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基于大数据平台的盾构集群远程监控与智能决策支持系统及应用

范文

张贞

摘要：盾构远程监控系统基于大数据平台对盾构掘进数据和施工管理数据进行实时监控和数据分析。利用web端和手机端可以随时随地查看所有接入系统内盾构机的掘进参数、运行工效、设备状态、风险情况、施工质量、视频监控等数据，为判断设备运行状态和故障诊断提供支持，对盾构掘进姿态超限、风险情况等进行预警，为公司级和项目级盾构施工管理、远程问题诊断和施工管理决策提供重要依据。

关键词：大数据;盾构;远程监控;数据分析;远程诊断;预警

Abstract： The shield remote monitoring system is based on the big data platform for real-time monitoring and data analysis of shield tunneling data and construction management data. Using the web and mobile phones， you can view the tunneling parameters， operating efficiency， equipment status， risk status， construction quality， video monitoring and other data of all shield machines in the access system anytime and anywhere， to provide support for judging the operation status and fault diagnosis of the equipment and the early warning of shield tunneling posture overrun and risk situation and to provide important basis for company-level and project-level shield construction management， remote problem diagnosis and construction management decision-making.

Key words： big data;shield;remote monitoring;data analysis;remote diagnosis;early warning

0? 引言

目前，我國地铁施工主要以盾构法为主。对于地铁施工企业而言，由于项目分布在全国各个城市，同时对多个项目多台盾构机进行施工管理，需要耗费大量时间和人力、物力等资源。对盾构施工的远程监控能够有效提高地铁建设和施工企业的施工管理效率和水平。

盾构远程监控可以实时监控盾构掘进参数[1]，通过分析盾构掘进参数及变化情况，判断盾构机是否正常掘进，发现盾构机故障问题等，为施工管理和决策提供依据，对指导地铁施工和提高施工管理精细化水平具有重要意义。我公司自主开发的盾构集群远程监控与智能决策支持系统（以下简称“盾构远程监控系统”）是城市地下空间工程智能大数据分析与公共服务平台的应用系统之一，基于大数据平台利用大数据采集、管理、分析等技术手段[2]，实现对盾构施工的远程监控和智能决策支持。

1? 系统组成

盾构远程监控系统分为公司级和项目级界面，主要由盾构工程概览、盾构掘进数据、盾构施工管理、视频监控四部分组成。

1.1 公司级界面? 公司级主要包括盾构工程概览和盾构施工管理。主界面显示公司盾构工程概览，包括所有项目的分布情况、总体工程概况（如在建项目数量、当日掘进进度等）、盾构机设备状态（如当前掘进、拼环、停机情况）、项目公告（如始发、到达、进度、风险信息提示）等。公司级主界面如图1所示。

公司级盾构施工管理对公司所有项目从进度、安全、质量、设备四方面进行管理。进度管理显示所有项目当日及30天内的掘进进度及变化趋势，对项目所在片区及所有项目的掘进进度进行排名。安全管理显示所有项目的风险情况和特种人员配置，同时根据项目部每周上报的安全风险生成安全风险周报。质量管理显示所有项目的管片质量情况，对管片质量进行评级。设备管理显示所有盾构机的每日设备状态，对因故障停机的设备情况、故障停机原因进行统计分析。

1.2 项目级界面? 由公司级界面选择某一项目或盾构机可以进入具体项目界面。项目级主要包括四部分：盾构工程概览、盾构掘进数据、盾构施工管理、视频监控。

盾构工程概览显示工程的可视化视图、项目概况、进度工效、风险预警、主要参数等信息。其中工程可视化视图通过GIS地图显示工程掘进线路轨迹、当前进度、周边施工环境、设备状态、项目风险等信息。可视化视图还加载了线路平面和断面CAD图以及地质参数信息，CAD图同步显示盾构机掘进当前进度，可以详细查看线路掘进的轨迹、周边建（构）筑物情况、穿越道路管线情况、覆土深度、地层地质信息[3]等。

盾构掘进数据实时显示盾构机掘进参数，包含参数界面、参数列表及参数曲线三部分。参数界面主要包括主监控、导向系统、注浆系统、盾尾油脂、泡沫系统等，在主监控界面显示盾构机关键参数如推进压力、推进速度、总推力、刀盘扭矩、推进行程以及盾构机的运行状态等，其它参数界面可以分别查看相应的参数值。参数列表可以查看盾构机所有参数的当前数据和历史数据。参数曲线可以查看所有参数的数据变化曲线，根据需要监控的参数情况可自定义添加监控项和历史数据时间范围。

