魏勇

（北京建工土木工程有限公司，北京 100015）

0.前言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，人們對(duì)于水利水電、鐵路等復(fù)雜工程的需求也正在持續(xù)增強(qiáng)，對(duì)于施工安全性的重視程度也日漸提高。盾構(gòu)機(jī)的使用能夠有效提升工程建設(shè)的效率，對(duì)于保證工程施工的安全性與穩(wěn)定性都具有重要意義。盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的檢測(cè)與故障的診斷是盾構(gòu)機(jī)能夠安全工作的重要保護(hù)屏障，隨著工程量的提升與工程建設(shè)難度的加大，盾構(gòu)設(shè)備分布距離遠(yuǎn)診斷難度大，對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷的及時(shí)性是確保施工順利的關(guān)鍵。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控是當(dāng)前盾構(gòu)施工需要攻克的重要難題之一。

1.盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的監(jiān)測(cè)技術(shù)包括感官檢查診斷技術(shù)、儀器監(jiān)測(cè)技術(shù)、故障樹(shù)邏輯診斷等，下面對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行具體闡述：

1.1 感官檢查診斷技術(shù)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，該技術(shù)就是利用監(jiān)測(cè)工作人員的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等感官系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備施工的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的各個(gè)零部件的運(yùn)作情況進(jìn)行初步判斷[1]。感官檢查診斷對(duì)設(shè)備工程師的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)有較高的要求。

1.2 儀器監(jiān)測(cè)技術(shù)

儀器監(jiān)測(cè)技術(shù)是指通過(guò)溫度傳感器、流量計(jì)、壓力表等測(cè)量?jī)x器對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并可以通過(guò)設(shè)定工作范圍和量程實(shí)現(xiàn)預(yù)警、報(bào)警功能[2]。

以溫度傳感器為例，環(huán)境溫度的變化與盾構(gòu)機(jī)的工作效率密切相關(guān)，溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)分為接觸式溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)和非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)兩種。其中，非接觸式溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)是指利用紅外線測(cè)溫計(jì)測(cè)量溫度，該技術(shù)具有較高的安全性和高效性；而接觸式的檢測(cè)技術(shù)需要通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量[3]。

1.3 故障樹(shù)邏輯診斷

故障樹(shù)邏輯診斷指的是工作人員通過(guò)對(duì)油質(zhì)的分析、振動(dòng)的分析以及其他多種性能狀態(tài)測(cè)試的結(jié)果做出盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的診斷，揭示具體的故障部位及其規(guī)律[4]。

2.盾構(gòu)機(jī)設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷分析

2.1 液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障研究

盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)非常復(fù)雜，但盾構(gòu)機(jī)的施工都需要依靠液壓驅(qū)動(dòng)，若液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，則有可能導(dǎo)致整個(gè)盾構(gòu)機(jī)癱瘓，對(duì)施工進(jìn)度造成負(fù)面影響[5]。因此，技術(shù)人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的檢測(cè)與故障診斷，盡早解決液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中存在的故障問(wèn)題。通常情況下，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障多與油液污染有關(guān)，該問(wèn)題可通過(guò)清潔油液、加強(qiáng)日常保養(yǎng)、更換濾芯來(lái)解決。

2.2 電氣系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障研究

電氣系統(tǒng)也是盾構(gòu)機(jī)的重要系統(tǒng)，其中包括配電系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常情況下，自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)的故障都能夠通過(guò)上位機(jī)解決，但如果遇到了上位機(jī)無(wú)法解決的情況，應(yīng)借助于電腦編程器才能夠迅速定位和反映其故障的情況[6]。

3.盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)我司盾構(gòu)中心目前盾構(gòu)機(jī)保有情況、盾構(gòu)施工特點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展情況，利用信息化網(wǎng)絡(luò)智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)設(shè)備管理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)與施工進(jìn)度、測(cè)量監(jiān)控、視頻監(jiān)控、協(xié)同資料與項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)等的聯(lián)動(dòng)查看。有利于項(xiàng)目管理人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)和施工節(jié)點(diǎn)的掌控。

3.1 總方案設(shè)計(jì)

