盾構監控數據實時報表系統開發

馬 強,蒲曉波

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

盾構監控數據實時報表系統開發

馬 強,蒲曉波

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

為解決施工管理人員分析盾構原始歷史數據困難問題，設計了一套盾構監控數據實時報表系統，實現在盾構一環掘進完成后，及時分析該環盾構運行參數和統計該環重要材料的消耗。分別從系統總體框架、歷史數據分析、關鍵應用技術等方面對系統進行研究，最終實現從盾構海量歷史數據中自動選擇、過濾、統計、計算數據，并以環數為單位生成報表文件。系統在中鐵系列盾構中的應用證明：施工人員或業主通過報表文件可以方便有效地了解施工狀態和設備狀態等信息，相較于手動檢索原始數據，管理成本大大減少。

盾構監控數據；數據分析；報表系統；插件；SQLite數據庫

0 引言

近幾年，伴隨著國內城市地鐵及其他隧道工程的快速發展，盾構得到了廣泛使用。盾構均配有數據采集監控系統，可將重要掘進參數存檔為歷史數據。如何從海量的歷史數據中快捷地分析統計盾構掘進工作狀態及施工用料消耗情況，是施工管理人員面臨的一大難題。通過軟件技術在盾構一環掘進完成后，自動將這一環的重要參數獲取分析后集中呈現形成報表，同時生成PDF格式文檔作為施工資料存入檔案,是一種非常有效的方法。目前國內外主要品牌盾構(如海瑞克、砝瑪通、上海隧道和鐵建重工)都有掘進報表系統。文獻[1]和文獻[2]介紹了鐵建重工開發的系統，其重點在于使用西門子軟件WinCC7.0自帶的報表功能;文獻[3]介紹了海瑞克的系統，其數據采集系統PDV中集成了自主開發的掘進報表；文獻[4]提到的報表功能指的是上海隧道開發的系統，其數據采集系統和報表功能是獨立開發的。

從目前來看，大多數盾構廠家都是在自己已成熟的數據采集系統基礎上為進一步挖掘數據而開發了盾構掘進報表功能，但都無法在不影響數據采集系統的使用上加裝或卸除報表功能，也不能在監控系統界面中瀏覽查看歷史報表文件，且環號數據依賴于導向系統。本文以中鐵系列盾構數據采集監控系統為基礎，分析了中鐵盾構數據格式，通過推導盾構相關參數數據計算環號，并采用數據庫、軟件插件等技術將開發的報表系統以可插拔的形式集成到數據采集監控系統中，既能在監控系統界面中查看，又能自動生成PDF格式文件存檔打印，系統運行可靠、安全，且具有獨立的自主知識產權。

1 總體方案設計

1.1 系統總體框架設計

考慮到報表系統與盾構上位機數據監控系統有著千絲萬縷的聯系，二者既相互關聯又相對獨立。如報表的源數據來自于上位機數據監控系統等，如何既能保證上位機版本不更新且正常穩定運行，又能使報表系統和上位機自動同步運行(報表系統是在中鐵系列盾構上位機監控系統的基礎上進行開發設計的)是需要解決的問題。綜合分析上述情況后，不建議報表系統作為獨立程序。本文采用的方式是系統以插件結構作為上位機的一種擴展功能集成在上位機中。插件結構是一種非常靈活的組件式軟件體系結構和開發方法，是可獨立開發的程序模塊，它能夠動態地插入到系統中，且可以被自由地刪除和替換；因此，它能夠提高軟件開發的并行性和開發效率，降低設計開發難度，縮短開發周期，增強應用程序的可運行性、可測試性和可維護性[5]。

系統的數據來源于上位機監控系統記錄的歷史數據，是一種自定義的二進制文件。系統的配置信息采用了SQLite數據庫，它是一種開源的、內嵌的關系型數據庫，數據庫功能全、體積很小，不需要擴展的數據庫服務，不需要網絡配置和管理，只需引用SQLite的動態鏈接庫DLL文件就和程序部署在一起，適用于中小規模程序[6]。數據分析計算的結果也存儲在SQLite數據庫中，當在界面查詢某環報表時，只需查詢數據庫數據，無需重復分析計算，方式快捷有效，且不占用計算機資源。系統總體框架見圖1。

圖1 系統總體框架

1.2 軟件開發流程圖

圖2為報表系統的程序流程圖。盾構上位機按一定周期記錄監控參數，當系統監測到環號發生變換時(即上一環推進結束、下一環準備開始時)，系統獲取此時時刻值作為上一環的結束時間和下一環的起始時間，并存儲在SQLite數據庫中；然后，系統從二進制數據文件中讀取上一環工作時間段的歷史數據，并從配置信息中讀取待處理的參數和處理方法，經過系統運算后再將結果保存到數據庫中，同時加載報表模板，按照數據綁定規則將系統運算的數據和報表模板控件逐一對應后生成PDF文件。

