基于Web的盾構(gòu)機盾尾變形遠程監(jiān)測系統(tǒng)

吳天華，閔 銳，吳恩啟，孫海力

（1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093；2.上海隧道工程股份有限公司機械制造分公司，上海 200137）

0 引言

近年來，我國對地鐵、隧道等基建項目的投入不斷增大，對盾構(gòu)機設(shè)備產(chǎn)生了大量需求［1-3］。然而，盾構(gòu)機在地下掘進過程中，盾殼承受了土體壓力等載荷，盾尾又是盾殼最薄弱的部分，最容易產(chǎn)生形變，引發(fā)漏漿現(xiàn)象，影響工程施工進程［4］。因此運用信息手段對盾尾形變狀況進行實時監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)大多通過本地設(shè)備檢測盾構(gòu)機。例如，Wu 等［5］開發(fā)了盾構(gòu)機刀盤振動監(jiān)測系統(tǒng)，采集施工過程中刀盤的振動信息并進行顯示。Lan 等［6］基于渦輪傳感器開發(fā)了一套盾構(gòu)機檢測系統(tǒng)，能夠在線監(jiān)測圓盤切割機的運行參數(shù)。Tang 等［7］結(jié)合氣體檢測、氣體提取和無線通信技術(shù)，提出了隧道掘進過程中生物氣體引發(fā)的瓦斯爆炸問題的預(yù)防和控制方法。然而，此類監(jiān)測系統(tǒng)僅供用戶在工程現(xiàn)場進行實地監(jiān)測，不便于數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)移，靈活性較低。

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，許多學者將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)機監(jiān)測系統(tǒng)中。例如，孟祥波等［8］結(jié)合軟硬件設(shè)備實現(xiàn)了一套基于互聯(lián)網(wǎng)的盾構(gòu)機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。黃惠群等［9］提出基于OPC 接口技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，通過匯總不同品牌和類型的盾構(gòu)機信息，實現(xiàn)了多臺盾構(gòu)機設(shè)備的集群監(jiān)測。肖敏等［10］采用B/S 架構(gòu)，通過ASP.NET 技術(shù)實現(xiàn)了遠程實時動態(tài)監(jiān)控。趙炯等［11］為了解決B/S 模式負載、網(wǎng)頁延遲過大的問題，使用Redis 技術(shù)使系統(tǒng)具有高效的數(shù)據(jù)處理能力。孫振川等［12］通過建立行業(yè)Hadoop 集群生態(tài)架構(gòu)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)解決了傳統(tǒng)隧道掘進工程信息化平臺兼容性和擴展性較弱的問題。然而，此類監(jiān)測系統(tǒng)大多通過盾構(gòu)機設(shè)備接口，利用軟件技術(shù)將設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)平臺上實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測，僅局限性于只收集盾構(gòu)機設(shè)備的本地信息，無法采集挖掘過程中的結(jié)構(gòu)性形變數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)框架構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。

為此，本文以盾構(gòu)機盾尾變的形變程度為研究對象，針對隧道掘進工程引起的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)可視化等難題，結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)測狀況，利用多線程設(shè)計、云服務(wù)器、Python 可視化等技術(shù)［13-15］，基于B/S 模式搭建了一套盾構(gòu)機盾尾形變遠程監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過長時期的實驗測試和工程檢驗表明，系統(tǒng)耦合性低、靈活性強、運行高效、穩(wěn)定，提供了良好的可視化交互界面，彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測界面單調(diào)、異地通訊困難的不足，提升了信息傳輸速率。

