局域網(wǎng)盾構(gòu)機使用授權(quán)管理系統(tǒng)研究

李才洪，李恒，何海波，陳文菊，周鴻雛

（中鐵工程服務(wù)有限公司設(shè)計研究院，四川 成都 610083）

隨著基礎(chǔ)建設(shè)和地下空間開發(fā)的大力推進，采用盾構(gòu)法進行隧道施工的工程量逐年增加，但由于盾構(gòu)機價格昂貴，施工企業(yè)越來越多地采用租賃盾構(gòu)機進行施工的業(yè)務(wù)模式。雖然采用租賃盾構(gòu)機的業(yè)務(wù)模式能夠使施工方最大化地降低工程施工成本，但就產(chǎn)權(quán)方來講，這種業(yè)務(wù)模式在實施中還存在許多問題，尤其是在施工方違反合同約定使用盾構(gòu)機時，產(chǎn)權(quán)方極度缺乏行之有效的限制手段和措施。

目前解決上述情況的方式主要有2種：（1）通過硬件手段來實現(xiàn)盾構(gòu)機的使用授權(quán)管理，如拔取盾構(gòu)機控制系統(tǒng)程序存儲卡或收取拼裝機無線遙控器，但采用該方式需要派遣人員前去盾構(gòu)施工現(xiàn)場拔取程序存儲卡或收取遙控器，容易引起與盾構(gòu)機租賃方的沖突，不利于工作進展；（2）通過軟件手段，比如更換盾構(gòu)機控制系統(tǒng)上位機操作界面的授權(quán)文件來實現(xiàn)盾構(gòu)機使用授權(quán)的管理，但這種方式所更換的使用授權(quán)文件只能設(shè)定固定的使用授權(quán)時間，若需要修改授權(quán)時間，需要專業(yè)的技術(shù)人員到施工現(xiàn)場進行修改并更換授權(quán)文件，不能根據(jù)實際要求靈活設(shè)定授權(quán)時間，且存在授權(quán)文件泄密的危險。基于此設(shè)計了一套盾構(gòu)機使用授權(quán)管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

本盾構(gòu)機使用授權(quán)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖與盾構(gòu)機控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，分別如圖1和圖2所示，由圖中可看出本盾構(gòu)機地授權(quán)管理系統(tǒng)主要包括3部分：（1）盾構(gòu)機控制單元、地下授權(quán)終端、網(wǎng)絡(luò)交換機；（2）光端機（地下）、光端機（地上）、網(wǎng)絡(luò)交換機、地面授權(quán)終端；（3）遠程的計算機或手機終端，其網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)與盾構(gòu)機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)基本一致。

由于盾構(gòu)機的控制單元是盾構(gòu)機運行的控制中樞，所有的控制指令都會匯集到控制單元，并由控制單元對輸入的控制指令進行邏輯判斷后發(fā)出相應(yīng)的動作指令，要實現(xiàn)盾構(gòu)機的使用授權(quán)管理，必須能夠?qū)崿F(xiàn)授權(quán)管理系統(tǒng)與控制單元之間的數(shù)據(jù)通訊，由于本系統(tǒng)與盾構(gòu)機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲基本一致，因此能夠與控制系統(tǒng)共用硬件，并采用與控制系統(tǒng)相同的通訊協(xié)議，比如TCP/IP協(xié)議或者OPC協(xié)議，以便于與控制系統(tǒng)更好的兼容以及減少硬件投入以降低成本。

2 系統(tǒng)構(gòu)成以及實現(xiàn)方法

本系統(tǒng)主要需要解決的是采用現(xiàn)有授權(quán)方式不能靈活設(shè)定盾構(gòu)機使用授權(quán)時間的技術(shù)問題，要求能夠靈活設(shè)定使用授權(quán)時間，幫助產(chǎn)權(quán)方快捷、安全、有效地管控盾構(gòu)機，為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本系統(tǒng)采用了如下技術(shù)方案。

