復(fù)合盾構(gòu)土艙可視化實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)研究

李東利，孫 偉，鐘慶豐，孟祥波，高 明，馮 碩

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、綜合國力的不斷提升及高新技術(shù)的深入應(yīng)用，隧道及地下工程得到了前所未有的發(fā)展。我國已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家[1-2]。盾構(gòu)作為機(jī)械化開挖的工程裝備，已經(jīng)在我國隧道及地下空間開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用[3]。為了保證復(fù)合盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行，需要在掘進(jìn)過程中獲取土艙內(nèi)的工作情況，包括刀盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、刀具的磨損狀況、開挖地層的圖像信息和渣土的流動特性，從而為調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和控制策略、確保順利施工提供技術(shù)依據(jù)。

為了獲取盾構(gòu)土艙內(nèi)的工作情況，目前國內(nèi)外學(xué)者主要研究出了開艙監(jiān)測法和視頻監(jiān)控法。開艙監(jiān)測法是獲取土艙內(nèi)工作情況最直接、最有效的方法，但帶壓開艙監(jiān)測通常成本高、耗時長，不僅影響施工進(jìn)度，而且安全風(fēng)險較高[4-5]。視頻監(jiān)控法是在土艙內(nèi)安裝視頻監(jiān)控和照明裝置，需要查看時先降低土艙內(nèi)渣土液位然后啟動視頻監(jiān)控設(shè)備，但視頻監(jiān)測窗口容易被渣土覆蓋且監(jiān)測區(qū)域有限[6]。針對目前研究現(xiàn)狀，為了實(shí)時獲取土艙內(nèi)的情況，本文建立土艙可視化實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗驗證。

1 系統(tǒng)方案

土艙可視化實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、上位機(jī)、水閥、氣閥及PLC(programmable logic controller，可編程邏輯控制器)等組成，其中前端設(shè)備包括控制單元、攝像機(jī)、補(bǔ)光燈等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

前端設(shè)備安裝在土艙隔板上，上位機(jī)安裝在主控室內(nèi)，PLC、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、水閥、氣閥等安裝在相關(guān)操作平臺上。前端設(shè)備上電后，上位機(jī)通過串口通信接口與前端設(shè)備通信，實(shí)時監(jiān)測補(bǔ)光燈、攝像機(jī)、風(fēng)扇、電機(jī)等前端設(shè)備的工作狀態(tài)。通過PLC實(shí)現(xiàn)水閥和氣閥的聯(lián)動控制，開啟水閥和氣閥能夠?qū)崿F(xiàn)觀察窗口的清潔性和設(shè)備主動散熱性等目的。攝像機(jī)采集的視頻信號通過以太網(wǎng)通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)土艙的實(shí)時視頻監(jiān)控、錄像、回放以及系統(tǒng)溫度、濕度和壓力的監(jiān)測。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于復(fù)合盾構(gòu)施工時工作環(huán)境惡劣，為減少渣土對觀察窗口的沖擊，前面板采用凹形設(shè)計進(jìn)行保護(hù)。觀察窗口的玻璃窗片采用20 mm厚的特制鋼化玻璃，前端設(shè)備殼體設(shè)計厚度為70 mm，后面板采用20 mm厚鋼板。后面板設(shè)計為冷卻水箱結(jié)構(gòu)，并通過螺栓與殼體連接，用橡膠條密封，保證氣密性良好。為避免震動對設(shè)備造成影響，在前端設(shè)備下方安裝托架。

為了實(shí)現(xiàn)最佳監(jiān)測，攝像機(jī)采用工業(yè)攝像機(jī)+廣角鏡頭組合設(shè)計，并配合上下擺動旋轉(zhuǎn)裝置，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域最大化。

鑒于復(fù)合盾構(gòu)工作時空間密閉、溫度較高，為避免攝像機(jī)和電路板溫度過高，該系統(tǒng)充分利用后面板加裝渦流管進(jìn)行冷卻水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，并在內(nèi)部安裝風(fēng)扇使內(nèi)部空氣循環(huán)流動。為避免土艙內(nèi)渣土堵塞觀察窗口，在前端設(shè)備上方設(shè)計安裝了高壓水氣噴頭，對觀察窗口進(jìn)行清洗。系統(tǒng)軸側(cè)圖如圖2所示。

