一種基于Web的盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)研究

侯?？?李大偉 李 明 高 墅 王洪亮 王金成 李陽(yáng)春

(1.中鐵大連地鐵五號(hào)線有限公司，大連 116000； 2.北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100000)

引言

隨著大規(guī)模使用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，區(qū)間隧道施工的機(jī)械化、信息化程度提升，不可避免地與暗挖法和鉆爆法隧道施工管理上出現(xiàn)一定的差異，其管理的模式及觀念也隨之改變?，F(xiàn)階段對(duì)于盾構(gòu)施工管理上存在以下問(wèn)題：

1)部分管理人員存在對(duì)盾構(gòu)施工管理經(jīng)驗(yàn)不足，沒(méi)有相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)可尋；

2)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備分散，不同施工單位使用也存在差異，在管理上難度大；

3)無(wú)法及時(shí)了解盾構(gòu)施工狀態(tài)，對(duì)盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的管理存在漏洞；

4)盾構(gòu)施工信息化程度高，但對(duì)于業(yè)主方的管理達(dá)不到信息共享的效果。

1 現(xiàn)有研究及發(fā)展情況

1.1 系統(tǒng)分類

現(xiàn)階段盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)主要分為兩類，一是在盾構(gòu)工業(yè)電腦上運(yùn)行組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，即純軟件客戶端從盾構(gòu)機(jī)工業(yè)電腦上采集數(shù)據(jù)，傳送至現(xiàn)場(chǎng)電腦，再傳送至監(jiān)控中心[1]； 二是以盾構(gòu)機(jī)(TBM)上額外安裝采集服務(wù)器(黑匣子)與工業(yè)電腦連接方式采集相關(guān)數(shù)據(jù)[2-3]，傳輸至現(xiàn)場(chǎng)電腦服務(wù)器，再傳送至監(jiān)控中心。

圖1 盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集、解譯、傳輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)Fig. 1 Shield data acquisition， interpretation， transmission and storage system

1.2 盾構(gòu)系統(tǒng)功能分析

盾構(gòu)施工相比其他橋梁、道路、房建施工有其特殊性，如作業(yè)位置集中、循環(huán)施工往復(fù)快、信息集中程度高、施工參數(shù)的正確選取及波動(dòng)直接影響施工風(fēng)險(xiǎn)等。

盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)作為指導(dǎo)盾構(gòu)施工的信息化手段，從使用功能上分析應(yīng)具有基本功能和附加功能，具體如下：

(1)基本功能

1)設(shè)備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；

2)平面圖、縱斷面圖三圖實(shí)時(shí)展示盾構(gòu)機(jī)位置、所處地質(zhì)及風(fēng)險(xiǎn)信息；

3)風(fēng)險(xiǎn)管理；

4)施工過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)預(yù)警報(bào)警；

5)施工進(jìn)度匯總分析；

6)視頻監(jiān)控；

7)隱患排查；

8)手機(jī)APP。

(2)附加功能

1)施工及設(shè)備維護(hù)記錄及設(shè)備問(wèn)題查找；

2)監(jiān)測(cè)測(cè)量、監(jiān)測(cè)預(yù)警及安全評(píng)估管理報(bào)告管理；

3)工程質(zhì)量管理；

4)盾構(gòu)機(jī)施工歷史統(tǒng)計(jì)；

5)事故案例及知識(shí)庫(kù)，培訓(xùn)功能；

6)通訊數(shù)據(jù)異常顯示；

7)統(tǒng)計(jì)報(bào)告；

8)自動(dòng)生成掘進(jìn)評(píng)估報(bào)告；

9)人員定位及物聯(lián)網(wǎng)；

10)方案、交底、檢查記錄等文檔。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)施工中需要采集的數(shù)據(jù)分為兩種：一種是通過(guò)盾構(gòu)機(jī)PLC直接采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如：盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)(推力、扭矩、土倉(cāng)壓力、盾構(gòu)姿態(tài)等)[4]、注漿壓力、主軸承及盾尾密封及其他輔助參數(shù)； 一種是人工錄入的數(shù)據(jù)，如：監(jiān)測(cè)點(diǎn)每日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1 基本原理

盾構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，并從盾構(gòu)工控機(jī)傳輸至現(xiàn)場(chǎng)地面監(jiān)控室電腦，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地鐵公司監(jiān)控中心服務(wù)器，用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)地鐵公司監(jiān)控中心服務(wù)器即可實(shí)時(shí)查看盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)基本原理Fig. 2 Basic Principles of the System

