一种基于Web的盾构施工实时管控系统研究

侯保俊 李大伟 李 明 高 墅 王洪亮 王金成 李阳春

(1.中铁大连地铁五号线有限公司，大连 116000； 2.北京安捷工程咨询有限公司，北京 100000)

引言

随着大规模使用盾构机进行施工，区间隧道施工的机械化、信息化程度提升，不可避免地与暗挖法和钻爆法隧道施工管理上出现一定的差异，其管理的模式及观念也随之改变。现阶段对于盾构施工管理上存在以下问题：

1)部分管理人员存在对盾构施工管理经验不足，没有相关成功经验可寻；

2)盾构机设备分散，不同施工单位使用也存在差异，在管理上难度大；

3)无法及时了解盾构施工状态，对盾构施工安全风险状态的管理存在漏洞；

4)盾构施工信息化程度高，但对于业主方的管理达不到信息共享的效果。

1 现有研究及发展情况

1.1 系统分类

现阶段盾构实时监控平台主要分为两类，一是在盾构工业电脑上运行组态软件实现，即纯软件客户端从盾构机工业电脑上采集数据，传送至现场电脑，再传送至监控中心[1]； 二是以盾构机(TBM)上额外安装采集服务器(黑匣子)与工业电脑连接方式采集相关数据[2-3]，传输至现场电脑服务器，再传送至监控中心。

图1 盾构数据采集、解译、传输和存储系统Fig. 1 Shield data acquisition， interpretation， transmission and storage system

1.2 盾构系统功能分析

盾构施工相比其他桥梁、道路、房建施工有其特殊性，如作业位置集中、循环施工往复快、信息集中程度高、施工参数的正确选取及波动直接影响施工风险等。

盾构实时监控系统作为指导盾构施工的信息化手段，从使用功能上分析应具有基本功能和附加功能，具体如下：

(1)基本功能

1)设备数据远程实时监控；

2)平面图、纵断面图三图实时展示盾构机位置、所处地质及风险信息；

3)风险管理；

4)施工过程关键参数预警报警；

5)施工进度汇总分析；

6)视频监控；

7)隐患排查；

8)手机APP。

(2)附加功能

1)施工及设备维护记录及设备问题查找；

2)监测测量、监测预警及安全评估管理报告管理；

3)工程质量管理；

4)盾构机施工历史统计；

5)事故案例及知识库，培训功能；

6)通讯数据异常显示；

7)统计报告；

8)自动生成掘进评估报告；

9)人员定位及物联网；

10)方案、交底、检查记录等文档。

2 系统结构设计

盾构施工中需要采集的数据分为两种：一种是通过盾构机PLC直接采集到的实时数据，如：盾构机掘进参数(推力、扭矩、土仓压力、盾构姿态等)[4]、注浆压力、主轴承及盾尾密封及其他辅助参数； 一种是人工录入的数据，如：监测点每日的监测数据。

2.1 基本原理

盾构实时数据自动采集，并从盾构工控机传输至现场地面监控室电脑，通过互联网将数据实时传输至地铁公司监控中心服务器，用户通过互联网访问地铁公司监控中心服务器即可实时查看盾构施工数据。

图2 系统基本原理Fig. 2 Basic Principles of the System

2.2 系统层级架构

(1)层级架构

盾构施工实时监控系统自底层至顶层分别是基础设施层、数据中心层、共享组件层以及业务应用层[5]，具体见图3。

图3 系统层次Fig. 3 System Level

基础设施层：配置系统运行的基础硬件设备。

数据中心层：实现对信息系统所有信息与数据的集中、有序管理。

共享组件层：根据业务需要，对技术组件进行扩展，如：显示盾构机掘进位置的GIS地图的应用组件、提取及存储盾构机掘进参数的数据集成组件、展示盾构掘进信息的图表组件等。

