基于互联网的隧道掘进机故障筛选及预警系统开发

张迅博

摘要：国内盾构机在施工时，在盾构机掘进过程中时常会遇到各种突发情况，然而报警信息无法及时传递到技术专家手中，这为盾构施工埋下了安全隐患。为解决这一困难，文章设计了一套基于互联网的隧道掘进机故障筛选及预警系统，能实现实时搜集多台盾构机施工中的报警信息，通过因特网汇集到远端服务器，利用故障筛选及预警系统，实时向技术专家，业主，监理发出预警短信。系统保障了施工人员及机械的安全，提高了管理效率节约了项目成本。

关键词：盾构机；报警筛选；短信预警

0 引言

我国在盾构施工法方面已然有一定成功经验，但仍然存在不足。城市地下隧道项目，往往是多个施工企业，多个工地同时施工，位置分布广且分散。施工时常有突发情况，如何高效率地处理故障，规避风险，减少成本是摆在人们面前的问题。

对于隧道工程施工安全状态的评判，主要包括2个方面的内容。（1）通过施工现场采集监测数据，加以管理、分析；（2）通过分析计算，事先确定隧道施工安全警戒值。最后通过现场实测数据同安全警戒值的比较，即可以实现对隧道安全状态的判断。

1 总体系统方案

1.1 总体框架

地下隧道里把盾构机的报警数据先通过局域网传输到地上，然后再基于互联网进行远程传输到预警筛选系统，过滤后的报警再通过短信网关，把预警信息传递给专家，业主，监理。总体框架分为地上和地上2个部分来描述。

1.1.1 地下

（1）PLC：作为盾构机的电气控制中枢，通过传感器采集盾构机工作时的各种参数并汇集到PLC中以及传送主控室中下达的命令控制各个元器件。（2）主控室：盾构机控制室的Pc客户端读取PLC中的数据并形象化展现出来，供盾构施工人员参考。

1.1.2 地上

（1）监控室：地面控制室的PC中常驻服务器，负责读取PLC的实时数据和人机界面上的历史数据并存储，再将这些数据发送给远端服务器。（2）预警筛选系统：该系统作为报警及预警的核心，接收从各地项目上实时传来的数据，并根据一个智能专家库来进行报警筛选。（3）短信网关：该网关提供一个第三方的短信接口，来向指定人群发送短信。（4）专家：指行业专家、业主方和监理方。

1.2 通信协议及开发框架

报警及预警系统其中一部分是从地下盾构机到工地地面项目部，隧道在掘进过程中，因为距离长，要考虑信号的衰减以及带宽，可选用光纤接入。光纤的抗干扰、带宽高、速度快，传输距离远使其成为更优选。

OPC是PLC与PC数据交换的接口，而西门子OPC的实现只能通过西门子专有的OPC Server软件。比如Simatic NET，MatrikonOPC Server。

实时传输协议使用UDP协议通信。这个系统是性能优先，允许一定量丢包。在系统开发中选择利用厂商提供的通信接口，然后使用C#语言开发系统功能模块。

2 报警筛选及短信预警开发方案

2.1 报警筛选系统

该系统的核心为报警筛选专家库，从工地各项目部汇集的报警信息是否达到预警阂值，构成预警条件，其判断依据就是报警筛选专家库。专家库是由隧道施工方面的土木、机电专家依据地质情况，盾构自身性能特点形成的报警条件库。每条报警判断值由中文语义组成。比如，“刀盘速度大于x转/分”“油箱油位油温高于X度”“推进泵压力小于设定值”“冷却液位持续异常X秒”“皮带机急停、按绳、跑偏不正常”等。汇集的报警值进入报警筛选库进行匹配筛选，匹配成功则进入预警流程。

上述报警如“X项铰接位移之和再乘以Y系数大于设定最大值”是中文语义，对于人们来说很好理解。将其转换成表达式：

（第1项铰接位移+第2项铰接位移）*Y系数=设定最大值。

上述表达式为中缀表达式，但对于计算机来说确不容易被解析。所以采用后缀表达式来描述。

逆波兰记法不需要括号来标识操作符的优先级。把上述表达式转为后缀表达式：

第1项铰接位移第2项铰接位移+Y系数*=设定最大值。

可以看到，上面的后缀表达式已经不需要括号。这样使计算机理解起来就非常容易。把中缀表达式转为后缀可以采用二叉树进行转换。在利用二叉树来表示表达式时，用叶子节点来存储操作数，用内部节点存储操作符。

2.2 短信网关

采用第三方的短信网关，它基于TCP协议，数据包压缩传输，通讯效率高，使用SOCKET5的80端口。相比于WebService效率更高。（基于SOAP协议，通讯效率低，跨平台的可互操作特性、不受防火墙限制。）

可以发送即时和定时短信，发送短信到第三方平台，第三方平台收到短信数据后，即时提交到短信网关。

3 结语

基于互联网的隧道掘进机故障筛选及预警系统实现了多个工地上多台盾构集中实时传输报警数据，解决了大型施工单位拥有多台盾构，且盾构施工地分散不易管理，避免同时施工时造成故障不易预警，延迟解决给施工带来的伤害，提高了管理效率节约了管理成本，具有很好的推广价值。