基于盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)分布分散的特點(diǎn)，適合組建OS-S-C模式和S-B模式相結(jié)合的構(gòu)架形式。在盾構(gòu)中心組建中央服務(wù)器（OS）和監(jiān)控平臺(tái)，在施工現(xiàn)場(chǎng)組建數(shù)據(jù)采集服務(wù)器（Server），盾構(gòu)機(jī)上位機(jī)做為基礎(chǔ)端（Client）便于將PLC數(shù)據(jù)、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)上傳?？蛻艨梢噪S時(shí)通過(guò)訪問(wèn)端（Brower）軟件，對(duì)服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集分析。

3.2 系統(tǒng)的構(gòu)架

（1）數(shù)據(jù)采集。在施工項(xiàng)目部布設(shè)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，通過(guò)讀取盾構(gòu)機(jī)可編程控制器（PLC）的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和上位機(jī)中的歷史數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在本地，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務(wù)器。系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)TCP/IP進(jìn)行通信，目前隧道內(nèi)完全可以通過(guò)鋪設(shè)光纖和信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。

（2）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。目前數(shù)據(jù)信息主要是保存在施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中，便于軌道公司進(jìn)行監(jiān)控。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不全且容易隨著項(xiàng)目結(jié)束丟失。建立中央服務(wù)器后可將數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)，同時(shí)建立設(shè)備臺(tái)賬，手動(dòng)整理和更新盾構(gòu)施工信息。

（3）遠(yuǎn)程訪問(wèn)。開(kāi)發(fā)基于Web和JavaScrip手機(jī)App軟件，用戶可以隨時(shí)隨地訪問(wèn)中央服務(wù)器信息。其中Web前端可采用HTML和JavaScript，Web后端可采用C#。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)綁定。盾構(gòu)機(jī)與工點(diǎn)存在多對(duì)多的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)可在不同的工點(diǎn)施工，同時(shí)單個(gè)工點(diǎn)也可能同時(shí)存在多臺(tái)盾構(gòu)機(jī)同時(shí)掘進(jìn)。Web端提供對(duì)有盾構(gòu)施工的工點(diǎn)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)設(shè)備配置與監(jiān)控平臺(tái)的掛接功能，所以要求中央服務(wù)器具備互聯(lián)網(wǎng)固定IP，每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)具備專屬配置文件。配置內(nèi)容包括盾構(gòu)機(jī)的編號(hào)、盾構(gòu)機(jī)參數(shù)、掘進(jìn)里程等。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫(kù)需具備永久存儲(chǔ)、并發(fā)控制、交互式查詢等基本功能。通過(guò)盾構(gòu)機(jī)臺(tái)賬進(jìn)行分類，建立施工項(xiàng)目檢索目錄。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和項(xiàng)目信息。盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)包括盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前環(huán)土壓、注漿量、出渣量、盾構(gòu)姿態(tài)、油脂注入量、添加劑注入量以及齒輪油液壓油溫度等基本設(shè)備信息。

項(xiàng)目信息包括地質(zhì)條件、工期節(jié)點(diǎn)、危險(xiǎn)源信息、項(xiàng)目管理人員、聯(lián)系方式等。

根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。目前主流的數(shù)據(jù)庫(kù)采用阿里云等存儲(chǔ)方式，便于遠(yuǎn)程用戶快速讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)。

（3）界面設(shè)計(jì)。以盾構(gòu)機(jī)臺(tái)賬為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)交互界面，以盾構(gòu)機(jī)廠家、型號(hào)、設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，具備設(shè)備狀態(tài)展示、視頻監(jiān)控、參數(shù)及歷史記錄查詢、數(shù)據(jù)分析功能。同時(shí)具備可擴(kuò)展性，便于后期添加盾構(gòu)機(jī)和新項(xiàng)目，界面的具體情況如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)施工單位監(jiān)控界面

3.4 其他

（1）軟硬件要求。目前主流的硬件廠家有海康威視、大華、H3C。主流的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件廠家有?？低?、Team-Viewer、廣聯(lián)達(dá)。其中?？低暿袌?chǎng)占有率大且具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件需要定制。目前我司北京某項(xiàng)目遠(yuǎn)程監(jiān)控使用的是TeamViewer。

