徐受天, 游宇嵩, 葉 蕾, 趙嚴(yán)振, 徐劍安

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著隧道施工機(jī)械自動(dòng)化程度不斷發(fā)展，采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工成為當(dāng)前隧道施工的主要工法。本文中隧道掘進(jìn)設(shè)備主要指全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，包括盾構(gòu)(用于城市軟土地層掘進(jìn))和TBM(用于山嶺隧道硬巖掘進(jìn))。根據(jù)工作原理不同，盾構(gòu)分為土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)，TBM分為敞開(kāi)式、雙護(hù)盾式和單護(hù)盾式[1-3]。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)工作環(huán)境惡劣，高頻振動(dòng)、電磁干擾等現(xiàn)象嚴(yán)重[4]，采集設(shè)備一般集中部署，位于掘進(jìn)設(shè)備的主控室內(nèi)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到設(shè)備各處感知端。傳統(tǒng)盾構(gòu)/TBM的相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)主要限于對(duì)PLC數(shù)據(jù)的采集。隨著隧道施工機(jī)械化、數(shù)字化、Wi-Fi、5G及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)的獲取提出了更高的要求[5]。除傳統(tǒng)盾構(gòu)/TBM外，隧道施工專(zhuān)用設(shè)備、礦用機(jī)械也越來(lái)越多地投入使用。不同種類(lèi)的控制器數(shù)據(jù)、高頻率振動(dòng)數(shù)據(jù)、工業(yè)相機(jī)照片、三維激光掃描點(diǎn)云圖等通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘后，在指導(dǎo)施工、改進(jìn)裝備設(shè)計(jì)上發(fā)揮的作用越來(lái)越大。當(dāng)前智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、無(wú)線(xiàn)通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)于盾構(gòu)/TBM智能化起到了推動(dòng)作用[6]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外各大廠家均在產(chǎn)品智能化方面開(kāi)展了大量研究，隧道施工數(shù)據(jù)的種類(lèi)與數(shù)量與日俱增，無(wú)疑對(duì)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)也提出了更高的要求。

張靜等[7]采用地上地下部署工控機(jī)，利用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，采集PLC的數(shù)據(jù)到Web服務(wù)器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可視化；但這種方式僅實(shí)現(xiàn)了接入PLC的數(shù)據(jù)獲取。陳剛等[8]采用基于云平臺(tái)的盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)OPC協(xié)議循環(huán)讀取PLC地址，根據(jù)用戶(hù)設(shè)置的配置文件，將PLC記錄信息按照類(lèi)型逐條區(qū)分處理，然后調(diào)用Web API接口，將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中；這種方式不用進(jìn)行終端部署，但仍?xún)H采集接入PLC的數(shù)據(jù)。周奇才等[9]針對(duì)盾構(gòu)施工地層損失監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于Modbus協(xié)議和RS485總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；但該種方式采集數(shù)據(jù)較為單一，只針對(duì)RS485接口傳感器進(jìn)行采集。于祥濤[10]以昆明市軌道交通5號(hào)線(xiàn)施工為項(xiàng)目依托，利用亞控科技的采集盒子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，盒子自帶RS232、RS485、以太網(wǎng)口3種接口，采集的數(shù)據(jù)主要是PLC數(shù)據(jù)、電表、水表、電瓶車(chē)狀態(tài)等；這種方式利用現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行采集，優(yōu)點(diǎn)是可以快速實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是不便于拓展，對(duì)于其他接口的傳感器無(wú)法采集。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外市面上存在的大量數(shù)據(jù)采集終端或數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，樹(shù)根互聯(lián)、上海自動(dòng)化儀表、Woodhead等公司產(chǎn)品能兼容國(guó)內(nèi)外主流PLC和控制器，但是普遍存在以下問(wèn)題：1)只能采集主流的、標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)設(shè)備，對(duì)隧道施工中類(lèi)似工業(yè)相機(jī)、振動(dòng)傳感器、點(diǎn)云掃描、激光/雷達(dá)探測(cè)等設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)無(wú)法采集，可擴(kuò)展性較差；2)鼓勵(lì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于開(kāi)發(fā)廠商的公有云，數(shù)據(jù)的靈活讀取和二次利用較困難，也不利于數(shù)據(jù)安全，如果私有化則需要高額的定制費(fèi)用且后期運(yùn)維成本極高。因此，有必要開(kāi)發(fā)可以同時(shí)采集隧道施工中產(chǎn)生的大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文以此展開(kāi)研究。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)及需求

