陳文遠， 張繼宏， 張剛宏， 趙 珀， 田水清

(中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司， 陜西 西安 710054)

0 引言

城市軌道交通具有運量大、速度快、安全、準點、保護環(huán)境、節(jié)約能源和用地等優(yōu)點，已成為解決城市交通問題的主要方式。據(jù)統(tǒng)計，截至2016 年底，中國內(nèi)地共有29 座城市擁有城市軌道交通運營線路，總長3 832 km，運營線路129條[1]。軌道交通建設(shè)有高速、安全等要求，極大地促進了盾構(gòu)在地鐵隧道施工中的應(yīng)用。

盾構(gòu)是集機械、電氣、液壓、光學(xué)、網(wǎng)絡(luò)、自控、傳感和信息等先進技術(shù)于一體的高附加值復(fù)雜裝備，可靠性要求極高。刀盤主軸承、主驅(qū)動減速機、螺旋機減速機和液壓系統(tǒng)等核心零部件及系統(tǒng)的狀態(tài)，直接影響盾構(gòu)施工的工期、安全、成本和質(zhì)量。由于施工單位人員流動性大、人員水平參差不齊、施工環(huán)境復(fù)雜等的原因，盾構(gòu)一直處于粗放式管理模式，在盾構(gòu)施工中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備的非正常停機，嚴重影響工程的施工成本、質(zhì)量和工期。近年來，韓向遠等[2]設(shè)計了自帶監(jiān)測傳感器的智能型盾構(gòu)主軸承，并利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸； 文獻[3-4]對盾構(gòu)的遠程維護與故障診斷技術(shù)進行了研究； 文獻[5-8]研究了狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在風(fēng)電、船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，為該技術(shù)在盾構(gòu)中的應(yīng)用提供了參考。當前的研究主要集中在盾構(gòu)設(shè)備潤滑管理[9-10]、設(shè)備的振動監(jiān)測技術(shù)[11]和驅(qū)動減速機的第三方檢測[12-13]等，但都沒有形成統(tǒng)一的系統(tǒng)進行管理，如何將先進的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)[14-15]結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到盾構(gòu)的健康管理中一直是盾構(gòu)施工行業(yè)亟待解決的問題。本文將先進的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)，打通了盾構(gòu)設(shè)備管控一體化存在的壁壘，提供了一種盾構(gòu)智能維護與健康管理方案。

1 盾構(gòu)智能維護與健康管理總體方案

根據(jù)盾構(gòu)各核心零部件的潤滑狀況、設(shè)備運轉(zhuǎn)工況和各類狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的適用范圍及優(yōu)缺點，建立了油液在線、油液離線、振動、電流頻譜和紅外成像等多種技術(shù)融合的盾構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測及智能維護體系，以滿足盾構(gòu)在施工中低速大轉(zhuǎn)矩、變負載、高可靠性的要求。結(jié)合設(shè)備的日常管理，制定了盾構(gòu)智能維護與健康管理制度，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)智能維護與健康管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Structure of intelligentized maintenance and health management system for shield

采用B/S架構(gòu)，應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+”的技術(shù)理念，將狀態(tài)監(jiān)測儀器及技術(shù)、管理、維修人員等納入統(tǒng)一的管理與交流平臺，開發(fā)了狀態(tài)監(jiān)測實驗室信息管理系統(tǒng)。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中心的所有檢測儀器聯(lián)網(wǎng)組成檢測局域網(wǎng)，利用工業(yè)以太網(wǎng)、RS-232、RS-485和USB等總線通信及文件導(dǎo)入方式實現(xiàn)所有檢測數(shù)據(jù)的智能采集與上傳，提高了檢測效率并減少了人工錄入數(shù)據(jù)的出錯概率。通過系統(tǒng)自動生成檢測報告并完成檢測報告的編制、審核、批準與發(fā)放。系統(tǒng)將各類狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度融合，運用大數(shù)據(jù)、智能分析等先進技術(shù)手段進行分析，科學(xué)地制定檢測項目的參考值和診斷結(jié)果。管理部門通過系統(tǒng)及時查詢狀態(tài)監(jiān)測報告，制定設(shè)備的維保計劃并實施?，F(xiàn)場人員將設(shè)備的實際維保情況以文字、圖片和錄像等形式通過網(wǎng)絡(luò)即時反饋到系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備健康與維修的閉環(huán)管理。設(shè)備的檢測報告、維保措施和反饋信息等統(tǒng)一保存在系統(tǒng)知識庫中，以實現(xiàn)故障診斷專家系統(tǒng)的經(jīng)驗積累。

該系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)如下： 1)將油液在線、油液離線、振動、電流頻譜和紅外成像等技術(shù)在盾構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測中進行了深度融合應(yīng)用； 2)建立了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的盾構(gòu)智能維護與健康管理體系，開發(fā)了實驗室管理信息系統(tǒng)，加強了公司技術(shù)與管理部門之間的溝通； 3)運用狀態(tài)監(jiān)測中的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果來指導(dǎo)盾構(gòu)的設(shè)計、制造與再制造、維護與保養(yǎng)； 4)建立了盾構(gòu)全生命周期的狀態(tài)監(jiān)測、健康與維修管理檔案。