盾构施工管理主要包括进度、安全、质量和设备管理四部分，是基于盾构数据分析和各项目部上报的报表相结合的管理模块。①进度管理根据掘进参数数据分析反映工效和盾构机运转情况。工效曲线反映盾构机的日工效、月工效，白班、夜班工效。盾构机运转情况反映每环管片的掘进、拼环、停机时间以及任意时刻盾构机的运转状态。②安全管理主要包括风险管控、地面沉降、特种人员管理等。风险管控根据项目部在项目开工前上报的风险情况在系统中录入风险信息，在工程可视化视图和安全管理中显示风险详情以及当前进度下或即将出现的风险情况。同时，项目部根据项目进度每周上报项目安全风险，生成项目风险情况周报。地面沉降是由项目部定期上报沉降监测点的监测数据，由系统生成地面沉降监测图，对地面沉降量及变化情况进行跟踪，掌握地面沉降情况。特种人员管理根据规定的特种人员工种及数量，对项目部特种人员进行管理，出现特种人员数量不足或者人员证照过期等情况会自动提醒。③质量管理由项目部上报每环管片的质量情况，系统自动生成管片偏差图，可以查看每环管片的水平、垂直偏差及相邻管片错台情况。④设备管理由项目部每日上报每台盾构机的设备状态信息，显示盾构机的每日设备状态及设备日志，当因设备故障出现停机状态，可以查询故障原因、停机时长、处理措施等详情。

视频监控根据监控需求对地面及隧道内重要施工部位、存在施工风险和安全隐患等部位进行重点监控，如地面施工场地、材料加工场、龙门吊行走区、洞门、竖井、管片拼装区、螺旋机出土口、台车尾部、泥浆分离站等。对项目现场的施工活动，人、机、料的不安全因素或不文明行为，违规操作及安全质量问题进行实时监控。

2? 系统功能及应用

2.1 数据分析

2.1.1 掘进数据分析? 通过掘进参数和参数曲线对所有参数及变化情况进行分析，判断掘进参数和变化趋势是否正常。当掘进参数超出正常范围、出现较大偏差或者变化幅度较大，超过合理的范围，说明盾构施工出现异常情况。施工管理人员和专家可以根据掘进数据进行原因分析，为远程分析判断盾构机施工及设备状态、问题诊断、施工管理及决策提供依据。参数曲线分析如图2所示。

2.1.2 进度管理工效分析? 包括工效分析和盾构机运转情况分析。系统根据掘进进度参数生成工效曲线，可以分析当月及每日进度是否完成计划进度、与计划完成目标的差距;通过对白班、夜班工效对比分析，对工效低的班组进行原因分析，查找差距，提高工效和施工管理及技術水平。盾构机运转情况反映每环管片的掘进、拼环、停机时间以及任意时刻盾构机的运转状态，为分析判断盾构施工每环的运行工效和盾构机的运行状态提供依据。

2.1.3 地面沉降分析? 系统根据地面沉降数据生成地面沉降变化图，反映每个监测点的本次及累计变化量，实时掌握沉降监测点变化动态和地面沉降情况。如果监测点沉降量超出正常范围[4]，各级管理人员能够及时发现问题，采取应对措施，避免因信息不对等，问题没有及时发现和重视造成反应延迟，引起不必要的损失或地面沉降事故。

2.1.4 管片质量分析? 系统根据管片质量数据生成管片水平及垂直偏差图，显示每环管片的管片水平（垂直）偏差和盾构导向水平（垂直）偏差，反映管片偏差、错台等质量问题，使各级管理人员能够及时发现管片拼装质量问题，采取相应措施，提高整体管片拼装质量和工程质量。

2.2 设备运行状态? 根据盾构机掘进参数可以实时了解盾构机的运行状态，查询历史状态。通过对推进压力、总推力、刀盘扭矩、推进速度、推进行程、导向姿态等关键参数的监控，可以掌握盾构机的总体运行情况、参数变化情况及变化趋势。当关键参数出现异常或超限，监控人员立即对异常情况进行核实，及时做出反馈，由相关部门和负责人对施工现场出现的异常工况及时处理和指导，保证盾构机的安全、正常运行。