在進(jìn)行隧道施工專(zhuān)用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究時(shí)，需要提前將系統(tǒng)所應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)明確化、具體化。系統(tǒng)所應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)如下。

1.1.1 多數(shù)據(jù)源支持

在一個(gè)物理終端上支持同時(shí)采集多種類(lèi)型數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，彼此獨(dú)立，互不干擾；同種類(lèi)型支持多通道數(shù)據(jù)傳輸，如支持同時(shí)采集多個(gè)同類(lèi)型的PLC數(shù)據(jù)。

1.1.2 多協(xié)議解析

支持多種常用協(xié)議的解析，如西門(mén)子PLC的S7協(xié)議、OPC UA、Modbus TCP等。支持多種硬件設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，如西門(mén)子S7-200/300/400/1200/1500系列PLC、易福門(mén)控制器、TBM刀盤(pán)磨損檢測(cè)裝置、線(xiàn)陣/面陣工業(yè)相機(jī)、高頻振動(dòng)傳感器等。

1.1.3 實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)傳輸

按實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)2種途徑同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)每次僅傳輸當(dāng)前時(shí)刻最新的數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)傳輸頻率相對(duì)較小，每次打包傳輸多條數(shù)據(jù)。遇到網(wǎng)絡(luò)、故障等原因，則按時(shí)間順序續(xù)傳，確保數(shù)據(jù)不丟失。

1.1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理和邊緣計(jì)算

支持在終端上進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理和邊緣計(jì)算：將明顯異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾或處理，將結(jié)構(gòu)化/半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或占用空間較大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單、小巧的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，具體處理或計(jì)算方法可以隨時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整等。

1.1.5 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)接口

為終端的上位機(jī)、第三方信息化智能化系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。提供數(shù)據(jù)接口的目的是：1)防止第三方直接讀取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，破壞設(shè)備數(shù)據(jù)的保密性，及造成設(shè)備數(shù)據(jù)輸出負(fù)載增大；2)減少上位機(jī)和第三方軟件的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

1.1.6 數(shù)據(jù)源動(dòng)態(tài)擴(kuò)展

在不影響其他程序的情況下，支持快速定制化開(kāi)發(fā)擴(kuò)展新組件，以支持新類(lèi)型數(shù)據(jù)源的接入。當(dāng)新類(lèi)型的數(shù)據(jù)源接入后，無(wú)需刷機(jī)、固件升級(jí)和新增硬件，而是通過(guò)遠(yuǎn)程管理的形式進(jìn)行功能擴(kuò)展。