1 系統(tǒng)框架

盾構(gòu)機盾尾形變遠程監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)實際工程需求分為數(shù)據(jù)采集模塊、云計算中心和可視化模塊3 個子系統(tǒng)，如圖1 所示。具體的，數(shù)據(jù)采集模塊主要由應(yīng)變傳感器、應(yīng)變采集儀和本地PC 機構(gòu)成。其中，應(yīng)變傳感器用來測量盾尾表面各測點處的應(yīng)變值；應(yīng)變采集儀收集各測點的測量數(shù)值，然后通過光纖將數(shù)據(jù)發(fā)送至工程現(xiàn)場PC 機；本地PC 機上自主開發(fā)的TCP 通訊程序能夠?qū)?yīng)變采集數(shù)據(jù)發(fā)送至云計算中心。云計算中心負責數(shù)據(jù)的濾波去噪、數(shù)值計算和結(jié)構(gòu)存儲等數(shù)據(jù)處理操作?？梢暬瘜又械腤eb應(yīng)用通過數(shù)據(jù)庫接口動態(tài)獲取實時數(shù)據(jù)，并可視化實時顯示盾尾的形變數(shù)據(jù)，提供歷史查詢、預(yù)警等功能。

Fig.1 System framework圖1 系統(tǒng)框架

2 數(shù)據(jù)通訊與處理

2.1 并發(fā)連接服務(wù)器設(shè)計

為實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與云計算中心的實時通訊，通過Socket 網(wǎng)絡(luò)接口建立TCP 連接。TCP 連接具有超時重傳和有序傳輸?shù)奶攸c，適合穩(wěn)定交互工程數(shù)據(jù)。Socket 在通信機制中被稱為套接字，由IP 地址和端口號組成，通過Sock?et 建立服務(wù)器和客戶端的TCP 網(wǎng)絡(luò)連接，整個連接過程被稱為“三次握手”［16］，如圖2 所示。在連接建立后，通過數(shù)據(jù)采集模塊將現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)傳送至云計算中心。

Fig.2 Socket communication process圖2 Socket通訊流程

由于工程現(xiàn)場通常存在多個需要同時進行數(shù)據(jù)交互的監(jiān)測點，傳統(tǒng)阻塞式服務(wù)器程序以隊列方式依次排隊處理數(shù)據(jù)，效率較低。多線程的并發(fā)服務(wù)器充分利用了系統(tǒng)的計算、讀寫和網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，能夠大幅度提升數(shù)據(jù)吞吐量和處理效率。多線程技術(shù)設(shè)計并發(fā)式服務(wù)器的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Fig.3 Parallel server process structure圖3 并發(fā)式服務(wù)器進程結(jié)構(gòu)

由圖3 可見，在主服務(wù)器進程綁定套接字后，可為每一個新申請的連接創(chuàng)建從線程，多個從線程能夠相對單獨地執(zhí)行相同業(yè)務(wù)。并且，由于Python 是一種具有良好兼容性和跨平臺性的腳本語言，提供了Socket 和Socketserver 兩個模塊開發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。其中，Socket模塊是單線程設(shè)計，適用于單點連接；Socketserver 模塊則適用于多線程多連接。本文選擇Python 的Socketserver 網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)合Thread?ing 多線程模塊開發(fā)服務(wù)器程序，以提供快速、有效地多線程通信管道。

2.2 數(shù)據(jù)實時處理

出于對工程數(shù)據(jù)安全性的考慮，需要對整個數(shù)據(jù)傳輸過程進行加密。首先，上位機向服務(wù)器發(fā)送指定的ID 驗證信息，服務(wù)器程序在確認ID 有效后建立連接。然后，服務(wù)器讀取現(xiàn)場PC 機傳輸?shù)淖止?jié)流形式的原始數(shù)據(jù)。最后，對數(shù)據(jù)進行處理得到盾尾測點的有效形變數(shù)值，并將其保存至數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)字段中。為了避免頻繁的數(shù)據(jù)交互而造成端口數(shù)據(jù)通道擁堵的情況，在每次循環(huán)結(jié)束前使用time（）函數(shù)設(shè)置30s 的系統(tǒng)延遲。服務(wù)器程序流程如圖4所示。

