1、上海地鐵盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)改造【提要】：根據(jù)目前在建的上海地鐵明珠線二期工程對隧道施工信息管理的要求，制定并施行了對以前引進(jìn)的地鐵盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)改造方案。新增加了陀螺儀硬件，新開發(fā)了盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)管理、盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)管理和盾構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可擴(kuò)展專用局域網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件。對今后國產(chǎn)盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有一定的參考指導(dǎo)作用。【關(guān)鍵詞】：盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集Abstrat：ardaneithurrentrequireentsfrtunnelnstrutininfratinanageentinthe2ndstage.PearlLine,Shanghaietr,atehnialrefratinprp

2、salhasbeensetandipleentedfrdataaquisitinsysteinetrshield,riginallyintrduedfrverseas.Thenelyaddednesaregyrspehardare,nelydevelpedshieldtunnellingattitudentrl,andputerappliatinsftarefrexpandabledediatedLANfrshielddrivingdataanageentandshieldrealtiedata.Ithappenstbeatingareferentialguidingfuntinfrdataa

3、quisitinindestiallyadeshieldhenefrth.Keyrds：shield,attitude,dataaquisitin.2技術(shù)改造方案2.1存在的功能缺陷2.1.1盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)檢測功能2號9號盾構(gòu)未配置盾構(gòu)姿態(tài)檢測裝置。1號盾構(gòu)曾配置了英國ZED公司的盾構(gòu)激光姿態(tài)檢測系統(tǒng)，在實(shí)際工程中也進(jìn)展了技術(shù)消化和應(yīng)用試驗(yàn)，但未到達(dá)工程實(shí)用效果。2.1.2盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)管理功能1號9號盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的根本功能是實(shí)時(shí)顯示盾構(gòu)設(shè)備和掘進(jìn)施工的開關(guān)量和模擬量狀態(tài)，盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)管理功能較弱，僅能顯示和打印環(huán)報(bào)表每100一組數(shù)據(jù)。2.1.3數(shù)據(jù)采集硬件和軟件環(huán)境1號7號盾構(gòu)由繼電器控制盾

4、構(gòu)，T100數(shù)據(jù)采集器將現(xiàn)場模擬量和開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過RS232通信口將現(xiàn)場信息送往計(jì)算機(jī)；8號和9號盾構(gòu)由TSX57-20系列PL控制盾構(gòu)，PL的通信口將采集的信息送往計(jì)算機(jī)。1號9號盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件為DS，應(yīng)用軟件采用TATIIANT2001。數(shù)據(jù)采集軟件環(huán)境的配置方式給國內(nèi)用戶的軟件維護(hù)工作帶來了困難。2.1.4單機(jī)運(yùn)行方式數(shù)據(jù)采集的單機(jī)運(yùn)行方式，地面管理者不能實(shí)時(shí)理解盾構(gòu)施工情況，不利于加強(qiáng)對隧道施工的動態(tài)管理。2.2技術(shù)改造內(nèi)容基于原盾構(gòu)電氣元器件硬件根底，根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)采集硬件配置，重新開發(fā)合適目前國內(nèi)盾構(gòu)施工管理需求的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用軟件，重點(diǎn)是開發(fā)盾構(gòu)的姿

5、態(tài)監(jiān)測應(yīng)用軟件。2.2.1硬件配置系統(tǒng)硬件配置見圖1。1號7號盾構(gòu)用數(shù)據(jù)采集卡代替原T100數(shù)據(jù)采集器，8號和9號盾構(gòu)采用原TSX57-20系列PL作為數(shù)據(jù)采集器。陀螺儀采集的方位角、傾斜角信號由信號顯示單元的RS232通信接口與數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)連接；1號7號盾構(gòu)的模擬量和數(shù)字量信號由AI、DI板卡與計(jì)算機(jī)總線連接；8號和9號盾構(gòu)的模擬量和數(shù)字量信號由PL的RS232通信接口與數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)連接。SDSL解決通信間隔 問題。傳輸間隔 1k時(shí)傳輸速率為2bps；傳輸間隔 2k時(shí)傳輸速率為1bps。數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)面向盾構(gòu)操作人員；地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)面向隧道施工管理人員；遠(yuǎn)傳通信計(jì)算機(jī)利用社會公共信道將盾

