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盾构集群远程监控与智能化决策支持系统的开发与应用

作者:  发布:2015/7/27  浏览:
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摘 要:以成都地铁4号线6标2台盾构机为研究对象,开发了盾构集群远程监控与智能化决策支持系统,该系统实现了盾构机的集群式远程监控与管理,应用可视化技术将盾构施工中的三图一表进行了展示,利用盾构机的实时数据实现了盾构机施工状态的智能化识别。首先介绍了整个系统的构架,接着详细阐述了盾构机的实时数据采集、传输、存储和处理系统;然后阐述了盾构机远程监控系统的开发过程和主要功能,最后对该系统的应用和升级进行了展望。

  0 引言

  根据中国城市轨道交通协会统计,截止2013年末,全国19个城市共开通城市轨道交通运营里程2746km。目前国内共有37个城市正在新建地铁,预计2013—2018年中37个城市将建设轨道交通里程3127km,估算总投资1.86万亿元。目前我公司共有30余台盾构机,分布于全国各地铁施工城市,如何方便高效地管理和监控这些盾构机的运行一直是公司面临的难题。目前国内外的盾构机远程监控系统功能单一,主要集中在对盾构机运行参数的监控上,缺乏对数据的有效分析;对隧道曲线、地质情况、地面沉降等的监控;没有实现对不同品牌盾构机、不同品牌PLC、跨地区远距离的集群式监控。

  本文以成都地铁4号线6标2台盾构机为研究对象,开发了盾构集群远程监控与智能化决策支持系统(以下简称“盾构远程监控系统”)。该标段盾构工程包含两区间,骡马市—太升路区间和太升路—省文联区间,区间全长3156.922m,工期2013-01-01—2014-07-15,地质情况以砂卵石为主。隧道采用2台国产盾构机施工,PLC为西门子S7-400系列。

  1 盾构远程监控系统的构架

  盾构远程监控包括数据采集和远程信息管理2个子系统,分别采用C/S(client/server)模式与B/S(browser/server)模式,整个系统架构如图1所示。

图1 盾构远程监控系统构架

  1.1数据采集子系统

  该系统数据包括机器实时数据和人工数据。机器实时数据采集系统采用C/S模式。数据采集服务器安装在盾构施工项目部地面监控室内,数据采集服务器与盾构机PLC采用光纤进行通信,保证传输速度和传输信号不受电磁干扰。数据采集客户端通过OPC server与盾构机PLC进行数据交换。OPC是嵌入式过程控制标准,是用于服务器/客户机连接的开放式接口标准和技术规范,是一种开放的、与应用程序无关的系统接口标准,能够实现从不同品牌PLC中读取数据。

  数据采集客户端通过VPN将数据发送到数据中心数据接收客户端,数据接收客户端将接收的数据写入实时数据库中存储。VPN用于在公用网络上建立专用网络,进行加密通讯,保证数据传输的安全性。数据采集服务器采用双网卡,分别与盾构机PLC和因特网连接。采用双网卡实现了盾构机以太网与因特网不直接互通,保证了盾构机以太网运行的安全。

  数据采集服务器具有缓存功能,能在因特网连接断开时实现对采集数据的缓存,当网络通信正常时再传回数据中心,保证采集数据的连续性和完整性。人工数据包括地面沉降监控数据、出土量记录、拼环数据、注浆数据等。

人工数据由盾构施工人员在施工时进行记录,当班工作结束后由数据录入员统一录入。

  1.2远程信息管理子系统

  远程信息管理子系统采用B/S模式,用户通过个人电脑、平板和智能终端的浏览器进行访问。Web服务器内安装IIS,用于发布和管理远程信息管理子系统。IIS是由微软公司提供的基于运行Microsoft Windows的互联网基本服务,用于运行发布的网站并进行管理。系统的访问通过用户名认证和用户权限进行管理。用户设置三级权限,包括管理员级、公司级和项目级,每一级用户根据工作设置不同的读、写、改权限。

  2 远程监控系统开发

  2.1数据库设计

  数据库是盾构远程监控系统中的重要组成部分,数据库的设计考虑使用效率、性能、完整性和扩展性等,对系统的正常运行有着重要的影响。按照数据服务对象的不同,数据库分为基础数据库、实时数据库、盾构机数据库和项目数据库。

  基础数据库是整个系统的基础,用于管理所有用户信息、权限数据、项目信息、盾构机信息和图片信息等。基础数据库中存储使用率高的通用数据,是维持系统正常运行的必要条件。

  实时数据库用于存储从盾构机PLC采集的实时数据。数据采集服务器采集的数据,通过网络传输到数据中心的数据接收服务器,由数据接收服务器将数据写入实时数据库,供应用程序调用。

  项目数据库用于存储施工项目的数据,包括人工数据和自动数据,数据总量大。为了减轻服务器的存储压力,提高服务器性能和访问速度,项目完工后可以将项目数据库从服务器中移除,保持在其他存储器中。

  盾构机数据库用于存储某台盾构机的数据,它贯穿于盾构机的整个生命周期,数据总量大。数据库中存储智能化处理后的数据、当班日志、施工状态记录等。

  2.2软件开发

  盾构远程监控系统采用C#语言,以ASP.NET为开发平台。ASP的优点有:采用B/S结构,客户端不需安装软件,只要装有浏览器便可通过互联网远程访问;产品开发周期短,开发难度小;与浏览器无关,ASP所使用的脚本语言均在Web服务器端执行,用户端的浏览器不需要执行脚本语言;Active Server Page的源程序,不会被传到客户端浏览器,可以避免源程序被他人剽窃和提高系统的安全性;ASP使用ADO对象、ODBC,OLE-DB和事务处理管理器,数据库应用开发简单。

