盾構(gòu)機刀盤數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

任沙 唐強

摘? 要：針對盾構(gòu)機在工作過程中存在刀具更換難度高、數(shù)據(jù)管理復(fù)雜、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控難等問題，對盾構(gòu)機刀具工作狀態(tài)監(jiān)控與故障檢測、人事和安全管理等進行研究，設(shè)計了一套集企業(yè)管理、業(yè)務(wù)管理的盾構(gòu)機刀盤數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，SSM框架構(gòu)建后臺，Layui+jQuery+ECharts構(gòu)建前臺，MySQL存儲數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)可視化、人事及安全管理等功能，解決了企業(yè)管理和數(shù)據(jù)管理中的痛點。

關(guān)鍵詞：SSM;數(shù)據(jù)管理;可視化

Abstract：Aiming at the problems of high difficulty in tool replacement，complex data management and equipment status monitoring in the working process of shield machine，this paper studies the working state monitoring and fault detection，personnel and safety management of shield machine tools，and designs a set of data management system for shield machine cutter head，which integrates enterprise management and business management. The system adopts B/S architecture and SSM framework to build background，Layui+jQuery+ECharts build the foreground and MySQL stores the data. It realizes the functions of data management，real-time monitoring，data visualization，personnel and safety management，and solves the pain points in enterprise management and data management.

Keywords：SSM;data management;visualization

0? 引? 言

隨著隧道及地下空間工程的發(fā)展，越來越多的在城市地鐵隧道、穿江越海隧道、電力電訊及供氣工程中都開始使用大型刀具進行隧道掘進。大型刀具更換復(fù)雜，出現(xiàn)故障難以及時排除，因此需要對刀具工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控與故障檢測[1]。

湖南某機電科技有限公司在南京、新疆等地的隧道工程應(yīng)用過程中，刀具設(shè)備運行記錄還停留在傳統(tǒng)的手工登記、人眼觀察的階段，這嚴重影響了生產(chǎn)的安全和高效性。因此委托我校一團隊對日前盾構(gòu)機在隧道工程應(yīng)用中存在的問題及痛點進行深入分析，設(shè)計一套信息管理系統(tǒng)來協(xié)助進行設(shè)備運行環(huán)境的監(jiān)測[2]。系統(tǒng)實現(xiàn)了信息采集、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、故障實時報警、運行環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析等功能，通過大數(shù)據(jù)分析設(shè)備運行環(huán)境，可以使用戶更加高效地進行設(shè)備管理，提高工作效率。能夠?qū)崿F(xiàn)管理層與設(shè)備層之間不限距離、不限時段、不限規(guī)模的交互，并對基礎(chǔ)設(shè)施進行實時監(jiān)控，存儲到單獨的資源庫，實現(xiàn)對刀具工作狀況的監(jiān)控，實現(xiàn)對企業(yè)、業(yè)務(wù)的有效管理。

1? 需求分析與關(guān)鍵技術(shù)

1.1? 需求分析

盾構(gòu)機刀盤數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是在DZ555型盾構(gòu)機硬件設(shè)備運行的基礎(chǔ)上進行開發(fā)的云管理系統(tǒng)。將設(shè)備運行過程中所產(chǎn)生的信息進行傳輸、整合、管理、可視化處理等，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效管理。本系統(tǒng)還對人事管理、安全管理進行了設(shè)計。總體上可以分為企業(yè)管理和業(yè)務(wù)管理兩部分，在企業(yè)管理和業(yè)務(wù)管理的基礎(chǔ)上再進行拓展，數(shù)據(jù)從工控客戶端上傳到云端，用戶端將信息進行讀取用于業(yè)務(wù)管理;企業(yè)管理數(shù)據(jù)則在本地客戶端，用于企業(yè)管理。總體框圖如圖1所示。

盾構(gòu)機刀盤數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是客戶端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理等多種技術(shù)的有機組合，本文的主要研究內(nèi)容如下：

