一種基于Web的盾構施工實時管控系統研究

侯保俊 李大偉 李 明 高 墅 王洪亮 王金成 李陽春

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

引言

隨著大規模使用盾構機進行施工，區間隧道施工的機械化、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一定的差異，其管理的模式及觀念也隨之改變。現階段對于盾構施工管理上存在以下問題：

1)部分管理人員存在對盾構施工管理經驗不足，沒有相關成功經驗可尋；

2)盾構機設備分散，不同施工單位使用也存在差異，在管理上難度大；

3)無法及時了解盾構施工狀態，對盾構施工安全風險狀態的管理存在漏洞；

4)盾構施工信息化程度高，但對于業主方的管理達不到信息共享的效果。

1 現有研究及發展情況

1.1 系統分類

現階段盾構實時監控平臺主要分為兩類，一是在盾構工業電腦上運行組態軟件實現，即純軟件客戶端從盾構機工業電腦上采集數據，傳送至現場電腦，再傳送至監控中心[1]； 二是以盾構機(TBM)上額外安裝采集服務器(黑匣子)與工業電腦連接方式采集相關數據[2-3]，傳輸至現場電腦服務器，再傳送至監控中心。

圖1 盾構數據采集、解譯、傳輸和存儲系統Fig. 1 Shield data acquisition， interpretation， transmission and storage system

1.2 盾構系統功能分析

盾構施工相比其他橋梁、道路、房建施工有其特殊性，如作業位置集中、循環施工往復快、信息集中程度高、施工參數的正確選取及波動直接影響施工風險等。

盾構實時監控系統作為指導盾構施工的信息化手段，從使用功能上分析應具有基本功能和附加功能，具體如下：

(1)基本功能

1)設備數據遠程實時監控；

2)平面圖、縱斷面圖三圖實時展示盾構機位置、所處地質及風險信息；

3)風險管理；

4)施工過程關鍵參數預警報警；

5)施工進度匯總分析；

6)視頻監控；

7)隱患排查；

8)手機APP。

(2)附加功能

1)施工及設備維護記錄及設備問題查找；

2)監測測量、監測預警及安全評估管理報告管理；

3)工程質量管理；

4)盾構機施工歷史統計；

5)事故案例及知識庫，培訓功能；

6)通訊數據異常顯示；

7)統計報告；

8)自動生成掘進評估報告；

9)人員定位及物聯網；

10)方案、交底、檢查記錄等文檔。

2 系統結構設計

盾構施工中需要采集的數據分為兩種：一種是通過盾構機PLC直接采集到的實時數據，如：盾構機掘進參數(推力、扭矩、土倉壓力、盾構姿態等)[4]、注漿壓力、主軸承及盾尾密封及其他輔助參數； 一種是人工錄入的數據，如：監測點每日的監測數據。

2.1 基本原理

盾構實時數據自動采集，并從盾構工控機傳輸至現場地面監控室電腦，通過互聯網將數據實時傳輸至地鐵公司監控中心服務器，用戶通過互聯網訪問地鐵公司監控中心服務器即可實時查看盾構施工數據。

圖2 系統基本原理Fig. 2 Basic Principles of the System

2.2 系統層級架構

(1)層級架構

盾構施工實時監控系統自底層至頂層分別是基礎設施層、數據中心層、共享組件層以及業務應用層[5]，具體見圖3。

圖3 系統層次Fig. 3 System Level

基礎設施層：配置系統運行的基礎硬件設備。

數據中心層：實現對信息系統所有信息與數據的集中、有序管理。

共享組件層：根據業務需要，對技術組件進行擴展，如：顯示盾構機掘進位置的GIS地圖的應用組件、提取及存儲盾構機掘進參數的數據集成組件、展示盾構掘進信息的圖表組件等。

業務應用層：面向用戶的界面層，包括首頁地圖、實時監控、推進監控、注漿及添加劑監控、參數管理、監控量測、系統管理等模塊。

(2)優點

采用四層的系統結構有利于功能拓展與可移植性，以便與建設單位或者施工單位總部辦公系統整合。

2.3 系統功能架構

本系統包含了上文1.2節中的各項功能，此處僅對本系統風險源提示、掘進參數統計分析兩個主要功能進行簡要描述。

(1)風險源提示

通過將前期調研、評估出的風險源錄入系統，系統在盾構機刀盤到底風險源位置前自動推送風險提示至管理人員，提醒注意風險源并采取措施。

(2)掘進參數分析、預警

通過對幾個主要的掘進參數進行統計分析，剔除無效數據后進行數理統計分析，得出幾個參數在近5環、50環等以往掘進過程中的算術平均數、標準方差和離散關系，并與實時掘進參數進行對比，以展示掘進參數的變化情況，各掘進參數一旦偏離出正態分布或超過預設的閥值，系統將自動發出掘進參數預警，以提醒盾構司機及管理人員注意控制掘進參數。