1.1.7 本地Web管理及遠(yuǎn)程監(jiān)控接口

終端不開(kāi)發(fā)基于平臺(tái)的圖像界面，采用Web方式進(jìn)行可視化圖形管理頁(yè)面開(kāi)發(fā)。維護(hù)人員使用另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)Web瀏覽器打開(kāi)終端管理網(wǎng)頁(yè)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)終端管理。系統(tǒng)提供對(duì)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的接口，主要包括：查看終端操作系統(tǒng)狀態(tài)(CPU、內(nèi)存、外存)；查看和結(jié)束進(jìn)程；查看和設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接；瀏覽操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)；上傳、下載文件；查看和配置數(shù)據(jù)源參數(shù)；查看運(yùn)行日志文件等。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)決定了后期維護(hù)的便捷性、可拓展性以及施工單位、業(yè)主等用戶(hù)的使用體驗(yàn)[11]。本文所述多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用一主多從的架構(gòu)，每個(gè)數(shù)據(jù)源作為獨(dú)立從設(shè)備，與其他設(shè)備互不干擾，主從設(shè)備之間通過(guò)Socket套接字進(jìn)行通信，基于TCP/IP協(xié)議可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的快速接入。管理者可以通過(guò)遠(yuǎn)程或者在本地以插件形式添加、刪除、修改從設(shè)備，在不影響其他鏈路的前提下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的靈活配置、簡(jiǎn)單部署。采集終端在采集到數(shù)據(jù)之后，通過(guò)MQTT等協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳，數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)在本部的大數(shù)據(jù)中心。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，當(dāng)前所接入的數(shù)據(jù)源為基于Snap7協(xié)議的PLC數(shù)據(jù)源、基于Modbus RTU協(xié)議的刀盤(pán)滾刀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源、基于Http協(xié)議的Python邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)源、基于Socket套接字通信的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源、基于千兆網(wǎng)通信的線(xiàn)陣相機(jī)圖像采集數(shù)據(jù)源以及基于OpcUA、Modbus TCP協(xié)議的國(guó)產(chǎn)PLC數(shù)據(jù)源等。服務(wù)器位于數(shù)據(jù)中心，用于收集來(lái)自所有終端的數(shù)據(jù)，并集中統(tǒng)一管理。終端安裝于各隧道施工現(xiàn)場(chǎng)。每個(gè)終端由1個(gè)主模塊和若干個(gè)數(shù)據(jù)源模塊組成。每個(gè)數(shù)據(jù)源模塊啟動(dòng)1個(gè)獨(dú)立進(jìn)程，對(duì)應(yīng)1種類(lèi)型的數(shù)據(jù)源采集。

圖1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 系統(tǒng)軟件方案

1.3.1 運(yùn)行環(huán)境及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

本文所述多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境為基于x86架構(gòu)的64位標(biāo)準(zhǔn)Linux-CentOS操作系統(tǒng)。采集終端可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)部署運(yùn)行，適用于基于ARM或x86的Linux操作系統(tǒng)、Windows操作系統(tǒng)，同時(shí)支持32位和64位。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)言特性進(jìn)行選定，采用多種語(yǔ)言共同開(kāi)發(fā)。其中，服務(wù)器、終端主模塊和數(shù)據(jù)源模塊的主體部分選用Go語(yǔ)言；Web前端部分選用JavaScript、HTML5語(yǔ)言；終端Web后端使用Go語(yǔ)言；服務(wù)器Web后端使用Java或Go語(yǔ)言；邊緣計(jì)算、部分?jǐn)?shù)據(jù)源的前置輸入視情況選用C/C++或Go語(yǔ)言。

1.3.2 終端交互設(shè)計(jì)

終端主模塊與數(shù)據(jù)源模塊的交互流程如圖2所示。TCP連接成功后，開(kāi)始針對(duì)不同數(shù)據(jù)源配置相應(yīng)的硬件參數(shù)，連接硬件成功后，配置相應(yīng)的映射表讀取數(shù)據(jù)。

圖2 終端主模塊與數(shù)據(jù)源模塊的交互流程

終端主模塊與服務(wù)器的交互流程如圖3所示。終端上電后，檢查數(shù)據(jù)源列表，查看哪些數(shù)據(jù)源在線(xiàn)，然后開(kāi)始進(jìn)行各個(gè)數(shù)據(jù)源服務(wù)，與各個(gè)數(shù)據(jù)源建立獨(dú)立連接和映射關(guān)系，進(jìn)而周期性發(fā)送采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)。在發(fā)生連接錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)布廣播消息，通知服務(wù)器連接錯(cuò)誤，不再發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 終端主模塊與服務(wù)器的交互流程

針對(duì)歷史數(shù)據(jù)傳輸，終端每隔指定時(shí)間讀取多條數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，將數(shù)據(jù)包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給服務(wù)器。在終端傳送前，提前與服務(wù)器約定好數(shù)據(jù)包大小、歷史數(shù)據(jù)時(shí)間段信息、數(shù)據(jù)量以及采樣頻率等。

1.3.3 終端通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)根據(jù)各數(shù)據(jù)源與終端特性進(jìn)行相應(yīng)的通信設(shè)計(jì)。為了保證統(tǒng)一性，終端采用多接口設(shè)計(jì)，多接口接入的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行無(wú)縫協(xié)議轉(zhuǎn)換，最終輸出到終端主進(jìn)程數(shù)據(jù)均是按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理。通信設(shè)計(jì)依據(jù)如下：

