基于盾構(gòu)大數(shù)據(jù)的隧道施工狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

帥志勇，張昆峰，張 恒

（1.中鐵十一局武漢重型裝備有限公司，湖北武漢 430301；2.中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北武漢 430074；3.武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430048）

1 背景

盾構(gòu)是集機(jī)械、電氣、液壓、控制、光學(xué)、網(wǎng)絡(luò)信息等技術(shù)于一體的高附加值復(fù)雜裝備。為了保證隧道施工過程中盾構(gòu)設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠，需要經(jīng)常對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具的磨損情況、主軸承性能狀態(tài)等進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)保養(yǎng)，但當(dāng)前的檢測(cè)手段需要在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)進(jìn)行[1-2]。在設(shè)備實(shí)施過程中反復(fù)進(jìn)行停機(jī)維修監(jiān)測(cè)，不僅影響盾構(gòu)機(jī)施工質(zhì)量和進(jìn)度，耗費(fèi)大量人力和財(cái)力，而且存在工作強(qiáng)度大、監(jiān)測(cè)精度差等問題。

隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，數(shù)字技術(shù)已成為改革傳統(tǒng)盾構(gòu)模式的重要手段，高效的智慧盾構(gòu)設(shè)施管理已成為盾構(gòu)裝備發(fā)展中的熱點(diǎn)問題[3-5]。其中，以信息輸入、存儲(chǔ)、查詢、顯示和分析的地理信息系統(tǒng)構(gòu)建，及以盾構(gòu)工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)的各類信息流的管理和傳輸，是影響智慧盾構(gòu)關(guān)鍵功能分析的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)這類關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，一方面可利用地理信息設(shè)計(jì)制造可靠的盾構(gòu)施工裝備，總結(jié)出高效的盾構(gòu)施工方案；另一方面，可利用統(tǒng)一的盾構(gòu)信息模型對(duì)全壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，實(shí)現(xiàn)施工過程中工程材料、資源、供應(yīng)鏈的可視化管理[6-7]。

在盾構(gòu)施工過程中，大量過程數(shù)據(jù)被采集并存儲(chǔ)下來，包括油液、振動(dòng)、整機(jī)性能的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及通過信息化監(jiān)控方式存儲(chǔ)下來的各類檢測(cè)信息。如何利用海量的盾構(gòu)大數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)機(jī)開展剩余壽命評(píng)估，并據(jù)此提出盾構(gòu)長(zhǎng)壽命周期最優(yōu)解決方案指導(dǎo)盾構(gòu)施工，是智慧盾構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容[8-9]。

為全面了解隧道掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)整體機(jī)況、人員與施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等關(guān)鍵信息，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種盾構(gòu)施工狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可隨時(shí)、隨地監(jiān)管盾構(gòu)機(jī)刀盤、姿態(tài)等盾構(gòu)參數(shù)。此外，可運(yùn)用各種施工參數(shù)的數(shù)據(jù)關(guān)系，結(jié)合工程人員以往處理數(shù)據(jù)的習(xí)慣，用以提升工程管理人員的工作效率。

2 盾構(gòu)施工的信息采集

2.1 盾構(gòu)機(jī)組裝調(diào)試

盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)包括主機(jī)、連接橋與后配套，主機(jī)包含刀盤、主驅(qū)動(dòng)、殼體、螺旋機(jī)等；連接橋包含皮帶機(jī)進(jìn)料口、牽引梁、管片運(yùn)輸系統(tǒng)、聯(lián)絡(luò)走廊等；后配套包含皮帶機(jī)、輔助系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。其中，刀盤由刀具（滾刀、切刀、先行刀、魚尾刀、仿形刀等）和刀盤主體結(jié)構(gòu)組成，刀盤主體配置有注入口、開口槽、周邊開口、耐磨板條和攪拌棒等特征結(jié)構(gòu)。主軸承是連接盾構(gòu)刀盤與動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，承受盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的主要載荷。液壓系統(tǒng)作為盾構(gòu)機(jī)的核心部件之一，是盾構(gòu)機(jī)動(dòng)力的主要來源。某一型號(hào)大直徑盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，其主機(jī)總長(zhǎng)13.4 m，整機(jī)總長(zhǎng)約128 m，重量2 700 t，裝備總功率約6 174 kW。