业务应用层：面向用户的界面层，包括首页地图、实时监控、推进监控、注浆及添加剂监控、参数管理、监控量测、系统管理等模块。

(2)优点

采用四层的系统结构有利于功能拓展与可移植性，以便与建设单位或者施工单位总部办公系统整合。

2.3 系统功能架构

本系统包含了上文1.2节中的各项功能，此处仅对本系统风险源提示、掘进参数统计分析两个主要功能进行简要描述。

(1)风险源提示

通过将前期调研、评估出的风险源录入系统，系统在盾构机刀盘到底风险源位置前自动推送风险提示至管理人员，提醒注意风险源并采取措施。

(2)掘进参数分析、预警

通过对几个主要的掘进参数进行统计分析，剔除无效数据后进行数理统计分析，得出几个参数在近5环、50环等以往掘进过程中的算术平均数、标准方差和离散关系，并与实时掘进参数进行对比，以展示掘进参数的变化情况，各掘进参数一旦偏离出正态分布或超过预设的阀值，系统将自动发出掘进参数预警，以提醒盾构司机及管理人员注意控制掘进参数。

2.4 系统软件架构

(1)数据库读取方法

采用ADO技术访问数据库实现对盾构施工中自动采集的数据的读取。

1)盾构厂家提供WEBserives接口[6]：安全风险管理系统服务器端安装数据抓取客户端，该客户端通过WEBserives主动抓取中控室监视电脑数据存入服务器数据库；

2)盾构厂家提供能够直接访问数据库的接口：将在中控室监视电脑上安装数据上传客户端，该客户端将中控室电脑的掘进参数数据上传至安全风险管理系统数据库服务器。

图4 盾构实时监控子系统Fig. 4 Shield Tunnel Real-time Monitoring Subsystem

(2)接口技术

采用ADO技术访问数据库，通过ODBC的方法同数据库接口连接。ADO是一个基于OLEDB之上的对象模型[7-8]，包含了所有可以被OLEDB标准接口描述的数据类型。

需提供中控室监视电脑的数据读取接口。具体要求如下：

1)盾构厂家提供WebService或能够直接访问数据库的接口；

2)接口能够访问中控室监视电脑的数据库的所有未加密的数据，若数据已加密，需提供数据解密方法或获取已解密数据的方法；

3)接口读取出的数据应包括洞内盾构机的各项掘进参数的数据；

4)接口要有接口说明文档，包括函数调用方法及其参数说明、数据库中表的说明及表中各字段的说明、数据库中字段与掘进参数的对应清单；

5)提供中控室监视电脑中监视软件的展示界面。

(3)图形输出技术

利用面向对象的编程技术实现曲线图、柱状图和饼状图等多种二维图形的输出。

3 软硬件环境

在确定系统结构后，通过从软件环境、硬件环境整合系统特点、资源，在保证系统工作效率的条件下，尽量降低系统的运营维护成本。本系统采用B/S模式，即浏览器/服务器模式。本模式下，用户浏览器端处理事务极少，只提供给使用者界面的查看、查找，主要的逻辑处理都在服务器端，这样大大降低用户电脑段的运输负载，节省整体成本预算。

3.1 软件环境

本盾构系统软件环境主要如下:

1)服务器操作系统：Windows Server 2016；

2)数据库：MySQL；

3)编程语言：.net；

4)通信协议：http；

5)客户端浏览器：IE。

3.2 硬件环境

(1)数据存储计算中心

在地铁公司办公楼或工程公司总部设在数据中心，架设WEB服务器和存储阵列，将各标段、项目监控室数据汇至数据中心，以便为客户端提供服务。

(2)现场地面监控室

在各盾构法施工始发站需建立中控室。中控室内设置2台控制电脑(左右线各1台)，且电脑能够实时获取洞内盾构机的各项掘进参数的数据及对应的时间点，该数据需存入控制电脑的数据库，存入频率不能小于1次/s；

(3)盾构机工业电脑

盾构机数据是由西门子PLC提供存储逻辑中枢控制器，它是各种传感器沟通桥梁。通过在中控主机或者地面观测站创建一个OPC Server服务[9-10]专门用来处理PLC与PC机之间处理通信。

4 数据采集、数据库、通信

4.1 数据采集

盾构机普遍采用西门子PLC，本盾构系统采用西门子专用的FETCH/WRITE应用层协议，数据采集单元作为Client连接PLC[11]，发送接收数据请求，而后PLC以此协议提供的格式返回所要的数据。

盾构机数据是由西门子PLC提供存储逻辑中枢控制器，它是各种传感器沟通桥梁。通过在中控主机或者地面观测站创建一个OPC Server服务专门用来处理PLC与PC机之间处理通信，这个服务是PLC官方提供对外比较成熟组态通信接口，只需要在地面观测站写一个OPC Client采集客户端就能将相关数据读取保存到本地，通过网络将数据传输到各数据中心。

