盾構機遠程監控與故障診斷技術

魏勇

（北京建工土木工程有限公司，北京 100015）

0.前言

隨著人們生活質量的不斷提升，人們對于水利水電、鐵路等復雜工程的需求也正在持續增強，對于施工安全性的重視程度也日漸提高。盾構機的使用能夠有效提升工程建設的效率，對于保證工程施工的安全性與穩定性都具有重要意義。盾構機設備的檢測與故障的診斷是盾構機能夠安全工作的重要保護屏障，隨著工程量的提升與工程建設難度的加大，盾構設備分布距離遠診斷難度大，對設備狀態的實時監控和故障診斷的及時性是確保施工順利的關鍵。由此可見，實現盾構機的遠程監控是當前盾構施工需要攻克的重要難題之一。

1.盾構機監測診斷技術

盾構機設備的監測技術包括感官檢查診斷技術、儀器監測技術、故障樹邏輯診斷等，下面對盾構機設備的檢測技術進行具體闡述：

1.1 感官檢查診斷技術

簡單來說，該技術就是利用監測工作人員的聽覺、視覺等感官系統對盾構機設備施工的情況進行監測，并對盾構機內部的各個零部件的運作情況進行初步判斷[1]。感官檢查診斷對設備工程師的技術和經驗有較高的要求。

1.2 儀器監測技術

儀器監測技術是指通過溫度傳感器、流量計、壓力表等測量儀器對設備運行狀態進行檢測，并可以通過設定工作范圍和量程實現預警、報警功能[2]。

以溫度傳感器為例，環境溫度的變化與盾構機的工作效率密切相關，溫度監測技術分為接觸式溫度監測技術和非接觸式監測技術兩種。其中，非接觸式溫度監測技術是指利用紅外線測溫計測量溫度，該技術具有較高的安全性和高效性；而接觸式的檢測技術需要通過溫度傳感器進行測量[3]。

1.3 故障樹邏輯診斷

故障樹邏輯診斷指的是工作人員通過對油質的分析、振動的分析以及其他多種性能狀態測試的結果做出盾構機運行狀態的診斷，揭示具體的故障部位及其規律[4]。

2.盾構機設備監測與故障診斷分析

2.1 液壓系統狀態監測與故障研究

盾構機的液壓系統非常復雜，但盾構機的施工都需要依靠液壓驅動，若液壓驅動系統發生故障，則有可能導致整個盾構機癱瘓，對施工進度造成負面影響[5]。因此，技術人員應重點關注液壓驅動系統的檢測與故障診斷，盡早解決液壓驅動系統中存在的故障問題。通常情況下，液壓驅動系統的故障多與油液污染有關，該問題可通過清潔油液、加強日常保養、更換濾芯來解決。

2.2 電氣系統狀態監測與故障研究

電氣系統也是盾構機的重要系統，其中包括配電系統和自動控制系統，通常情況下，自動控制系統出現的故障都能夠通過上位機解決，但如果遇到了上位機無法解決的情況，應借助于電腦編程器才能夠迅速定位和反映其故障的情況[6]。

3.盾構機遠程監控系統設計

針對我司盾構中心目前盾構機保有情況、盾構施工特點和未來發展情況，利用信息化網絡智能管理系統實現盾構設備管理，通過網絡遠程監控實時掌握現場盾構機各項施工參數，實現盾構施工數據與施工進度、測量監控、視頻監控、協同資料與項目管理數據等的聯動查看。有利于項目管理人員對設備狀態和施工節點的掌控。

3.1 總方案設計

基于盾構施工現場分布分散的特點，適合組建OS-S-C模式和S-B模式相結合的構架形式。在盾構中心組建中央服務器（OS）和監控平臺，在施工現場組建數據采集服務器（Server），盾構機上位機做為基礎端（Client）便于將PLC數據、盾構機掘進參數、視頻監控等數據上傳。客戶可以隨時通過訪問端（Brower）軟件，對服務器進行監控和數據采集分析。

3.2 系統的構架

（1）數據采集。在施工項目部布設數據采集服務器，通過讀取盾構機可編程控制器（PLC）的實時運行數據和上位機中的歷史數據并存儲在本地，同時將這些數據發送至中心服務器。系統內部通過TCP/IP進行通信，目前隧道內完全可以通過鋪設光纖和信號轉換實現。

（2）數據的存儲。目前數據信息主要是保存在施工現場數據采集服務器中，便于軌道公司進行監控。數據存儲不全且容易隨著項目結束丟失。建立中央服務器后可將數據集中存儲，同時建立設備臺賬，手動整理和更新盾構施工信息。

（3）遠程訪問。開發基于Web和JavaScrip手機App軟件，用戶可以隨時隨地訪問中央服務器信息。其中Web前端可采用HTML和JavaScript，Web后端可采用C#。

