魏勇

（北京建工土木工程有限公司，北京 100015）

0.前言

隨著人們生活質量的不斷提升，人們對于水利水電、鐵路等復雜工程的需求也正在持續(xù)增強，對于施工安全性的重視程度也日漸提高。盾構機的使用能夠有效提升工程建設的效率，對于保證工程施工的安全性與穩(wěn)定性都具有重要意義。盾構機設備的檢測與故障的診斷是盾構機能夠安全工作的重要保護屏障，隨著工程量的提升與工程建設難度的加大，盾構設備分布距離遠診斷難度大，對設備狀態(tài)的實時監(jiān)控和故障診斷的及時性是確保施工順利的關鍵。由此可見，實現(xiàn)盾構機的遠程監(jiān)控是當前盾構施工需要攻克的重要難題之一。

1.盾構機監(jiān)測診斷技術

盾構機設備的監(jiān)測技術包括感官檢查診斷技術、儀器監(jiān)測技術、故障樹邏輯診斷等，下面對盾構機設備的檢測技術進行具體闡述：

1.1 感官檢查診斷技術

簡單來說，該技術就是利用監(jiān)測工作人員的聽覺、視覺等感官系統(tǒng)對盾構機設備施工的情況進行監(jiān)測，并對盾構機內部的各個零部件的運作情況進行初步判斷[1]。感官檢查診斷對設備工程師的技術和經(jīng)驗有較高的要求。

1.2 儀器監(jiān)測技術

儀器監(jiān)測技術是指通過溫度傳感器、流量計、壓力表等測量儀器對設備運行狀態(tài)進行檢測，并可以通過設定工作范圍和量程實現(xiàn)預警、報警功能[2]。

以溫度傳感器為例，環(huán)境溫度的變化與盾構機的工作效率密切相關，溫度監(jiān)測技術分為接觸式溫度監(jiān)測技術和非接觸式監(jiān)測技術兩種。其中，非接觸式溫度監(jiān)測技術是指利用紅外線測溫計測量溫度，該技術具有較高的安全性和高效性；而接觸式的檢測技術需要通過溫度傳感器進行測量[3]。

1.3 故障樹邏輯診斷

故障樹邏輯診斷指的是工作人員通過對油質的分析、振動的分析以及其他多種性能狀態(tài)測試的結果做出盾構機運行狀態(tài)的診斷，揭示具體的故障部位及其規(guī)律[4]。

2.盾構機設備監(jiān)測與故障診斷分析

2.1 液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障研究

盾構機的液壓系統(tǒng)非常復雜，但盾構機的施工都需要依靠液壓驅動，若液壓驅動系統(tǒng)發(fā)生故障，則有可能導致整個盾構機癱瘓，對施工進度造成負面影響[5]。因此，技術人員應重點關注液壓驅動系統(tǒng)的檢測與故障診斷，盡早解決液壓驅動系統(tǒng)中存在的故障問題。通常情況下，液壓驅動系統(tǒng)的故障多與油液污染有關，該問題可通過清潔油液、加強日常保養(yǎng)、更換濾芯來解決。

2.2 電氣系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障研究

電氣系統(tǒng)也是盾構機的重要系統(tǒng)，其中包括配電系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，通常情況下，自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)的故障都能夠通過上位機解決，但如果遇到了上位機無法解決的情況，應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.盾構機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

針對我司盾構中心目前盾構機保有情況、盾構施工特點和未來發(fā)展情況，利用信息化網(wǎng)絡智能管理系統(tǒng)實現(xiàn)盾構設備管理，通過網(wǎng)絡遠程監(jiān)控實時掌握現(xiàn)場盾構機各項施工參數(shù)，實現(xiàn)盾構施工數(shù)據(jù)與施工進度、測量監(jiān)控、視頻監(jiān)控、協(xié)同資料與項目管理數(shù)據(jù)等的聯(lián)動查看。有利于項目管理人員對設備狀態(tài)和施工節(jié)點的掌控。

3.1 總方案設計

基于盾構施工現(xiàn)場分布分散的特點，適合組建OS-S-C模式和S-B模式相結合的構架形式。在盾構中心組建中央服務器（OS）和監(jiān)控平臺，在施工現(xiàn)場組建數(shù)據(jù)采集服務器（Server），盾構機上位機做為基礎端（Client）便于將PLC數(shù)據(jù)、盾構機掘進參數(shù)、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)上傳?？蛻艨梢噪S時通過訪問端（Brower）軟件，對服務器進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集分析。

3.2 系統(tǒng)的構架

（1）數(shù)據(jù)采集。在施工項目部布設數(shù)據(jù)采集服務器，通過讀取盾構機可編程控制器（PLC）的實時運行數(shù)據(jù)和上位機中的歷史數(shù)據(jù)并存儲在本地，同時將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務器。系統(tǒng)內部通過TCP/IP進行通信，目前隧道內完全可以通過鋪設光纖和信號轉換實現(xiàn)。

（2）數(shù)據(jù)的存儲。目前數(shù)據(jù)信息主要是保存在施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集服務器中，便于軌道公司進行監(jiān)控。數(shù)據(jù)存儲不全且容易隨著項目結束丟失。建立中央服務器后可將數(shù)據(jù)集中存儲，同時建立設備臺賬，手動整理和更新盾構施工信息。

（3）遠程訪問。開發(fā)基于Web和JavaScrip手機App軟件，用戶可以隨時隨地訪問中央服務器信息。其中Web前端可采用HTML和JavaScript，Web后端可采用C#。

