盾构机远程监控与故障诊断技术

魏勇

（北京建工土木工程有限公司，北京 100015）

0.前言

随着人们生活质量的不断提升，人们对于水利水电、铁路等复杂工程的需求也正在持续增强，对于施工安全性的重视程度也日渐提高。盾构机的使用能够有效提升工程建设的效率，对于保证工程施工的安全性与稳定性都具有重要意义。盾构机设备的检测与故障的诊断是盾构机能够安全工作的重要保护屏障，随着工程量的提升与工程建设难度的加大，盾构设备分布距离远诊断难度大，对设备状态的实时监控和故障诊断的及时性是确保施工顺利的关键。由此可见，实现盾构机的远程监控是当前盾构施工需要攻克的重要难题之一。

1.盾构机监测诊断技术

盾构机设备的监测技术包括感官检查诊断技术、仪器监测技术、故障树逻辑诊断等，下面对盾构机设备的检测技术进行具体阐述：

1.1 感官检查诊断技术

简单来说，该技术就是利用监测工作人员的听觉、视觉等感官系统对盾构机设备施工的情况进行监测，并对盾构机内部的各个零部件的运作情况进行初步判断[1]。感官检查诊断对设备工程师的技术和经验有较高的要求。

1.2 仪器监测技术

仪器监测技术是指通过温度传感器、流量计、压力表等测量仪器对设备运行状态进行检测，并可以通过设定工作范围和量程实现预警、报警功能[2]。

以温度传感器为例，环境温度的变化与盾构机的工作效率密切相关，温度监测技术分为接触式温度监测技术和非接触式监测技术两种。其中，非接触式温度监测技术是指利用红外线测温计测量温度，该技术具有较高的安全性和高效性；而接触式的检测技术需要通过温度传感器进行测量[3]。

1.3 故障树逻辑诊断

故障树逻辑诊断指的是工作人员通过对油质的分析、振动的分析以及其他多种性能状态测试的结果做出盾构机运行状态的诊断，揭示具体的故障部位及其规律[4]。

2.盾构机设备监测与故障诊断分析

2.1 液压系统状态监测与故障研究

盾构机的液压系统非常复杂，但盾构机的施工都需要依靠液压驱动，若液压驱动系统发生故障，则有可能导致整个盾构机瘫痪，对施工进度造成负面影响[5]。因此，技术人员应重点关注液压驱动系统的检测与故障诊断，尽早解决液压驱动系统中存在的故障问题。通常情况下，液压驱动系统的故障多与油液污染有关，该问题可通过清洁油液、加强日常保养、更换滤芯来解决。

2.2 电气系统状态监测与故障研究

电气系统也是盾构机的重要系统，其中包括配电系统和自动控制系统，通常情况下，自动控制系统出现的故障都能够通过上位机解决，但如果遇到了上位机无法解决的情况，应借助于电脑编程器才能够迅速定位和反映其故障的情况[6]。

3.盾构机远程监控系统设计

针对我司盾构中心目前盾构机保有情况、盾构施工特点和未来发展情况，利用信息化网络智能管理系统实现盾构设备管理，通过网络远程监控实时掌握现场盾构机各项施工参数，实现盾构施工数据与施工进度、测量监控、视频监控、协同资料与项目管理数据等的联动查看。有利于项目管理人员对设备状态和施工节点的掌控。

3.1 总方案设计

基于盾构施工现场分布分散的特点，适合组建OS-S-C模式和S-B模式相结合的构架形式。在盾构中心组建中央服务器（OS）和监控平台，在施工现场组建数据采集服务器（Server），盾构机上位机做为基础端（Client）便于将PLC数据、盾构机掘进参数、视频监控等数据上传。客户可以随时通过访问端（Brower）软件，对服务器进行监控和数据采集分析。

3.2 系统的构架

（1）数据采集。在施工项目部布设数据采集服务器，通过读取盾构机可编程控制器（PLC）的实时运行数据和上位机中的历史数据并存储在本地，同时将这些数据发送至中心服务器。系统内部通过TCP/IP进行通信，目前隧道内完全可以通过铺设光纤和信号转换实现。

（2）数据的存储。目前数据信息主要是保存在施工现场数据采集服务器中，便于轨道公司进行监控。数据存储不全且容易随着项目结束丢失。建立中央服务器后可将数据集中存储，同时建立设备台账，手动整理和更新盾构施工信息。

（3）远程访问。开发基于Web和JavaScrip手机App软件，用户可以随时随地访问中央服务器信息。其中Web前端可采用HTML和JavaScript，Web后端可采用C#。