（1）客戶端信息采集，從客戶端存儲信息的電腦中讀取信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

（2）TCP數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)需要從客戶端傳輸?shù)皆贫耍趥鬏敂?shù)據(jù)的過程中需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸端口選擇、數(shù)據(jù)分析入庫等，這就需要選擇傳輸?shù)姆绞胶屯緩健２捎肨CP的數(shù)據(jù)傳輸方式，將離散時間點的數(shù)據(jù)上傳到云端。[3]

（3）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，設(shè)備運行會產(chǎn)生許多定位信息和配置信息等基礎(chǔ)信息，要系統(tǒng)地管理這些信息就需要將這些信息進行集中管理，實現(xiàn)類別可區(qū)分、內(nèi)容可準確定位的處理，解決刀梁管理、刀具管理、傳感器管理、刀梁配置等問題[4]。可以通過鼠標對刀具的位置進行定位，并設(shè)計對應(yīng)算法進行矯正，刀盤上有較多個定位點，當需要調(diào)整刀具位置時，需要解決定位困難、矯正算法設(shè)計的問題。通過終端設(shè)備設(shè)計算法可以實現(xiàn)對刀具的操控和定位，同時進行位置修復(fù)和準確定位。

（4）監(jiān)控管理，監(jiān)控管理包括歷史數(shù)據(jù)管理、實時監(jiān)控、報警數(shù)據(jù)管理和故障實時報警幾個功能。設(shè)備長時間運行會導(dǎo)致溫度過高、磨損嚴重、威脅人員安全等問題，實現(xiàn)實時監(jiān)控刀具溫度與磨損度以及自動報警成為必然，包括刀具、刀梁、刀具磨損度進行檢測的刀具磨損傳感器。通過紅外溫度傳感器對所述刀具表面溫度進行檢測的測溫裝置采集數(shù)據(jù)[5]，刀具磨損傳感器與所述紅外線測溫裝置電信號連通的控制中心、與所述控制中心信號連通的冷卻控制系統(tǒng)、與所述控制中心電信號連通的報警裝置是設(shè)備端用于監(jiān)測的裝置，所述溫度傳感器與云端連通。本設(shè)計在線實時監(jiān)控刀具的磨損情況和刀具溫度情況，當?shù)毒吣p嚴重時，發(fā)出報警并停止加工;當?shù)毒邷囟冗^高時，自動提高冷卻效率。

（5）數(shù)據(jù)分析與可視化，數(shù)據(jù)從云端下載到用戶端，很難讀取出對實際有幫助的數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)計程序?qū)㈦x散的信息分析并處理為較為直觀的形式，明確分析目的與框架，進而進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析，達到使數(shù)據(jù)更加明了、用戶獲取整體運行狀況、進行設(shè)備維護的目的。

1.2? 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)采用Java語言進行開發(fā)，使用TCP作為數(shù)據(jù)傳輸方式，Eclipse作為開發(fā)平臺，Spring和MyBatis作為后臺框架，Layui用于前端展示。下面是對關(guān)鍵技術(shù)的詳細介紹：

Layui是一款采用自身模塊規(guī)范編寫的前端UI框架，遵循原生HTML、CSS、JS的書寫與組織形式[6]，門檻極低，初學(xué)者參照官網(wǎng)提供的示例便能看懂。其外在極為簡潔，組件卻十分豐富，從核心代碼到API的每一處細節(jié)都經(jīng)過精心雕琢，非常適合界面的快速開發(fā)。Layui幾乎兼容全部瀏覽器（IE6/7除外），可作為PC端后臺系統(tǒng)與前臺界面的速成開發(fā)方案。

SpringBoot是一個快速整合的第三方框架，簡化了XML配置，完全采用注解化，內(nèi)置HTTP服務(wù)器（Jetty和Tom-cat），最終以Java應(yīng)用程序進行執(zhí)行。SpringBoot的設(shè)計是為了盡可能快地運行起來Spring應(yīng)用并且盡可能減少配置文件。簡單來說就是SpringBoot默認配置了很多框架的使用方式。

