盾構隧道信息化施工實(shí)時(shí)遠程管理系統的建設論文
提 要：盾構法施工是建設城市地鐵隧道工程的重要手段，本文論述盾構施工的高新技術(shù)隧道信息化施工實(shí)時(shí)遠程管理系統的研究，突出施工現場(chǎng)的數據分析設計，分別在上海明珠2號線(xiàn)和南京地鐵工程上應用。
關(guān)鍵詞：盾構施工信息化實(shí)時(shí)遠程控制系統管理
Abstract: Shield driving method is an important means for constructing urban Metro tunnel projects. This paper comments the study of Hi-tech used in shield driving upon informationized real time remote management system with emphasis on data analysis design on site which were employed respectively in Pearl Line No.2, Shanghai and Nanjing Metro projects.
Keywords: shield driving technique, informationized,real time remote control, system management.
1 引言
隨著(zhù)地下空間開(kāi)發(fā)的迅猛發(fā)展，一個(gè)大型的地下工程的施工企業(yè)往往會(huì )面臨多個(gè)工地同時(shí)進(jìn)行施工，工地的分布非常分散等諸多困難。由于人員有限，因此如何對這些工程進(jìn)行有效的管理和全面的技術(shù)支持，就成為一個(gè)目前急需解決的問(wèn)題。
要進(jìn)行遠程的管理和技術(shù)支持，首要的是對施工方信息有一個(gè)全面、及時(shí)、準確的掌握，同時(shí)通過(guò)先進(jìn)的分析手段，對施工方進(jìn)行指導。而目前的遠程信息管理系統往往只是對行政和技術(shù)文件的管理，而無(wú)法實(shí)時(shí)地獲取施工信息，更不能提供施工指導上的幫助了。
因此，本文結合上海隧道股份實(shí)際情況，構建盾構隧道信息化施工實(shí)時(shí)遠程管理系統，以期能對其散布在國內和海外的工地的施工進(jìn)行及時(shí)全面的管理。
2 系統的基本結構與功能
在進(jìn)行隧道施工時(shí)，工地端的設施往往比較簡(jiǎn)單，環(huán)境較差，而且流動(dòng)性強，不適合進(jìn)行大規模的投資建設；因此，只能采用簡(jiǎn)便的方式傳遞信息。
而公司總部的條件比較好，而且也非常穩定，可以配置一些較好的機器，網(wǎng)絡(luò )的連接條件也比較好。
對于施工的管理者而言，所處的辦公地點(diǎn)也是移動(dòng)的，可能是總部，可能在某一施工現場(chǎng)，也可能是在其他地方。
根據這種情況，構建的系統整體結構如圖1所示。
從系統結構圖(圖1)可以看出，整個(gè)系統分以下幾個(gè)部分：
在施工現場(chǎng)有數據采集監視系統和施工分析系統兩個(gè)部分。數據采集系統的主要功能是利用盾構內部的傳感器獲取實(shí)時(shí)的施工數據。數據采集計算機有兩臺，一臺在井下，一臺在地面上的控制室。這兩臺機器和另一臺裝有施工分析系統的計算機通過(guò)HUB相聯(lián)，組成了一個(gè)對等網(wǎng)，實(shí)現施工數據的共享。施工分析系統主要有三大功能：將實(shí)時(shí)數據和報表數據及時(shí)傳遞至總部；完成數據查詢(xún)，報表制作，圖形繪制等基本功能；對現場(chǎng)數據和施工情況進(jìn)行自動(dòng)分析，提出施工參數的控制方案。
公司總部的數據庫服務(wù)器和Web服務(wù)器主要負責數據的存儲和信息的發(fā)布，以及歷史數據的分析與整理。
數據的傳遞過(guò)程是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)完成的。
因此，整個(gè)系統的功能劃分如圖2所示。
3 系統管理
從圖1和圖2可以看出這是一個(gè)以分布式數據庫為基礎的，以遠程信息傳輸和人工智能分析為特點(diǎn)的系統，下面就從這三個(gè)方面進(jìn)行介紹。
3.1 后臺數據庫
