基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道掘進機故障篩選及預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)

張迅博

摘要：國內(nèi)盾構(gòu)機在施工時，在盾構(gòu)機掘進過程中時常會遇到各種突發(fā)情況，然而報警信息無法及時傳遞到技術(shù)專家手中，這為盾構(gòu)施工埋下了安全隱患。為解決這一困難，文章設(shè)計了一套基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道掘進機故障篩選及預(yù)警系統(tǒng)，能實現(xiàn)實時搜集多臺盾構(gòu)機施工中的報警信息，通過因特網(wǎng)匯集到遠端服務(wù)器，利用故障篩選及預(yù)警系統(tǒng)，實時向技術(shù)專家，業(yè)主，監(jiān)理發(fā)出預(yù)警短信。系統(tǒng)保障了施工人員及機械的安全，提高了管理效率節(jié)約了項目成本。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機；報警篩選；短信預(yù)警

0 引言

我國在盾構(gòu)施工法方面已然有一定成功經(jīng)驗，但仍然存在不足。城市地下隧道項目，往往是多個施工企業(yè)，多個工地同時施工，位置分布廣且分散。施工時常有突發(fā)情況，如何高效率地處理故障，規(guī)避風(fēng)險，減少成本是擺在人們面前的問題。

對于隧道工程施工安全狀態(tài)的評判，主要包括2個方面的內(nèi)容。（1）通過施工現(xiàn)場采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，加以管理、分析；（2）通過分析計算，事先確定隧道施工安全警戒值。最后通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)同安全警戒值的比較，即可以實現(xiàn)對隧道安全狀態(tài)的判斷。

1 總體系統(tǒng)方案

1.1 總體框架

地下隧道里把盾構(gòu)機的報警數(shù)據(jù)先通過局域網(wǎng)傳輸?shù)降厣希缓笤倩诨ヂ?lián)網(wǎng)進行遠程傳輸?shù)筋A(yù)警篩選系統(tǒng)，過濾后的報警再通過短信網(wǎng)關(guān)，把預(yù)警信息傳遞給專家，業(yè)主，監(jiān)理。總體框架分為地上和地上2個部分來描述。

1.1.1 地下

（1）PLC：作為盾構(gòu)機的電氣控制中樞，通過傳感器采集盾構(gòu)機工作時的各種參數(shù)并匯集到PLC中以及傳送主控室中下達的命令控制各個元器件。（2）主控室：盾構(gòu)機控制室的Pc客戶端讀取PLC中的數(shù)據(jù)并形象化展現(xiàn)出來，供盾構(gòu)施工人員參考。

1.1.2 地上

（1）監(jiān)控室：地面控制室的PC中常駐服務(wù)器，負責(zé)讀取PLC的實時數(shù)據(jù)和人機界面上的歷史數(shù)據(jù)并存儲，再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給遠端服務(wù)器。（2）預(yù)警篩選系統(tǒng)：該系統(tǒng)作為報警及預(yù)警的核心，接收從各地項目上實時傳來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)一個智能專家?guī)靵磉M行報警篩選。（3）短信網(wǎng)關(guān)：該網(wǎng)關(guān)提供一個第三方的短信接口，來向指定人群發(fā)送短信。（4）專家：指行業(yè)專家、業(yè)主方和監(jiān)理方。

1.2 通信協(xié)議及開發(fā)框架

報警及預(yù)警系統(tǒng)其中一部分是從地下盾構(gòu)機到工地地面項目部，隧道在掘進過程中，因為距離長，要考慮信號的衰減以及帶寬，可選用光纖接入。光纖的抗干擾、帶寬高、速度快，傳輸距離遠使其成為更優(yōu)選。

OPC是PLC與PC數(shù)據(jù)交換的接口，而西門子OPC的實現(xiàn)只能通過西門子專有的OPC Server軟件。比如Simatic NET，MatrikonOPC Server。

實時傳輸協(xié)議使用UDP協(xié)議通信。這個系統(tǒng)是性能優(yōu)先，允許一定量丟包。在系統(tǒng)開發(fā)中選擇利用廠商提供的通信接口，然后使用C#語言開發(fā)系統(tǒng)功能模塊。

2 報警篩選及短信預(yù)警開發(fā)方案

2.1 報警篩選系統(tǒng)

該系統(tǒng)的核心為報警篩選專家?guī)欤瑥墓さ馗黜椖坎繀R集的報警信息是否達到預(yù)警閡值，構(gòu)成預(yù)警條件，其判斷依據(jù)就是報警篩選專家?guī)臁＜規(guī)焓怯伤淼朗┕し矫娴耐聊尽C電專家依據(jù)地質(zhì)情況，盾構(gòu)自身性能特點形成的報警條件庫。每條報警判斷值由中文語義組成。比如，“刀盤速度大于x轉(zhuǎn)/分”“油箱油位油溫高于X度”“推進泵壓力小于設(shè)定值”“冷卻液位持續(xù)異常X秒”“皮帶機急停、按繩、跑偏不正常”等。匯集的報警值進入報警篩選庫進行匹配篩選，匹配成功則進入預(yù)警流程。

上述報警如“X項鉸接位移之和再乘以Y系數(shù)大于設(shè)定最大值”是中文語義，對于人們來說很好理解。將其轉(zhuǎn)換成表達式：

（第1項鉸接位移+第2項鉸接位移）*Y系數(shù)=設(shè)定最大值。

上述表達式為中綴表達式，但對于計算機來說確不容易被解析。所以采用后綴表達式來描述。

逆波蘭記法不需要括號來標(biāo)識操作符的優(yōu)先級。把上述表達式轉(zhuǎn)為后綴表達式：

第1項鉸接位移第2項鉸接位移+Y系數(shù)*=設(shè)定最大值。

可以看到，上面的后綴表達式已經(jīng)不需要括號。這樣使計算機理解起來就非常容易。把中綴表達式轉(zhuǎn)為后綴可以采用二叉樹進行轉(zhuǎn)換。在利用二叉樹來表示表達式時，用葉子節(jié)點來存儲操作數(shù)，用內(nèi)部節(jié)點存儲操作符。

2.2 短信網(wǎng)關(guān)

采用第三方的短信網(wǎng)關(guān)，它基于TCP協(xié)議，數(shù)據(jù)包壓縮傳輸，通訊效率高，使用SOCKET5的80端口。相比于WebService效率更高。（基于SOAP協(xié)議，通訊效率低，跨平臺的可互操作特性、不受防火墻限制。）

可以發(fā)送即時和定時短信，發(fā)送短信到第三方平臺，第三方平臺收到短信數(shù)據(jù)后，即時提交到短信網(wǎng)關(guān)。

3 結(jié)語

基于互聯(lián)網(wǎng)的隧道掘進機故障篩選及預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)了多個工地上多臺盾構(gòu)集中實時傳輸報警數(shù)據(jù)，解決了大型施工單位擁有多臺盾構(gòu)，且盾構(gòu)施工地分散不易管理，避免同時施工時造成故障不易預(yù)警，延遲解決給施工帶來的傷害，提高了管理效率節(jié)約了管理成本，具有很好的推廣價值。