MyBaits是一個持久層的框架，是Apache的一個頂級項目。通過MyBatis提供的映射方式，自由靈活地生成并滿足業(yè)務(wù)需求，MyBatis將輸入?yún)?shù)自動進行輸入映射，并將查詢結(jié)構(gòu)靈活地映射為Java類型。

TCP數(shù)據(jù)傳輸是通過Server與Socket實現(xiàn)TCP的通信。通過一個服務(wù)端與一個客戶端實現(xiàn)信息傳輸，服務(wù)端創(chuàng)建好ServerSocket后，使用accept（）阻塞一直等待客戶端發(fā)送Socket。服務(wù)器端要同時處理ServerSocket實例和Socket實例，而客戶端只需要使用Socket實例。另外，每個Socket實例會關(guān)聯(lián)一個InputStream和OutputStream對象，通過將字節(jié)寫入套接字的OutputStream并發(fā)送數(shù)據(jù)，從InputStream獲取接收數(shù)據(jù)。

2? 系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 設(shè)計目標

盾構(gòu)機刀盤數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)用于設(shè)備管理、運行環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析等工作，通過大數(shù)據(jù)分析設(shè)備運行環(huán)境，可以使用戶更加高效地進行設(shè)備管理，提高工作效率。能夠?qū)崿F(xiàn)管理層與設(shè)備層之間不限距離、不限時段、不限規(guī)模的交互。

本系統(tǒng)可以有效地解決數(shù)據(jù)實時上傳、數(shù)據(jù)有效管理、故障實時報警、數(shù)據(jù)分析與可視化等問題。對基礎(chǔ)設(shè)施進行實時監(jiān)控，轉(zhuǎn)換為一個單獨的資源庫，實現(xiàn)對刀具工作狀況的監(jiān)控，同時能夠?qū)ζ髽I(yè)和業(yè)務(wù)兩個方面實現(xiàn)有效管理。

2.2? 設(shè)計原則

系統(tǒng)將設(shè)計時將采用合理、科學(xué)的系統(tǒng)架構(gòu)，完整的功能層次框架，保障系統(tǒng)的業(yè)務(wù)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)安全、通訊順暢，能有效均衡系統(tǒng)的整體負載。系統(tǒng)建設(shè)基于以下主要原則：

（1）適度和可擴展性原則。確定項目的硬件環(huán)境和基本配置，綜合考慮項目實施后一段時間內(nèi)信息容量、網(wǎng)絡(luò)狀況、信息存儲、數(shù)據(jù)挖掘算法對硬件的需求等因素，為了避免硬件資源的浪費，制定的硬件平臺應(yīng)具有適當?shù)囊?guī)模，以及一定的前瞻性和擴展性。

（2）實用性原則。以完成為相關(guān)工作的業(yè)務(wù)需求為首要目標，避免貪大求全、盲目建設(shè)，避免盲目追求最新技術(shù)。

（3）高可靠性原則。在實用性的前提下，所采用的網(wǎng)絡(luò)和信息化技術(shù)應(yīng)是國際公認的主流技術(shù)，具有持續(xù)發(fā)展的潛力。

（4）易用性原則。系統(tǒng)頁面布局科學(xué)合理，導(dǎo)航清晰，頁面瀏覽及操作提示清晰、邏輯性強、直觀簡潔、幫助信息豐富，便于用戶和管理人員以最少的點擊次數(shù)獲得相應(yīng)信息及完成操作，有良好的用戶體驗。

（5）安全性原則。數(shù)據(jù)的安全有著無可替代的重要性。系統(tǒng)要求建立完善的管理體系，系統(tǒng)使用統(tǒng)一權(quán)限認證平臺，為各角色精確地分配權(quán)限，保證重要資料的安全性。

2.3? 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)盾構(gòu)機刀盤數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的需求分析，本系統(tǒng)將功能設(shè)計為組織機構(gòu)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)分析、人事管理、安全管理六部分。盾構(gòu)機刀盤數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