分布式數據庫是在分布式管理模式下，每個(gè)遠程分部的數據信息均存放在本地，平時(shí)可獨立操作使用；同時(shí)定期通過(guò)遠程通信線(xiàn)路，將本地的所有數據信息或匯總數據信息發(fā)送到遠程總部；總部接收到數據后再將其恢復到總部的數據庫服務(wù)器中，以滿(mǎn)足總部對整個(gè)企業(yè)運營(yíng)數據管理與決策的需要。顯而易見(jiàn)，分布式數據庫這種分布式透明性的特點(diǎn)，與這個(gè)項目的情況十分吻合。通過(guò)性能價(jià)格比，易用性等多方面的考慮，從目前市場(chǎng)的主流分布式數據庫中選擇了SQL Server 2000，作為后臺數據庫。在施工現場(chǎng)安裝了Window 2000 Professional 操作系統，因此安裝了SQL Sever 2000 個(gè)人版；公司總部的操作系統為Window 2000 Sever,安裝了SQL Sever 2000 企業(yè)版。
每個(gè)施工現場(chǎng)的數據庫的結構都是相同的：主要包括盾構施工參數表，施工進(jìn)度記錄表，施工大事記錄表，盾構姿態(tài)參數表，管片姿態(tài)參數表，沉降情況表，工程基本概況，地面測點(diǎn)布置，沿線(xiàn)地質(zhì)資料，沿線(xiàn)重要設施情況等表。
公司總部數據庫中除了包括各個(gè)工地數據庫，還包括工程匯總表，標準域名描述一覽表，盾構基本信息一覽表，用戶(hù)信息表。
3.2 數據傳輸
從系統功能圖(圖2)上可以看出系統的數據來(lái)源可分為兩個(gè)部分,一部分是有傳感器傳送來(lái)的盾構的各類(lèi)運行參數,另一部分則是有人工定期輸入的量測數據﹑情況記錄等數據。前者數據要求很強的實(shí)時(shí)性，需要隨時(shí)與公司總部的數據同步，而后者的數據只需要定期更新即可。因此對這兩類(lèi)數據采用了不同的數據傳送方法。
對于實(shí)時(shí)施工數據，由于每個(gè)盾構的生產(chǎn)廠(chǎng)商和型號的不同，因此獲取的施工數據方式和數據內容都不相同，為此通過(guò)一個(gè)Read程序，依據為每個(gè)盾構度身定做的一個(gè)數據結構對照表，將不同數據采集系統獲取的數據轉換到施工現場(chǎng)的標準數據庫中，而與此同時(shí)將此數據片段加密后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送至公司總部，公司總部的服務(wù)器將其解密等處理后，放置到總部的服務(wù)器中。具體的流程如圖3所示。
從圖3的數據傳輸過(guò)程可以看出，在數據的傳遞的過(guò)程中，采用了雙向FTP不間斷進(jìn)行片段數據傳輸，采用這種方式原因在于實(shí)施非常靈活，可靠性和安全性都比較高。而原SQL Sever數據庫提供的遠程數據庫同步的方法：快照與訂閱方式，由于施工現場(chǎng)傳送數據的過(guò)程，實(shí)際上是訂閱修改的過(guò)程，總部數據庫必須開(kāi)放匿名登錄，會(huì )對安全性產(chǎn)生一定的問(wèn)題，所以沒(méi)有采用。
對于其他需要定期傳送的數據，采用了SQL Sever 中的數據轉換服務(wù)（DTS）的方法完成。
3.3 數據發(fā)布
當施工現場(chǎng)數據進(jìn)入公司總部的數據庫后，通過(guò)Window 2000的Internet 信息服務(wù)（IIS）進(jìn)行發(fā)布，對于實(shí)時(shí)的監控數據通過(guò)Flash的網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖形顯示（圖4），歷史數據和其他數據采用ASP技術(shù)以EXCEL數據表格方式顯示，而報表的訂閱定時(shí)群發(fā)功能則通過(guò)Window提供的計劃管理完成。Web Sever 結構如圖5所示。
為了保證系統的安全性，采用安全模式的用戶(hù)登錄方式，即用戶(hù)名和密碼經(jīng)過(guò)加密以后才在互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)安全套接字層連接后發(fā)送，保證了密碼的安全性。同時(shí)，為了方便使用，用戶(hù)還在自己的權限范圍可以自行授權子用戶(hù)。
3.4 數據分析
除了能為技術(shù)人員同步提供詳盡，準確的施工數據以外，施工數據的分析也是一個(gè)非常重要的'方面。施工數據的分析分為兩個(gè)方面，一個(gè)方面是在施工現場(chǎng)提供快速有效的地面沉降的預測和施工參數的設定建議，另一方面，是對各工程歷史數據進(jìn)行分析計算，找出規律。
