復合盾構土艙可視化實時監測系統研究

李東利，孫 偉，鐘慶豐，孟祥波，高 明，馮 碩

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著我國經濟的持續發展、綜合國力的不斷提升及高新技術的深入應用，隧道及地下工程得到了前所未有的發展。我國已是世界上隧道及地下工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家[1-2]。盾構作為機械化開挖的工程裝備，已經在我國隧道及地下空間開發中得到了廣泛應用[3]。為了保證復合盾構施工的順利進行，需要在掘進過程中獲取土艙內的工作情況，包括刀盤的旋轉狀態、刀具的磨損狀況、開挖地層的圖像信息和渣土的流動特性，從而為調整掘進參數和控制策略、確保順利施工提供技術依據。

為了獲取盾構土艙內的工作情況，目前國內外學者主要研究出了開艙監測法和視頻監控法。開艙監測法是獲取土艙內工作情況最直接、最有效的方法，但帶壓開艙監測通常成本高、耗時長，不僅影響施工進度，而且安全風險較高[4-5]。視頻監控法是在土艙內安裝視頻監控和照明裝置，需要查看時先降低土艙內渣土液位然后啟動視頻監控設備，但視頻監測窗口容易被渣土覆蓋且監測區域有限[6]。針對目前研究現狀，為了實時獲取土艙內的情況，本文建立土艙可視化實時監測系統，介紹該系統的結構設計、硬件設計和軟件設計，并通過室內和現場試驗驗證。

1 系統方案

土艙可視化實時監測系統主要由前端設備、網絡設備、上位機、水閥、氣閥及PLC(programmable logic controller，可編程邏輯控制器)等組成，其中前端設備包括控制單元、攝像機、補光燈等，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

前端設備安裝在土艙隔板上，上位機安裝在主控室內，PLC、網絡設備、水閥、氣閥等安裝在相關操作平臺上。前端設備上電后，上位機通過串口通信接口與前端設備通信，實時監測補光燈、攝像機、風扇、電機等前端設備的工作狀態。通過PLC實現水閥和氣閥的聯動控制，開啟水閥和氣閥能夠實現觀察窗口的清潔性和設備主動散熱性等目的。攝像機采集的視頻信號通過以太網通信將數據傳輸到上位機，實現土艙的實時視頻監控、錄像、回放以及系統溫度、濕度和壓力的監測。

2 結構設計

由于復合盾構施工時工作環境惡劣，為減少渣土對觀察窗口的沖擊，前面板采用凹形設計進行保護。觀察窗口的玻璃窗片采用20 mm厚的特制鋼化玻璃，前端設備殼體設計厚度為70 mm，后面板采用20 mm厚鋼板。后面板設計為冷卻水箱結構，并通過螺栓與殼體連接，用橡膠條密封，保證氣密性良好。為避免震動對設備造成影響，在前端設備下方安裝托架。

為了實現最佳監測，攝像機采用工業攝像機+廣角鏡頭組合設計，并配合上下擺動旋轉裝置，從而實現監測區域最大化。

鑒于復合盾構工作時空間密閉、溫度較高，為避免攝像機和電路板溫度過高，該系統充分利用后面板加裝渦流管進行冷卻水循環系統設計，并在內部安裝風扇使內部空氣循環流動。為避免土艙內渣土堵塞觀察窗口，在前端設備上方設計安裝了高壓水氣噴頭，對觀察窗口進行清洗。系統軸側圖如圖2所示。

3 硬件設計

該系統硬件包括微處理器模塊、傳感器模塊、電源模塊、補光燈、攝像機、RS485模塊及上位機等，硬件結構如圖3所示。

圖2 系統軸側圖Fig.2 Axonometric drawing of system

圖3 硬件結構Fig.3 Hardware structure of system

4 軟件設計

系統軟件設計主要包括控制單元與上位機之間通信協議的設計、監控系統的設計及視頻采集系統的設計。

4.1 通信協議設計

上位機與控制單元之間采用RS485串口通信，波特率為9 600。一個完整的協議幀長度為7個字節，包括幀頭、命令碼/應答碼、地址碼、參數、校驗、幀尾6部分[7]。

1)上位機的命令數據幀格式如表1所示。幀頭=0xFB，地址碼=0x01(只有1臺設備時)，幀尾=0xFE。參數格式為8421-BCD碼，依命令碼定義。校驗為命令碼+地址碼+參數的和(十六進制)且舍去進位后與0x7F進行位與計算(防止與幀頭幀尾相同)。

表1 上位機的數據幀格式Table 1 Data frame format of upper computer

2)控制單元的應答數據幀格式如表2所示。幀頭=0xFB，地址碼=0x01(只有1臺設備時)，幀尾=0xFE。參數格式為8421-BCD碼，依應答碼定義。校驗為應答碼+地址碼+參數的和(十六進制)且舍去進位后與0x7F進行位與計算(防止與幀頭幀尾相同)。

表2 控制單元的數據幀格式Table 2 Data frame format of control unit

4.2 監控系統設計

應用軟件通常采用3層結構，即界面層、邏輯層、數據層?？紤]到復合盾構可視化系統的主要功能是監測控制參數變化、存儲歷史數據并進行統計分析等，程序的使用不需要完全遵循特定的業務流程，所以該系統的上位機軟件沒有邏輯層。然而其操作的對象全部直接或間接來自PLC，相當于在數據層下端多出了PLC通訊層。監控系統軟件架構如圖4所示。