1)為方便代碼維護(hù)，服務(wù)器與終端主模塊之間、終端模塊與各數(shù)據(jù)源模塊之間采用統(tǒng)一的通信模塊。

2)采用TCP長(zhǎng)連接方式和RPC形式，即一問(wèn)一答。通信伙伴對(duì)每個(gè)請(qǐng)求都必須響應(yīng)且只響應(yīng)1次。

3)密鑰交換使用標(biāo)準(zhǔn)TLS，保證通信過(guò)程中數(shù)據(jù)不會(huì)被破譯和篡改[12]。無(wú)需再設(shè)計(jì)其他形式的加密算法。

4)終端主進(jìn)程與服務(wù)器之間、終端主模塊與數(shù)據(jù)源模塊均基于C/S架構(gòu)方案，相對(duì)于B/S架構(gòu)，C/S架構(gòu)具有響應(yīng)速度快、與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信頻率高等特點(diǎn)[13]。

建立TCP連接后的所有通信過(guò)程，都按1個(gè)請(qǐng)求嚴(yán)格對(duì)應(yīng)1個(gè)響應(yīng)的方式展開(kāi)。每個(gè)請(qǐng)求稱(chēng)為1個(gè)“請(qǐng)求幀”，每個(gè)響應(yīng)稱(chēng)為1個(gè)“響應(yīng)幀”，如圖4所示。

圖4 通信過(guò)程

當(dāng)1個(gè)TCP連接建立后，同時(shí)開(kāi)啟2個(gè)隊(duì)列Channel，一個(gè)是Send Loop隊(duì)列，另一個(gè)是Receive Loop隊(duì)列。TCP是基于流的可靠連接，但仍需要考慮多線(xiàn)程及多協(xié)程時(shí)數(shù)據(jù)的正確性[11]。

1.4 服務(wù)器設(shè)計(jì)方案

服務(wù)器端的方案設(shè)計(jì)由高性能服務(wù)程序、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)2部分組成。

1.4.1 高性能服務(wù)程序

高性能服務(wù)程序要求能夠達(dá)到處理高并發(fā)、高數(shù)據(jù)吞吐量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的能力。服務(wù)器的資源包括網(wǎng)絡(luò)帶寬、包吞吐量、CPU資源、內(nèi)存資源等[14-15]。

本系統(tǒng)采用Go語(yǔ)言，其語(yǔ)言特性對(duì)異步提供了良好的支持，用Goroutine(協(xié)程)+Channel的模式構(gòu)造服務(wù)程序。Goroutine是在線(xiàn)程之上封裝的協(xié)程，每個(gè)協(xié)程都有自己的堆棧，協(xié)程間使用Channel進(jìn)行相互通信。服務(wù)程序采用網(wǎng)絡(luò)連接池、線(xiàn)程池和內(nèi)存池，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)多線(xiàn)程的異步處理。

1.4.2 數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)是利用事先定義好的數(shù)據(jù)傳輸策略，在服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和歷史數(shù)據(jù)傳輸2部分。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可盡可能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，但不能保證數(shù)據(jù)不丟失；歷史數(shù)據(jù)可保證數(shù)據(jù)在時(shí)間上的完整性，但不能保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是按照指定時(shí)間間隔從已緩存的內(nèi)存中獲取當(dāng)前最新數(shù)據(jù)，直接推送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。歷史數(shù)據(jù)是從緩存數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)指定數(shù)量的最老數(shù)據(jù)，按照時(shí)間順序打包，然后發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，便將該數(shù)據(jù)從緩存數(shù)據(jù)中刪除，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸示意圖

2 管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，以Java SpringBoot技術(shù)為基礎(chǔ)，利用MyBatis、Vue、WebSocket等技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用WebSocket標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在客戶(hù)端和服務(wù)端之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)集權(quán)限管理、項(xiàng)目管理、設(shè)備管理、網(wǎng)關(guān)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)從數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊到應(yīng)用的完整處理流程。系統(tǒng)具有簡(jiǎn)潔大方的用戶(hù)交互界面，能夠提供最低1 000臺(tái)設(shè)備的并發(fā)接入能力與即時(shí)的數(shù)據(jù)推送呈現(xiàn)體驗(yàn)。

