面向多源異構信息融合的隧道群組裝備數據提取技術研究

張合沛， 陳 饋

(盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

在國家基礎設施發展戰略實施的大背景下，公路、鐵路、城市軌道交通等建設正如火如荼開展。根據《2020年交通運輸行業發展統計公報》[1]及《2021—2027年中國城市交通行業市場全景分析及發展趨勢研究報告》[2]顯示，截至2020年底，我國建成運營高速鐵路隧道3 631座，總長達6 000 km。隨著國家隧道建設的不斷推進，隧道施工管理的目標、方式等勢必更加精細和高效。

近幾年來，在隧道工程裝備安全運行保障等信息化建設方面已經取得一些新進展。為解決隧道通車后照明、通風、消防等設備的健康維護及高效管理問題，劉攀等[3]結合高速公路隧道“建、管、養”發展趨勢及管理方式轉變的要求,提出依托云計算、大數據等技術建設隧道機電設備綜合管控平臺來實現隧道機電設備安全管控、健康監測與預警、養護管理等功能。為科學監測、診斷盾構驅動電機的實時狀態，駱駿德等[4]通過加裝壓電式加速度傳感器對隧道掘進機主驅動電機振動信號進行采集,并通過信號分析軟件對采集通道進行實時監測,對振動數據進行時域分析。在隧道質量監測方面，黃富禹等[5]提出了基于物聯網技術的隧道自動化變形監測系統，其采用全站儀、水準儀等外設設備+檢測系統進行數據采集和實時分析。楊肖寧[6]對已投入運營的快速路燈光、通風及交通標志等隧道機電設備的自動化控制系統改造進行系統分析,針對目前隧道智能運營管理手段缺失及智能化水平偏低的問題提出解決方案。為實時有效監測分布式盾構的工作狀態，黃惠群等[7]提出基于OPC統一架構技術的解決方案來實現不同品牌、不同類型盾構的實時數據采集和存儲，通過Internet傳輸至數據服務器,對數據進行加工處理，并進行Web網頁的可視化展示，實時監測系統實現了對多臺分布式盾構的監測。在隧道機電設備運行狀態監測方面，郭鎮江等[8]提出基于RFID及ZigBee技術的隧道機電設備運行監測系統，但僅對系統架構及實現思路進行了定性概述，未詳細闡明設備物聯、運行數據采集、數據傳輸等技術問題。

目前，物聯網技術在隧道施工建設領域的應用主要集中在盾構掘進、施工環境監測、工程質量監測及隧道運營后機電系統運行監測與評價等方面，針對施工機電裝備運行數據的采集、數據分析等技術問題研究較少，且偏于理論研究[9]。究其原因，一方面與行業間技術遷移進程有關(目前工業制造、家居等領域發展較成熟)； 另一方面，與隧道施工機電設備種類多、型號多、數據類型多樣復雜及設備物聯難度大有關。另外，隧道及地下工程施工領域機電設備種類多樣，布設范圍廣，作業模式及工況各異，日常維保、應急處置、資源協同、安全監管、健康預防等均依賴于人工,開展基于物聯網技術的隧道施工群組裝備大數據管理勢在必行。鑒于此，本文進行了基于物聯網技術的隧道施工群組裝備多源異構運行數據采集系統設計研究。

目前，基于物聯網技術的多源異構數據采集方法主要有傳感器物聯和流數據物聯2種，2者均具有可擴展性。傳感器物聯方案在實際實施中需要保持傳感器同構，且傳感設備的資源和匹配能力有限； 另外，多傳感系統也很難做到時間同步，不利于復雜協議部署[10]。因此，對于復雜、封閉、安全要求高的系統其應用具有較大局限性。流數據物聯通過設備端通信接口進行數據感知，此方法中數據須首先完成協議解析，然后按照規定的格式進行整理并上傳。在流數據物聯方案中，往往需要增加數據適配層為系統提供統一接口。實現設備流數據聯網有2種路徑： 1)對現有設備控制器進行適度改造，使其具備物聯能力； 2)開發獨立的數據采集模塊，通過設備既有的通信接口(串口、以太網口等)獲取(讀取)運行數據[11-12]。從實際情況來看，通過隧道施工群組裝備(控制器)改造來實現物聯的方法幾乎難以實現，而通過增加1層系統運行數據采集單元則更合理。