圖4 軟件架構Fig.4 Software structure

采用Microsoft.NET Framework框架下C#自主開發的方式，設計了可視化監控系統界面。西門子SIMATIC NET軟件安裝成功后的Station Configuration是OPC服務器，它通過PLC廠商私有的通信協議讀取PLC中的數據，并將其轉化為與OPC服務器規范兼容的數據結構。監控系統編寫OPC客戶端讀取OPC服務器中的數據，一方面，通過形象化的顯示方式將數據顯示在屏幕上，另一方面，將關鍵數據存儲于數據庫用于事后的故障查詢和統計分析等。C#與OPC服務器的連接原理[8-9]如圖5所示。

圖5 C#連接OPC服務器連接原理Fig.5 Principle of C# connecting with OPC server

4.3 視頻采集系統設計

視頻采集系統采用C++語言、Visio Studio 2010開發環境進行圖形界面開發和視頻信號傳輸及處理[10]。如圖6所示，軟件整體框架采用協調多任務架構，將控制單元功能分解為若干有限狀態機，每項任務在給定時間內完成。

圖6 控制單元體系結構Fig.6 Structure of control unit

如圖7所示，采用面向對象的過程管理方法，將各模塊的數據結構作為對象的描述，主要函數作為相關的執行器，基于狀態遷移(信號采集模塊)、激勵源(補光燈模塊、風扇模塊)或執行動作(電機模塊)對各模塊任務過程繼續進行分解。

5 驗證試驗及工程實例

5.1 冷卻驗證試驗

鑒于復合盾構工作時空間密閉、溫度較高，當前端設備溫度過高時盡快降溫從而避免攝像機和電路板溫度過高是該系統的關鍵技術之一[11]，該系統充分利用后面板加裝渦流管進行冷卻水循環系統設計。

圖7 面向對象的過程控制模型Fig.7 Object oriented process control model

渦流管是一種即時能量分離裝置，工作時，壓縮空氣通過噴嘴膨脹后沿切向進入渦流室，在渦流室內產生高速旋轉的渦流，并在中心區形成低溫氣流，在外圍區產生高溫氣流[12]。渦流管具有占用空間小、結構簡單、無運行部件等特點，已經廣泛應用于制冷、制熱、混合物分離、空氣調節等領域的工業和科學研究中[13-14]。

為了驗證渦流管對該系統的降溫效果，進行了冷卻驗證試驗。如圖8所示，將受試設備放置在高低溫試驗箱內，通過渦流管向試驗箱內加入壓縮空氣。如圖9所示，將試驗箱以不超過2 ℃/min的速率升溫，連續升至45、50、60、70、80 ℃，并分別保持0.5 h。觀察設備運行情況，記錄各個溫度段的工作情況，并繪成數據曲線，如圖10所示。圖10中上部曲線表示外部溫度變化(試驗箱記錄)，下部曲線表示內部溫度變化(電路板采集)。

圖8 試驗箱Fig.8 Test box

圖9 試驗箱溫度變化Fig.9 Temperature variation of test box

圖10 溫度對比曲線Fig.10 Comparison curves of temperatures inside and outside soil chamber

試驗表明，渦流管有一定的降溫效果，并且距離渦流管越近時降溫效果越明顯。因此，在該系統設計時加裝導流裝置，將渦流管的進風口引至距離攝像機和電路板100 mm以內，對攝像機與電路板進行近距離降溫設計。

5.2 工程實例

在濟南軌道交通R1線工程現場進行工業試驗。結構正面安裝圖如圖11(a)所示，配置高壓水氣噴頭對觀察窗口進行沖刷，避免土艙內渣土堵塞。結構背面安裝圖如圖11(b)所示，前端設備安裝在殼體內，水氣管路分別與盾構備用水氣管路連接。

(a) 正面

(b) 背面

如圖12所示，采用C#開發了土艙可視化系統監控界面，并集成于盾構上位機監控系統，實現系統溫度、濕度和壓力等狀態的實時監測及水閥、氣閥等功能的聯動控制。如圖13所示，采用C++開發了土艙可視化系統視頻采集界面，并集成于盾構視頻采集系統[15]，位于屏幕左上方置頂顯示，占用屏幕的1/4，實現土艙的實時視頻監控、錄像、回放等功能。

圖12 上位機監控系統Fig.12 Monitoring system of upper computer

圖13 視頻采集系統Fig.13 Video acquisition system

6 結論與討論

本文建立了一套復合盾構土艙可視化實時監測系統，鑒于復合盾構惡劣的工作環境條件，選擇結構緊湊、性能優良的攝像機，并結合針對性的結構設計，進行了降溫冷卻驗證試驗。驗證試驗和工程現場試驗結果表明，該系統可以實時地監測土艙內的工作狀況，實現土艙的實時視頻監控、錄像、回放以及系統溫度、濕度和壓力的監測。由于復合盾構工況的復雜性和掘進的人性化需求，該系統在以下方面有待進一步優化：1)滿艙掘進方面。當復合盾構滿艙掘進時監測窗口會被渣土淹沒，需要對沖刷系統進行優化。2)智能掘進方面。對采集的圖片和視頻信號進行分析處理，當土艙內出現異常情況時上位機報警，并與PLC程序實現連鎖控制，從而實現復合盾構的智能掘進。