在施工現場(chǎng)的數據分析設計是在原有的盾構隧道智能輔助決策系統［1］的基礎上進(jìn)行的，它把原系統中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模糊控制等人工智能的方法結合目前數據庫進(jìn)行改進(jìn)后，放入了本系統中。其與原系統的最大區別是：原系統中數據均為手工輸入，存在滯后和數據不準確的情況，而且數據提供的也沒(méi)有現在全面。鑒于這種情況，在用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行系統的數學(xué)模型的建立時(shí)，我們擴展原有的輸入量，增加了注漿壓力，注漿流量，盾構姿態(tài)等原來(lái)很難及時(shí)獲取數據，同時(shí)從原來(lái)的每環(huán)一組學(xué)習數據，變成每推進(jìn)0.2m生成一組學(xué)習數據，使系統的響應速度加快，如果發(fā)現預測結果與實(shí)際情況誤差增大，系統將自動(dòng)加大數據獲取量，例如：網(wǎng)絡(luò )訓練數據該為每推進(jìn)0.1m生成一組學(xué)習數據，使系統盡快適應變化的模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測控制模型的流程如圖6所示。
除了原有的人工智能的方法外，系統還根據土力學(xué)理論和工程上經(jīng)典公式的計算，這些方法在工程技術(shù)人員在對一些關(guān)鍵施工段進(jìn)行決策有很大的幫助。
除了施工現場(chǎng)的數據分析以外，在公司總部對歷史數據的分析挖掘也至關(guān)重要，由于數據量非常大，而且數據的實(shí)時(shí)性要求低，因此在總部的數據分析系統，我們采用了有限元和混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據分析。
本文采用一種混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，應用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性.將樣本集記憶在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )確定性的混沌吸引子軌跡上，正是這種動(dòng)態(tài)記憶方式，不僅將全部樣本集得到記憶，而且允許利用動(dòng)力學(xué)特性將各種樣本模式一一加以重現和辨識，混沌吸引子的吸引線(xiàn)存在，形成了混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )固有的容錯功能.若網(wǎng)絡(luò )輸入的實(shí)際信息發(fā)生不完整性或變異程度超出混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )固有容錯范圍，網(wǎng)絡(luò )混沌運動(dòng)就脫離了原有混沌吸引域，喪失了原有被儲存樣本模式的記憶，稱(chēng)之為失憶.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是一種時(shí)空分布系統，空間上呈相互耦合的網(wǎng)絡(luò )分布，時(shí)間上作非線(xiàn)性混沌運動(dòng)，對于這種時(shí)空系統，采用的釘扎控制，通過(guò)對某些神經(jīng)元施加一定強度的脈沖激勵，驅動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )混沌運動(dòng)進(jìn)入要被恢復記憶的吸引域，從而對喪失的記憶得以恢復.這種方式使同一網(wǎng)絡(luò )中反映不同工程的模型成為可能，當不同類(lèi)別數據進(jìn)入系統，系統就會(huì )作出自動(dòng)辨識，得出不同的結論。
除了對盾構推進(jìn)隧道施工參數的控制，系統此外還通過(guò)專(zhuān)家系統根據得到的施工數據和專(zhuān)家經(jīng)驗對盾構智能化故障診斷和設備保養。
4 結語(yǔ)
目前系統正處于調試與試運行階段，主要試驗地點(diǎn)分別在上海明珠二號線(xiàn)和南京地鐵，系統的運行加快了施工信息的傳遞，也為施工水平的提高奠定了基礎。
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