jī)構(gòu)，明確了負(fù)責(zé)人及其崗位職責(zé)，制定了相關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)與懲罰制度； 2)制定了盾構(gòu)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)制度，由現(xiàn)場(chǎng)專人負(fù)責(zé)通過(guò)系統(tǒng)報(bào)送當(dāng)日設(shè)備的維保及運(yùn)行狀態(tài)； 3)編制了盾構(gòu)的改造與維修方案，嚴(yán)格執(zhí)行改造、轉(zhuǎn)場(chǎng)維修、項(xiàng)目修理的預(yù)算與決算制度， 控制維修成本； 4)制定了盾構(gòu)油液監(jiān)測(cè)規(guī)范，詳細(xì)規(guī)定了采樣頻次、采樣標(biāo)準(zhǔn)和采樣數(shù)量等，并嚴(yán)格執(zhí)行報(bào)告的編制與簽發(fā)制度； 5)根據(jù)盾構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果制定維保、維修與改造計(jì)劃，并由現(xiàn)場(chǎng)人員將維修改造的實(shí)際情況通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行反饋，完善與豐富系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)； 6)安裝油液在線、振動(dòng)等狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保盾構(gòu)施工的安全性與可靠性。

3 實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)[16](LIMS： laboratory information management system)如圖3所示，是結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備維保管理開(kāi)發(fā)的基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，ASP.NET為開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器端以Windows Server 2008操作系統(tǒng)、Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)和IIS7.0作為運(yùn)行環(huán)境，客戶端以Windows XP及以上、IE10.0及以上為運(yùn)行環(huán)境。B/S架構(gòu)很好地解決了施工單位使用人員分散、使用人員水平參差不齊、對(duì)數(shù)據(jù)安全性的要求高等問(wèn)題。

圖3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)Fig. 3 Laboratory information management system

狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)包括工作流程管理、實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)管理、油樣管理、臺(tái)賬管理、檢測(cè)儀器管理、檢測(cè)項(xiàng)目管理、監(jiān)測(cè)設(shè)備管理、客戶管理、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)管理、知識(shí)庫(kù)管理、專家診斷、檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)管理等13個(gè)模塊，油樣數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、維保數(shù)據(jù)庫(kù)和健康數(shù)據(jù)庫(kù)等5個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。該系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理為中心，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器及技術(shù)、管理、維修人員等納入統(tǒng)一的平臺(tái)進(jìn)行管理，有效地解決了公司技術(shù)部門和管理部門之間存在的信息不共享、信息傳遞不及時(shí)、維修情況反饋不及時(shí)等問(wèn)題。

根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)的類型及隨時(shí)間變化的規(guī)律，系統(tǒng)建立了值閾法、線閾法和自回歸時(shí)序自動(dòng)建模等方法，利用監(jiān)測(cè)的大樣本數(shù)據(jù)及時(shí)計(jì)算與更正監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的參考值。故障診斷專家系統(tǒng)融合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等生成診斷報(bào)告，并給出每種故障出現(xiàn)的權(quán)重值。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的維保檢查情況優(yōu)化故障診斷專家系統(tǒng)模型、豐富專家知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的智能維護(hù)。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)油液在線、油液離線、振動(dòng)、電流頻譜、紅外成像等監(jiān)測(cè)技術(shù)的深度融合應(yīng)用，推動(dòng)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在盾構(gòu)智能維護(hù)中的發(fā)展，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)提高了管理及信息共享的效率，改變了盾構(gòu)傳統(tǒng)的粗放式管理模式，為盾構(gòu)的智能維護(hù)與健康管理提供了先進(jìn)的手段，為盾構(gòu)的維護(hù)保養(yǎng)提供了決策依據(jù)。

目前尚存以下問(wèn)題需要解決： 1)由于系統(tǒng)復(fù)雜、開(kāi)發(fā)工作量大，系統(tǒng)運(yùn)維及實(shí)施都需要高技術(shù)人才； 2)由于盾構(gòu)及其施工工況的異常復(fù)雜，很難找到一套普遍適用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，需要針對(duì)具體工況進(jìn)行針對(duì)性的研究。因此，只有管理模式與技術(shù)水平協(xié)同進(jìn)步，才能使先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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