Fig.4 Server program flow圖4 服務(wù)器程序流程

在實際測量過程中，由于盾尾形變數(shù)據(jù)的時間跨度較長，短時間內(nèi)不顯著。本文在數(shù)據(jù)處理過程中采用逐段數(shù)據(jù)平均法進行預(yù)處理。具體的，取固定時間段（通常為1min）作為樣本周期，將連續(xù)時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)按小段時間等分為一組子序列，然而實際測量的數(shù)據(jù)樣本通常存在數(shù)值極大的粗差，因此采用中值濾波法對序列進行處理。該方法既縮小了數(shù)據(jù)規(guī)模，又對數(shù)據(jù)進行了一定程度的濾波，提升了數(shù)據(jù)處理效率。

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲

由于MySQL 是目前最主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有體積小、速度快、成本低等優(yōu)點［17］。系統(tǒng)采用開源型數(shù)據(jù)庫MySQL 存儲數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)采集模塊上傳的原始數(shù)據(jù)存儲在原始表中，內(nèi)容主要包括測點編號、傳感器方位、采集設(shè)備編號、盾尾應(yīng)變數(shù)據(jù)、記錄時間等，相關(guān)字段如表1所示。

為滿足系統(tǒng)的實時性要求，Web 會以較高頻率刷新數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)庫進行頻繁交互，若數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，則會在一定程度上增加查詢時間。例如，當讀取原始表時，由于MySQL 數(shù)據(jù)庫的自身特性，表格冗余信息較多會降低數(shù)據(jù)的搜索速度。為此，在設(shè)計查詢表結(jié)構(gòu)時以固定間隔的時間戳屬性為表格主鍵，并與計算處理后得到的n個測點的形變數(shù)值組成二級查詢表（見表2），以提升數(shù)據(jù)查詢效率。

由表2 可知，根據(jù)測點編號和時間戳可確定某一時刻的盾構(gòu)機盾尾被監(jiān)測位置的形變情況，并且每隔一定時間間隔，Web前端會更新最新數(shù)據(jù)，達到實時監(jiān)測目的。

3 可視化界面設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 Web可視化

系統(tǒng)基于B/S 模式，采用Python 語言的開源框架Dash開發(fā)了Web 系統(tǒng)，Dash 使用Python 語言構(gòu)建了高度自定義的數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用程序，融合了Flask、Plotly.js 和React.js技術(shù)。其中，F(xiàn)lask 是基于工具箱Werkzeug 的輕量級Web應(yīng)用框架［18］；Plotly.js 提供了強大的圖表庫，適合大規(guī)模數(shù)據(jù)展示；React.js 提供網(wǎng)頁的UI 設(shè)計規(guī)范，采用聲明式設(shè)計，具有靈活、高效的優(yōu)點。

Dash 應(yīng)用流程如圖5所示，具體流程為：

（1）利用Dash 的Layout 組件進行網(wǎng)頁整體布局，DIV、IMG、Table等html標簽由React進行動態(tài)渲染。

Table 1 Original table storage structure表1 原始表存儲結(jié)構(gòu)

Table 2 Secondary query table structure表2 二級查詢表結(jié)構(gòu)

Fig.5 Dash application process圖5 Dash應(yīng)用流程

（2）編寫回調(diào)函數(shù)（Callback）對圖表進行個性化設(shè)置，回調(diào)函數(shù)與html標簽通過關(guān)鍵字ID 進行關(guān)聯(lián)。

（3）通過MySQL 數(shù)據(jù)庫API 接口獲取各圖、表所需的初始數(shù)據(jù)。

（4）通過HTTP 請求傳遞JSON 格式的數(shù)據(jù)包至瀏覽器，利用Plotly.js和CSS文件進行圖形渲染。

3.2 網(wǎng)頁部署實現(xiàn)

網(wǎng)站構(gòu)建完成后，為了使外部網(wǎng)絡(luò)瀏覽到監(jiān)測界面，需要將Dash 部署到云服務(wù)器上。本文采用Nginx 作為HTTP 代理服務(wù)器，WSGI 協(xié)議作為服務(wù)器網(wǎng)關(guān)接口，Web應(yīng)用程序會分配視圖函數(shù)一個URL。當用戶通過瀏覽器訪問時，首先對該域名進行DNS 解析，再將函數(shù)返回值顯示至瀏覽器上，整個通信過程基于HTTP 協(xié)議［19］，具體工作原理如圖6所示。