圖1 大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

對(duì)盾構(gòu)機(jī)電氣、液壓、各系統(tǒng)組成進(jìn)行調(diào)試，組裝完成后進(jìn)行空載運(yùn)行，檢查各設(shè)備是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖2 所示?？蛰d測(cè)試完成后對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行整機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)試，測(cè)試盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)性能，驗(yàn)證其是否滿足盾構(gòu)施工各類工況需求。

圖2 盾構(gòu)機(jī)的調(diào)試運(yùn)行

2.2 盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)采集與傳輸

智慧盾構(gòu)系統(tǒng)功能主要包括采集、監(jiān)控、評(píng)估與預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集；實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與量測(cè)數(shù)據(jù)的管控，對(duì)參建各方現(xiàn)場(chǎng)巡視情況、視頻信息的快速傳遞及人員考勤的協(xié)同監(jiān)控管理；實(shí)現(xiàn)對(duì)施工建設(shè)階段安全風(fēng)險(xiǎn)排查、評(píng)估、預(yù)報(bào)與報(bào)警信息的及時(shí)發(fā)布。

數(shù)據(jù)采集與傳輸如圖3 所示，主要采集門吊、電瓶車、盾構(gòu)機(jī)及其他施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要求能靈活配置采集源、采集預(yù)設(shè)模板，支持在線輕編輯、一鍵發(fā)送，以達(dá)到準(zhǔn)確、同步遙控采集端配置數(shù)據(jù)的目的。此外，該系統(tǒng)的外部接口支持可編程邏輯控制器（PLC）、跨編程語言和操作系統(tǒng)平臺(tái)的遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)（Webservice）、數(shù)字波束形成或數(shù)字波束合成（DBF）、數(shù)據(jù)庫(kù)等多種數(shù)據(jù)源，可多種方法全量采集，實(shí)時(shí)接收智慧盾構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的配置，提升數(shù)據(jù)采集的時(shí)效性。

圖3 盾構(gòu)施工的數(shù)據(jù)采集與傳輸圖

開展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、量測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)控、視頻監(jiān)控等，結(jié)合遠(yuǎn)程PC 監(jiān)控、移動(dòng)APP 掌控、大屏全景視圖于一體的多端監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)同步互通，滿足多場(chǎng)景辦公、實(shí)現(xiàn)人與數(shù)據(jù)的雙重實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)平面圖、剖面圖、地圖等多圖視角全面管控，展現(xiàn)施工路線，全方位定位施工進(jìn)度。

通過制定合理的進(jìn)度計(jì)劃、材料消耗計(jì)劃，有序安排施工進(jìn)度、材料供給，有效管控工期風(fēng)險(xiǎn)、成本風(fēng)險(xiǎn)；支持多類型、多等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警設(shè)置、實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)通知、平面圖上的雙重推送，有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證安全貫通。支持材料消耗統(tǒng)計(jì)、時(shí)間統(tǒng)計(jì)、進(jìn)度統(tǒng)計(jì)、匯總統(tǒng)計(jì)、時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)、工作狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，從海量的歷史數(shù)據(jù)中自動(dòng)選擇、過濾、統(tǒng)計(jì)、分析。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)下發(fā)環(huán)報(bào)、日?qǐng)?bào)，并同步推送到對(duì)應(yīng)的企業(yè)微信群，實(shí)時(shí)了解環(huán)報(bào)、日?qǐng)?bào)詳情。

3 智慧盾構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 智慧盾構(gòu)信息系統(tǒng)框架