盾構(gòu)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的網(wǎng)址鏈接為：https://tmain.tbmcloud.com.cn/#/login?redirect=%2Fscreen。用戶(hù)可直接登錄進(jìn)行查看。

2.1.1 監(jiān)控中心

多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控中心界面如圖6所示。系統(tǒng)總覽頁(yè)面展示當(dāng)前用戶(hù)權(quán)限下所有的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)源的信息，包括設(shè)備總數(shù)、在線(xiàn)數(shù)量、所在位置；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁(yè)面可選擇展示某個(gè)數(shù)據(jù)源遠(yuǎn)程傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)位數(shù)值信息；歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)頁(yè)面可查詢(xún)某個(gè)數(shù)據(jù)源一段時(shí)間范圍的歷史數(shù)據(jù)，展示選定點(diǎn)位的數(shù)據(jù)連續(xù)情況。

圖6 多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控中心界面

2.1.2 管理中心

多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)管理中心界面如圖7所示，能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目管理、設(shè)備管理、網(wǎng)關(guān)管理、角色管理、用戶(hù)管理等功能。項(xiàng)目管理用于管理數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)用的項(xiàng)目信息，包括項(xiàng)目名稱(chēng)、負(fù)責(zé)人、項(xiàng)目地址等信息；設(shè)備管理用于管理數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)用的掘進(jìn)設(shè)備信息，包括與采集終端網(wǎng)關(guān)的關(guān)聯(lián)與拆解、項(xiàng)目調(diào)度，以及相關(guān)聯(lián)終端網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)源的基本參數(shù)、采集頻率、點(diǎn)位信息的遠(yuǎn)程設(shè)置等功能；網(wǎng)關(guān)管理用于管理終端網(wǎng)關(guān)信息，包括網(wǎng)關(guān)的名稱(chēng)、網(wǎng)關(guān)的編號(hào)、網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程連接的密碼等信息；角色管理頁(yè)面將用戶(hù)分成不同的角色，角色對(duì)應(yīng)功能模塊的管理權(quán)限；用戶(hù)管理可以對(duì)用戶(hù)進(jìn)行查詢(xún)、新增、修改、刪除操作，關(guān)聯(lián)到不同的角色，由角色確定用戶(hù)的管理權(quán)限。

圖7 多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)管理中心界面

2.2 終端本地管理平臺(tái)

多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端本地管理平臺(tái)采用Web B/S架構(gòu)，Web后臺(tái)使用Go開(kāi)發(fā)，Web頁(yè)面使用HTML編寫(xiě)[16]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境信息監(jiān)控、連接遠(yuǎn)程服務(wù)器的通訊配置、數(shù)據(jù)源的增減及參數(shù)配置、數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控等功能。針對(duì)本地管理平臺(tái)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述：

1)終端狀態(tài)可視化。終端狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)關(guān)硬件運(yùn)行環(huán)境的信息展示，包括運(yùn)行時(shí)間、CPU占用率、磁盤(pán)占用率等信息，有助于分析采集網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行效率和系統(tǒng)的健壯性、可靠性。

2)參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置頁(yè)面實(shí)現(xiàn)了配置數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器通訊的IP地址、端口信息、選擇性是否接入外網(wǎng)等功能。

3)數(shù)據(jù)源管理。數(shù)據(jù)源頁(yè)面實(shí)現(xiàn)了配置數(shù)據(jù)源的通訊地址和通訊協(xié)議、采集頻次、歷史數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量、導(dǎo)入導(dǎo)出點(diǎn)位變量表等信息展示，如圖8所示。

圖8 采集終端管理平臺(tái)數(shù)據(jù)源界面

4)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)源的點(diǎn)位變量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示刷新頻率為1 s，在數(shù)據(jù)源斷開(kāi)或者延遲過(guò)大時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)將不再刷新，由此得知數(shù)據(jù)源出現(xiàn)通信問(wèn)題，界面如圖9所示。