圖2 系統的程序流程圖Fig.2 Flowchart of the system

1.3 開發環境選擇

中鐵系列盾構數據采集系統的開發環境選擇了C#編程語言。C#語言作為目前軟件業的主流語言之一，幾乎集中了所有關于軟件開發和軟件工程研究的最新成果，包括面向對象、類型安全、組件技術、自動內存管理、跨平臺異常處理、版本控制和代碼安全管理[7]。在微軟系統中，Visual Studio是一套完整的編程、調試、生成、部署工具平臺，集成了Visual C#開發環境C#.Net，能高效、安全、共享式的開發C# 程序[7]。簡言之，數據采集系統是在Visual Studio 2010版本中C#.Net環境下開發系統程序的。

2 歷史數據格式分析

中鐵系列盾構歷史數據沒有采用通用的數據庫存儲，而是自定義的一種歷史數據存儲類型，命名為SD文件[8]。SD文件按照一定的存儲機制存儲實時數據、開關量數據和環累計數據等[8]。SD文件具體存儲了哪些參數數據，在監控系統的配置文件HmiOPCItems.xml中有定義。HmiOPCItems.xml文件部分內容見圖3。

圖3中，“Comment=‘主油箱油溫’”表示該參數的名稱；“Archive=‘true’”表示該參數是否保存歷史數據，“true”為保存；“DataType=‘R4’”為該參數的數據類型，歷史數據的數據類型見表1；“db40_8”為參數在計算機程序中的標簽名，因為程序代碼不方便處理漢字；“OPCItem”排列的順序是參數歷史數據在SD文件中排列的順序。對HmiOPCItems.xml文件中定義的、需保存歷史數據的參數進行分類，見表2。

圖3 HmiOPCItems.xml文件部分內容Fig.3 Part of the HmiOPCItems.xml file

表1歷史數據的數據類型
Table 1 Types of historical data

數據類型標識數據類型說明 R4實數U22字節正整數U44字節正整數B4離散型數值(值只有0和1)

表2 歷史數據的參數分類Table 2 Classification of parameters of historical data

3 關鍵技術點的實現

3.1 C#.Net實現軟件插件結構

C#提供的反射(Reflection)機制使得程序能夠動態地分析程序集，判斷一個DLL文件是否滿足接口的要求,并動態生成一個插件[9]。C#的接口、抽象類可以用于和插件通信。在設計過程中使用了接口，使得插件的發現(匹配)、載入和通信都非常簡單[9]。首先定義插件的接口，接口定義了預期的功能，這些功能并沒有描述具體怎么來完成，只是保證支持這些方法的調用；然后插件項目實現這個接口，每個具體的函數必須嚴格按照接口的定義完成所描述的功能；待編譯完成插件項目DLL文件后放在主程序的插件目錄中，主程序通過反射實例化這個插件，調用插件的接口方法，就實現了插件功能。插件將源代碼從主程序中分離出來，然后通過程序集反射機制載入主程序中,部分代碼見圖4。

圖4 反射機制加載插件部分代碼Fig.4 Part of the code of loading plug-in by reflection mechanism

3.2 環數判斷

環數的判斷有2種方式,一種是直接讀取導向系統測量數據，另一種是根據盾構采集數據自行計算得出。由于中鐵系列盾構導向系統中未接入監控網絡，系統無法從導向系統獲取掘進環數信息，需通過對歷史數據進行分析，用推進位移、總推力和盾構工作模式按鈕狀態3個參數來計算判斷環數是否加1。只要校準好起始環數，就能獲得準確的環數信息。環數判斷示意圖如圖5所示。

在圖5中,環起始點“_startOK”往右到環結束點“_endOK”范圍內，“_startOK”=true，“_endOK”=false?！癬startOK”=true的觸發條件如表3所示。環結束點“_endOK”往右到環起始點“_startOK”范圍內，“_endOK”=true，“_ startOK” =false?！癬endOK”=true的觸發條件如表4所示。環數加1的觸發條件如表5所示。