圖1 使用授權(quán)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

盾構(gòu)機使用授權(quán)管理系統(tǒng)包括：授權(quán)終端（包括地下授權(quán)終端和地面授權(quán)終端）、權(quán)限判定模塊、計時模塊、時間判定模塊、控制模塊和報警模塊。

授權(quán)終端包括地下授權(quán)終端和地面授權(quán)終端，分別設(shè)置于盾構(gòu)機操作單元（如工控機）和地面監(jiān)控計算機，通過組態(tài)軟件或自主編程開發(fā)兩種方式開發(fā)授權(quán)終端軟件，可根據(jù)實際情況選擇實現(xiàn)方式。授權(quán)終端中設(shè)置有第一密匙，用于登錄授權(quán)終端。

權(quán)限判定模塊設(shè)置于授權(quán)終端，通過編程實現(xiàn)，用于判定操作人員是否具備登錄授權(quán)終端和進行授權(quán)操作的權(quán)限，權(quán)限判定模塊比對操作人員輸入的密匙和授權(quán)終端中設(shè)置的第一密匙，其輸入的密匙與第一密匙相同的則可登錄授權(quán)終端。另外在所述授權(quán)終端中還設(shè)置有第二密匙，當(dāng)操作人員輸入授權(quán)時間后，需再次輸入密匙，權(quán)限判定模塊比對操作人員輸入的密匙是否正確，若正確則輸入的授權(quán)時間有效；反之輸入的授權(quán)時間無效。

計時模塊設(shè)置于盾構(gòu)機的控制單元，通過編程的方式直接將計時模塊嵌入到控制程序中，用于存儲授權(quán)終端中操作人員輸入的授權(quán)時間，并且基于設(shè)置的授權(quán)時間進行倒計時。授權(quán)時間倒計時有2種方式可以實現(xiàn)，2種方式各有優(yōu)劣。第一是通過讀取控制單元或操作單元的系統(tǒng)時間來實現(xiàn)倒計時，但是該方式的倒計時功能受到系統(tǒng)時間的影響，可靠性和安全性不高；第二是通過編程實現(xiàn)倒計時功能，倒計時的時間存儲于控制單元中，不受系統(tǒng)時間異常變化的影響，但是可通過停止運行盾構(gòu)機控制單元來暫停倒計時。在盾構(gòu)機使用過程中，控制單元若停止運行將影響施工安全，一般都必須處于通電運行狀態(tài)，長時間停止的可能性非常小，因此本系統(tǒng)采用了第一種方式。

時間判定模塊設(shè)置于盾構(gòu)機的控制單元，通過編程的方式直接將時間判定模塊嵌入到控制程序中，用于采集計時模塊中剩余的授權(quán)時間，并與預(yù)設(shè)的盾構(gòu)機停止時間進行比對，若剩余授權(quán)時間大于預(yù)設(shè)的盾構(gòu)機停止時間，則生成推進功能使能信號；若剩余的授權(quán)時間小于或等于預(yù)設(shè)的盾構(gòu)機停止時間，則不生成推進功能使能信號，這個推進功能使能信號將在控制模塊中作為盾構(gòu)機地推進功能啟動的必要條件。

控制模塊設(shè)置于盾構(gòu)機的控制單元，通過編程的方式直接將控制模塊嵌入到控制程序中，控制模塊采集時間判定模塊是否發(fā)出盾構(gòu)機的推進功能使能信號，若采集到使能信號，則允許啟動盾構(gòu)機的推進功能。若未采集到使能信號，則盾構(gòu)機的推進功能無法啟用。