2 基于互聯(lián)網(wǎng)的多種技術(shù)在盾構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 盾構(gòu)油液離線監(jiān)測技術(shù)

油液離線監(jiān)測對象為盾構(gòu)的液壓油、主驅(qū)動減速機齒輪油、主軸承齒輪油和螺旋輸送機減速箱齒輪油等，油液牌號為ISOVG 46、ISOVG 68、ISOVG 150、ISOVG 220和ISOVG 320等。根據(jù)在用油使用指標及盾構(gòu)的運行工況制定了盾構(gòu)在用油樣的檢測項目，包含理化品質(zhì)檢測、污染監(jiān)測和磨損分析等3大類，色度、黏度、水分、總酸值、閃點、機械雜質(zhì)、紅外光譜、污染度、發(fā)射光譜、PQ指數(shù)、直讀鐵譜和分析鐵譜等12個檢測項目。

2.2 盾構(gòu)油液在線監(jiān)測技術(shù)

油液狀態(tài)監(jiān)測的主要目的是對油品劣化、污染和機械磨損的早期發(fā)現(xiàn)與預(yù)警。傳統(tǒng)的油液離線監(jiān)測技術(shù)的分析結(jié)果準確率高，但需要經(jīng)過采樣、送樣、實驗室分析、數(shù)據(jù)匯總與報告編寫、報告發(fā)放等一系列過程，存在檢測周期長、成本昂貴和人為因素影響大(如分析鐵譜)等缺點，對于盾構(gòu)等連續(xù)運轉(zhuǎn)設(shè)備中潤滑油的變化情況往往不能做到及時預(yù)警。油液在線監(jiān)測技術(shù)通過對設(shè)備摩擦系統(tǒng)的實時、連續(xù)監(jiān)測，能及時、動態(tài)地獲取被監(jiān)測對象的潤滑磨損等信息，實現(xiàn)設(shè)備的故障診斷。在線監(jiān)測技術(shù)消除了人為不確定性因素的影響，取樣和檢測幾乎同時進行，能及時為管理者提供裝備的工作狀態(tài)。

根據(jù)被監(jiān)測對象潤滑系統(tǒng)的特點，在線監(jiān)測儀器一般安裝在設(shè)備部件摩擦副之后、過濾裝置之前。目前使用的油液在線監(jiān)測儀器主要有以下幾種： 可視化鐵譜磨損監(jiān)測系統(tǒng)、水分檢測、黏度檢測和激光在線顆粒度計數(shù)器等。在線傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)PROFINET、PROFIBUS和RS485協(xié)議與現(xiàn)場工控機進行通信，工控機將數(shù)據(jù)匯集后，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送回數(shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中存儲。

2.3 振動、電流頻譜和紅外成像監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

盾構(gòu)屬于典型的低速、大轉(zhuǎn)矩、重載、變工況的設(shè)備，常規(guī)設(shè)備的故障診斷方法在盾構(gòu)上不完全適用，分析標準和監(jiān)測方法根據(jù)施工工況的不同而不同。

振動監(jiān)測技術(shù)： 針對主驅(qū)動減速機和主軸承運行狀態(tài)進行監(jiān)測和故障診斷。對所采集的振動信號應(yīng)用現(xiàn)代信號處理技術(shù)，如傅里葉變換、小波(包)分析和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解等方法提取有效信號，分析信號特性，獲得表征盾構(gòu)設(shè)備運行狀態(tài)的振動信號特征。

電流頻譜技術(shù)： 主要針對電驅(qū)盾構(gòu)，研究了基于電機電流頻譜分析的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。當盾構(gòu)部件出現(xiàn)故障時，會表現(xiàn)為負載轉(zhuǎn)矩的波動，負載轉(zhuǎn)矩波動會造成電機氣隙轉(zhuǎn)矩的波動，同時會引起定子電流的波動。通過采集驅(qū)動電機電流并進行頻譜分析，實現(xiàn)對定轉(zhuǎn)子、對中、偏心、軸承、缺相、斷路和負載不均等多種故障的診斷。電機電流集成了盾構(gòu)部件的負載運動特征，從而能夠反映電機拖動部件的運行狀況，提高盾構(gòu)功能部件的監(jiān)測診斷能力。

紅外成像技術(shù)： 利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng)，采用專用儀器獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息，進而判斷設(shè)備狀況和缺陷性質(zhì)。紅外成像技術(shù)具有不需要停電、非接觸、準確高效等優(yōu)點，解決了定期計劃檢修的盲目性問題。通過對盾構(gòu)定點部位周期性的紅外溫度監(jiān)測，可做到設(shè)備熱異常的早期檢出及設(shè)備狀態(tài)劣化傾向的定量管理。

2.4 掘進裝備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中心的建立

掘進裝備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中心(見圖2)成立于2016年1月，是一個專業(yè)從事盾構(gòu)、硬巖掘進機、頂管機等大型掘進裝備潤滑監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、維修方案制定和狀態(tài)監(jiān)測人員培訓(xùn)的服務(wù)機構(gòu)。