根据各项目部上报的设备状态日报，可以查询所有盾构机每天的设备状态和设备详情，跟踪设备状态变化情况，避免因设备问题出现停机或者设备故障未及时解除影响施工进度。

通过掘进参数监控和设备状态日报两者结合，各级管理人员能够随时了解所有盾构机的每日运行情况及设备动态，有利于对多台盾构机进行施工管理。

2.3 故障诊断支持? 通过对盾构机刀盘驱动系统、螺旋输送机、液压系统等[5]相关设备运行参数的监控及历史数据变化曲线的分析，可以远程监控设备状态。如果设备出现异常或故障，相关参数的异常及变化情况能够为盾构机故障原因的诊断和分析提供数据支持，实现远程故障诊断，提出专家意见，及时解决故障问题。

2.4 预警功能

2.4.1 导向系统预警? 导向系统对盾构机掘进水平及垂直姿态、趋向，滚动角、俯仰角等盾构掘进姿态相关参数进行实时监控，当掘进姿态超预警值，系统将自动进行预警。导向预警采取分级预警，根据盾构机姿态超限范围向项目负责人、主管部门、公司领导等相关负责人分级推送短信。导向预警能够及时发现并推送导向姿态异常情况。相关管理人员和专家针对存在问题分析查找原因，远程指导施工现场采取措施，保证盾构机掘进姿态正常，使隧道按照设计线路掘进，保障成型隧道和施工总体质量。

2.4.2 风险预警? 根据风险等级不同分级预警，当盾构机即将掘进到风险位置，系统将按照设置的预警环号提前预警，预警信息以短信形式按照风险等级不同发送给项目部相关负责人，提醒项目负责人针对风险情况提前策划，做好应对措施。

2.4.3 地质情况预警? 当盾构机掘进线路出现地层地质情况变化时，会影响盾构掘进参数控制。监控人员根据地质变化情况提前对项目部下发预警通知，提醒项目部采取相关措施，控制掘进参数和盾构掘进姿态正常，确保现场施工正常。

3? 系统服务

3.1 使用权限? 系统应用可以根据不同层级的管理者或岗位需求进行权限设置。从管理层级上对公司级和项目级设置不同的使用权限，公司层级对所有项目进行监控和管理，项目层级主要针对具体的项目进行监控和管理。对于不同业务部门针对业务管理模块或需求，进行具体模块使用权限的设置。另外，根据不同的片区和管理范围，可以设置相应权限查看该片区范围内的项目情况。

3.2 专家 “包保”制度? 由公司内部专家对公司所有项目实行“包保”制度，专家对所负责项目的掘进数据、施工管理数据和图表、视频监控数据等进行监控，掌握项目总体施工情况及动态，及时发现盾构施工中存在的问题，提供技术指导和专业建议。

3.3 移动端应用系统? 系统还开发了手机移动客户端，通过手机app应用系统对所有盾构机进行远程监控。手机移动端与网页端系统功能相同，可以随时随地查看盾构机的掘进参数、可视化视图、管理数据和视频监控情况，使用其它各项功能，对盾构施工的远程监控更加便捷。

4? 结论与讨论

盾构远程监控系统可以对不同类型、品牌、型号的盾构机进行监控，通过web端和手机端可以随时随地查看所有接入系统内盾构机的掘进参数、运行工效、设备状态、风险情况、施工质量、视频监控等数据，对盾构掘进姿态超限、风险情况等进行预警，为公司级和项目级盾构施工管理、远程问题诊断和管理决策提供重要依据。该系统不仅应用于我公司国内外所有项目部，也为其它地铁建设单位或施工企业提供远程监控服务，是地铁施工信息化管理的重要组成，为企业提高施工管理精细化水平提供技术支持。

由于地下工程的复杂性和不确定性，需要大量的基础数据和资料作为大数据分析的数据库，目前系统在掘进数据的分析和利用、报警、软件功能等方面还有很多开发空间。利用大数据平台可以分析总结地质条件、外部环境等影响因素类似条件下盾构平均工效，制定企业标准;可以建立项目库和专家库，为以后项目出现类似施工问题提供掘进参数和解决方案指导。

参考文献：

[1]孟祥波，徐受天，马强.基于互联网的盾构远程实时监控系统开发[J].隧道建设，2012，32（2）：256-260.

[2]宫夏屹，李伯虎，柴旭东，等.大数据平台技术综述[J].系统仿真学报，2014，26（3）：489-496.

[3]张芳，朱合华，吴江斌.城市地下空间信息化研究综述[J].地下空间与工程学报，2006，2（1）：5-9.

[4]何小林，王涛.盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制[J].科技资讯，2012（17）：71-72.

[5]周奇才，周杰，傅天宏，等.盾构机故障诊断与远程维护系统设计与研究[J].机电一体化，2013（10）：18-22.

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