在盾構(gòu)隧道施工過程中，施工人員往往需要花費(fèi)很多精力歸納數(shù)據(jù)、繪制圖表，以人工經(jīng)驗(yàn)的方式指導(dǎo)施工過程。這類傳統(tǒng)方法既增加了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又無法避免人為因素造成的不必要施工故障、甚至事故。開發(fā)一種智慧盾構(gòu)信息系統(tǒng)，利用各種施工過程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系，結(jié)合工程人員以往處理數(shù)據(jù)的習(xí)慣，設(shè)計(jì)一套切實(shí)可行的智慧化智能化盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅可以隨時(shí)、隨地監(jiān)管刀盤、姿態(tài)等盾構(gòu)參數(shù)，還可極大提升管理人員的工作效率。

智慧盾構(gòu)隧道施工信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，智慧盾構(gòu)功能包括盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)采集、盾構(gòu)機(jī)智能監(jiān)控、分布式集群服務(wù)和一站式用戶終端，具體包含采集、監(jiān)控、管理、分析四大核心功能，實(shí)現(xiàn)多端同步、智能監(jiān)控、協(xié)同管理、綜合分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、決策輔助等功能，滿足技術(shù)管理人員和業(yè)主無需到施工現(xiàn)場(chǎng)即可通過該系統(tǒng)了解、掌握盾構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 盾構(gòu)隧道施工信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖

3.2 盾構(gòu)施工的大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧盾構(gòu)的總體框架如圖5 所示，系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)主要由盾構(gòu)施工裝備數(shù)據(jù)采集、離/在線數(shù)據(jù)庫(kù)管理、功能與信息服務(wù)模塊、客戶端訪問4 個(gè)層次組成，各層次的主要內(nèi)容如下所述。

（1）數(shù)據(jù)采集接口。施工裝備數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸功能，采用數(shù)據(jù)加密傳輸、數(shù)據(jù)脫敏算法、數(shù)據(jù)權(quán)限與功能權(quán)限雙重控制，讓數(shù)據(jù)傳輸更安全可控，數(shù)據(jù)分區(qū)、并行裝載讓數(shù)據(jù)傳輸更高效快速。

（2）離/在線數(shù)據(jù)庫(kù)。離/在線數(shù)據(jù)庫(kù)管理以斷點(diǎn)續(xù)傳、海量緩存的方法，采用Sqlite 數(shù)據(jù)庫(kù)，離線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)緩存，超長(zhǎng)緩存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)分析提供準(zhǔn)確可靠的分析數(shù)據(jù)源。

（3）功能與信息服務(wù)。功能與信息服務(wù)模塊包括公共事務(wù)管理、安全風(fēng)險(xiǎn)管理、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控管理、現(xiàn)場(chǎng)門禁管理等模塊，涵蓋了隧道施工中信息服務(wù)的主要業(yè)務(wù)，以提高作業(yè)效率，節(jié)省施工時(shí)間。

（4）用戶訪問?？蛻舳嗽L問支持PC 應(yīng)用和手機(jī)應(yīng)用，PC 機(jī)直接通過通用瀏覽器即可訪問系統(tǒng)，完成各類操作；手機(jī)客戶端軟件支持三大主流手機(jī)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)支持用戶在不同的工作地點(diǎn)下利用本平臺(tái)開展其職責(zé)權(quán)限內(nèi)的監(jiān)控管理工作。

4 盾構(gòu)施工信息可視化設(shè)計(jì)

中鐵十一局武漢重型裝備有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種智慧盾構(gòu)可視化工具，對(duì)盾構(gòu)施工裝備狀態(tài)、盾構(gòu)施工的進(jìn)度和具體位置、環(huán)境情況等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。智慧盾構(gòu)可視化界面（PC 端）如圖6 所示，各盾構(gòu)機(jī)的裝備狀態(tài)監(jiān)控模塊將掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、土壓、螺旋機(jī)扭矩、盾構(gòu)姿態(tài)、停機(jī)時(shí)間、出土量、注漿量等重要參數(shù)匯總，監(jiān)控人員每日對(duì)盾構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并形成工作日?qǐng)?bào)，報(bào)送給地鐵公司各部門。

