基于大數(shù)據(jù)平臺的盾構(gòu)集群遠程監(jiān)控與智能決策支持系統(tǒng)及應(yīng)用

張貞

摘要：盾構(gòu)遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)平臺對盾構(gòu)掘進數(shù)據(jù)和施工管理數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。利用web端和手機端可以隨時隨地查看所有接入系統(tǒng)內(nèi)盾構(gòu)機的掘進參數(shù)、運行工效、設(shè)備狀態(tài)、風險情況、施工質(zhì)量、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)，為判斷設(shè)備運行狀態(tài)和故障診斷提供支持，對盾構(gòu)掘進姿態(tài)超限、風險情況等進行預(yù)警，為公司級和項目級盾構(gòu)施工管理、遠程問題診斷和施工管理決策提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);盾構(gòu);遠程監(jiān)控;數(shù)據(jù)分析;遠程診斷;預(yù)警

Abstract： The shield remote monitoring system is based on the big data platform for real-time monitoring and data analysis of shield tunneling data and construction management data. Using the web and mobile phones， you can view the tunneling parameters， operating efficiency， equipment status， risk status， construction quality， video monitoring and other data of all shield machines in the access system anytime and anywhere， to provide support for judging the operation status and fault diagnosis of the equipment and the early warning of shield tunneling posture overrun and risk situation and to provide important basis for company-level and project-level shield construction management， remote problem diagnosis and construction management decision-making.

Key words： big data;shield;remote monitoring;data analysis;remote diagnosis;early warning

0? 引言

目前，我國地鐵施工主要以盾構(gòu)法為主。對于地鐵施工企業(yè)而言，由于項目分布在全國各個城市，同時對多個項目多臺盾構(gòu)機進行施工管理，需要耗費大量時間和人力、物力等資源。對盾構(gòu)施工的遠程監(jiān)控能夠有效提高地鐵建設(shè)和施工企業(yè)的施工管理效率和水平。

盾構(gòu)遠程監(jiān)控可以實時監(jiān)控盾構(gòu)掘進參數(shù)[1]，通過分析盾構(gòu)掘進參數(shù)及變化情況，判斷盾構(gòu)機是否正常掘進，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機故障問題等，為施工管理和決策提供依據(jù)，對指導(dǎo)地鐵施工和提高施工管理精細化水平具有重要意義。我公司自主開發(fā)的盾構(gòu)集群遠程監(jiān)控與智能決策支持系統(tǒng)（以下簡稱“盾構(gòu)遠程監(jiān)控系統(tǒng)”）是城市地下空間工程智能大數(shù)據(jù)分析與公共服務(wù)平臺的應(yīng)用系統(tǒng)之一，基于大數(shù)據(jù)平臺利用大數(shù)據(jù)采集、管理、分析等技術(shù)手段[2]，實現(xiàn)對盾構(gòu)施工的遠程監(jiān)控和智能決策支持。

1? 系統(tǒng)組成

盾構(gòu)遠程監(jiān)控系統(tǒng)分為公司級和項目級界面，主要由盾構(gòu)工程概覽、盾構(gòu)掘進數(shù)據(jù)、盾構(gòu)施工管理、視頻監(jiān)控四部分組成。

1.1 公司級界面? 公司級主要包括盾構(gòu)工程概覽和盾構(gòu)施工管理。主界面顯示公司盾構(gòu)工程概覽，包括所有項目的分布情況、總體工程概況（如在建項目數(shù)量、當日掘進進度等）、盾構(gòu)機設(shè)備狀態(tài)（如當前掘進、拼環(huán)、停機情況）、項目公告（如始發(fā)、到達、進度、風險信息提示）等。公司級主界面如圖1所示。

公司級盾構(gòu)施工管理對公司所有項目從進度、安全、質(zhì)量、設(shè)備四方面進行管理。進度管理顯示所有項目當日及30天內(nèi)的掘進進度及變化趨勢，對項目所在片區(qū)及所有項目的掘進進度進行排名。安全管理顯示所有項目的風險情況和特種人員配置，同時根據(jù)項目部每周上報的安全風險生成安全風險周報。質(zhì)量管理顯示所有項目的管片質(zhì)量情況，對管片質(zhì)量進行評級。設(shè)備管理顯示所有盾構(gòu)機的每日設(shè)備狀態(tài)，對因故障停機的設(shè)備情況、故障停機原因進行統(tǒng)計分析。

1.2 項目級界面? 由公司級界面選擇某一項目或盾構(gòu)機可以進入具體項目界面。項目級主要包括四部分：盾構(gòu)工程概覽、盾構(gòu)掘進數(shù)據(jù)、盾構(gòu)施工管理、視頻監(jiān)控。

