基于互聯網的隧道掘進機故障篩選及預警系統開發

張迅博

摘要：國內盾構機在施工時，在盾構機掘進過程中時常會遇到各種突發情況，然而報警信息無法及時傳遞到技術專家手中，這為盾構施工埋下了安全隱患。為解決這一困難，文章設計了一套基于互聯網的隧道掘進機故障篩選及預警系統，能實現實時搜集多臺盾構機施工中的報警信息，通過因特網匯集到遠端服務器，利用故障篩選及預警系統，實時向技術專家，業主，監理發出預警短信。系統保障了施工人員及機械的安全，提高了管理效率節約了項目成本。

關鍵詞：盾構機；報警篩選；短信預警

0 引言

我國在盾構施工法方面已然有一定成功經驗，但仍然存在不足。城市地下隧道項目，往往是多個施工企業，多個工地同時施工，位置分布廣且分散。施工時常有突發情況，如何高效率地處理故障，規避風險，減少成本是擺在人們面前的問題。

對于隧道工程施工安全狀態的評判，主要包括2個方面的內容。（1）通過施工現場采集監測數據，加以管理、分析；（2）通過分析計算，事先確定隧道施工安全警戒值。最后通過現場實測數據同安全警戒值的比較，即可以實現對隧道安全狀態的判斷。

1 總體系統方案

1.1 總體框架

地下隧道里把盾構機的報警數據先通過局域網傳輸到地上，然后再基于互聯網進行遠程傳輸到預警篩選系統，過濾后的報警再通過短信網關，把預警信息傳遞給專家，業主，監理?？傮w框架分為地上和地上2個部分來描述。

1.1.1 地下

（1）PLC：作為盾構機的電氣控制中樞，通過傳感器采集盾構機工作時的各種參數并匯集到PLC中以及傳送主控室中下達的命令控制各個元器件。（2）主控室：盾構機控制室的Pc客戶端讀取PLC中的數據并形象化展現出來，供盾構施工人員參考。

1.1.2 地上

（1）監控室：地面控制室的PC中常駐服務器，負責讀取PLC的實時數據和人機界面上的歷史數據并存儲，再將這些數據發送給遠端服務器。（2）預警篩選系統：該系統作為報警及預警的核心，接收從各地項目上實時傳來的數據，并根據一個智能專家庫來進行報警篩選。（3）短信網關：該網關提供一個第三方的短信接口，來向指定人群發送短信。（4）專家：指行業專家、業主方和監理方。

1.2 通信協議及開發框架

報警及預警系統其中一部分是從地下盾構機到工地地面項目部，隧道在掘進過程中，因為距離長，要考慮信號的衰減以及帶寬，可選用光纖接入。光纖的抗干擾、帶寬高、速度快，傳輸距離遠使其成為更優選。

OPC是PLC與PC數據交換的接口，而西門子OPC的實現只能通過西門子專有的OPC Server軟件。比如Simatic NET，MatrikonOPC Server。

實時傳輸協議使用UDP協議通信。這個系統是性能優先，允許一定量丟包。在系統開發中選擇利用廠商提供的通信接口，然后使用C#語言開發系統功能模塊。

2 報警篩選及短信預警開發方案

2.1 報警篩選系統

該系統的核心為報警篩選專家庫，從工地各項目部匯集的報警信息是否達到預警閡值，構成預警條件，其判斷依據就是報警篩選專家庫。專家庫是由隧道施工方面的土木、機電專家依據地質情況，盾構自身性能特點形成的報警條件庫。每條報警判斷值由中文語義組成。比如，“刀盤速度大于x轉/分”“油箱油位油溫高于X度”“推進泵壓力小于設定值”“冷卻液位持續異常X秒”“皮帶機急停、按繩、跑偏不正?！钡?。匯集的報警值進入報警篩選庫進行匹配篩選，匹配成功則進入預警流程。

上述報警如“X項鉸接位移之和再乘以Y系數大于設定最大值”是中文語義，對于人們來說很好理解。將其轉換成表達式：

（第1項鉸接位移+第2項鉸接位移）*Y系數=設定最大值。

上述表達式為中綴表達式，但對于計算機來說確不容易被解析。所以采用后綴表達式來描述。

逆波蘭記法不需要括號來標識操作符的優先級。把上述表達式轉為后綴表達式：

第1項鉸接位移第2項鉸接位移+Y系數*=設定最大值。

可以看到，上面的后綴表達式已經不需要括號。這樣使計算機理解起來就非常容易。把中綴表達式轉為后綴可以采用二叉樹進行轉換。在利用二叉樹來表示表達式時，用葉子節點來存儲操作數，用內部節點存儲操作符。

2.2 短信網關

采用第三方的短信網關，它基于TCP協議，數據包壓縮傳輸，通訊效率高，使用SOCKET5的80端口。相比于WebService效率更高。（基于SOAP協議，通訊效率低，跨平臺的可互操作特性、不受防火墻限制。）

可以發送即時和定時短信，發送短信到第三方平臺，第三方平臺收到短信數據后，即時提交到短信網關。

3 結語

基于互聯網的隧道掘進機故障篩選及預警系統實現了多個工地上多臺盾構集中實時傳輸報警數據，解決了大型施工單位擁有多臺盾構，且盾構施工地分散不易管理，避免同時施工時造成故障不易預警，延遲解決給施工帶來的傷害，提高了管理效率節約了管理成本，具有很好的推廣價值。