2.4 系統軟件架構

(1)數據庫讀取方法

采用ADO技術訪問數據庫實現對盾構施工中自動采集的數據的讀取。

1)盾構廠家提供WEBserives接口[6]：安全風險管理系統服務器端安裝數據抓取客戶端，該客戶端通過WEBserives主動抓取中控室監視電腦數據存入服務器數據庫；

2)盾構廠家提供能夠直接訪問數據庫的接口：將在中控室監視電腦上安裝數據上傳客戶端，該客戶端將中控室電腦的掘進參數數據上傳至安全風險管理系統數據庫服務器。

圖4 盾構實時監控子系統Fig. 4 Shield Tunnel Real-time Monitoring Subsystem

(2)接口技術

采用ADO技術訪問數據庫，通過ODBC的方法同數據庫接口連接。ADO是一個基于OLEDB之上的對象模型[7-8]，包含了所有可以被OLEDB標準接口描述的數據類型。

需提供中控室監視電腦的數據讀取接口。具體要求如下：

1)盾構廠家提供WebService或能夠直接訪問數據庫的接口；

2)接口能夠訪問中控室監視電腦的數據庫的所有未加密的數據，若數據已加密，需提供數據解密方法或獲取已解密數據的方法；

3)接口讀取出的數據應包括洞內盾構機的各項掘進參數的數據；

4)接口要有接口說明文檔，包括函數調用方法及其參數說明、數據庫中表的說明及表中各字段的說明、數據庫中字段與掘進參數的對應清單；

5)提供中控室監視電腦中監視軟件的展示界面。

(3)圖形輸出技術

利用面向對象的編程技術實現曲線圖、柱狀圖和餅狀圖等多種二維圖形的輸出。

3 軟硬件環境

在確定系統結構后，通過從軟件環境、硬件環境整合系統特點、資源，在保證系統工作效率的條件下，盡量降低系統的運營維護成本。本系統采用B/S模式，即瀏覽器/服務器模式。本模式下，用戶瀏覽器端處理事務極少，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器端，這樣大大降低用戶電腦段的運輸負載，節省整體成本預算。

3.1 軟件環境

本盾構系統軟件環境主要如下:

1)服務器操作系統：Windows Server 2016；

2)數據庫：MySQL；

3)編程語言：.net；

4)通信協議：http；

5)客戶端瀏覽器：IE。

3.2 硬件環境

(1)數據存儲計算中心

在地鐵公司辦公樓或工程公司總部設在數據中心，架設WEB服務器和存儲陣列，將各標段、項目監控室數據匯至數據中心，以便為客戶端提供服務。

(2)現場地面監控室

在各盾構法施工始發站需建立中控室。中控室內設置2臺控制電腦(左右線各1臺)，且電腦能夠實時獲取洞內盾構機的各項掘進參數的數據及對應的時間點，該數據需存入控制電腦的數據庫，存入頻率不能小于1次/s；

(3)盾構機工業電腦

盾構機數據是由西門子PLC提供存儲邏輯中樞控制器，它是各種傳感器溝通橋梁。通過在中控主機或者地面觀測站創建一個OPC Server服務[9-10]專門用來處理PLC與PC機之間處理通信。

4 數據采集、數據庫、通信

4.1 數據采集

盾構機普遍采用西門子PLC，本盾構系統采用西門子專用的FETCH/WRITE應用層協議，數據采集單元作為Client連接PLC[11]，發送接收數據請求，而后PLC以此協議提供的格式返回所要的數據。

盾構機數據是由西門子PLC提供存儲邏輯中樞控制器，它是各種傳感器溝通橋梁。通過在中控主機或者地面觀測站創建一個OPC Server服務專門用來處理PLC與PC機之間處理通信，這個服務是PLC官方提供對外比較成熟組態通信接口，只需要在地面觀測站寫一個OPC Client采集客戶端就能將相關數據讀取保存到本地，通過網絡將數據傳輸到各數據中心。

