盾構(gòu)隧道信息化施工實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的建設(shè)論文
提 要：盾構(gòu)法施工是建設(shè)城市地鐵隧道工程的重要手段，本文論述盾構(gòu)施工的高新技術(shù)隧道信息化施工實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的研究，突出施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)，分別在上海明珠2號(hào)線和南京地鐵工程上應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工信息化實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)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
隨著地下空間開發(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(duì)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)目前急需解決的問題。
要進(jìn)行遠(yuǎn)程的管理和技術(shù)支持，首要的是對(duì)施工方信息有一個(gè)全面、及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握，同時(shí)通過先進(jìn)的分析手段，對(duì)施工方進(jìn)行指導(dǎo)。而目前的遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)往往只是對(duì)行政和技術(shù)文件的管理，而無法實(shí)時(shí)地獲取施工信息，更不能提供施工指導(dǎo)上的幫助了。
因此，本文結(jié)合上海隧道股份實(shí)際情況，構(gòu)建盾構(gòu)隧道信息化施工實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，以期能對(duì)其散布在國(guó)內(nèi)和海外的工地的施工進(jìn)行及時(shí)全面的管理。
2 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與功能
在進(jìn)行隧道施工時(shí)，工地端的設(shè)施往往比較簡(jiǎn)單，環(huán)境較差，而且流動(dòng)性強(qiáng)，不適合進(jìn)行大規(guī)模的投資建設(shè)；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(wěn)定，可以配置一些較好的機(jī)器，網(wǎng)絡(luò)的連接條件也比較好。
對(duì)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(xiàn)場(chǎng)，也可能是在其他地方。
根據(jù)這種情況，構(gòu)建的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(圖1)可以看出，整個(gè)系統(tǒng)分以下幾個(gè)部分：
在施工現(xiàn)場(chǎng)有數(shù)據(jù)采集監(jiān)視系統(tǒng)和施工分析系統(tǒng)兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是利用盾構(gòu)內(nèi)部的傳感器獲取實(shí)時(shí)的施工數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)有兩臺(tái)，一臺(tái)在井下，一臺(tái)在地面上的控制室。這兩臺(tái)機(jī)器和另一臺(tái)裝有施工分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通過HUB相聯(lián)，組成了一個(gè)對(duì)等網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的共享。施工分析系統(tǒng)主要有三大功能：將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)表數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞至總部；完成數(shù)據(jù)查詢，報(bào)表制作，圖形繪制等基本功能；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和施工情況進(jìn)行自動(dòng)分析，提出施工參數(shù)的控制方案。
公司總部的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和Web服務(wù)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和信息的發(fā)布，以及歷史數(shù)據(jù)的分析與整理。
數(shù)據(jù)的傳遞過程是通過互聯(lián)網(wǎng)完成的。
因此，整個(gè)系統(tǒng)的功能劃分如圖2所示。
3 系統(tǒng)管理
從圖1和圖2可以看出這是一個(gè)以分布式數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的，以遠(yuǎn)程信息傳輸和人工智能分析為特點(diǎn)的系統(tǒng)，下面就從這三個(gè)方面進(jìn)行介紹。
3.1 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)
分布式數(shù)據(jù)庫(kù)是在分布式管理模式下，每個(gè)遠(yuǎn)程分部的數(shù)據(jù)信息均存放在本地，平時(shí)可獨(dú)立操作使用；同時(shí)定期通過遠(yuǎn)程通信線路，將本地的所有數(shù)據(jù)信息或匯總數(shù)據(jù)信息發(fā)送到遠(yuǎn)程總部；總部接收到數(shù)據(jù)后再將其恢復(fù)到總部的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，以滿足總部對(duì)整個(gè)企業(yè)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)管理與決策的需要。顯而易見，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)這種分布式透明性的特點(diǎn)，與這個(gè)項(xiàng)目的情況十分吻合。通過性能價(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(shù)據(jù)庫(kù)中選擇了SQL Server 2000，作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝了Window 2000 Professional 操作系統(tǒng)，因此安裝了SQL Sever 2000 個(gè)人版；公司總部的操作系統(tǒng)為Window 2000 Sever,安裝了SQL Sever 2000 企業(yè)版。
每個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)都是相同的：主要包括盾構(gòu)施工參數(shù)表，施工進(jìn)度記錄表，施工大事記錄表，盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)表，管片姿態(tài)參數(shù)表，沉降情況表，工程基本概況，地面測(cè)點(diǎn)布置，沿線地質(zhì)資料，沿線重要設(shè)施情況等表。
公司總部數(shù)據(jù)庫(kù)中除了包括各個(gè)工地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，還包括工程匯總表，標(biāo)準(zhǔn)域名描述一覽表，盾構(gòu)基本信息一覽表，用戶信息表。
3.2 數(shù)據(jù)傳輸
從系統(tǒng)功能圖(圖2)上可以看出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源可分為兩個(gè)部分,一部分是有傳感器傳送來的盾構(gòu)的各類運(yùn)行參數(shù),另一部分則是有人工定期輸入的量測(cè)數(shù)據(jù)﹑情況記錄等數(shù)據(jù)。前者數(shù)據(jù)要求很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，需要隨時(shí)與公司總部的數(shù)據(jù)同步，而后者的數(shù)據(jù)只需要定期更新即可。因此對(duì)這兩類數(shù)據(jù)采用了不同的數(shù)據(jù)傳送方法。