图6 数据采集Fig. 6 Data acquisition

4.2 数据库设计

数据库采用MySQL，具备多个管理模块，如图7。

图7 系统数据库结构Fig. 7 System database structure

4.3 网络通信

(1)盾构机内部

盾构设备中，PLC系统普遍选用西门子S7-300 系列，支持多点接口(MPI)、过程现场总线(Profibus)和工业以太网等通信子网，盾构机内部各设备间可选用RJ45网线。

(2)盾构机—地面监控室

为保障数据传输的信号稳定性，尤其是在承载视频监控的情况下，综合考虑洞内传输距离普遍在600m以上，甚至数千米，本系统选用光纤作为洞内传输介质，实现中控电脑与TBM/盾构实时监控系统集成服务器的双向访问。

(3)地面监控室—监控中心

由于盾构机数据量较小，当不承载视频监控画面时，可直接使用普通家用宽带(ADSL)； 当需要承载视频监控画面时，由于ADSL上传带宽较小，建议采用VPN专用网络，以提供更高的上传效果。

(4)用户—监控中心

普通用户可直接使用普通宽带登录网站使用本系统。

图8 盾构实时监控系统网络方案Fig. 8 Network Scheme

5 效果及影响

5.1 效果

本系统实现对盾构施工的掘进参数、姿态导向数据等信息的共享与分析。

(1)实时在线监测：系统直接从盾构机备份数据库实时读取数据，最低延时可控制在1s以内，能够实时监测盾构机各项掘进参数信息。同时，系统只从备份数据库中提取数据，不对盾构机施工进行远程控制，也保证了盾构施工的安全。

(2)海量数据处理能力：能够对每秒产生的海量盾构监测数据进行数据存储、分析和预警处理，实现数据的高效利用。

(3)先进的预警机制：建立预警模型，分析土仓压力、推进力、刀盘扭矩、注浆量等关键信息，并自动产生预警信息，推送提醒相关责任人。

(4)融合GIS，实现直观展示：系统融合了GIS(地理信息系统)[12]，实现对盾构施工进度、周边建(构)物沉降情况、所处地层信息的融合展示，以全面掌控盾构区间的安全状态。

(5)规范的界面设计：具备报表、图表的多种展现形式，提供友好的提示框指引用户操作[13]。

5.2 影响及网络安全

(1)客户端影响

盾构上工业电脑与现场地面监控室电脑之间以光纤传输数据，传输软件安装在监控室电脑上，盾构工业机上不安装任何软件，可以保证盾构工业电脑上相关盾构控制系统不受干扰。

(2)网络安全

采集程序只做读取操作，不做写入操作，目前都是安装在地面监控室内，对整个系统只是占用一定网络带宽，以及影响地面工作站电脑的机器内存以网络流量； 另外一个可能预知风险，地面工作站能上互联网，可能会存在黑客入侵风险，只要网络策略安全合理，这方面是完全可以避免的。

6 结语

基于Web的盾构机远程监控系统实现了多台盾构机集中监控、多用户通过互联网查看盾构机掘进信息和掘进预警等功能，使得系统使用更加科学合理，本系统存在以下特点：

(1)采用ADO技术访问数据库，通过ODBC的方法同数据库接口连接，避免了在盾构机行额外安装专用数据采集服务器，初始连接更为方便。

(2)系统采用四层的系统结构有利于功能拓展与可移植性，可根据后期需要添加不同的功能模块。

(3)本系统提供盾构机掘进的各项实施数据，如推进系统、导向系统、同步注浆、添加剂等系统参数，便于管理层掌握施工情况。

(4)本系统不依赖额外的数据采集器及专用网络，仅需普通ADSL宽度即可工作，系统运营维护成本低。

本盾构实时监控系统可以应用于城市地铁建设的地铁公司了解各标段施工情况或者自身具有盾构机施工能力的施工单位总公司用来掌握、了解本公司各项目盾构机的使用情况。通过盾构实时系统的运行，为上层决策层、管理处及现场工程师提供盾构机施工信息情况，提供更详细的决策信息和建议。