盾構(gòu)工程概覽顯示工程的可視化視圖、項目概況、進度工效、風險預(yù)警、主要參數(shù)等信息。其中工程可視化視圖通過GIS地圖顯示工程掘進線路軌跡、當前進度、周邊施工環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、項目風險等信息?？梢暬晥D還加載了線路平面和斷面CAD圖以及地質(zhì)參數(shù)信息，CAD圖同步顯示盾構(gòu)機掘進當前進度，可以詳細查看線路掘進的軌跡、周邊建（構(gòu)）筑物情況、穿越道路管線情況、覆土深度、地層地質(zhì)信息[3]等。

盾構(gòu)掘進數(shù)據(jù)實時顯示盾構(gòu)機掘進參數(shù)，包含參數(shù)界面、參數(shù)列表及參數(shù)曲線三部分。參數(shù)界面主要包括主監(jiān)控、導(dǎo)向系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、盾尾油脂、泡沫系統(tǒng)等，在主監(jiān)控界面顯示盾構(gòu)機關(guān)鍵參數(shù)如推進壓力、推進速度、總推力、刀盤扭矩、推進行程以及盾構(gòu)機的運行狀態(tài)等，其它參數(shù)界面可以分別查看相應(yīng)的參數(shù)值。參數(shù)列表可以查看盾構(gòu)機所有參數(shù)的當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。參數(shù)曲線可以查看所有參數(shù)的數(shù)據(jù)變化曲線，根據(jù)需要監(jiān)控的參數(shù)情況可自定義添加監(jiān)控項和歷史數(shù)據(jù)時間范圍。

盾構(gòu)施工管理主要包括進度、安全、質(zhì)量和設(shè)備管理四部分，是基于盾構(gòu)數(shù)據(jù)分析和各項目部上報的報表相結(jié)合的管理模塊。①進度管理根據(jù)掘進參數(shù)數(shù)據(jù)分析反映工效和盾構(gòu)機運轉(zhuǎn)情況。工效曲線反映盾構(gòu)機的日工效、月工效，白班、夜班工效。盾構(gòu)機運轉(zhuǎn)情況反映每環(huán)管片的掘進、拼環(huán)、停機時間以及任意時刻盾構(gòu)機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。②安全管理主要包括風險管控、地面沉降、特種人員管理等。風險管控根據(jù)項目部在項目開工前上報的風險情況在系統(tǒng)中錄入風險信息，在工程可視化視圖和安全管理中顯示風險詳情以及當前進度下或即將出現(xiàn)的風險情況。同時，項目部根據(jù)項目進度每周上報項目安全風險，生成項目風險情況周報。地面沉降是由項目部定期上報沉降監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)生成地面沉降監(jiān)測圖，對地面沉降量及變化情況進行跟蹤，掌握地面沉降情況。特種人員管理根據(jù)規(guī)定的特種人員工種及數(shù)量，對項目部特種人員進行管理，出現(xiàn)特種人員數(shù)量不足或者人員證照過期等情況會自動提醒。③質(zhì)量管理由項目部上報每環(huán)管片的質(zhì)量情況，系統(tǒng)自動生成管片偏差圖，可以查看每環(huán)管片的水平、垂直偏差及相鄰管片錯臺情況。④設(shè)備管理由項目部每日上報每臺盾構(gòu)機的設(shè)備狀態(tài)信息，顯示盾構(gòu)機的每日設(shè)備狀態(tài)及設(shè)備日志，當因設(shè)備故障出現(xiàn)停機狀態(tài)，可以查詢故障原因、停機時長、處理措施等詳情。

視頻監(jiān)控根據(jù)監(jiān)控需求對地面及隧道內(nèi)重要施工部位、存在施工風險和安全隱患等部位進行重點監(jiān)控，如地面施工場地、材料加工場、龍門吊行走區(qū)、洞門、豎井、管片拼裝區(qū)、螺旋機出土口、臺車尾部、泥漿分離站等。對項目現(xiàn)場的施工活動，人、機、料的不安全因素或不文明行為，違規(guī)操作及安全質(zhì)量問題進行實時監(jiān)控。

2? 系統(tǒng)功能及應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)分析

2.1.1 掘進數(shù)據(jù)分析? 通過掘進參數(shù)和參數(shù)曲線對所有參數(shù)及變化情況進行分析，判斷掘進參數(shù)和變化趨勢是否正常。當掘進參數(shù)超出正常范圍、出現(xiàn)較大偏差或者變化幅度較大，超過合理的范圍，說明盾構(gòu)施工出現(xiàn)異常情況。施工管理人員和專家可以根據(jù)掘進數(shù)據(jù)進行原因分析，為遠程分析判斷盾構(gòu)機施工及設(shè)備狀態(tài)、問題診斷、施工管理及決策提供依據(jù)。參數(shù)曲線分析如圖2所示。