3 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件包括微處理器模塊、傳感器模塊、電源模塊、補(bǔ)光燈、攝像機(jī)、RS485模塊及上位機(jī)等，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)軸側(cè)圖Fig.2 Axonometric drawing of system

圖3 硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of system

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括控制單元與上位機(jī)之間通信協(xié)議的設(shè)計、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計。

4.1 通信協(xié)議設(shè)計

上位機(jī)與控制單元之間采用RS485串口通信，波特率為9 600。一個完整的協(xié)議幀長度為7個字節(jié)，包括幀頭、命令碼/應(yīng)答碼、地址碼、參數(shù)、校驗、幀尾6部分[7]。

1)上位機(jī)的命令數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。幀頭=0xFB，地址碼=0x01(只有1臺設(shè)備時)，幀尾=0xFE。參數(shù)格式為8421-BCD碼，依命令碼定義。校驗為命令碼+地址碼+參數(shù)的和(十六進(jìn)制)且舍去進(jìn)位后與0x7F進(jìn)行位與計算(防止與幀頭幀尾相同)。

表1 上位機(jī)的數(shù)據(jù)幀格式Table 1 Data frame format of upper computer

2)控制單元的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。幀頭=0xFB，地址碼=0x01(只有1臺設(shè)備時)，幀尾=0xFE。參數(shù)格式為8421-BCD碼，依應(yīng)答碼定義。校驗為應(yīng)答碼+地址碼+參數(shù)的和(十六進(jìn)制)且舍去進(jìn)位后與0x7F進(jìn)行位與計算(防止與幀頭幀尾相同)。

表2 控制單元的數(shù)據(jù)幀格式Table 2 Data frame format of control unit

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用軟件通常采用3層結(jié)構(gòu)，即界面層、邏輯層、數(shù)據(jù)層?？紤]到復(fù)合盾構(gòu)可視化系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測控制參數(shù)變化、存儲歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計分析等，程序的使用不需要完全遵循特定的業(yè)務(wù)流程，所以該系統(tǒng)的上位機(jī)軟件沒有邏輯層。然而其操作的對象全部直接或間接來自PLC，相當(dāng)于在數(shù)據(jù)層下端多出了PLC通訊層。監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件架構(gòu)Fig.4 Software structure

采用Microsoft.NET Framework框架下C#自主開發(fā)的方式，設(shè)計了可視化監(jiān)控系統(tǒng)界面。西門子SIMATIC NET軟件安裝成功后的Station Configuration是OPC服務(wù)器，它通過PLC廠商私有的通信協(xié)議讀取PLC中的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為與OPC服務(wù)器規(guī)范兼容的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)編寫OPC客戶端讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，一方面，通過形象化的顯示方式將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，另一方面，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫用于事后的故障查詢和統(tǒng)計分析等。C#與OPC服務(wù)器的連接原理[8-9]如圖5所示。

圖5 C#連接OPC服務(wù)器連接原理Fig.5 Principle of C# connecting with OPC server

4.3 視頻采集系統(tǒng)設(shè)計

視頻采集系統(tǒng)采用C++語言、Visio Studio 2010開發(fā)環(huán)境進(jìn)行圖形界面開發(fā)和視頻信號傳輸及處理[10]。如圖6所示，軟件整體框架采用協(xié)調(diào)多任務(wù)架構(gòu)，將控制單元功能分解為若干有限狀態(tài)機(jī)，每項任務(wù)在給定時間內(nèi)完成。

圖6 控制單元體系結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of control unit

如圖7所示，采用面向?qū)ο蟮倪^程管理方法，將各模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為對象的描述，主要函數(shù)作為相關(guān)的執(zhí)行器，基于狀態(tài)遷移(信號采集模塊)、激勵源(補(bǔ)光燈模塊、風(fēng)扇模塊)或執(zhí)行動作(電機(jī)模塊)對各模塊任務(wù)過程繼續(xù)進(jìn)行分解。

5 驗證試驗及工程實(shí)例

5.1 冷卻驗證試驗

鑒于復(fù)合盾構(gòu)工作時空間密閉、溫度較高，當(dāng)前端設(shè)備溫度過高時盡快降溫從而避免攝像機(jī)和電路板溫度過高是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]，該系統(tǒng)充分利用后面板加裝渦流管進(jìn)行冷卻水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計。