圖9 采集終端管理平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

3 數(shù)據(jù)源模塊設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

隧道施工時(shí)的網(wǎng)絡(luò)部署主要是以以太網(wǎng)為主，各感知端通過(guò)以太網(wǎng)接入到主控室的交換機(jī)上，而后接入采集終端，其中，設(shè)備數(shù)據(jù)源的采集頻率一般為缺省值，如PLC采集速率一般為1次/s，且用戶(hù)可進(jìn)行自定義設(shè)置。

3.1 西門(mén)子PLC數(shù)據(jù)源

3.1.1 采集模塊設(shè)計(jì)

目前PLC廠商的OPC服務(wù)器通常只能運(yùn)行在Windows平臺(tái)上，且體積龐大，占用資源多[17]。因考慮到兼容ARM開(kāi)發(fā)，宜選用直接利用PLC的內(nèi)部協(xié)議，用以太網(wǎng)進(jìn)行連接。西門(mén)子S7-200/300/400等均支持S7協(xié)議。選用開(kāi)源的Snap7函數(shù)庫(kù)可以對(duì)S7協(xié)議進(jìn)行解析，相對(duì)OPC、OPC UA等其他方式，具有跨平臺(tái)、通信效率高、占用資源少的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)難度較大[18]。

由于每臺(tái)設(shè)備的PLC地址不盡相同，需要事先定義PLC的點(diǎn)位表，存儲(chǔ)于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，只有在點(diǎn)位表中存在的地址才進(jìn)行讀取，避免不必要的CPU和帶寬資源浪費(fèi)。在S7協(xié)議中，PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于I、Q、M、DB等不同的區(qū)域，需要分別讀取，而且每次讀取時(shí)只能讀取一段連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)域。連續(xù)區(qū)域中，部分地址可能是未定義的[19]。通過(guò)優(yōu)化算法，既保證每次讀取的連續(xù)區(qū)域足夠大以減少讀取次數(shù)，又避免讀取到過(guò)多的無(wú)用數(shù)據(jù)。

以圖10為例，1個(gè)灰色格子表示1個(gè)需要采集的PLC變量，白色格子表示不需要采集的PLC變量。圖中列舉了3種讀取方式，其中，A方式保證每次只讀取需要采集的變量，但是讀取了3次；C方式僅讀取1次，但是讀取了過(guò)多無(wú)需采集的數(shù)據(jù)；而B(niǎo)方式兼顧了讀取次數(shù)和讀取總數(shù)量，更加合理。

圖10 PLC連續(xù)區(qū)域讀取示意圖

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)部署測(cè)試

2020年7月31日，在廣州地鐵11號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)上進(jìn)行了PLC接入測(cè)試，如圖11所示。該項(xiàng)目通訊機(jī)柜內(nèi)的內(nèi)外網(wǎng)網(wǎng)口相對(duì)容易排查，交換機(jī)是比較常規(guī)的網(wǎng)口布局，內(nèi)外網(wǎng)網(wǎng)口分別在交換機(jī)不同的區(qū)域。在查找到內(nèi)網(wǎng)及外網(wǎng)網(wǎng)口后，進(jìn)行系統(tǒng)部屬測(cè)試，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至服務(wù)器。

(a)內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)網(wǎng)口

3.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

3.2.1 采集模塊設(shè)計(jì)

主機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由加速度傳感器、信號(hào)采集與傳輸、信號(hào)處理與顯示3個(gè)模塊組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖12所示。

圖12 主機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

加速度傳感器可獲取主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、中心艙、刀盤(pán)隔板等位置的振動(dòng)信號(hào)，信號(hào)采集儀將采集到的加速度數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP通信協(xié)議接入數(shù)據(jù)采集終端，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，最后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)部署測(cè)試

2020年12月，在云南大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM上搭載了所設(shè)計(jì)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)部署測(cè)試。采集儀部署如圖13(a)所示，位于人艙出口后方主梁底部位置。數(shù)據(jù)采集終端部署如圖13(b)所示，位于主控室操作臺(tái)上方。上位機(jī)運(yùn)行圖見(jiàn)圖13(c)，為采集到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上的可視化顯示。經(jīng)過(guò)本次測(cè)試，振動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)置采集頻率為240 Hz，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)回傳及存儲(chǔ)，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