2.2 系統(tǒng)層級(jí)架構(gòu)

(1)層級(jí)架構(gòu)

盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)自底層至頂層分別是基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)中心層、共享組件層以及業(yè)務(wù)應(yīng)用層[5]，具體見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)層次Fig. 3 System Level

基礎(chǔ)設(shè)施層：配置系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)硬件設(shè)備。

數(shù)據(jù)中心層：實(shí)現(xiàn)對(duì)信息系統(tǒng)所有信息與數(shù)據(jù)的集中、有序管理。

共享組件層：根據(jù)業(yè)務(wù)需要，對(duì)技術(shù)組件進(jìn)行擴(kuò)展，如：顯示盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)位置的GIS地圖的應(yīng)用組件、提取及存儲(chǔ)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的數(shù)據(jù)集成組件、展示盾構(gòu)掘進(jìn)信息的圖表組件等。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：面向用戶的界面層，包括首頁(yè)地圖、實(shí)時(shí)監(jiān)控、推進(jìn)監(jiān)控、注漿及添加劑監(jiān)控、參數(shù)管理、監(jiān)控量測(cè)、系統(tǒng)管理等模塊。

(2)優(yōu)點(diǎn)

采用四層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有利于功能拓展與可移植性，以便與建設(shè)單位或者施工單位總部辦公系統(tǒng)整合。

2.3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

本系統(tǒng)包含了上文1.2節(jié)中的各項(xiàng)功能，此處僅對(duì)本系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)源提示、掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析兩個(gè)主要功能進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。

(1)風(fēng)險(xiǎn)源提示

通過(guò)將前期調(diào)研、評(píng)估出的風(fēng)險(xiǎn)源錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)刀盤到底風(fēng)險(xiǎn)源位置前自動(dòng)推送風(fēng)險(xiǎn)提示至管理人員，提醒注意風(fēng)險(xiǎn)源并采取措施。

(2)掘進(jìn)參數(shù)分析、預(yù)警

通過(guò)對(duì)幾個(gè)主要的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，得出幾個(gè)參數(shù)在近5環(huán)、50環(huán)等以往掘進(jìn)過(guò)程中的算術(shù)平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)方差和離散關(guān)系，并與實(shí)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以展示掘進(jìn)參數(shù)的變化情況，各掘進(jìn)參數(shù)一旦偏離出正態(tài)分布或超過(guò)預(yù)設(shè)的閥值，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出掘進(jìn)參數(shù)預(yù)警，以提醒盾構(gòu)司機(jī)及管理人員注意控制掘進(jìn)參數(shù)。

2.4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取方法

采用ADO技術(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)施工中自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)的讀取。

1)盾構(gòu)廠家提供WEBserives接口[6]：安全風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)服務(wù)器端安裝數(shù)據(jù)抓取客戶端，該客戶端通過(guò)WEBserives主動(dòng)抓取中控室監(jiān)視電腦數(shù)據(jù)存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)；

2)盾構(gòu)廠家提供能夠直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口：將在中控室監(jiān)視電腦上安裝數(shù)據(jù)上傳客戶端，該客戶端將中控室電腦的掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至安全風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

圖4 盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)Fig. 4 Shield Tunnel Real-time Monitoring Subsystem

(2)接口技術(shù)

采用ADO技術(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)ODBC的方法同數(shù)據(jù)庫(kù)接口連接。ADO是一個(gè)基于OLEDB之上的對(duì)象模型[7-8]，包含了所有可以被OLEDB標(biāo)準(zhǔn)接口描述的數(shù)據(jù)類型。

需提供中控室監(jiān)視電腦的數(shù)據(jù)讀取接口。具體要求如下：

1)盾構(gòu)廠家提供WebService或能夠直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口；

2)接口能夠訪問(wèn)中控室監(jiān)視電腦的數(shù)據(jù)庫(kù)的所有未加密的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)已加密，需提供數(shù)據(jù)解密方法或獲取已解密數(shù)據(jù)的方法；

3)接口讀取出的數(shù)據(jù)應(yīng)包括洞內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)的數(shù)據(jù)；

4)接口要有接口說(shuō)明文檔，包括函數(shù)調(diào)用方法及其參數(shù)說(shuō)明、數(shù)據(jù)庫(kù)中表的說(shuō)明及表中各字段的說(shuō)明、數(shù)據(jù)庫(kù)中字段與掘進(jìn)參數(shù)的對(duì)應(yīng)清單；