2.4? 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計各菜單為組織機構(gòu)（企業(yè)管理、部門管理）、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理（刀梁管理、刀具管理、傳感器管理、刀梁配置）、監(jiān)控管理（實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)）、數(shù)據(jù)分析（刀具趨勢分析、刀梁趨勢分析）、人事管理（用戶管理、崗位管理）、安全管理（權(quán)限管理、操作日志）。

（1）組織機構(gòu)主要是管理本系統(tǒng)的企業(yè)信息和部門信息。其中企業(yè)信息包含企業(yè)名稱、法人、地址等相關(guān)信息;部門信息包含企業(yè)信息下各個部門的信息。企業(yè)信息分為了以下幾大類：企業(yè)名稱、稅號、法人、地址信息，同時具有添加、刪除、修改功能，實現(xiàn)了對于企業(yè)信息的管理。部門信息菜單欄有以下操作選項：添加部門、添加同級、添加下級、修改信息、刪除功能;同時各項信息也有相應(yīng)展示：部門信息、部門代碼、聯(lián)系人、聯(lián)系地址、聯(lián)系電話、部門描述。部門信息的管理可以提高信息管理的效率和有效性[7]。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是統(tǒng)計刀盤上各個切刀的各個部位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);包括刀梁、刀具、傳感器。每個刀盤上有4個刀梁，每個刀梁上有10～12把刀具。傳感器接收刀盤各個位置的溫度。刀梁管理欄目名稱分為：刀梁編號、名稱、位置、備注、操作，可以進行刀梁的添加和刪除操作，選取需要觀測數(shù)據(jù)的刀梁;刀具管理欄目名稱分為：編號、刀梁名稱、位置、備注、操作，對刀具的位置信息進行了直觀的展示，同時也具有編輯、添加、刪除的功能;傳感器管理欄目名稱分為：傳感器名、協(xié)議、位置、備注、操作，直觀地展示了傳感器信息，也可以對需要管理的傳感器進行編輯、添加、刪除的功能;刀梁的配置則需要在盾構(gòu)機的正面結(jié)構(gòu)圖上選擇需要配置的一個具體的刀梁。

（3）監(jiān)控管理主要是實現(xiàn)對各個刀具的磨損程度以及溫度的實時監(jiān)控，除了實時監(jiān)控之外，還要能記錄刀梁歷史記錄，以便查詢。實時監(jiān)控將刀具結(jié)構(gòu)圖上傳感器位置用顏色可調(diào)節(jié)的指示燈來表示刀具實時的溫度情況。用表格的形式將時間、切刀、磨損、溫度作為實時檢測的數(shù)據(jù)對象，將具體數(shù)據(jù)以直觀的形式展示給管理者，同時，也能滿足管理者的需求性選擇。歷史數(shù)據(jù)可以對刀梁、刀具的信息進行有選擇性的查詢;對應(yīng)信息分別為：刀梁、刀具、時間、磨損和溫度。

（4）數(shù)據(jù)分析是以圖表的形式展示各刀梁刀具溫度、磨損程度，便于判斷溫度、磨損的走向趨勢。具體分為刀具趨勢分析和刀梁趨勢分析。刀具趨勢分析功能是將刀具的溫度和磨損程度的離散信息進行了整合和可視化處理;刀梁趨勢分析是通過對刀梁、溫度或者磨損程度，進行分析并生成曲線后展示在頁面上。

（5）人事管理分管用戶信息和崗位信息，提供企業(yè)的人事服務(wù)，提供用戶和崗位的基礎(chǔ)管理功能。用戶管理模塊分為部門名、角色名、用戶姓名、用戶信息等，頁面菜單具有新增用戶、修改信息、刪除、導(dǎo)出、篩選列和打印選項，其功能是將用戶信息進行整合，提供打印、導(dǎo)出等功能;崗位管理提供了崗位搜索、崗位授權(quán)功能。用戶通過登錄管理頁面，即可根據(jù)自身需要選擇需要管理的功能。