對(duì)于實(shí)時(shí)施工數(shù)據(jù)，由于每個(gè)盾構(gòu)的生產(chǎn)廠商和型號(hào)的不同，因此獲取的施工數(shù)據(jù)方式和數(shù)據(jù)內(nèi)容都不相同，為此通過一個(gè)Read程序，依據(jù)為每個(gè)盾構(gòu)度身定做的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)照表，將不同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到施工現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，而與此同時(shí)將此數(shù)據(jù)片段加密后通過互聯(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(shù)據(jù)傳輸過程可以看出，在數(shù)據(jù)的傳遞的過程中，采用了雙向FTP不間斷進(jìn)行片段數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫(kù)提供的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)同步的方法：快照與訂閱方式，由于施工現(xiàn)場(chǎng)傳送數(shù)據(jù)的過程，實(shí)際上是訂閱修改的過程，總部數(shù)據(jù)庫(kù)必須開放匿名登錄，會(huì)對(duì)安全性產(chǎn)生一定的問題，所以沒有采用。
對(duì)于其他需要定期傳送的數(shù)據(jù)，采用了SQL Sever 中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務(wù)（DTS）的方法完成。
3.3 數(shù)據(jù)發(fā)布
當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)入公司總部的數(shù)據(jù)庫(kù)后，通過Window 2000的Internet 信息服務(wù)（IIS）進(jìn)行發(fā)布，對(duì)于實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過Flash的網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖形顯示（圖4），歷史數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)采用ASP技術(shù)以EXCEL數(shù)據(jù)表格方式顯示，而報(bào)表的訂閱定時(shí)群發(fā)功能則通過Window提供的計(jì)劃管理完成。Web Sever 結(jié)構(gòu)如圖5所示。
為了保證系統(tǒng)的安全性，采用安全模式的用戶登錄方式，即用戶名和密碼經(jīng)過加密以后才在互聯(lián)網(wǎng)通過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，用戶還在自己的權(quán)限范圍可以自行授權(quán)子用戶。
3.4 數(shù)據(jù)分析
除了能為技術(shù)人員同步提供詳盡，準(zhǔn)確的施工數(shù)據(jù)以外，施工數(shù)據(jù)的分析也是一個(gè)非常重要的'方面。施工數(shù)據(jù)的分析分為兩個(gè)方面，一個(gè)方面是在施工現(xiàn)場(chǎng)提供快速有效的地面沉降的預(yù)測(cè)和施工參數(shù)的設(shè)定建議，另一方面，是對(duì)各工程歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，找出規(guī)律。
在施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)是在原有的盾構(gòu)隧道智能輔助決策系統(tǒng)［1］的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它把原系統(tǒng)中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制等人工智能的方法結(jié)合目前數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行改進(jìn)后，放入了本系統(tǒng)中。其與原系統(tǒng)的最大區(qū)別是：原系統(tǒng)中數(shù)據(jù)均為手工輸入，存在滯后和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況，而且數(shù)據(jù)提供的也沒有現(xiàn)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(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立時(shí)，我們擴(kuò)展原有的輸入量，增加了注漿壓力，注漿流量，盾構(gòu)姿態(tài)等原來很難及時(shí)獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)從原來的每環(huán)一組學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，變成每推進(jìn)0.2m生成一組學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，如果發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況誤差增大，系統(tǒng)將自動(dòng)加大數(shù)據(jù)獲取量，例如：網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)該為每推進(jìn)0.1m生成一組學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)盡快適應(yīng)變化的模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(tǒng)還根據(jù)土力學(xué)理論和工程上經(jīng)典公式的計(jì)算，這些方法在工程技術(shù)人員在對(duì)一些關(guān)鍵施工段進(jìn)行決策有很大的幫助。
除了施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析以外，在公司總部對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析挖掘也至關(guān)重要，由于數(shù)據(jù)量非常大，而且數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求低，因此在總部的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，我們采用了有限元和混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
本文采用一種混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性動(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(xiàn)和辨識(shí)，混沌吸引子的吸引線存在，形成了混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)固有的容錯(cuò)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(cuò)范圍，網(wǎng)絡(luò)混沌運(yùn)動(dòng)就脫離了原有混沌吸引域，喪失了原有被儲(chǔ)存樣本模式的記憶，稱之為失憶.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種時(shí)空分布系統(tǒng)，空間上呈相互耦合的網(wǎng)絡(luò)分布，時(shí)間上作非線性混沌運(yùn)動(dòng)，對(duì)于這種時(shí)空系統(tǒng)，采用的釘扎控制，通過對(duì)某些神經(jīng)元施加一定強(qiáng)度的脈沖激勵(lì)，驅(qū)動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混沌運(yùn)動(dòng)進(jìn)入要被恢復(fù)記憶的吸引域，從而對(duì)喪失的記憶得以恢復(fù).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(dāng)不同類別數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)就會(huì)作出自動(dòng)辨識(shí)，得出不同的結(jié)論。
除了對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)隧道施工參數(shù)的控制，系統(tǒng)此外還通過專家系統(tǒng)根據(jù)得到的施工數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)盾構(gòu)智能化故障診斷和設(shè)備保養(yǎng)。
4 結(jié)語(yǔ)
目前系統(tǒng)正處于調(diào)試與試運(yùn)行階段，主要試驗(yàn)地點(diǎn)分別在上海明珠二號(hào)線和南京地鐵，系統(tǒng)的運(yùn)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(chǔ)。
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