(a)采集儀部署

3.3 渣片監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

3.3.1 采集模塊設(shè)計(jì)

在TBM掘進(jìn)時(shí)，由掘進(jìn)出渣情況可以從側(cè)面反映當(dāng)前掌子面的情況。渣片圖像分割系統(tǒng)搭載的主要目的是識(shí)別TBM施工時(shí)渣片的粒徑大小并進(jìn)行分組。在TBM施工時(shí)，滾刀與巖層間存在多種形式的作用力，根據(jù)力的相互作用進(jìn)行巖層的切割，形成渣片后利用皮帶機(jī)進(jìn)行出渣。在掘進(jìn)過(guò)程中，正常的渣片粒徑長(zhǎng)邊為10～15 cm(工程經(jīng)驗(yàn)所得)，當(dāng)出現(xiàn)較大粒徑時(shí)，說(shuō)明滾刀與巖層間存在切割異常。為了避免刀具異常磨損，此時(shí)渣片分割系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，一方面提示前方的地質(zhì)情況可能發(fā)生突變，另一方面提醒總推進(jìn)力可能過(guò)大，需要司機(jī)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，為T(mén)BM安全施工提供一定的保障。在進(jìn)行渣片粒徑分級(jí)識(shí)別中，由于皮帶機(jī)速度≥3 m/s，普通相機(jī)拍出的渣片圖像模糊且無(wú)法準(zhǔn)確分辨，故本數(shù)據(jù)源所采用的渣片相機(jī)為線(xiàn)陣相機(jī)，最高行寬為4 096 pt，最高行頻為28 000 pt，所生成的無(wú)損圖像大小≥40 MB，利用激光進(jìn)行補(bǔ)光處理后，無(wú)需外加燈光。

渣片狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖14所示。硬件部分傳輸采用千兆網(wǎng)口，采用直連或者接千兆交換機(jī)的方式，將相機(jī)端接入到數(shù)據(jù)采集終端，相機(jī)采用獨(dú)立電源/POE供電。軟件部分網(wǎng)絡(luò)傳輸基于TCP/IP協(xié)議，通過(guò)相機(jī)廠家提供的API接口和數(shù)據(jù)解析格式進(jìn)行相機(jī)的查找、連接、拍攝及數(shù)據(jù)傳輸。

圖14 渣片狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.3.2 現(xiàn)場(chǎng)部署測(cè)試

在進(jìn)行渣片監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源測(cè)試時(shí)，同樣選擇云南大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM進(jìn)行了相機(jī)搭載、通信測(cè)試等。如圖15所示，回傳的圖像數(shù)據(jù)在上位機(jī)上顯示，圖像采集頻率為0.7 FPS，圖像大小平均為30 MB。

(a)相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)部署

4 結(jié)論與討論

本文主要論述了專(zhuān)用的隧道掘進(jìn)設(shè)備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)方法及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。采用一主多從的系統(tǒng)架構(gòu)，按照“微服務(wù)”的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)源接入接口統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)源進(jìn)程相互獨(dú)立的程序架構(gòu)，開(kāi)發(fā)出安全、穩(wěn)定、高性能、高并發(fā)、低帶寬占用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的程序框架，提出了一種以插件形式組織數(shù)據(jù)源接入，進(jìn)行快速定制化程序開(kāi)發(fā)并遠(yuǎn)程更新終端程序的方法。

通過(guò)隧道施工數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)在工程項(xiàng)目中的具體應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)先后接入PLC數(shù)據(jù)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、渣土改良數(shù)據(jù)、刀盤(pán)磨損數(shù)據(jù)等10多種異構(gòu)類(lèi)型的數(shù)據(jù)源，解決了隧道施工中各種異構(gòu)數(shù)據(jù)采集的難題。

由于本文所述的多源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的邊緣計(jì)算能力有限，內(nèi)存資源有限，從而在同時(shí)接入多個(gè)大密度數(shù)據(jù)源進(jìn)行傳輸時(shí)速率有所降低，因此，如何優(yōu)化多個(gè)大密度數(shù)據(jù)源傳輸策略是今后需要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。