1 隧道施工群組設備物聯網總體方案

隧道掘進工程以項目為單位進行施工管理，施工場地具有明確的區域和空間范圍。以地鐵施工項目為例，施工工區分為地面工區和地下工區，地面工區配置有足夠的土地空間，四周有柵欄隔離，內部有序分布著各功能區，如生活區、倉儲區、建材加工區、辦公室等； 地下工區主要是隧道掘進區。隧道內工程裝備主要有隧道機車、盾構等，盾構作業范圍與施工進度有關，從幾百m到幾十km不等。盾構通過專用光纜與地面進行通信(光纜線盤部署在拖車平臺，伴隨著盾構的前進而自主拖放光纜)； 隧道機車來往于洞口與盾構之間，承擔著施工建材、人員、掘進渣料的運輸。考慮到盾構、隧道機車的作業工況和信息化建設現狀，本著經濟、合理、便捷、高效的原則，盾構作業機器參數傳輸借用現有光纜進行通信，隧道運輸機車的運行數據獲取采用“實時采集+本地存儲及數據呈現+洞口自動聯網上傳”的解決思路，其中，本地數據的實時分析及應用主要為機車司機提供基本駕駛參考。

結合隧道及地下工程領域實際施工情況，面向隧道施工裝備的物聯網系統總體解決方案設計如圖1所示。方案由5個關鍵部分組成，分別為設備數據采集層、局域組網通信層、邊緣終端數據應用管理層、公網數據傳輸層和大數據中心管理層[13-14]。

1)設備數據采集層。通過Modbus、CANopen等現場總線采集施工群組裝備實時、連續的工作狀態，經過數據融合采集終端的解析、抓取，并整合成特定格式的數據幀，通過局域無線網絡傳輸給邊緣終端。

2)局域組網通信層。基于WIFI、LoRa、電臺等無線通信技術，在項目施工現場部署無線網關設備，各采集單元通過局域無線網絡可實現互聯、數據傳輸。

3)邊緣終端數據應用管理層。通過高性能邊緣終端接收現場數據，開展本地數據的處理、存儲及轉發等工作。邊緣處理及應用子系統用于實現本工程項目部的設備管理目標。

4)公網數據傳輸層。本地數據通過地面上的3G/4G/5G無線通信網關(或光纜)傳輸到大數據中心。為保證數據安全，需采取必要的網絡安全防控措施，如數據加密、VPN通道傳輸等。無線傳輸和有線傳輸互為冗余，支持優先級網絡選擇設置。

5)大數據中心管理層。主要開展數據處理、分析和應用相關工作。中心管理層可在多工程、多設備數據分析的基礎上，為資源調度、施工支持、管理決策等提供一攬子信息方案支撐。

本文主要圍繞設備數據采集層和局域組網通信層如何實現進行系統研究。

2 數據采集系統

2.1 隧道施工群組裝備數據采集技術方案

施工現場群組裝備主要通過變頻器、單片機、PLC等實現施工設備的運行控制，另外一些零星設備未使用電腦板操控，因此，設備運行數據的獲取優先通過現有數據接口(如COM端口、CAN端口等)來實現。

數據融合采集終端以指定的頻率通過通信協議，從終端設備(變頻器、PLC等)獲取需要的狀態信息。考慮到數據融合采集終端的應用場景不同，需要在軟、硬件配置上做兼容設計，并在實際工程應用中做系列化設計。多源異構數據的差異化主要體現在設備所屬控制器的硬件接口、通信協議、數據產生頻次以及電流、電壓的不同(經調研，隧道施工相關設備均為國內外一線品牌，通信接口均采用國際標準，同一廠家同類設備其通信協議保持一致)。本文對相關設備的控制模式、控制器品牌、物理接口、通信協議等做了系統梳理，如圖2所示。在圖2的基礎上，數據采集終端對多類型、多廠家設備的技術協議進行了集成化設計，實現了多源異構設備的物理連接、協議解析等能力。