  盾构远程监控软件采用原型法开发。原型法即“所见即所得”法,开发方先根据用户现有管理思路和初步需求设计出一个原型,用户在原型的基础上提出更进一步的意见,开发方根据用户意见进行修改,经过多次循环便能完全挖掘用户的需求及管理意图。最后,开发方根据确定的需求进行最终的编程和实施。原型法的优点是可以充分挖掘出用户需求,系统开发完成后,使用率较高,不会出现无效开发,但是对开发方而言,其工作量和成本投入是结构化生命周期法的数倍。

  盾构远程监控系统的关键技术:①盾构机集群监控技术;②数据库技术;③数据处理技术;④软件开发技术;⑤网络安全技术。

盾构远程监控系统的创新点:①盾构机集群管理系统建立了公司级的全国盾构机集群施工管理平台,实现了对公司所有盾构在建项目的统一管理。②“三图一表”可视化技术即地质剖面图、地面建筑物平面图、隧道曲线图、操作指令表的可视化技术,方便公司管理和技术人员对施工情况的总体掌握。③盾构机施工状态的智能化识别技术借助于智能化施工状态分析技术,实现了盾构机施工状态的自动化识别,解决了人工录入数据的缺陷。

  3 远程监控系统的主要功能

  3.1公司级系统

  公司级系统整合了企业所有的项目信息,包括企业项目地图、企业项目对比和后台管理。企业项目地图的主要功能是实现项目分布信息的展示,如图2所示。该模块展示了企业在建项目在全国的分布和各省施工盾构机概况及数量统计,便于公司级用户了解企业在建项目在全国的总体情况,进而实施施工决策。

图2 企业项目地图

  图2中,有问题企业项目对比用于展示所有盾构在建项目的对比,包括掘进环数、掘进距离、各工序的消耗时间、施工效率等。通过各项目施工对比分析,帮助公司领导层对项目的总体掌握及决策。对比分析中生成的报表可以直接打印或者下载到本地。

  后台管理模块包括2个部分:用户信息管理和项目信息设计。用户信息管理包括新用户的创建、用户管理、用户权限的分配、用户权限的更改等;项目信息设计包括盾构机和项目信息的初始化,并生成与之对应的数据库;导入项目初始化所需要的地面建筑物平面图、隧道曲线图、地质剖面图、盾构机图片等文件;对项目运行所需要的各项阈值、传感器数据等信息进行设置。

  3.2TBM级系统

  TBM级系统用于对某个具体项目的盾构机的信息管理,包括项目决策、掘进管理、机器数据、物资管理、维护保养和报表6个模块。

项目决策模块用于对项目中“三图一表”的集中展示。在隧道平面图中,将展示该盾构施工的地面建筑物平面图、隧道曲线、盾构施工进度(已掘进环数通过黄色标识)、地质钻探点数据、沉降监控数据等,如图3所示。该模块还包括地面沉降监控数据、地层力学特性信息、地质信息的录入,查看地面沉降监控点沉降数据的变化趋势。

图3 隧道平面示意

  掘进管理模块包括盾构队管理和掘进数据管理两部分。盾构队管理包括盾构队人员职能创建、人员信息的管理和盾构队人员的组成等。掘进数据管理用于盾构施工中人工数据的录入和查看,包括掘进数据、施工工序数据、出土量数据、停机数据等。人工数据是对自动数据的补充和更正,两套数据在系统中独立运行,以自动数据为主,人工数据为辅。

  机器数据模块是整个系统的重要模块,如图4所示。该模块用于对盾构机施工实时数据的监控和历史数据的分析,方便对盾构机进行管理和故障诊断。该模块包括主监控界面、泡沫与累计量、注浆/铰接/盾尾密封、盾体位姿、可视化面板、历史曲线、历史数据6个部分。历史曲线和历史数据用于分析盾构机掘进情况,以曲线和数据列表的形式展示,并且可以导出数据保存到本地。

图4 机器数据

  物资管理模块包括刀具管理和施工耗材两部分。刀具管理包含定义刀具的类型、刀具在刀盘的分布、刀具采购信息、刀具消耗信号、刀具维修信息等,可以对刀具的更换信息进行统计和分析。施工耗材用于对施工中所用的水泥、砂石、粉煤灰等的采购、消耗、库存、成本控制等信息的管理,实现对盾构施工中成本风险的有效控制。

  维护保养模块用于对盾构机的保养情况管理,包含初始计划维护录入、维护信息录入、维护状态首页、查看维护记录、查看维护计划等功能。对于盾构机的维护项目,系统将以“绿、黄、红”灯的形式展示盾构机维护保养的状态,确保盾构机的正常运行。报表模块包括日志分析、业绩分析和停机分析3个子模块。

  报表模块是整个系统信息输出的重要部分,通过报表模块的使用,可查看施工过程中的施工情况和进度信息。系统以盾构机的实时数据和人工数据为基础,通过数据分析和盾构机施工状态的智能化识别,将结果以报表的形式展示给用户,使用户可以查看每天、每周和每月完成的工作量、各工序的时间及所占百分比,分析施工过程中的停机原因,为优化管理提供数据支持。

  4 结语

  盾构集群远程监控与智能化决策支持系统的开发是跨学科的技术,实现了自动控制技术、数据库技术、互联网技术、软件开发技术、网络安全技术等在系统中的综合运用。该系统的运用将对盾构机施工的安全风险、成本风险、工期风险等进行更好的监控。采集盾构机整个生命周期中在不同地质水文条件、工程条件和环境条件下施工的数据,有利于盾构施工大数据数据库的建设。该系统的应用,将为盾构施工管理决策提供参考,但在系统的功能、软件的智能化分析方面可以进一步完善。

作者:陈文远 张继宏 王国庆

转自:《施工技术》

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