（2）安全性要求。包括服務(wù)器防火墻安全和用戶權(quán)限。

（3）預(yù)警功能。由于采集設(shè)備精確度、范圍和算法的影響，實(shí)際值和目標(biāo)值存在一定的偏差，尤其是多臺(tái)設(shè)備因施工條件不同，數(shù)據(jù)存在較大的差異。需要根據(jù)每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在不同項(xiàng)目周期設(shè)置獨(dú)立的預(yù)警功能。

（4）統(tǒng)一性要求。由于目前盾構(gòu)機(jī)分布于國(guó)內(nèi)多個(gè)城市，涉及盾構(gòu)機(jī)識(shí)別（數(shù)據(jù)采集服務(wù)器對(duì)盾構(gòu)機(jī)PLC數(shù)據(jù)的信息采集）和后續(xù)新增項(xiàng)目系統(tǒng)統(tǒng)一性的要求。

（5）后期維護(hù)。包括硬件維護(hù)和監(jiān)控軟件維護(hù)。

（6）功能擴(kuò)展。針對(duì)目前物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，目前殼牌中國(guó)針對(duì)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)用戶開(kāi)發(fā)了一套液壓油油品在線檢測(cè)平臺(tái)，包括成套油品檢測(cè)設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。由于涉及算法，監(jiān)控平臺(tái)開(kāi)發(fā)權(quán)歸屬殼牌中國(guó)所有，用戶只有使用權(quán)限。應(yīng)考慮作為擴(kuò)展功能納入盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的可行性。

4.遠(yuǎn)程故障針斷

盾構(gòu)機(jī)是由機(jī)電液一體化組成的大型機(jī)械設(shè)備，利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集分析，可以快速有效地進(jìn)行診斷排除故障或形成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，指導(dǎo)后續(xù)施工提供技術(shù)支持。

4.1 視頻監(jiān)控

在盾構(gòu)機(jī)主要工作區(qū)域安裝高清紅外攝像頭，將螺旋出渣、操作室、拼裝區(qū)域等部位圖像上傳至遠(yuǎn)程平臺(tái)，便于用戶了解盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前的工作進(jìn)度。

4.2 盾構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、多參數(shù)對(duì)比分析

主要利用PLC采集的盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)，生成可視化監(jiān)控界面，針對(duì)關(guān)鍵的核心數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，設(shè)置正常工作范圍和預(yù)警報(bào)警參數(shù)，主要內(nèi)容包括：

（1）沉降檢測(cè)。利用采集到的導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，生成盾構(gòu)掘進(jìn)曲線圖，如圖2所示。直觀地體現(xiàn)出測(cè)點(diǎn)曲線和變形速率，為盾構(gòu)施工和控制沉降提供數(shù)據(jù)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)管控。

圖2 檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線

（2）掘進(jìn)參數(shù)預(yù)警功能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)界面設(shè)置合理的參數(shù)實(shí)現(xiàn)超限預(yù)警功能，如土壓超限、出渣量超限，各液壓系統(tǒng)壓力溫度超限、濾清器維護(hù)等，便于用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀況，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)或排除設(shè)備故障。如圖3所示。

圖3 掘進(jìn)參數(shù)界面

（3）耗材統(tǒng)計(jì)。以環(huán)為單位自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)告，統(tǒng)計(jì)盾構(gòu)施工材料消耗，主要的內(nèi)容包括同步注漿量、泡沫消耗量、膨潤(rùn)土消耗量、盾尾油脂消耗量等。

5.總結(jié)

盾構(gòu)施工具有較高的安全性與穩(wěn)定性，但盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行施工的過(guò)程中存在諸多風(fēng)險(xiǎn)因素，因此，對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與故障診斷，尤其是通過(guò)遠(yuǎn)程技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程掌握盾構(gòu)機(jī)的設(shè)備狀態(tài)和快速進(jìn)行故障診斷至關(guān)重要。本文提到的盾構(gòu)中心盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可適用于不同種類、型號(hào)、品牌的盾構(gòu)機(jī)，其可以通過(guò)Web端提供對(duì)盾構(gòu)施工的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行情況、掘進(jìn)參數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)、工程施工質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可對(duì)盾構(gòu)機(jī)的主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等進(jìn)行故障的診斷工作，可為盾構(gòu)施工的管理提供方便。