5)提供中控室監(jiān)視電腦中監(jiān)視軟件的展示界面。

(3)圖形輸出技術(shù)

利用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)實(shí)現(xiàn)曲線圖、柱狀圖和餅狀圖等多種二維圖形的輸出。

3 軟硬件環(huán)境

在確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，通過(guò)從軟件環(huán)境、硬件環(huán)境整合系統(tǒng)特點(diǎn)、資源，在保證系統(tǒng)工作效率的條件下，盡量降低系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。本系統(tǒng)采用B/S模式，即瀏覽器/服務(wù)器模式。本模式下，用戶瀏覽器端處理事務(wù)極少，只提供給使用者界面的查看、查找，主要的邏輯處理都在服務(wù)器端，這樣大大降低用戶電腦段的運(yùn)輸負(fù)載，節(jié)省整體成本預(yù)算。

3.1 軟件環(huán)境

本盾構(gòu)系統(tǒng)軟件環(huán)境主要如下:

1)服務(wù)器操作系統(tǒng)：Windows Server 2016；

2)數(shù)據(jù)庫(kù)：MySQL；

3)編程語(yǔ)言：.net；

4)通信協(xié)議：http；

5)客戶端瀏覽器：IE。

3.2 硬件環(huán)境

(1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算中心

在地鐵公司辦公樓或工程公司總部設(shè)在數(shù)據(jù)中心，架設(shè)WEB服務(wù)器和存儲(chǔ)陣列，將各標(biāo)段、項(xiàng)目監(jiān)控室數(shù)據(jù)匯至數(shù)據(jù)中心，以便為客戶端提供服務(wù)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)地面監(jiān)控室

在各盾構(gòu)法施工始發(fā)站需建立中控室。中控室內(nèi)設(shè)置2臺(tái)控制電腦(左右線各1臺(tái))，且電腦能夠?qū)崟r(shí)獲取洞內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)的數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，該數(shù)據(jù)需存入控制電腦的數(shù)據(jù)庫(kù)，存入頻率不能小于1次/s；

(3)盾構(gòu)機(jī)工業(yè)電腦

盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)是由西門子PLC提供存儲(chǔ)邏輯中樞控制器，它是各種傳感器溝通橋梁。通過(guò)在中控主機(jī)或者地面觀測(cè)站創(chuàng)建一個(gè)OPC Server服務(wù)[9-10]專門用來(lái)處理PLC與PC機(jī)之間處理通信。

4 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)、通信

4.1 數(shù)據(jù)采集

盾構(gòu)機(jī)普遍采用西門子PLC，本盾構(gòu)系統(tǒng)采用西門子專用的FETCH/WRITE應(yīng)用層協(xié)議，數(shù)據(jù)采集單元作為Client連接PLC[11]，發(fā)送接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求，而后PLC以此協(xié)議提供的格式返回所要的數(shù)據(jù)。

盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)是由西門子PLC提供存儲(chǔ)邏輯中樞控制器，它是各種傳感器溝通橋梁。通過(guò)在中控主機(jī)或者地面觀測(cè)站創(chuàng)建一個(gè)OPC Server服務(wù)專門用來(lái)處理PLC與PC機(jī)之間處理通信，這個(gè)服務(wù)是PLC官方提供對(duì)外比較成熟組態(tài)通信接口，只需要在地面觀測(cè)站寫一個(gè)OPC Client采集客戶端就能將相關(guān)數(shù)據(jù)讀取保存到本地，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鲾?shù)據(jù)中心。

圖6 數(shù)據(jù)采集Fig. 6 Data acquisition

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，具備多個(gè)管理模塊，如圖7。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)Fig. 7 System database structure

4.3 網(wǎng)絡(luò)通信

(1)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部

盾構(gòu)設(shè)備中，PLC系統(tǒng)普遍選用西門子S7-300 系列，支持多點(diǎn)接口(MPI)、過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(Profibus)和工業(yè)以太網(wǎng)等通信子網(wǎng)，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部各設(shè)備間可選用RJ45網(wǎng)線。

(2)盾構(gòu)機(jī)—地面監(jiān)控室

為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)穩(wěn)定性，尤其是在承載視頻監(jiān)控的情況下，綜合考慮洞內(nèi)傳輸距離普遍在600m以上，甚至數(shù)千米，本系統(tǒng)選用光纖作為洞內(nèi)傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)中控電腦與TBM/盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)集成服務(wù)器的雙向訪問(wèn)。