6、構(gòu)施工實(shí)時(shí)信息送往施工企業(yè)總部。2.2.2軟件環(huán)境操作系統(tǒng)：inds98；應(yīng)用軟件：Kingvie6.2，VisualBasi5.0，Tly1.0。2.2.3軟件功能系統(tǒng)具有盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)采集功能，盾構(gòu)姿態(tài)管理功能，盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)管理功能，盾構(gòu)設(shè)備管理功能，施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。3盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)管理盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)管理主要是根據(jù)陀螺儀檢測的盾構(gòu)方位角和坡度角與盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸線比擬，計(jì)算出盾構(gòu)方位誤差角、盾構(gòu)坡度誤差角、盾構(gòu)切口平面誤差、盾構(gòu)切口高程誤差、盾尾平面誤差、盾尾高程誤差，來指導(dǎo)盾構(gòu)司機(jī)及時(shí)糾偏。3.1盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)軸線的輸入和仿真校驗(yàn)根據(jù)隧道盾構(gòu)中心坐標(biāo)設(shè)計(jì)資料提供的線型、里程、線段長度、方位角、X

7、坐標(biāo)、Y坐標(biāo)及曲線要素和斷鏈數(shù)據(jù)，建立便于輸入操作和校驗(yàn)的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)構(gòu)造。使操作者只要輸入相鄰線型交界點(diǎn)的特征參數(shù)，便可完成相應(yīng)線型內(nèi)所有設(shè)計(jì)軸線數(shù)據(jù)輸入工作。所編制的設(shè)計(jì)軸線軟件根本功能有：計(jì)算平面設(shè)計(jì)軸線軌跡Z直線、ZH直緩、HY緩圓、YH圓緩、HZ緩直；計(jì)算高程設(shè)計(jì)軸線軌跡；計(jì)算盾構(gòu)在設(shè)計(jì)軸線任意點(diǎn)的方位角；計(jì)算盾構(gòu)在設(shè)計(jì)軸線任意點(diǎn)的坡度角；長鏈與短鏈數(shù)據(jù)處理功能；順里程與逆里程數(shù)據(jù)處理功能；設(shè)計(jì)軸線仿真調(diào)試功能。仿真結(jié)果說明:設(shè)計(jì)軸線平面和高程誤差小于等于1。其設(shè)計(jì)軸線數(shù)據(jù)輸入量小于日本TKIE公司同類應(yīng)用軟件。3.2陀螺儀通信根據(jù)陀螺儀通信協(xié)議，編制陀螺儀驅(qū)動程序。設(shè)定陀螺儀通信

8、根本數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)速率：2400bps數(shù)碼長度：8bit奇偶性：無停頓位：1bit間隔：200s3.3盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)管理3.3.1盾構(gòu)掘進(jìn)里程隧道設(shè)計(jì)軸線以地鐵里程數(shù)為自變量。盾構(gòu)掘進(jìn)里程是判斷盾構(gòu)位置和姿態(tài)的根底條件，其計(jì)算方法如下：PBNLJ式中P盾構(gòu)切口里程()；B區(qū)間隧道起點(diǎn)里程()；N管片環(huán)號環(huán)寬1；L千斤頂伸長間隔 ()；J盾構(gòu)切口至千斤頂起始位置()。一環(huán)完畢條件：L0.8并且拼裝開場，一環(huán)開場條件：NN1：L0.3并且掘進(jìn)開場；3.3.2盾構(gòu)姿態(tài)與運(yùn)動方向由于土質(zhì)條件分布差異，盾構(gòu)實(shí)際前進(jìn)方向不一定是盾構(gòu)姿態(tài)方向。設(shè)陀螺儀檢測到的盾構(gòu)方位角為A1i，盾構(gòu)實(shí)際前進(jìn)的方向角為A2i，