3.3 遠程監(jiān)控設計

（1）數(shù)據(jù)綁定。盾構機與工點存在多對多的對應關系，一臺盾構機可在不同的工點施工，同時單個工點也可能同時存在多臺盾構機同時掘進。Web端提供對有盾構施工的工點進行盾構機設備配置與監(jiān)控平臺的掛接功能，所以要求中央服務器具備互聯(lián)網(wǎng)固定IP，每臺盾構機具備專屬配置文件。配置內容包括盾構機的編號、盾構機參數(shù)、掘進里程等。

（2）數(shù)據(jù)庫設計。數(shù)據(jù)庫需具備永久存儲、并發(fā)控制、交互式查詢等基本功能。通過盾構機臺賬進行分類，建立施工項目檢索目錄。數(shù)據(jù)內容包括盾構機運行參數(shù)和項目信息。盾構機運行參數(shù)包括盾構機當前環(huán)土壓、注漿量、出渣量、盾構姿態(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備信息。

項目信息包括地質條件、工期節(jié)點、危險源信息、項目管理人員、聯(lián)系方式等。

根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為實時數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)。目前主流的數(shù)據(jù)庫采用阿里云等存儲方式，便于遠程用戶快速讀取服務器數(shù)據(jù)。

（3）界面設計。以盾構機臺賬為基礎設計交互界面，以盾構機廠家、型號、設備特點進行界面設計，具備設備狀態(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。同時具備可擴展性，便于后期添加盾構機和新項目，界面的具體情況如圖1所示。

圖1 盾構施工單位監(jiān)控界面

3.4 其他

（1）軟硬件要求。目前主流的硬件廠家有?？低?、大華、H3C。主流的遠程監(jiān)控軟件廠家有海康威視、Team-Viewer、廣聯(lián)達。其中?？低暿袌稣加新蚀笄揖邆鋬r格優(yōu)勢，但遠程監(jiān)控軟件需要定制。目前我司北京某項目遠程監(jiān)控使用的是TeamViewer。

（2）安全性要求。包括服務器防火墻安全和用戶權限。

（3）預警功能。由于采集設備精確度、范圍和算法的影響，實際值和目標值存在一定的偏差，尤其是多臺設備因施工條件不同，數(shù)據(jù)存在較大的差異。需要根據(jù)每臺盾構機在不同項目周期設置獨立的預警功能。

（4）統(tǒng)一性要求。由于目前盾構機分布于國內多個城市，涉及盾構機識別（數(shù)據(jù)采集服務器對盾構機PLC數(shù)據(jù)的信息采集）和后續(xù)新增項目系統(tǒng)統(tǒng)一性的要求。

（5）后期維護。包括硬件維護和監(jiān)控軟件維護。

（6）功能擴展。針對目前物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和在工程領域的廣泛應用，目前殼牌中國針對國內盾構用戶開發(fā)了一套液壓油油品在線檢測平臺，包括成套油品檢測設備和遠程監(jiān)控平臺。由于涉及算法，監(jiān)控平臺開發(fā)權歸屬殼牌中國所有，用戶只有使用權限。應考慮作為擴展功能納入盾構遠程監(jiān)控功能的可行性。

4.遠程故障針斷

盾構機是由機電液一體化組成的大型機械設備，利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)對設備數(shù)據(jù)的采集分析，可以快速有效地進行診斷排除故障或形成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報表，指導后續(xù)施工提供技術支持。

4.1 視頻監(jiān)控

在盾構機主要工作區(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程平臺，便于用戶了解盾構機當前的工作進度。

4.2 盾構數(shù)據(jù)統(tǒng)計、多參數(shù)對比分析

主要利用PLC采集的盾構機數(shù)據(jù)，生成可視化監(jiān)控界面，針對關鍵的核心數(shù)據(jù)進行分析比較，設置正常工作范圍和預警報警參數(shù)，主要內容包括：

（1）沉降檢測。利用采集到的導向系統(tǒng)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫內風險源數(shù)據(jù)進行比對，生成盾構掘進曲線圖，如圖2所示。直觀地體現(xiàn)出測點曲線和變形速率，為盾構施工和控制沉降提供數(shù)據(jù)預警和風險管控。

圖2 檢測數(shù)據(jù)曲線

（2）掘進參數(shù)預警功能。通過對系統(tǒng)界面設置合理的參數(shù)實現(xiàn)超限預警功能，如土壓超限、出渣量超限，各液壓系統(tǒng)壓力溫度超限、濾清器維護等，便于用戶及時發(fā)現(xiàn)設備異常狀況，及時調整施工參數(shù)或排除設備故障。如圖3所示。

圖3 掘進參數(shù)界面

（3）耗材統(tǒng)計。以環(huán)為單位自動生成數(shù)據(jù)報告，統(tǒng)計盾構施工材料消耗，主要的內容包括同步注漿量、泡沫消耗量、膨潤土消耗量、盾尾油脂消耗量等。

5.總結

盾構施工具有較高的安全性與穩(wěn)定性，但盾構機在進行施工的過程中存在諸多風險因素，因此，對盾構機進行實時檢測與故障診斷，尤其是通過遠程技術手段實現(xiàn)遠程掌握盾構機的設備狀態(tài)和快速進行故障診斷至關重要。本文提到的盾構中心盾構遠程監(jiān)控系統(tǒng)可適用于不同種類、型號、品牌的盾構機，其可以通過Web端提供對盾構施工的盾構機設備的運行情況、掘進參數(shù)、風險、工程施工質量、設備狀態(tài)等參數(shù)進行實時監(jiān)控，也可對盾構機的主驅動系統(tǒng)、液壓驅動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等進行故障的診斷工作，可為盾構施工的管理提供方便。