（6）安全管理包括權(quán)限管理、操作日志和密碼的修改功能，用戶所對應(yīng)的崗位被分配的權(quán)限使得用戶能訪問用戶所能允許操作的系統(tǒng)功能;日志記錄著所有操作過本系統(tǒng)的記錄;修改密碼功能允許當前登錄用戶修改自己的登錄密碼。權(quán)限管理分為增加系統(tǒng)和增加權(quán)限兩部分，按照操作指令填入系統(tǒng)名稱、權(quán)限名、路徑等完成權(quán)限更改操作;操作日志對于系統(tǒng)監(jiān)督運維非常重要，在本系統(tǒng)中只需要滿足搜索功能，沒有對刪除、增加等日志管理功能進行設(shè)計。為了滿足操作需要設(shè)計了打印、導(dǎo)出、刪選列功能和頁面選取功能。

2.5? 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫是MySQL數(shù)據(jù)庫，使用MySQL的主要原因是其開源而且輕量級，安裝起來較Oracle等其他數(shù)據(jù)庫簡單，MySQL安裝完后僅占稍多于100 MB的內(nèi)存。

從需求分析中可以總結(jié)出整個系統(tǒng)的整體功能分為兩個部分：一部分是企業(yè)信息的管理，如企業(yè)信息、部門信息、用戶管理、崗位管理等，另一部分便是業(yè)務(wù)的處理及數(shù)據(jù)的管理，如刀梁管理、刀具管理、傳感器管理、趨勢分析等，所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫整體分為兩部分：一部分是企業(yè)管理;另一部分是業(yè)務(wù)管理。盾構(gòu)機刀盤數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。業(yè)務(wù)部份的數(shù)據(jù)庫表包括dz_knifeBeam、dz_knifeData、dz_txtFile、dz_knifeTool、dz_temperature、dz_sensor，企業(yè)基礎(chǔ)信息管理部分的數(shù)據(jù)庫表包括EMS_Menu、EMS_RoleAuth、EMS_Role、EMS_Ente、EMS_Depa、EMS_User、EMS_LogUser。[8-10]

3? 系統(tǒng)應(yīng)用與功能展示

本系統(tǒng)是將盾構(gòu)機的刀梁、刀具、溫度傳感器等信息采集之后進行融合和分析，獲得有利于管理實現(xiàn)的數(shù)據(jù)并進行有效的管控和數(shù)據(jù)可視化處理。大型刀具的管理要求在對信息進行采集的同時能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的整合和集中管理。減少設(shè)備運行故障，并且在設(shè)備運行出現(xiàn)故障時報警以提高效率，減少損失。本系統(tǒng)提高了盾構(gòu)機的管理有效性和設(shè)備安全性。從根本上解決的大型盾構(gòu)機管理數(shù)據(jù)紊亂，數(shù)據(jù)體量龐大帶來的問題。同時，降低了管理成本，提高了社會生產(chǎn)效率。如圖4所示為刀梁數(shù)據(jù)實時監(jiān)測功能，圖5所示為刀梁數(shù)據(jù)趨勢分析功能。

4? 結(jié)? 論

本平臺以解決實際問題為目的，從現(xiàn)實情況與實際業(yè)務(wù)出發(fā)，有效分析和可視化數(shù)據(jù)，完善系統(tǒng)功能，較好地解決盾構(gòu)機數(shù)據(jù)管理存在的問題。本系統(tǒng)在運行過程中狀態(tài)良好，系統(tǒng)有效靈活地解決用戶、角色以及權(quán)限之間的關(guān)系管理問題，通過身份認證、日志管理等方式保障了系統(tǒng)的安全性以及保密性。對數(shù)據(jù)進行實時可視化和對歷史數(shù)據(jù)的趨勢可視化均很好地體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的價值。

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作者簡介：任沙（1991—），女，漢族，湖南汨羅人，碩士，研究方向：信息系統(tǒng)集成;通訊作者：唐強（1989—），男，漢族，湖南懷化人，實驗師，碩士，研究方向：信息系統(tǒng)集成、信息可視化。