9、設(shè)計(jì)軸線的A1i方位角為S1，n為統(tǒng)計(jì)環(huán)數(shù)，方位修正角為1：由方位修正角1和陀螺儀檢測出盾構(gòu)方位角A1i，就能方便地求出盾構(gòu)實(shí)際前進(jìn)方向。3.3.3盾構(gòu)平面偏向與高程偏向切口平面偏向、切口高程偏向、盾尾平面偏向、盾尾高程偏向是相對于設(shè)計(jì)軸線的一組施工參數(shù)，反映了盾構(gòu)某時(shí)刻的相對位置：盾構(gòu)平面偏向aLsin(A1i-1)-S1盾構(gòu)高程偏向hLsin(H1i-2)-S2式中H1i陀螺儀檢測到的盾構(gòu)坡度角；2坡度修正角；S2設(shè)計(jì)軸線的坡度角；L千斤頂位移長度。3.3.4盾構(gòu)推進(jìn)合力中心調(diào)節(jié)盾構(gòu)推進(jìn)的4個區(qū)間油壓，或?qū)?2個推進(jìn)千斤頂不同編組，將改變盾構(gòu)推進(jìn)的合力中心位置，從而控制盾構(gòu)的前進(jìn)方向。實(shí)時(shí)

10、計(jì)算并顯示盾構(gòu)推進(jìn)的合力中心位置有助于盾構(gòu)司機(jī)及時(shí)掌握控制效果：式中a1陀螺儀檢測到的盾構(gòu)當(dāng)前方位偏向角；h1陀螺儀檢測到的盾構(gòu)當(dāng)前坡度偏向角；1人工測量到的切口平面偏向；2人工測量到的盾尾平面偏向；3人工測量到的切口高程偏向；4人工測量到的盾尾高程偏向；d盾構(gòu)長度。4盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)管理4.1數(shù)據(jù)采集內(nèi)容數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容主要是盾構(gòu)設(shè)備信息和掘進(jìn)施工信息,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲。1號7號盾構(gòu)采集了24個模擬量數(shù)據(jù)，58個開關(guān)量數(shù)據(jù)；地鐵8號、9號盾構(gòu)采集了29個模擬量數(shù)據(jù)，87個開關(guān)量數(shù)據(jù)(表1)。表1采集的模擬量信號表序號模擬量量程量程8、9號盾構(gòu)17號盾構(gòu)1上土壓pa00.

11、52左、中、右土壓pa00.500.53下土壓pa00.54螺旋機(jī)上、下土壓pa00.500.551、2、3、4區(qū)油壓pa0400456刀盤油壓pa0400457刀盤轉(zhuǎn)速(r/in)01018螺旋機(jī)油壓pa0600459螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速(r/in)02002022上、下、左、右千斤頂位移()012000120011加泥水壓力(pa)010112加泥水流量(3)02002022注漿壓力14(pa)0214注漿流量14(3/h)0515推進(jìn)速度(/in)02002022排土門開度(%)0100010017方位角、坡度角、旋轉(zhuǎn)角36036036036018皮帶機(jī)油壓(pa)040轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.4.

12、2盾構(gòu)數(shù)據(jù)管理功能操作界面的菜單構(gòu)造(圖3)。4.2.1主頁主要功能：登錄、操作選擇、關(guān)機(jī)。4.2.2掘進(jìn)“掘進(jìn)界面顯示盾構(gòu)設(shè)備、施工等參數(shù)和圖形圖4。為便于盾構(gòu)司機(jī)掌握姿態(tài)信息，掘進(jìn)界面還具有“切口平面偏向、“切口高程偏向、“盾尾平面偏向、“盾尾高程偏向圖形和數(shù)值顯示功能及“盾構(gòu)推進(jìn)合力中心圖形和數(shù)值顯示功能。4.2.3姿態(tài)設(shè)計(jì)了本環(huán)姿態(tài)偏向的連續(xù)曲線和盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)圖形顯示，使盾構(gòu)司機(jī)根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)的歷史和現(xiàn)狀判斷盾構(gòu)姿態(tài)方向的開展趨勢，以便于采取措施進(jìn)展盾構(gòu)姿態(tài)糾偏。4.2.4查詢查詢內(nèi)容有“設(shè)備狀態(tài)表以設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警統(tǒng)計(jì)為主、“測量報(bào)表以測量參數(shù)為主、“施工環(huán)報(bào)表以施工參數(shù)為主,圖5。4.