圖6 數據采集Fig. 6 Data acquisition

4.2 數據庫設計

數據庫采用MySQL，具備多個管理模塊，如圖7。

圖7 系統數據庫結構Fig. 7 System database structure

4.3 網絡通信

(1)盾構機內部

盾構設備中，PLC系統普遍選用西門子S7-300 系列，支持多點接口(MPI)、過程現場總線(Profibus)和工業以太網等通信子網，盾構機內部各設備間可選用RJ45網線。

(2)盾構機—地面監控室

為保障數據傳輸的信號穩定性，尤其是在承載視頻監控的情況下，綜合考慮洞內傳輸距離普遍在600m以上，甚至數千米，本系統選用光纖作為洞內傳輸介質，實現中控電腦與TBM/盾構實時監控系統集成服務器的雙向訪問。

(3)地面監控室—監控中心

由于盾構機數據量較小，當不承載視頻監控畫面時，可直接使用普通家用寬帶(ADSL)； 當需要承載視頻監控畫面時，由于ADSL上傳帶寬較小，建議采用VPN專用網絡，以提供更高的上傳效果。

(4)用戶—監控中心

普通用戶可直接使用普通寬帶登錄網站使用本系統。

圖8 盾構實時監控系統網絡方案Fig. 8 Network Scheme

5 效果及影響

5.1 效果

本系統實現對盾構施工的掘進參數、姿態導向數據等信息的共享與分析。

(1)實時在線監測：系統直接從盾構機備份數據庫實時讀取數據，最低延時可控制在1s以內，能夠實時監測盾構機各項掘進參數信息。同時，系統只從備份數據庫中提取數據，不對盾構機施工進行遠程控制，也保證了盾構施工的安全。

(2)海量數據處理能力：能夠對每秒產生的海量盾構監測數據進行數據存儲、分析和預警處理，實現數據的高效利用。

(3)先進的預警機制：建立預警模型，分析土倉壓力、推進力、刀盤扭矩、注漿量等關鍵信息，并自動產生預警信息，推送提醒相關責任人。

(4)融合GIS，實現直觀展示：系統融合了GIS(地理信息系統)[12]，實現對盾構施工進度、周邊建(構)物沉降情況、所處地層信息的融合展示，以全面掌控盾構區間的安全狀態。

(5)規范的界面設計：具備報表、圖表的多種展現形式，提供友好的提示框指引用戶操作[13]。

5.2 影響及網絡安全

(1)客戶端影響

盾構上工業電腦與現場地面監控室電腦之間以光纖傳輸數據，傳輸軟件安裝在監控室電腦上，盾構工業機上不安裝任何軟件，可以保證盾構工業電腦上相關盾構控制系統不受干擾。

(2)網絡安全

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控室內，對整個系統只是占用一定網絡帶寬，以及影響地面工作站電腦的機器內存以網絡流量； 另外一個可能預知風險，地面工作站能上互聯網，可能會存在黑客入侵風險，只要網絡策略安全合理，這方面是完全可以避免的。

6 結語

基于Web的盾構機遠程監控系統實現了多臺盾構機集中監控、多用戶通過互聯網查看盾構機掘進信息和掘進預警等功能，使得系統使用更加科學合理，本系統存在以下特點：

(1)采用ADO技術訪問數據庫，通過ODBC的方法同數據庫接口連接，避免了在盾構機行額外安裝專用數據采集服務器，初始連接更為方便。

(2)系統采用四層的系統結構有利于功能拓展與可移植性，可根據后期需要添加不同的功能模塊。

(3)本系統提供盾構機掘進的各項實施數據，如推進系統、導向系統、同步注漿、添加劑等系統參數，便于管理層掌握施工情況。

(4)本系統不依賴額外的數據采集器及專用網絡，僅需普通ADSL寬度即可工作，系統運營維護成本低。

本盾構實時監控系統可以應用于城市地鐵建設的地鐵公司了解各標段施工情況或者自身具有盾構機施工能力的施工單位總公司用來掌握、了解本公司各項目盾構機的使用情況。通過盾構實時系統的運行，為上層決策層、管理處及現場工程師提供盾構機施工信息情況，提供更詳細的決策信息和建議。