2.1.2 進度管理工效分析? 包括工效分析和盾構(gòu)機運轉(zhuǎn)情況分析。系統(tǒng)根據(jù)掘進進度參數(shù)生成工效曲線，可以分析當月及每日進度是否完成計劃進度、與計劃完成目標的差距;通過對白班、夜班工效對比分析，對工效低的班組進行原因分析，查找差距，提高工效和施工管理及技術(shù)水平。盾構(gòu)機運轉(zhuǎn)情況反映每環(huán)管片的掘進、拼環(huán)、停機時間以及任意時刻盾構(gòu)機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，為分析判斷盾構(gòu)施工每環(huán)的運行工效和盾構(gòu)機的運行狀態(tài)提供依據(jù)。

2.1.3 地面沉降分析? 系統(tǒng)根據(jù)地面沉降數(shù)據(jù)生成地面沉降變化圖，反映每個監(jiān)測點的本次及累計變化量，實時掌握沉降監(jiān)測點變化動態(tài)和地面沉降情況。如果監(jiān)測點沉降量超出正常范圍[4]，各級管理人員能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，采取應(yīng)對措施，避免因信息不對等，問題沒有及時發(fā)現(xiàn)和重視造成反應(yīng)延遲，引起不必要的損失或地面沉降事故。

2.1.4 管片質(zhì)量分析? 系統(tǒng)根據(jù)管片質(zhì)量數(shù)據(jù)生成管片水平及垂直偏差圖，顯示每環(huán)管片的管片水平（垂直）偏差和盾構(gòu)導(dǎo)向水平（垂直）偏差，反映管片偏差、錯臺等質(zhì)量問題，使各級管理人員能夠及時發(fā)現(xiàn)管片拼裝質(zhì)量問題，采取相應(yīng)措施，提高整體管片拼裝質(zhì)量和工程質(zhì)量。

2.2 設(shè)備運行狀態(tài)? 根據(jù)盾構(gòu)機掘進參數(shù)可以實時了解盾構(gòu)機的運行狀態(tài)，查詢歷史狀態(tài)。通過對推進壓力、總推力、刀盤扭矩、推進速度、推進行程、導(dǎo)向姿態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控，可以掌握盾構(gòu)機的總體運行情況、參數(shù)變化情況及變化趨勢。當關(guān)鍵參數(shù)出現(xiàn)異?；虺?，監(jiān)控人員立即對異常情況進行核實，及時做出反饋，由相關(guān)部門和負責人對施工現(xiàn)場出現(xiàn)的異常工況及時處理和指導(dǎo)，保證盾構(gòu)機的安全、正常運行。

根據(jù)各項目部上報的設(shè)備狀態(tài)日報，可以查詢所有盾構(gòu)機每天的設(shè)備狀態(tài)和設(shè)備詳情，跟蹤設(shè)備狀態(tài)變化情況，避免因設(shè)備問題出現(xiàn)停機或者設(shè)備故障未及時解除影響施工進度。

通過掘進參數(shù)監(jiān)控和設(shè)備狀態(tài)日報兩者結(jié)合，各級管理人員能夠隨時了解所有盾構(gòu)機的每日運行情況及設(shè)備動態(tài)，有利于對多臺盾構(gòu)機進行施工管理。

2.3 故障診斷支持? 通過對盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、螺旋輸送機、液壓系統(tǒng)等[5]相關(guān)設(shè)備運行參數(shù)的監(jiān)控及歷史數(shù)據(jù)變化曲線的分析，可以遠程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。如果設(shè)備出現(xiàn)異?；蚬收?，相關(guān)參數(shù)的異常及變化情況能夠為盾構(gòu)機故障原因的診斷和分析提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)遠程故障診斷，提出專家意見，及時解決故障問題。