圖2 異構裝備物聯網數據采集方案

2.2 數據融合采集終端設計

數據融合采集終端通過串口、網口等采集龍門吊、泥水分離系統、隧道電瓶機車等裝備的運行參數和工作狀態，通過傳輸協議TCP/IP傳輸給群組裝備智能互聯邊緣終端，采用DTU技術可實現數據的雙向穩定傳輸。圖3為串口型數據融合采集終端技術架構。在“一對多”(指COM端口采集終端同時連接1個以上變頻器)的場景下，需要保證主芯片對外的多通道通信能力，單通道芯片在實際應用中雖然可以通過外圍電路實現多串口擴展，但面對多控制器的多數據包同步接收時就會出現擁堵、排隊問題，高時效性的數據采集就無法得到保障。另外，擴展而來的采集端口亦無法對多設備(變頻器)進行識別標定，缺乏了數據與設備檢定映射關系，最后的數據分析、應用也無從談起。

圖3 串口型數據融合采集終端技術架構

數據融合采集終端外設多通道RS485接口，具備多設備數據同時采集的能力，單采集終端可同時對外連接多個設備，連接的數量與數據采集芯片的性能相關。對于時效性不強且設備端支持數據自定義的場景，仍然可以采用單通道+外圍擴展接口的方式處理，以提升實際應用的經濟性。

異構多源數據采集過程中面臨的一個重要問題是“設備-數據-采集終端”的身份信息關聯識別。理想的做法是設備端、采集端均進行名稱或ID號標定，操作時則不需要再費時費力地進行一對一配置。但實際上，由于外部設備各種條件的限制，在設備端完成名稱標定很難實現。本文的做法是： 系統在現場部署完成后，對數據融合采集終端的對外數據接口進行編號，此編號等同于設備編號。如此，也較好解決了“設備-運行數據”的可靠關聯難題。

在數據通信關系方面，主要通過適配模式來解決異構連接問題，適配模式的技術核心工作為“數據融合采集終端-設備”和“數據融合采集終端-服務器”。前者完成通信協議的數據偵聽、解析、數據篩選和抓取；后者完成數據封裝、數據緩存及本地存儲。數據采集流程如圖4所示。

數據融合采集終端以指定的頻率通過Modbus、CANopen等通信協議，從終端設備(變頻器、PLC)獲取所需要的狀態等信息，數據融合采集終端從獲取到的狀態信息中解析出指定的狀態參數，并組合成數據幀(包括起始幀、數據長度、校驗碼等)，數據融合采集終端以客戶端模式把數據包發送給邊緣終端，數據幀格式如表1所示。

1)第0，1字節為幀起始，固定為2字節的0x55，0x55；

2)第2，3 字節為數據長度(包含所有字節)；

3)第4字節為站號；

4)第5字節為設備號(單項目所連設備數遠小于255，故設計為1個字節)；

5)xx表示節點數據(依據應用條件定義字節數量)；

6)xxxx表示數據幀最后2個字節，為校驗值，即單個數據幀前邊所有的字節計算出的CRC值。

圖4 數據采集流程

表1 數據幀格式

數據幀的格式需要充分考慮其通用性、兼容性，一旦確定下來，則需要形成標準，否則后續變更導致的數據格式多樣會給數據應用帶來諸多難題。

2.3 局域網數據通信設計

網關肩負多源異構數據的收發，完成數據到邊緣計算主機之間的實時通信工作。網關兼容WIFI、LoRa、藍牙等多種數據類型的協調器，將數據融合采集終端收集來的設備運行數據利用TCP/IP協議封裝的異構數據上傳至群組裝備智能互聯邊緣終端。通信網關硬件設計架構如圖5所示。