圖2 掘進裝備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中心Fig. 2 Condition monitoring center for boring components

2.5 盾構(gòu)智能維護與健康管理制度

為將盾構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測融入日常的設(shè)備維保工作中，特制了《盾構(gòu)智能維護與健康管理制度》，為盾構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測、維保計劃的制定、控制維修成本提供了實施依據(jù)。主要包括： 1)設(shè)置了負責(zé)現(xiàn)場盾構(gòu)健康與維修管理的組織機構(gòu)，明確了負責(zé)人及其崗位職責(zé)，制定了相關(guān)獎勵與懲罰制度； 2)制定了盾構(gòu)狀態(tài)統(tǒng)計制度，由現(xiàn)場專人負責(zé)通過系統(tǒng)報送當日設(shè)備的維保及運行狀態(tài)； 3)編制了盾構(gòu)的改造與維修方案，嚴格執(zhí)行改造、轉(zhuǎn)場維修、項目修理的預(yù)算與決算制度， 控制維修成本； 4)制定了盾構(gòu)油液監(jiān)測規(guī)范，詳細規(guī)定了采樣頻次、采樣標準和采樣數(shù)量等，并嚴格執(zhí)行報告的編制與簽發(fā)制度； 5)根據(jù)盾構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果制定維保、維修與改造計劃，并由現(xiàn)場人員將維修改造的實際情況通過系統(tǒng)進行反饋，完善與豐富系統(tǒng)知識庫； 6)安裝油液在線、振動等狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，確保盾構(gòu)施工的安全性與可靠性。

3 實驗室信息管理系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測實驗室信息管理系統(tǒng)[16](LIMS： laboratory information management system)如圖3所示，是結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備維保管理開發(fā)的基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以C#為開發(fā)語言，ASP.NET為開發(fā)平臺進行開發(fā)，采用B/S架構(gòu)實現(xiàn)。服務(wù)器端以Windows Server 2008操作系統(tǒng)、Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫和IIS7.0作為運行環(huán)境，客戶端以Windows XP及以上、IE10.0及以上為運行環(huán)境。B/S架構(gòu)很好地解決了施工單位使用人員分散、使用人員水平參差不齊、對數(shù)據(jù)安全性的要求高等問題。

圖3 狀態(tài)監(jiān)測實驗室信息管理系統(tǒng)Fig. 3 Laboratory information management system

狀態(tài)監(jiān)測實驗室信息管理系統(tǒng)包括工作流程管理、實驗室業(yè)務(wù)管理、油樣管理、臺賬管理、檢測儀器管理、檢測項目管理、監(jiān)測設(shè)備管理、客戶管理、標準庫管理、知識庫管理、專家診斷、檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計和系統(tǒng)管理等13個模塊，油樣數(shù)據(jù)庫、知識數(shù)據(jù)庫、檢驗標準數(shù)據(jù)庫、維保數(shù)據(jù)庫和健康數(shù)據(jù)庫等5個數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)以實驗室數(shù)據(jù)管理為中心，通過互聯(lián)網(wǎng)將狀態(tài)監(jiān)測儀器及技術(shù)、管理、維修人員等納入統(tǒng)一的平臺進行管理，有效地解決了公司技術(shù)部門和管理部門之間存在的信息不共享、信息傳遞不及時、維修情況反饋不及時等問題。

根據(jù)監(jiān)測參數(shù)的類型及隨時間變化的規(guī)律，系統(tǒng)建立了值閾法、線閾法和自回歸時序自動建模等方法，利用監(jiān)測的大樣本數(shù)據(jù)及時計算與更正監(jiān)測項目的參考值。故障診斷專家系統(tǒng)融合監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)等生成診斷報告，并給出每種故障出現(xiàn)的權(quán)重值。通過現(xiàn)場的維保檢查情況優(yōu)化故障診斷專家系統(tǒng)模型、豐富專家知識庫的內(nèi)容，從而實現(xiàn)盾構(gòu)的智能維護。

4 結(jié)論與討論

通過對油液在線、油液離線、振動、電流頻譜、紅外成像等監(jiān)測技術(shù)的深度融合應(yīng)用，推動了狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在盾構(gòu)智能維護中的發(fā)展，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)提高了管理及信息共享的效率，改變了盾構(gòu)傳統(tǒng)的粗放式管理模式，為盾構(gòu)的智能維護與健康管理提供了先進的手段，為盾構(gòu)的維護保養(yǎng)提供了決策依據(jù)。

目前尚存以下問題需要解決： 1)由于系統(tǒng)復(fù)雜、開發(fā)工作量大，系統(tǒng)運維及實施都需要高技術(shù)人才； 2)由于盾構(gòu)及其施工工況的異常復(fù)雜，很難找到一套普遍適用的狀態(tài)監(jiān)測方法，需要針對具體工況進行針對性的研究。因此，只有管理模式與技術(shù)水平協(xié)同進步，才能使先進技術(shù)產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益。

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