(3)地面監(jiān)控室—監(jiān)控中心

由于盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)量較小，當(dāng)不承載視頻監(jiān)控畫面時(shí)，可直接使用普通家用寬帶(ADSL)； 當(dāng)需要承載視頻監(jiān)控畫面時(shí)，由于ADSL上傳帶寬較小，建議采用VPN專用網(wǎng)絡(luò)，以提供更高的上傳效果。

(4)用戶—監(jiān)控中心

普通用戶可直接使用普通寬帶登錄網(wǎng)站使用本系統(tǒng)。

圖8 盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案Fig. 8 Network Scheme

5 效果及影響

5.1 效果

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)導(dǎo)向數(shù)據(jù)等信息的共享與分析。

(1)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)：系統(tǒng)直接從盾構(gòu)機(jī)備份數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，最低延時(shí)可控制在1s以內(nèi)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)信息。同時(shí)，系統(tǒng)只從備份數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)，不對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也保證了盾構(gòu)施工的安全。

(2)海量數(shù)據(jù)處理能力：能夠?qū)γ棵氘a(chǎn)生的海量盾構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和預(yù)警處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效利用。

(3)先進(jìn)的預(yù)警機(jī)制：建立預(yù)警模型，分析土倉(cāng)壓力、推進(jìn)力、刀盤扭矩、注漿量等關(guān)鍵信息，并自動(dòng)產(chǎn)生預(yù)警信息，推送提醒相關(guān)責(zé)任人。

(4)融合GIS，實(shí)現(xiàn)直觀展示：系統(tǒng)融合了GIS(地理信息系統(tǒng))[12]，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)施工進(jìn)度、周邊建(構(gòu))物沉降情況、所處地層信息的融合展示，以全面掌控盾構(gòu)區(qū)間的安全狀態(tài)。

(5)規(guī)范的界面設(shè)計(jì)：具備報(bào)表、圖表的多種展現(xiàn)形式，提供友好的提示框指引用戶操作[13]。

5.2 影響及網(wǎng)絡(luò)安全

(1)客戶端影響

盾構(gòu)上工業(yè)電腦與現(xiàn)場(chǎng)地面監(jiān)控室電腦之間以光纖傳輸數(shù)據(jù)，傳輸軟件安裝在監(jiān)控室電腦上，盾構(gòu)工業(yè)機(jī)上不安裝任何軟件，可以保證盾構(gòu)工業(yè)電腦上相關(guān)盾構(gòu)控制系統(tǒng)不受干擾。

(2)網(wǎng)絡(luò)安全

采集程序只做讀取操作，不做寫入操作，目前都是安裝在地面監(jiān)控室內(nèi)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)只是占用一定網(wǎng)絡(luò)帶寬，以及影響地面工作站電腦的機(jī)器內(nèi)存以網(wǎng)絡(luò)流量； 另外一個(gè)可能預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)，地面工作站能上互聯(lián)網(wǎng)，可能會(huì)存在黑客入侵風(fēng)險(xiǎn)，只要網(wǎng)絡(luò)策略安全合理，這方面是完全可以避免的。

6 結(jié)語(yǔ)

基于Web的盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)盾構(gòu)機(jī)集中監(jiān)控、多用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查看盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)信息和掘進(jìn)預(yù)警等功能，使得系統(tǒng)使用更加科學(xué)合理，本系統(tǒng)存在以下特點(diǎn)：

(1)采用ADO技術(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)ODBC的方法同數(shù)據(jù)庫(kù)接口連接，避免了在盾構(gòu)機(jī)行額外安裝專用數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，初始連接更為方便。

(2)系統(tǒng)采用四層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有利于功能拓展與可移植性，可根據(jù)后期需要添加不同的功能模塊。

(3)本系統(tǒng)提供盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的各項(xiàng)實(shí)施數(shù)據(jù)，如推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、同步注漿、添加劑等系統(tǒng)參數(shù)，便于管理層掌握施工情況。

(4)本系統(tǒng)不依賴額外的數(shù)據(jù)采集器及專用網(wǎng)絡(luò)，僅需普通ADSL寬度即可工作，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低。

本盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于城市地鐵建設(shè)的地鐵公司了解各標(biāo)段施工情況或者自身具有盾構(gòu)機(jī)施工能力的施工單位總公司用來(lái)掌握、了解本公司各項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)的使用情況。通過(guò)盾構(gòu)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行，為上層決策層、管理處及現(xiàn)場(chǎng)工程師提供盾構(gòu)機(jī)施工信息情況，提供更詳細(xì)的決策信息和建議。