上海地铁盾构施工信息远程实时传输系统设计与研发
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摘要：为适应我国城镇化发展建设需要，改善大型城市交通民生状况，国内各大城市纷纷开展了地铁建设。我国地铁建设虽然起步较晚，但相关技术发展很快。盾构施工汇集了新型机械装备和现代控制技术，是整个线路施工的关键一环，在大规模的地铁建设中如何通过现代信息化技术监控工程项目有序进行，从而降低工程风险、提高质量值得研究。本文总结了近年来上海地铁建设中研究开发盾构施工信息远程实时传输系统的一些经验，以期为今后的地铁建设工作带来有益的帮助。
关键词：上海地铁盾构施工 远程实时传输系统
中图分类号：U231+.2 文献标识码：A 文章编号：
概述、
近年来，随着城市地下空间开发的不断发展，盾构法隧道工程日益增多，特别是，为了实现上海轨道交通2010年世博会前完成运营里程400km的目标，上海地铁建设面临一个超常规发展的时期。上海地铁盾构设备工程有限公司管理的盾构机数量将达到近100台。在这种形势下就有必要实现盾构机的信息化施工和管理。
上海地铁盾构施工信息远程实时传输系统是以计算机和网络通信技术为基础，配以传感器、仪器仪表和控制设备的实时系统，它的总体结构主要分为硬件结构和软件结构两部分。整个系统功能主要包括：盾构实时数据的采集、数据的输入与存储、数据的实时传输、数据的远程传输、数据报表的生成，数据的网上。
盾构施工信息实时传输系统设计原则
盾构施工信息实时传输系统以及时、全面、准确的掌握盾构工作面前方实时情况、盾构施工参数、设备运转情况以及综合处理地面地下信息为目的，达到统一监控，集中管理的功能，使得系统具有可靠性，开放性，先进性，可扩展性等特点。具体而言，应该遵守以下几点原则：
1）系统通常都是工作在比较恶劣的环境中，各种干扰会对系统的正常工作产生影响，所以系统的可靠性放在第一位，以保证施工安全、可靠和稳定地运行。计算机尽可能采用工业控制用计算机，采用高质量的电源，采用各种抗干扰措施，采用多种冗余工作方式等，这些措施可以确保整个计算机系统的高可靠性。
2）系统设计时做到以人为本，人机界面友好，方便操作、运行，易于维护；对于人机界面可以采用CRT、LCD或者是触摸屏，使得操作人员可以对现场各种情况一目了然。系统硬件尽可能按模块化设计，系统软件开发应方便调整，在隧道施工过程中确保硬件和软件运行的顺畅。
3）计算机网络应该分层次、分功能、分系统，完成统一监控、操作、通信、维护等功能，是一个多系统的集成。其中包括：数据采集、传输网络、数据、数据维护等子系统。各分系统于主系统间功能明确，且保持相对独立性，各个分系统均有自诊断功能，以便及时准确地发现异常和故障，并能迅速的报警。
4）系统必须具有一定的开放性，应尽可能采用通用的软件和硬件。例如，操作系统可以采用UNIX、LINUX、Windows 2000/XP;数据库可以采用SQL SEVER、ORACLE、SYBASE；所采用的组态软件应该提供相应的数据库接口和通信接口。各种硬件尽可能采用通用模块。
5）系统能够对盾构机上相关设备实施远程监控，使得施工状态数据直接显示，实现数据监测等工作，达到信息化施工目的。
6）实现盾构施工现场与指挥中心等相关部门的远程通信，正确、及时、有效的传输盾构施工现场的相关施工信息，创建好相应的管理系统，并将施工数据到网上，做到施工信息的共享，提高施工效率。
盾构施工信息实时传输系统功能设计
整个系统功能主要包括：盾构实时数据的采集、数据的输入与存储、数据的实时传输、数据的远程传输、数据报表的生成，数据的网上。
