基于大數據平臺的盾構集群遠程監控與智能決策支持系統及應用

張貞

摘要：盾構遠程監控系統基于大數據平臺對盾構掘進數據和施工管理數據進行實時監控和數據分析。利用web端和手機端可以隨時隨地查看所有接入系統內盾構機的掘進參數、運行工效、設備狀態、風險情況、施工質量、視頻監控等數據，為判斷設備運行狀態和故障診斷提供支持，對盾構掘進姿態超限、風險情況等進行預警，為公司級和項目級盾構施工管理、遠程問題診斷和施工管理決策提供重要依據。

關鍵詞：大數據;盾構;遠程監控;數據分析;遠程診斷;預警

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，我國地鐵施工主要以盾構法為主。對于地鐵施工企業而言，由于項目分布在全國各個城市，同時對多個項目多臺盾構機進行施工管理，需要耗費大量時間和人力、物力等資源。對盾構施工的遠程監控能夠有效提高地鐵建設和施工企業的施工管理效率和水平。

盾構遠程監控可以實時監控盾構掘進參數[1]，通過分析盾構掘進參數及變化情況，判斷盾構機是否正常掘進，發現盾構機故障問題等，為施工管理和決策提供依據，對指導地鐵施工和提高施工管理精細化水平具有重要意義。我公司自主開發的盾構集群遠程監控與智能決策支持系統（以下簡稱“盾構遠程監控系統”）是城市地下空間工程智能大數據分析與公共服務平臺的應用系統之一，基于大數據平臺利用大數據采集、管理、分析等技術手段[2]，實現對盾構施工的遠程監控和智能決策支持。

1? 系統組成

盾構遠程監控系統分為公司級和項目級界面，主要由盾構工程概覽、盾構掘進數據、盾構施工管理、視頻監控四部分組成。

1.1 公司級界面? 公司級主要包括盾構工程概覽和盾構施工管理。主界面顯示公司盾構工程概覽，包括所有項目的分布情況、總體工程概況（如在建項目數量、當日掘進進度等）、盾構機設備狀態（如當前掘進、拼環、停機情況）、項目公告（如始發、到達、進度、風險信息提示）等。公司級主界面如圖1所示。

公司級盾構施工管理對公司所有項目從進度、安全、質量、設備四方面進行管理。進度管理顯示所有項目當日及30天內的掘進進度及變化趨勢，對項目所在片區及所有項目的掘進進度進行排名。安全管理顯示所有項目的風險情況和特種人員配置，同時根據項目部每周上報的安全風險生成安全風險周報。質量管理顯示所有項目的管片質量情況，對管片質量進行評級。設備管理顯示所有盾構機的每日設備狀態，對因故障停機的設備情況、故障停機原因進行統計分析。

1.2 項目級界面? 由公司級界面選擇某一項目或盾構機可以進入具體項目界面。項目級主要包括四部分：盾構工程概覽、盾構掘進數據、盾構施工管理、視頻監控。

盾構工程概覽顯示工程的可視化視圖、項目概況、進度工效、風險預警、主要參數等信息。其中工程可視化視圖通過GIS地圖顯示工程掘進線路軌跡、當前進度、周邊施工環境、設備狀態、項目風險等信息。可視化視圖還加載了線路平面和斷面CAD圖以及地質參數信息，CAD圖同步顯示盾構機掘進當前進度，可以詳細查看線路掘進的軌跡、周邊建（構）筑物情況、穿越道路管線情況、覆土深度、地層地質信息[3]等。

盾構掘進數據實時顯示盾構機掘進參數，包含參數界面、參數列表及參數曲線三部分。參數界面主要包括主監控、導向系統、注漿系統、盾尾油脂、泡沫系統等，在主監控界面顯示盾構機關鍵參數如推進壓力、推進速度、總推力、刀盤扭矩、推進行程以及盾構機的運行狀態等，其它參數界面可以分別查看相應的參數值。參數列表可以查看盾構機所有參數的當前數據和歷史數據。參數曲線可以查看所有參數的數據變化曲線，根據需要監控的參數情況可自定義添加監控項和歷史數據時間范圍。