數據融合采集終端以客戶端模式連接現場無線網關(基站)，信息匯總橋接邊緣終端，群組裝備智能互聯邊緣終端自主向所轄數據融合采集終端發布廣播信息或向指定設備發布參數和控制命令，網絡經初始配置完成，后續若無設備資產異動，數據融合采集終端與群組裝備智能互聯邊緣終端之間可實現自定義區域組網通信[15]。TCP/IP通信組網技術架構和基于TCP/IP通信協議的區域組網拓撲圖分別如圖6和圖7所示。

圖5 通信網關硬件設計架構

圖6 TCP/IP通信組網技術架構

圖7 基于TCP/IP通信協議的區域組網拓撲圖

終端設備通信組網方式采用TCP/IP通信協議進行，系統由邊緣終端、集成通信模塊的數據融合采集終端和無線基站等組成。數據融合采集終端通訊分類兼容OPC協議、CANopen及Modbus協議等，數據融合采集終端通過串口、網口等采集龍門吊、泥水分離系統、隧道機車等裝備的運行參數和工作狀態；同時，經兼容性算法設計的各數據融合采集終端與無線基站之間進行系統上電無間隔自適應動態通訊設計，通過網關傳輸給群組裝備智能互聯邊緣終端，采用DTU技術可實現數據的雙向穩定傳輸。

3 試驗部署與應用

首先，通過室外無線基站AP構建項目現場群組設備智能互聯無線局域網; 然后，通過龍門吊、泥水分離系統等設備的數據融合采集終端設置同一網段固定IP，建立多終端采集無線局域網絡； 最后，基于群組裝備智能互聯邊緣終端的采集軟件系統完成多源異構信息提取，經過預處理，數據幀通過專用VPN安全通道發送到大數據中心。

根據該研究成果在深圳春風路隧道項目開展了龍門吊、泥水分離系統等設備的智能互聯測試，隧道施工群組裝備多源異構信息智能互聯提取系統如圖8所示。

圖8 隧道施工群組裝備多源異構信息智能互聯提取系統

同時，根據該研究成果在高原鐵路雅安至林芝段項目進行了龍門吊、鋼拱架自動生產線等群組裝備系統優化測試，針對高原鐵路隧道工程的群組裝備智能互聯多源異構信息融合方法和管理系統分別如圖9和圖10所示。

圖9 群組裝備智能互聯多源異構信息融合方法

圖10 高原鐵路隧道施工群組裝備智能互聯管理系統

4 結論與展望

本文借助自動化感知、信息化判識等技術手段，對隧道施工群組裝備多源異構數據的獲取方法進行了研究，提出了基于物聯網技術的隧道施工群組裝備智能互聯方案，并對方案的有效性、可行性開展了實踐論證工作。本研究工作首次實現了隧道施工群組裝備的物聯互通，成功解決了隧道施工現場(老舊)群組裝備運行參數兼容性提取的技術難題，為后續多源數據融合及實際應用提供了技術基礎，主要表現在： 1)隧道施工群組裝備智能互聯數據采集及數據管理模型已經搭建完成； 2)基于Modbus等協議的數據采集終端已研制成功并進行測試應用； 3)實現了泥水平衡盾構施工現場泥水分離系統等設備和敞開式TBM施工現場連續皮帶機等群組裝備多源異構運行數據的有效提取。

本文所述的隧道施工群組裝備多源異構運行數據提取技術，其采集方式為主動數據獲取，對于非通用數據接口或協議未公開的設備，數據采集工作需要設備廠家提供支持，否則難以完成設備物聯。另外，對于無控制器的設備，數據獲取仍需要考慮安裝儀表、傳感器等輔助設備來實施。

基于物聯網技術的隧道施工群組裝備多源異構信息提取方法的研究和成功實踐是隧道建設實現信息化施工的關鍵前提之一，施工裝備的智能互聯在施工風險預警、設備故障分析、事件追溯、安全監控、資源優化配置等多方面均具有較強的現實意義。

對于隧道施工群組裝備的物聯網、數據管理、數字施工，需要做的工作還有很多，如多源異構數據的集成化數據深度分析，構建適用于項目管理先進要求的大數據管理模型(平臺)等。