Fig.6 Working principle of HTTP protocol圖6 HTTP協(xié)議工作原理

4 實驗驗證

4.1 數(shù)據(jù)可視化功能

以溫州市甌江口隧道工程為例，在盾構(gòu)機盾尾處的某一縱向觀測斷面設(shè)置7 處監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采樣，截面近似圓形，7 處測量點等間隔分布在圓周上。2020 年7 月14日，對系統(tǒng)監(jiān)測狀況進行測試，Dash 搭建的盾尾形變可視化主界面如圖7所示。

Fig.7 Overall interface圖7 總體界面

由圖7 可見，系統(tǒng)可直觀顯示監(jiān)測點的形變量位置信息、形變量實時折線圖、形變量直方圖及歷史數(shù)據(jù)表格等實時信息和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其中，頁面左上角為實時形變監(jiān)測圖，設(shè)置了下拉框便于用戶檢測7 個監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)盾尾20min 內(nèi)的形變數(shù)據(jù)繪制了實時波形和三次樣條擬合曲線，以便于用戶直觀觀察盾尾形變值的變化趨勢；頁面右上角的互動插件可將當前時刻的曲線圖保存到本地，圖中還標出了安全預(yù)警線，當超過安全預(yù)警線時，后臺程序會自動發(fā)送郵件提醒工作人員及時進行處理；頁面右側(cè)提供了形變數(shù)據(jù)的直方圖統(tǒng)計報告和測點方位指示器，設(shè)置了滑動方式的頁面交互控件，測點方位指示器顯示了該測量點在盾尾截面所處的方位，歷史數(shù)據(jù)查詢功能設(shè)計為表單形式，在選定日期、時間后即可在滑動表格中查看所有測點的具體形變數(shù)值。

4.2 網(wǎng)絡(luò)性能

利用Python 的Socket 模塊定義TCP 請求函數(shù)，模擬客戶端向服務(wù)器發(fā)起連接操作，測試單線程和多線程網(wǎng)絡(luò)模型的性能差異，設(shè)置請求總數(shù)從5～100 次不等，實驗結(jié)果如圖8所示。

Fig.8 Comparison of network model optimization圖8 網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化比較

由圖8 實驗結(jié)果可見，多線程網(wǎng)絡(luò)模型完成100 次連接請求的總耗時為72ms，相較于單線程網(wǎng)絡(luò)模型約提升了10倍。

4.3 壓力測試

為檢驗網(wǎng)站在短時間內(nèi)應(yīng)對大量用戶同時進行訪問的并發(fā)性能，使用Web 壓力測試工具對網(wǎng)站進行壓力測試，模擬100 個用戶并發(fā)進行訪問，在3s 內(nèi)向網(wǎng)站持續(xù)發(fā)送Get請求，測試結(jié)果如圖9所示。

Fig.9 Response time histogram圖9 響應(yīng)時間直方圖

由圖9 可見，網(wǎng)站在高負載下，仍然保持通信穩(wěn)定，信息傳遞的延遲較低，服務(wù)器后臺平均每秒可處理649 次請求，平均響應(yīng)時間為150ms。

5 結(jié)語

針對盾構(gòu)法施工過程中的實際需求，提出一種盾構(gòu)機盾尾形變遠程監(jiān)測系統(tǒng)。實踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對盾尾形變數(shù)據(jù)進行傳輸、存儲、處理、顯示等功能，還通過Dash 框架的可視化技術(shù)搭建了Web 平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化交互。

在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)壓力測試和實際工程中的長期檢驗表明，系統(tǒng)通信穩(wěn)定，延遲較低，能夠滿足用戶快速、直觀地了解盾尾形變狀況，滿足了跨地域、跨終端的日常監(jiān)測需求。

此外，由于本文采用了解耦設(shè)計，后續(xù)可根據(jù)實際需求，靈活定制盾尾變形監(jiān)測系統(tǒng)的迭代功能，以便于將系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析、參數(shù)優(yōu)化、故障預(yù)警等方面。