3.3 遠程監控設計

（1）數據綁定。盾構機與工點存在多對多的對應關系，一臺盾構機可在不同的工點施工，同時單個工點也可能同時存在多臺盾構機同時掘進。Web端提供對有盾構施工的工點進行盾構機設備配置與監控平臺的掛接功能，所以要求中央服務器具備互聯網固定IP，每臺盾構機具備專屬配置文件。配置內容包括盾構機的編號、盾構機參數、掘進里程等。

（2）數據庫設計。數據庫需具備永久存儲、并發控制、交互式查詢等基本功能。通過盾構機臺賬進行分類，建立施工項目檢索目錄。數據內容包括盾構機運行參數和項目信息。盾構機運行參數包括盾構機當前環土壓、注漿量、出渣量、盾構姿態、油脂注入量、添加劑注入量以及齒輪油液壓油溫度等基本設備信息。

項目信息包括地質條件、工期節點、危險源信息、項目管理人員、聯系方式等。

根據數據類型分為實時數據和存儲數據。目前主流的數據庫采用阿里云等存儲方式，便于遠程用戶快速讀取服務器數據。

（3）界面設計。以盾構機臺賬為基礎設計交互界面，以盾構機廠家、型號、設備特點進行界面設計，具備設備狀態展示、視頻監控、參數及歷史記錄查詢、數據分析功能。同時具備可擴展性，便于后期添加盾構機和新項目，界面的具體情況如圖1所示。

圖1 盾構施工單位監控界面

3.4 其他

（1）軟硬件要求。目前主流的硬件廠家有海康威視、大華、H3C。主流的遠程監控軟件廠家有海康威視、Team-Viewer、廣聯達。其中海康威視市場占有率大且具備價格優勢，但遠程監控軟件需要定制。目前我司北京某項目遠程監控使用的是TeamViewer。

（2）安全性要求。包括服務器防火墻安全和用戶權限。

（3）預警功能。由于采集設備精確度、范圍和算法的影響，實際值和目標值存在一定的偏差，尤其是多臺設備因施工條件不同，數據存在較大的差異。需要根據每臺盾構機在不同項目周期設置獨立的預警功能。

（4）統一性要求。由于目前盾構機分布于國內多個城市，涉及盾構機識別（數據采集服務器對盾構機PLC數據的信息采集）和后續新增項目系統統一性的要求。

（5）后期維護。包括硬件維護和監控軟件維護。

（6）功能擴展。針對目前物聯網的快速發展和在工程領域的廣泛應用，目前殼牌中國針對國內盾構用戶開發了一套液壓油油品在線檢測平臺，包括成套油品檢測設備和遠程監控平臺。由于涉及算法，監控平臺開發權歸屬殼牌中國所有，用戶只有使用權限。應考慮作為擴展功能納入盾構遠程監控功能的可行性。

4.遠程故障針斷

盾構機是由機電液一體化組成的大型機械設備，利用遠程監控系統對設備數據的采集分析，可以快速有效地進行診斷排除故障或形成系統的數據報表，指導后續施工提供技術支持。

4.1 視頻監控

在盾構機主要工作區域安裝高清紅外攝像頭，將螺旋出渣、操作室、拼裝區域等部位圖像上傳至遠程平臺，便于用戶了解盾構機當前的工作進度。

4.2 盾構數據統計、多參數對比分析

主要利用PLC采集的盾構機數據，生成可視化監控界面，針對關鍵的核心數據進行分析比較，設置正常工作范圍和預警報警參數，主要內容包括：

（1）沉降檢測。利用采集到的導向系統數據和數據庫內風險源數據進行比對，生成盾構掘進曲線圖，如圖2所示。直觀地體現出測點曲線和變形速率，為盾構施工和控制沉降提供數據預警和風險管控。

圖2 檢測數據曲線

（2）掘進參數預警功能。通過對系統界面設置合理的參數實現超限預警功能，如土壓超限、出渣量超限，各液壓系統壓力溫度超限、濾清器維護等，便于用戶及時發現設備異常狀況，及時調整施工參數或排除設備故障。如圖3所示。

圖3 掘進參數界面

（3）耗材統計。以環為單位自動生成數據報告，統計盾構施工材料消耗，主要的內容包括同步注漿量、泡沫消耗量、膨潤土消耗量、盾尾油脂消耗量等。

5.總結

盾構施工具有較高的安全性與穩定性，但盾構機在進行施工的過程中存在諸多風險因素，因此，對盾構機進行實時檢測與故障診斷，尤其是通過遠程技術手段實現遠程掌握盾構機的設備狀態和快速進行故障診斷至關重要。本文提到的盾構中心盾構遠程監控系統可適用于不同種類、型號、品牌的盾構機，其可以通過Web端提供對盾構施工的盾構機設備的運行情況、掘進參數、風險、工程施工質量、設備狀態等參數進行實時監控，也可對盾構機的主驅動系統、液壓驅動系統、電氣系統等進行故障的診斷工作，可為盾構施工的管理提供方便。