13、2.5報(bào)警報(bào)警歷史記錄由滾動條查詢。4.2.6分析具有歷史數(shù)據(jù)分析功能。歷史數(shù)據(jù)分析的可選變量有6個：土壓、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、刀盤轉(zhuǎn)速、切口平面偏向、切口高程偏向圖7。圖7歷史數(shù)據(jù)分析根據(jù)需要，選擇對應(yīng)變量的發(fā)生時(shí)刻、環(huán)號、掘進(jìn)間隔 。選擇相應(yīng)變量時(shí)，將顯示該變量對應(yīng)時(shí)刻的實(shí)際值，平均值、最大值、最小值。4.2.7設(shè)定管理數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)設(shè)定值輸入。4.2.8調(diào)試仿真調(diào)試設(shè)計(jì)軸線。5盾構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采取可擴(kuò)展的專用局域網(wǎng)絡(luò)。5.1盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)與地面管理計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信采用300S兆比特調(diào)制解調(diào)器解決盾構(gòu)機(jī)和地面長間隔 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信問題，其SDSL技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的低速

14、率模擬調(diào)制解調(diào)器性能以及ISDN技術(shù)，能利用地面到盾構(gòu)機(jī)的普通銅質(zhì) 線路傳送128kbps-2bps全雙工數(shù)據(jù)02000。5.2盾構(gòu)機(jī)與遠(yuǎn)程管理者的數(shù)據(jù)通信利用社會公共通信資源，采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)撥號網(wǎng)絡(luò)方法，形成盾構(gòu)機(jī)與遠(yuǎn)程管理者的數(shù)據(jù)通信鏈路。遠(yuǎn)程管理者的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是施工地面現(xiàn)場計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的鏡像。6工程應(yīng)用本工程于2002年初開場，先后在上海軌道交通明珠線二期工程的22個區(qū)間隧道掘進(jìn)施工過程中應(yīng)用應(yīng)用本系統(tǒng)的施工單位有上海隧道工程股份盾構(gòu)公司、上海市政二公司、上海根底工程公司和上海機(jī)施公司，掘進(jìn)總里程約20k。應(yīng)用中表達(dá)了本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)用性。(1)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

15、傳輸延遲時(shí)間2S。(2)準(zhǔn)確性系統(tǒng)軟件的數(shù)字處理精度0.1；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度1與傳感器、變送器技術(shù)特性和標(biāo)定數(shù)據(jù)有關(guān)；姿態(tài)管理數(shù)據(jù)精度與測量修正數(shù)據(jù)的管理有關(guān)。3可靠性在正常使用條件下，自主開發(fā)的應(yīng)用軟件在實(shí)際工程應(yīng)用中，沒有發(fā)生故障。4實(shí)用性施工現(xiàn)場的管理人員在地面能利用計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)信息及時(shí)掌握施工狀態(tài)，以便及時(shí)調(diào)度消費(fèi)和控制施工質(zhì)量，進(jìn)步了工作效率。上海隧道股份盾構(gòu)分公司在所施工的區(qū)間隧道掘進(jìn)工程中，還配置了盾構(gòu)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能。在遠(yuǎn)程的高級管理人員利用計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)信息和歷史數(shù)據(jù)，能及時(shí)分析施工數(shù)據(jù)、理解施工狀態(tài)、指導(dǎo)現(xiàn)場施工。7結(jié)語通過對20世紀(jì)90年代初從法國引進(jìn)的9臺土壓平衡盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)改造，解決了目前上海軌道交通明珠線二期工程對隧道施工信息管理的需求問題。本系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：(1)具有盾構(gòu)姿態(tài)檢測功能，在引進(jìn)國外機(jī)械陀螺儀硬件的根底上，自主開發(fā)盾構(gòu)陀螺儀應(yīng)用軟件。其技術(shù)關(guān)鍵是建立盾構(gòu)姿態(tài)檢測的計(jì)算方法和數(shù)學(xué)模型。(2)自主開發(fā)合適施工管理需求的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)管理的軟件功能。(3)具有盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)傳功能，使現(xiàn)場地面施工管理者和遠(yuǎn)程高級管理者及時(shí)掌握盾構(gòu)施工的實(shí)時(shí)狀態(tài)。本工程以目前國際先進(jìn)程度為目的，自主開發(fā)的陀螺儀姿態(tài)和盾構(gòu)施工管理軟件，對今后國產(chǎn)盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的研究具