圖7 面向?qū)ο蟮倪^程控制模型Fig.7 Object oriented process control model

渦流管是一種即時能量分離裝置，工作時，壓縮空氣通過噴嘴膨脹后沿切向進(jìn)入渦流室，在渦流室內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)的渦流，并在中心區(qū)形成低溫氣流，在外圍區(qū)產(chǎn)生高溫氣流[12]。渦流管具有占用空間小、結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)行部件等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制冷、制熱、混合物分離、空氣調(diào)節(jié)等領(lǐng)域的工業(yè)和科學(xué)研究中[13-14]。

為了驗證渦流管對該系統(tǒng)的降溫效果，進(jìn)行了冷卻驗證試驗。如圖8所示，將受試設(shè)備放置在高低溫試驗箱內(nèi)，通過渦流管向試驗箱內(nèi)加入壓縮空氣。如圖9所示，將試驗箱以不超過2 ℃/min的速率升溫，連續(xù)升至45、50、60、70、80 ℃，并分別保持0.5 h。觀察設(shè)備運(yùn)行情況，記錄各個溫度段的工作情況，并繪成數(shù)據(jù)曲線，如圖10所示。圖10中上部曲線表示外部溫度變化(試驗箱記錄)，下部曲線表示內(nèi)部溫度變化(電路板采集)。

圖8 試驗箱Fig.8 Test box

圖9 試驗箱溫度變化Fig.9 Temperature variation of test box

圖10 溫度對比曲線Fig.10 Comparison curves of temperatures inside and outside soil chamber

試驗表明，渦流管有一定的降溫效果，并且距離渦流管越近時降溫效果越明顯。因此，在該系統(tǒng)設(shè)計時加裝導(dǎo)流裝置，將渦流管的進(jìn)風(fēng)口引至距離攝像機(jī)和電路板100 mm以內(nèi)，對攝像機(jī)與電路板進(jìn)行近距離降溫設(shè)計。

5.2 工程實(shí)例

在濟(jì)南軌道交通R1線工程現(xiàn)場進(jìn)行工業(yè)試驗。結(jié)構(gòu)正面安裝圖如圖11(a)所示，配置高壓水氣噴頭對觀察窗口進(jìn)行沖刷，避免土艙內(nèi)渣土堵塞。結(jié)構(gòu)背面安裝圖如圖11(b)所示，前端設(shè)備安裝在殼體內(nèi)，水氣管路分別與盾構(gòu)備用水氣管路連接。

(a) 正面

(b) 背面

如圖12所示，采用C#開發(fā)了土艙可視化系統(tǒng)監(jiān)控界面，并集成于盾構(gòu)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度、濕度和壓力等狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測及水閥、氣閥等功能的聯(lián)動控制。如圖13所示，采用C++開發(fā)了土艙可視化系統(tǒng)視頻采集界面，并集成于盾構(gòu)視頻采集系統(tǒng)[15]，位于屏幕左上方置頂顯示，占用屏幕的1/4，實(shí)現(xiàn)土艙的實(shí)時視頻監(jiān)控、錄像、回放等功能。

圖12 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.12 Monitoring system of upper computer

圖13 視頻采集系統(tǒng)Fig.13 Video acquisition system

6 結(jié)論與討論

本文建立了一套復(fù)合盾構(gòu)土艙可視化實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，鑒于復(fù)合盾構(gòu)惡劣的工作環(huán)境條件，選擇結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良的攝像機(jī)，并結(jié)合針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)行了降溫冷卻驗證試驗。驗證試驗和工程現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)時地監(jiān)測土艙內(nèi)的工作狀況，實(shí)現(xiàn)土艙的實(shí)時視頻監(jiān)控、錄像、回放以及系統(tǒng)溫度、濕度和壓力的監(jiān)測。由于復(fù)合盾構(gòu)工況的復(fù)雜性和掘進(jìn)的人性化需求，該系統(tǒng)在以下方面有待進(jìn)一步優(yōu)化：1)滿艙掘進(jìn)方面。當(dāng)復(fù)合盾構(gòu)滿艙掘進(jìn)時監(jiān)測窗口會被渣土淹沒，需要對沖刷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。2)智能掘進(jìn)方面。對采集的圖片和視頻信號進(jìn)行分析處理，當(dāng)土艙內(nèi)出現(xiàn)異常情況時上位機(jī)報警，并與PLC程序?qū)崿F(xiàn)連鎖控制，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合盾構(gòu)的智能掘進(jìn)。