圖5 環數判斷示意圖Fig.5 Diagram of judgment on ring numbers

表3 “_startOK”=true的觸發條件Table 3 Trigger condition of “_startOK”=true

表4 “_endOK”=true的觸發條件Table 4 Trigger condition of “_endOK”=true

表5 環數加1的觸發條件Table 5 Trigger condition of number of rings plus 1

以上觸發條件中，“_locateLow”，“_locateHigh”，“_thrustRef”的默認值是根據實際情況分析歷史數據設定的。從圖4、表3—5中得知：當管片拼裝模式結束后，盾構啟動推進系統進入推進模式，總推力值和推進位移值開始上升；當總推力值大于“_thrustRef”設定值、多組油缸平均推進位移值小于“_locateLow”設定值時，設置環起始點標記“_startOK”為true；隨著推進位移值不斷上升，當其大于“_locateHigh”設定值時，預示一環馬上推進完畢，標記環結束點“_endOK”為true；當盾構推進完畢啟動管片拼裝系統進入管片模式后，判斷標記環結束點“_endOK”為true時，環號值加1，此時盾構進入新的一環工作。

3.3 系統配置信息和計算結果的數據庫設計

數據庫設計的科學性和合理性對于提高數據庫的運行效率和數據庫安全至關重要[10]。系統總體設計數據庫分為系統參數配置和環報表計算結果2類，在2類數據庫中建立相應的表。如環號信息表存儲了環號、環起始時間、環終止時間等信息；報表變量配置表存儲了哪些參數變量需要做成報表，報表涉及這些變量的哪些統計值，如最大值、最小值、平均值、持續時間等信息；界面控件數據綁定表存儲了報表值與報表模板標簽的對應關系，保證界面加載數據的正確；報表統計值表存儲了報表統計值。報表系統數據庫結構如圖6所示。

圖6 報表系統數據庫結構Fig.6 Structure of database of the report system

3.4 PDF文件生成

在C#.Net開發環境中，自帶的報表控件ReportViewer主要實現了本系統的界面，而該控件具有導出多種文件格式的功能,包括PDF格式，結合C#.Net中打印控件PrintDialog將PDF打印存檔到保存文檔。因此，在程序流程中，當一環結束后,ReportViewer控件首先根據數據庫表界面控件數據綁定表中的對應關系，將報表計算值填充到報表表格中,同時在內存中生成PDF格式數據傳遞給PrintDialog打印控件，Print-Dialog將自動完成打印功能，并將報表PDF文件存檔。

4 系統界面

報表瀏覽界面如圖7所示，在該界面中選擇環號后，點擊“查看”，顯示該環的起始時間、終止時間和環報表。“修改”可以通過調整一環的起始、終止時間，重新計算該環報表，防止系統自動記錄的環時間信息有誤，影響報表的結果。“刷新環號”是在報表重新計算修改后界面顯示的調整?！坝嬎銡v史數據環報表”是為了解決在盾構已經運行一段時間后才添加的報表功能補算之前的環報表?！按蜷_報表文件夾”可以打開PDF文件存放處，方便拷取PDF環報表文件。

圖7 報表瀏覽界面Fig.7 Browsing interface of report

5 結論與討論

通過自主開發軟件,掌握了盾構數據監控分析一整套技術,為施工人員快速分析海量盾構數據提供了強有力的幫助。同時，本系統有2大創新亮點：一是采用插件結構，使上位機的功能很方便地增減，而不用去重新編譯程序代碼；二是在無導向系統數據的情況下，利用記錄的盾構參數數據推理計算盾構的當前環數。

盡管利用記錄的盾構參數數據可以推理計算盾構的當前環數，但是這個數據和導向系統數據相比有延遲。推算的環數是在推進模式結束后、管片拼裝模式開始時變化的，即一環時間為管片拼裝模式+推進模式。導向系統環數是在管片拼裝模式結束后、推進模式開始前變化的，即一環時間為推進模式+管片拼裝模式。2組數據的時間相比，推算的環數時間比導向系統環數時間晚了一個管片拼裝模式時間，因此，本系統還有待進一步修改完善。

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DevelopmentofReal-timeMonitoringDataReportingSystemofShieldMachine

MA Qiang，PU Xiaobo

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

A monitoring data reporting system is designed for shield machines so that the tunneling management personnel can analyze the historical data of the shield machines conveniently.In the paper,the monitoring data reporting system is studied in terms of overall structure of the system,historical data analysis and key technology application.For the sake of the monitoring data reporting system mentioned,automatic data selection,automatic data filtering,automatic data statistics,automatic data calculation and automatic ring-based reporting file generation are realized.The data monitoring system has been applied on CREC shields,which demonstrates that the contractor and the client can know the conditions of the tunneling and the shields conveniently by means of the monitoring data reporting system and the management cost has been reduced dramatically.

shield monitoring data; data analysis; report system; plug-in; SQLite database

2014-08-13;

2014-09-04

馬強(1987—)，男，陜西扶風人，2010年畢業于長安大學，電子信息工程專業，本科，助理工程師，現從事隧道設備自動化和信息化研究與設計工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.015

U 455

A

1672-741X(2014)11-1107-05