圖6 智慧盾構(gòu)可視化界面

圖7 施工裝備的信息監(jiān)測(cè)示意圖

盾構(gòu)可視化系統(tǒng)工具可實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)盾構(gòu)施工參數(shù)，隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)，并對(duì)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以建立預(yù)警臺(tái)賬。此外，可視化系統(tǒng)工具實(shí)現(xiàn)了地理信息在盾構(gòu)中的多項(xiàng)應(yīng)用，包括查看盾構(gòu)施工進(jìn)度、土層信息、具體位置、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、隧道主體結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖、風(fēng)險(xiǎn)源信息等。監(jiān)控系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)查看各攝像頭的分布情況，監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)的基本信息。

5 實(shí)例分析

智慧盾構(gòu)系統(tǒng)是從盾構(gòu)施工狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、離/在線數(shù)據(jù)監(jiān)控、質(zhì)量與安全風(fēng)險(xiǎn)管理的需求出發(fā)，按照多端同步、智能監(jiān)控、協(xié)同管理、綜合分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、決策輔助等原則，實(shí)現(xiàn)了隧道工程建設(shè)質(zhì)量與安全風(fēng)險(xiǎn)管控貫穿于工程建設(shè)的全過程。本文以廣州地鐵18 號(hào)線橫番區(qū)間為例，對(duì)智慧盾構(gòu)系統(tǒng)在隧道施工中的應(yīng)用情況進(jìn)行探討。

橫番區(qū)間位于廣州市南沙區(qū)、番禺區(qū)，線路區(qū)間長(zhǎng)1 862.456 m。區(qū)間盾構(gòu)由南向北掘進(jìn)，工程地質(zhì)條件主要包括強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化中粗砂巖等組成。工程需要穿越沙灣水道，且穿越范圍位于二級(jí)水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，盾構(gòu)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是控制系統(tǒng)自帶的監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)備結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。其他監(jiān)測(cè)設(shè)備如盾構(gòu)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)、電瓶車及門吊測(cè)量系統(tǒng)如圖 7 所示，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，盾構(gòu)的各項(xiàng)施工參數(shù)均能在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)掌握，歷史數(shù)據(jù)也能隨時(shí)調(diào)出查看。盾構(gòu)施工的地理信息系統(tǒng)如圖8 所示，可以查看的隧道主體結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖、巖土層信息、重特大風(fēng)險(xiǎn)源信息等。

圖8 盾構(gòu)施工地理信息圖

盾構(gòu)施工中的視頻監(jiān)控功能如圖9 所示，現(xiàn)場(chǎng)視頻直播采用螢石云Web 直播方式推送，可以自由切合圖像布局，遠(yuǎn)程監(jiān)控盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)情況，直觀、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的掌握施工作業(yè)情況，及時(shí)制止違章作業(yè)和不規(guī)范施工并記錄違章事件，推送至中心服務(wù)器。按照“違章部位+違章照片+違章過程視頻+違章描述”的原則，供安全考核或發(fā)生事故后的追溯調(diào)用。

圖9 施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控視頻

6 結(jié)論

以隧道掘進(jìn)過程中的盾構(gòu)設(shè)備、人員以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境為監(jiān)測(cè)對(duì)象，基于智慧互聯(lián)技術(shù)開發(fā)了一套盾構(gòu)施工狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包含采集、監(jiān)控、管理、分析四大核心內(nèi)容，綜合利用盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境量測(cè)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控安全數(shù)據(jù)，構(gòu)造一種多特征信息的盾構(gòu)大數(shù)據(jù)分析框架，實(shí)現(xiàn)了多端同步、智能監(jiān)控、協(xié)同管理、綜合分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、決策輔助等主要功能，以保證盾構(gòu)設(shè)備施工過程中的安全、穩(wěn)定、可靠。其成果可推廣到市政工程、建筑工程等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。