首先是盾构实时数据的采集，我们所说的盾构实时数据主要是指盾构的施工参数，包括推进时间、环号、施工区间、盾构编号、实际土压、刀盘转速、千斤顶行程、千斤顶状态、推进速度、推进油压、总推力、注浆压力、螺旋机状态、电源状态等。我们采用组态软件将这些数据从盾构机上的监控PLC上采集出来。
其次，数据的输入与存储主要是将隧道测量的数据、前方探测雷达探测的数据以及一些静态参数将和采集上来的数据一起输入到盾构监控室的实时数据库中并保存下来。
接着，数据的实时传输是指施工现场的系统将盾构机上采集来的数据通过网络发送给现场监控室的实时数据库。
然后，数据的远程传输是指将现场监控室的数据，通过公用信息网络发送到总部监控中心的数据库服务器上，数据库服务器将各工地的数据汇总后进行存储和分析。
数据报表的生成只要是系统提供相应的报表模板，用户在电脑浏览的同时，可生成和打印Word或者Excel格式的报表，满足办公的需要。
最后，数据的网上是指在总部服务器上利用ASP动态网站开发技术配合SQL Server2000数据库做后台来创建一个网站，在网站的页面上显示所采集的相关施工参数，这样能方便地监控各个工地的施工状况，实现移动办公。
盾构施工信息实时传输系统的总体结构的设计
盾构施工信息实时传输系统是以计算机和网络通信技术为基础，配以传感器、仪器仪表和控制设备的实时系统，它的总体结构主要分为硬件结构和软件结构两部分。
图1：实时传输系统结构图
硬件结构
如下图所示，整个硬件配置分三个层次，网络中心层、节点层、终端站层。其中网络中心层主要是指总部监控中心，节点层是指施工现场的井上监控室，终端站层就是指施工现场的井下监控室。
图2：系统硬件构成图
在总部监控中心架设一台中央服务器，主要负责各施工现场数据的收集、存储、信息以及历史数据的管理，数据的传递过程是通过公用无线网络完成的，公司的用户可通过和服务器组成的内部局域网直接查看现场的施工情况，在外办公人员则可通过Internet网络了解现场施工情况；在每个施工现场的井上监控室设立一个工作站，主要实现数据的存储、备份、与总部监控中心的数据通讯、网络安全管理等功能；在井下控制室放置工业计算机，用于数据的采集、接收、发送并显示，方便盾构司机较直观的了解盾构运行情况。
软件结构
软件系统由以下2部分构成。
盾构采集站软件
操作系统：Windows xpe
数据库系统：实时数据库
通信软件：基于UDP协议的网络通讯接口软件
采集软件：采用VC编写的采集程序（嵌入设备驱动）
中心服务器软件
操作系统：Windows sever 2003。
数据库系统：SQL Server 2005。
通信软件：基于UDP协议的网络通讯接口软件。
中心服务器人机界面和数据中间件软件：基于java技术的互联网数据平台.，含以下功能模块
图3：中心服务器软件模块图
图4：盾构采集站采集传输软件流程图
方案以计算机监控与通讯、WEB与浏览为主要技术手段，实现多层次的实时数据采集监测、实时画面WEB浏览、历史数据同步存储、历史数据查询等功能。
方案采取实时数据与历史数据双数据流传输的方式，以保证实时数据的实时性，和历史数据完整。实时数据由现场工作站单向发送至中心服务器，不需要建立应答，可以提高数据传输和处理效率；历史数据在各个节点具有完整的数据镜像，数据包带有完整性校验，并具备数据同步控制功能，保证因网络传输、断网等因素造成的数据缺失能够在传输网络恢复后自动完成同步。
盾构施工信息实时传输系统关键技术研发
根据盾构施工信息实时传输系统设计方案，我们开展了数据网络传输系统的开发。通过分析从盾构机操作室到中心服务器的实际网络链路，可以确定整个传输过程的网络基础条件。
根据上表传输过程的网络基础条件信息可以得出：
数据网络链路2、4安全性可靠性有保障；