盾構施工管理主要包括進度、安全、質量和設備管理四部分，是基于盾構數據分析和各項目部上報的報表相結合的管理模塊。①進度管理根據掘進參數數據分析反映工效和盾構機運轉情況。工效曲線反映盾構機的日工效、月工效，白班、夜班工效。盾構機運轉情況反映每環管片的掘進、拼環、停機時間以及任意時刻盾構機的運轉狀態。②安全管理主要包括風險管控、地面沉降、特種人員管理等。風險管控根據項目部在項目開工前上報的風險情況在系統中錄入風險信息，在工程可視化視圖和安全管理中顯示風險詳情以及當前進度下或即將出現的風險情況。同時，項目部根據項目進度每周上報項目安全風險，生成項目風險情況周報。地面沉降是由項目部定期上報沉降監測點的監測數據，由系統生成地面沉降監測圖，對地面沉降量及變化情況進行跟蹤，掌握地面沉降情況。特種人員管理根據規定的特種人員工種及數量，對項目部特種人員進行管理，出現特種人員數量不足或者人員證照過期等情況會自動提醒。③質量管理由項目部上報每環管片的質量情況，系統自動生成管片偏差圖，可以查看每環管片的水平、垂直偏差及相鄰管片錯臺情況。④設備管理由項目部每日上報每臺盾構機的設備狀態信息，顯示盾構機的每日設備狀態及設備日志，當因設備故障出現停機狀態，可以查詢故障原因、停機時長、處理措施等詳情。

視頻監控根據監控需求對地面及隧道內重要施工部位、存在施工風險和安全隱患等部位進行重點監控，如地面施工場地、材料加工場、龍門吊行走區、洞門、豎井、管片拼裝區、螺旋機出土口、臺車尾部、泥漿分離站等。對項目現場的施工活動，人、機、料的不安全因素或不文明行為，違規操作及安全質量問題進行實時監控。

2? 系統功能及應用

2.1 數據分析

2.1.1 掘進數據分析? 通過掘進參數和參數曲線對所有參數及變化情況進行分析，判斷掘進參數和變化趨勢是否正常。當掘進參數超出正常范圍、出現較大偏差或者變化幅度較大，超過合理的范圍，說明盾構施工出現異常情況。施工管理人員和專家可以根據掘進數據進行原因分析，為遠程分析判斷盾構機施工及設備狀態、問題診斷、施工管理及決策提供依據。參數曲線分析如圖2所示。

2.1.2 進度管理工效分析? 包括工效分析和盾構機運轉情況分析。系統根據掘進進度參數生成工效曲線，可以分析當月及每日進度是否完成計劃進度、與計劃完成目標的差距;通過對白班、夜班工效對比分析，對工效低的班組進行原因分析，查找差距，提高工效和施工管理及技術水平。盾構機運轉情況反映每環管片的掘進、拼環、停機時間以及任意時刻盾構機的運轉狀態，為分析判斷盾構施工每環的運行工效和盾構機的運行狀態提供依據。

2.1.3 地面沉降分析? 系統根據地面沉降數據生成地面沉降變化圖，反映每個監測點的本次及累計變化量，實時掌握沉降監測點變化動態和地面沉降情況。如果監測點沉降量超出正常范圍[4]，各級管理人員能夠及時發現問題，采取應對措施，避免因信息不對等，問題沒有及時發現和重視造成反應延遲，引起不必要的損失或地面沉降事故。

2.1.4 管片質量分析? 系統根據管片質量數據生成管片水平及垂直偏差圖，顯示每環管片的管片水平（垂直）偏差和盾構導向水平（垂直）偏差，反映管片偏差、錯臺等質量問題，使各級管理人員能夠及時發現管片拼裝質量問題，采取相應措施，提高整體管片拼裝質量和工程質量。

2.2 設備運行狀態? 根據盾構機掘進參數可以實時了解盾構機的運行狀態，查詢歷史狀態。通過對推進壓力、總推力、刀盤扭矩、推進速度、推進行程、導向姿態等關鍵參數的監控，可以掌握盾構機的總體運行情況、參數變化情況及變化趨勢。當關鍵參數出現異?；虺蓿O控人員立即對異常情況進行核實，及時做出反饋，由相關部門和負責人對施工現場出現的異常工況及時處理和指導，保證盾構機的安全、正常運行。

根據各項目部上報的設備狀態日報，可以查詢所有盾構機每天的設備狀態和設備詳情，跟蹤設備狀態變化情況，避免因設備問題出現停機或者設備故障未及時解除影響施工進度。

通過掘進參數監控和設備狀態日報兩者結合，各級管理人員能夠隨時了解所有盾構機的每日運行情況及設備動態，有利于對多臺盾構機進行施工管理。

2.3 故障診斷支持? 通過對盾構機刀盤驅動系統、螺旋輸送機、液壓系統等[5]相關設備運行參數的監控及歷史數據變化曲線的分析，可以遠程監控設備狀態。如果設備出現異?；蚬收希嚓P參數的異常及變化情況能夠為盾構機故障原因的診斷和分析提供數據支持，實現遠程故障診斷，提出專家意見，及時解決故障問題。