報警模塊設(shè)置于盾構(gòu)機的控制單元，通過編程的方式直接將報警模塊嵌入到控制程序中，報警模塊中預(yù)設(shè)有第一預(yù)警時間，報警模塊通過采集計時模塊中剩余的授權(quán)時間與預(yù)設(shè)的第一預(yù)警時間進行比對，若剩余的授權(quán)時間小于或等于預(yù)設(shè)的第一預(yù)警時間，則報警模塊持續(xù)發(fā)出預(yù)警信號，提醒租賃方所剩余的授權(quán)時間，直至所剩余的授權(quán)時間大于預(yù)設(shè)的第一預(yù)警時間或者授權(quán)時間用盡時發(fā)出停止報警。報警模塊中還設(shè)置有第二預(yù)警時間即盾構(gòu)機停止時間，所述報警模塊比對剩余的授權(quán)時間與預(yù)設(shè)的第二預(yù)警時間，所述剩余的授權(quán)時間小于或等于第二預(yù)警時間的，則報警模塊報警，提醒客戶盾構(gòu)機授權(quán)時間用盡以及推進功能已禁止。

本盾構(gòu)機使用授權(quán)管理系統(tǒng)既可在現(xiàn)場輸入密匙登錄地下授權(quán)終端或者地面授權(quán)終端對盾構(gòu)機的使用授權(quán)時間進行設(shè)定，完成盾構(gòu)機的使用授權(quán)，也可通過遠程方式對盾構(gòu)機進行授權(quán)，即使用手機或遠程計算機終端通過互聯(lián)網(wǎng)遠程連接地面授權(quán)終端，輸入密碼進入地面授權(quán)終端中對盾構(gòu)機的使用授權(quán)時間進行設(shè)定，從而完成對盾構(gòu)機的使用授權(quán)。

在地面監(jiān)控計算機、手機和遠程計算機上均設(shè)置有遠程協(xié)助終端，比如TeamViewer、向日葵等軟件，將地面監(jiān)控計算機上安裝的遠程協(xié)助終端按照軟件要求設(shè)置，將會生成一個唯一賬戶和相對應(yīng)的密碼。通過在手機或遠程計算機上的遠程協(xié)助終端輸入地面監(jiān)控計算機遠程協(xié)助終端的賬戶和密碼，向地面監(jiān)控計算機發(fā)起遠程操控請求，實現(xiàn)對地面監(jiān)控計算機的遠程操控，即可登錄地面授權(quán)終端，完成對盾構(gòu)機的使用授權(quán)。

3 系統(tǒng)授權(quán)流程

本盾構(gòu)機使用授權(quán)管理系統(tǒng)的授權(quán)流程如圖3所示，從圖中可以清楚地看出本系統(tǒng)實現(xiàn)盾構(gòu)機使用授權(quán)管理的全過程。

圖3 授權(quán)流程示意圖

4 結(jié)語

本盾構(gòu)機使用授權(quán)管理系統(tǒng)通過設(shè)置盾構(gòu)機的授權(quán)使用時間，實現(xiàn)了盾構(gòu)機的使用授權(quán)管理功能，有效地加強了產(chǎn)權(quán)方對盾構(gòu)機的管控能力，幫助產(chǎn)權(quán)方規(guī)避盾構(gòu)機租賃方違背合同約定使用盾構(gòu)機的行為。另外為了避免盾構(gòu)機因為使用授權(quán)時間用盡突然停機影響施工進度，本系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r顯示剩余授權(quán)時間，還特意設(shè)置了使用時間不足預(yù)警以提醒操作人員。為了最大程度的保障設(shè)備和施工的安全，本授權(quán)管理系統(tǒng)在使用授權(quán)時間用盡需要停止盾構(gòu)機時，采用的方式是僅限制盾構(gòu)機的推進功能的使用，盾構(gòu)機的其他所有功能均可正常使用，因此，該盾構(gòu)機使用授權(quán)管理系統(tǒng)具有極大的實際應(yīng)用價值。目前本系統(tǒng)已成功在多臺盾構(gòu)機上得到了實際應(yīng)用，取得了非常好的應(yīng)用效果。