2.4 預(yù)警功能

2.4.1 導(dǎo)向系統(tǒng)預(yù)警? 導(dǎo)向系統(tǒng)對盾構(gòu)機掘進水平及垂直姿態(tài)、趨向，滾動角、俯仰角等盾構(gòu)掘進姿態(tài)相關(guān)參數(shù)進行實時監(jiān)控，當掘進姿態(tài)超預(yù)警值，系統(tǒng)將自動進行預(yù)警。導(dǎo)向預(yù)警采取分級預(yù)警，根據(jù)盾構(gòu)機姿態(tài)超限范圍向項目負責人、主管部門、公司領(lǐng)導(dǎo)等相關(guān)負責人分級推送短信。導(dǎo)向預(yù)警能夠及時發(fā)現(xiàn)并推送導(dǎo)向姿態(tài)異常情況。相關(guān)管理人員和專家針對存在問題分析查找原因，遠程指導(dǎo)施工現(xiàn)場采取措施，保證盾構(gòu)機掘進姿態(tài)正常，使隧道按照設(shè)計線路掘進，保障成型隧道和施工總體質(zhì)量。

2.4.2 風險預(yù)警? 根據(jù)風險等級不同分級預(yù)警，當盾構(gòu)機即將掘進到風險位置，系統(tǒng)將按照設(shè)置的預(yù)警環(huán)號提前預(yù)警，預(yù)警信息以短信形式按照風險等級不同發(fā)送給項目部相關(guān)負責人，提醒項目負責人針對風險情況提前策劃，做好應(yīng)對措施。

2.4.3 地質(zhì)情況預(yù)警? 當盾構(gòu)機掘進線路出現(xiàn)地層地質(zhì)情況變化時，會影響盾構(gòu)掘進參數(shù)控制。監(jiān)控人員根據(jù)地質(zhì)變化情況提前對項目部下發(fā)預(yù)警通知，提醒項目部采取相關(guān)措施，控制掘進參數(shù)和盾構(gòu)掘進姿態(tài)正常，確保現(xiàn)場施工正常。

3? 系統(tǒng)服務(wù)

3.1 使用權(quán)限? 系統(tǒng)應(yīng)用可以根據(jù)不同層級的管理者或崗位需求進行權(quán)限設(shè)置。從管理層級上對公司級和項目級設(shè)置不同的使用權(quán)限，公司層級對所有項目進行監(jiān)控和管理，項目層級主要針對具體的項目進行監(jiān)控和管理。對于不同業(yè)務(wù)部門針對業(yè)務(wù)管理模塊或需求，進行具體模塊使用權(quán)限的設(shè)置。另外，根據(jù)不同的片區(qū)和管理范圍，可以設(shè)置相應(yīng)權(quán)限查看該片區(qū)范圍內(nèi)的項目情況。

3.2 專家 “包?！敝贫? 由公司內(nèi)部專家對公司所有項目實行“包?！敝贫?，專家對所負責項目的掘進數(shù)據(jù)、施工管理數(shù)據(jù)和圖表、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等進行監(jiān)控，掌握項目總體施工情況及動態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)施工中存在的問題，提供技術(shù)指導(dǎo)和專業(yè)建議。

3.3 移動端應(yīng)用系統(tǒng)? 系統(tǒng)還開發(fā)了手機移動客戶端，通過手機app應(yīng)用系統(tǒng)對所有盾構(gòu)機進行遠程監(jiān)控。手機移動端與網(wǎng)頁端系統(tǒng)功能相同，可以隨時隨地查看盾構(gòu)機的掘進參數(shù)、可視化視圖、管理數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控情況，使用其它各項功能，對盾構(gòu)施工的遠程監(jiān)控更加便捷。

4? 結(jié)論與討論

盾構(gòu)遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以對不同類型、品牌、型號的盾構(gòu)機進行監(jiān)控，通過web端和手機端可以隨時隨地查看所有接入系統(tǒng)內(nèi)盾構(gòu)機的掘進參數(shù)、運行工效、設(shè)備狀態(tài)、風險情況、施工質(zhì)量、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)掘進姿態(tài)超限、風險情況等進行預(yù)警，為公司級和項目級盾構(gòu)施工管理、遠程問題診斷和管理決策提供重要依據(jù)。該系統(tǒng)不僅應(yīng)用于我公司國內(nèi)外所有項目部，也為其它地鐵建設(shè)單位或施工企業(yè)提供遠程監(jiān)控服務(wù)，是地鐵施工信息化管理的重要組成，為企業(yè)提高施工管理精細化水平提供技術(shù)支持。

由于地下工程的復(fù)雜性和不確定性，需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料作為大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)庫，目前系統(tǒng)在掘進數(shù)據(jù)的分析和利用、報警、軟件功能等方面還有很多開發(fā)空間。利用大數(shù)據(jù)平臺可以分析總結(jié)地質(zhì)條件、外部環(huán)境等影響因素類似條件下盾構(gòu)平均工效，制定企業(yè)標準;可以建立項目庫和專家?guī)?，為以后項目出現(xiàn)類似施工問題提供掘進參數(shù)和解決方案指導(dǎo)。

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