2.4 預警功能

2.4.1 導向系統預警? 導向系統對盾構機掘進水平及垂直姿態、趨向，滾動角、俯仰角等盾構掘進姿態相關參數進行實時監控，當掘進姿態超預警值，系統將自動進行預警。導向預警采取分級預警，根據盾構機姿態超限范圍向項目負責人、主管部門、公司領導等相關負責人分級推送短信。導向預警能夠及時發現并推送導向姿態異常情況。相關管理人員和專家針對存在問題分析查找原因，遠程指導施工現場采取措施，保證盾構機掘進姿態正常，使隧道按照設計線路掘進，保障成型隧道和施工總體質量。

2.4.2 風險預警? 根據風險等級不同分級預警，當盾構機即將掘進到風險位置，系統將按照設置的預警環號提前預警，預警信息以短信形式按照風險等級不同發送給項目部相關負責人，提醒項目負責人針對風險情況提前策劃，做好應對措施。

2.4.3 地質情況預警? 當盾構機掘進線路出現地層地質情況變化時，會影響盾構掘進參數控制。監控人員根據地質變化情況提前對項目部下發預警通知，提醒項目部采取相關措施，控制掘進參數和盾構掘進姿態正常，確?，F場施工正常。

3? 系統服務

3.1 使用權限? 系統應用可以根據不同層級的管理者或崗位需求進行權限設置。從管理層級上對公司級和項目級設置不同的使用權限，公司層級對所有項目進行監控和管理，項目層級主要針對具體的項目進行監控和管理。對于不同業務部門針對業務管理模塊或需求，進行具體模塊使用權限的設置。另外，根據不同的片區和管理范圍，可以設置相應權限查看該片區范圍內的項目情況。

3.2 專家 “包保”制度? 由公司內部專家對公司所有項目實行“包保”制度，專家對所負責項目的掘進數據、施工管理數據和圖表、視頻監控數據等進行監控，掌握項目總體施工情況及動態，及時發現盾構施工中存在的問題，提供技術指導和專業建議。

3.3 移動端應用系統? 系統還開發了手機移動客戶端，通過手機app應用系統對所有盾構機進行遠程監控。手機移動端與網頁端系統功能相同，可以隨時隨地查看盾構機的掘進參數、可視化視圖、管理數據和視頻監控情況，使用其它各項功能，對盾構施工的遠程監控更加便捷。

4? 結論與討論

盾構遠程監控系統可以對不同類型、品牌、型號的盾構機進行監控，通過web端和手機端可以隨時隨地查看所有接入系統內盾構機的掘進參數、運行工效、設備狀態、風險情況、施工質量、視頻監控等數據，對盾構掘進姿態超限、風險情況等進行預警，為公司級和項目級盾構施工管理、遠程問題診斷和管理決策提供重要依據。該系統不僅應用于我公司國內外所有項目部，也為其它地鐵建設單位或施工企業提供遠程監控服務，是地鐵施工信息化管理的重要組成，為企業提高施工管理精細化水平提供技術支持。

由于地下工程的復雜性和不確定性，需要大量的基礎數據和資料作為大數據分析的數據庫，目前系統在掘進數據的分析和利用、報警、軟件功能等方面還有很多開發空間。利用大數據平臺可以分析總結地質條件、外部環境等影響因素類似條件下盾構平均工效，制定企業標準;可以建立項目庫和專家庫，為以后項目出現類似施工問題提供掘進參數和解決方案指導。

參考文獻：

[1]孟祥波，徐受天，馬強.基于互聯網的盾構遠程實時監控系統開發[J].隧道建設，2012，32（2）：256-260.

[2]宮夏屹，李伯虎，柴旭東，等.大數據平臺技術綜述[J].系統仿真學報，2014，26（3）：489-496.

[3]張芳，朱合華，吳江斌.城市地下空間信息化研究綜述[J].地下空間與工程學報，2006，2（1）：5-9.

[4]何小林，王濤.盾構法隧道施工引起的地面沉降機理與控制[J].科技資訊，2012（17）：71-72.

[5]周奇才，周杰，傅天宏，等.盾構機故障診斷與遠程維護系統設計與研究[J].機電一體化，2013（10）：18-22.