3.3 远程监控设计

（1）数据绑定。盾构机与工点存在多对多的对应关系，一台盾构机可在不同的工点施工，同时单个工点也可能同时存在多台盾构机同时掘进。Web端提供对有盾构施工的工点进行盾构机设备配置与监控平台的挂接功能，所以要求中央服务器具备互联网固定IP，每台盾构机具备专属配置文件。配置内容包括盾构机的编号、盾构机参数、掘进里程等。

（2）数据库设计。数据库需具备永久存储、并发控制、交互式查询等基本功能。通过盾构机台账进行分类，建立施工项目检索目录。数据内容包括盾构机运行参数和项目信息。盾构机运行参数包括盾构机当前环土压、注浆量、出渣量、盾构姿态、油脂注入量、添加剂注入量以及齿轮油液压油温度等基本设备信息。

项目信息包括地质条件、工期节点、危险源信息、项目管理人员、联系方式等。

根据数据类型分为实时数据和存储数据。目前主流的数据库采用阿里云等存储方式，便于远程用户快速读取服务器数据。

（3）界面设计。以盾构机台账为基础设计交互界面，以盾构机厂家、型号、设备特点进行界面设计，具备设备状态展示、视频监控、参数及历史记录查询、数据分析功能。同时具备可扩展性，便于后期添加盾构机和新项目，界面的具体情况如图1所示。

图1 盾构施工单位监控界面

3.4 其他

（1）软硬件要求。目前主流的硬件厂家有海康威视、大华、H3C。主流的远程监控软件厂家有海康威视、Team-Viewer、广联达。其中海康威视市场占有率大且具备价格优势，但远程监控软件需要定制。目前我司北京某项目远程监控使用的是TeamViewer。

（2）安全性要求。包括服务器防火墙安全和用户权限。

（3）预警功能。由于采集设备精确度、范围和算法的影响，实际值和目标值存在一定的偏差，尤其是多台设备因施工条件不同，数据存在较大的差异。需要根据每台盾构机在不同项目周期设置独立的预警功能。

（4）统一性要求。由于目前盾构机分布于国内多个城市，涉及盾构机识别（数据采集服务器对盾构机PLC数据的信息采集）和后续新增项目系统统一性的要求。

（5）后期维护。包括硬件维护和监控软件维护。

（6）功能扩展。针对目前物联网的快速发展和在工程领域的广泛应用，目前壳牌中国针对国内盾构用户开发了一套液压油油品在线检测平台，包括成套油品检测设备和远程监控平台。由于涉及算法，监控平台开发权归属壳牌中国所有，用户只有使用权限。应考虑作为扩展功能纳入盾构远程监控功能的可行性。

4.远程故障针断

盾构机是由机电液一体化组成的大型机械设备，利用远程监控系统对设备数据的采集分析，可以快速有效地进行诊断排除故障或形成系统的数据报表，指导后续施工提供技术支持。

4.1 视频监控

在盾构机主要工作区域安装高清红外摄像头，将螺旋出渣、操作室、拼装区域等部位图像上传至远程平台，便于用户了解盾构机当前的工作进度。

4.2 盾构数据统计、多参数对比分析

主要利用PLC采集的盾构机数据，生成可视化监控界面，针对关键的核心数据进行分析比较，设置正常工作范围和预警报警参数，主要内容包括：

（1）沉降检测。利用采集到的导向系统数据和数据库内风险源数据进行比对，生成盾构掘进曲线图，如图2所示。直观地体现出测点曲线和变形速率，为盾构施工和控制沉降提供数据预警和风险管控。

图2 检测数据曲线

（2）掘进参数预警功能。通过对系统界面设置合理的参数实现超限预警功能，如土压超限、出渣量超限，各液压系统压力温度超限、滤清器维护等，便于用户及时发现设备异常状况，及时调整施工参数或排除设备故障。如图3所示。

图3 掘进参数界面

（3）耗材统计。以环为单位自动生成数据报告，统计盾构施工材料消耗，主要的内容包括同步注浆量、泡沫消耗量、膨润土消耗量、盾尾油脂消耗量等。

5.总结

盾构施工具有较高的安全性与稳定性，但盾构机在进行施工的过程中存在诸多风险因素，因此，对盾构机进行实时检测与故障诊断，尤其是通过远程技术手段实现远程掌握盾构机的设备状态和快速进行故障诊断至关重要。本文提到的盾构中心盾构远程监控系统可适用于不同种类、型号、品牌的盾构机，其可以通过Web端提供对盾构施工的盾构机设备的运行情况、掘进参数、风险、工程施工质量、设备状态等参数进行实时监控，也可对盾构机的主驱动系统、液压驱动系统、电气系统等进行故障的诊断工作，可为盾构施工的管理提供方便。