链路1（盾构采集计算机---地面工作站）中的节点“盾构采集计算机”安装在盾构机控制室，传输线路随盾构机掘进里程增长而逐步施放、接续，且敷设环境为施工中的隧道，因而线路传输质量难以保证，存在必然的“接续-通断” 、“故障-修复”过程，必须采取技术措施保证数据传输完整性。我们通过在数据包结构上考虑完整性校验数据位并在两端节点收发控制程序增加校验算法，修复能够校验数据，丢弃严重缺失数据桢并要求重发，以解决断续期间和因线路质量问题而存在数据不完整。在盾构采集计算机节点设计缓存数据库并在两节点间设计历史数据同步程序，解决部分时间段线路维护不能传输数据的问题；
目前新建地铁施工现场通常没有稳定的宽带连接，基于移动电信运营商的无线数据连接仍然是比较灵活快捷的数据连接方式。链路3（cdma1x无线网关—运营商网关）受无线信号的不稳定性和施工现场周围干扰遮挡等影响，数据链路存在误码、丢包等传输不完整。当局部区域用户数量较多时，持续时间较长的无线数据连接会被运营商基站断开（语音优先），影响本链路数据传输。针对以上问题，除了对该段数据采取数据校验措施外，对cdma无线网关进行了二次开发和配置，增加了链路检测、信令检测、同时在网关内网侧每10秒向公网dns发送一次Track IP包以检测链路实际可用性，在检测到链路失效的情况下，主动重新建立连接等功能。
考虑网络安全和设备运行安全在链路2节点“cdma1x无线网关”内网侧和链路4“公司中心机房网关”内网侧设置防火墙，通过安全策略和网络地址转换建立逻辑隔离，保证系统不受公网和各个开放节点可能受到的病毒和其他恶意攻击破坏。
盾构施工信息实时传输系统的特点
该系统具有以下几大特点：
由于施工现场条件恶劣，防止由于线路损害，造成的数据丢失，井下和井上的采集传输程序，在本地建立一个小型数据库存储由于网络故障不能发送的数据，当网络恢复后再将数据同步发送至上层机器；
在井下采用低功耗嵌入式设备，其无风扇，无旋转机构，看门狗等功能，可以保证设备在抗震，防尘，以及实时性方面有很好的效果
采用嵌入式操作系统Windows XPE，具有失电保护功能，兼容windows xp平台的应用开发，同时可通过系统定制化去除可能引起病毒攻击和系统效率下降的多余功能。
利用公用无线网络，将盾构施工现场的数据实时远程传输到总部监控中心的服务器上，实现在总部服务器上建立由各施工现场数据组成的盾构施工动态资料库；在传输过程中采用UDP封包，在传输网络不够稳定的情况下也能通过小数据包发送数据。
通过对中心数据服务器的访问，使总部管理人员能对各个施工工地的盾构进行远程实时的监控，实现盾构的信息化施工；
通过利用Internet网络，可以异地访问总部建立的网站，使在外出差的公司高级管理人员能对盾构施工数据进行远程、实时的访问，实现盾构施工的移动办公与管理。
采用新型xDSL调制解调器，可以达到比以太网更远的距离，也解决了由于使用光缆频繁断线的问题，SDSL设备可以自动监测线路通断以及可以自动协商调整传输速率，在距离比较近时可以在比较高的速率下运行，当距离比较远时，可以自动调整传输速率，最大限度满足系统要求，保证传输质量。
上海地铁盾构施工信息实时传输系统的应用和展望
上海地铁盾构施工信息实时传输系统自2009年初完成一期开发投入试运行后，在上海地铁建设管理中进行了大量工程应用。特别是在2010年世博会前。为保障承载上海轨道交通和世博会圆满举行重任的地铁施工建设，上海市聚集了6大建设集团12家建设单位，100台盾构的大规模建设力量。本系统在建设高峰管理中，针对关键节点工程、难点节点工程盾构施工实现了全程、全时施工信息传输。为建设高峰期的高效管理建立了坚实的基础。
本系统投入试运行以来，总体性能稳定。根据系统实际运行情况开展了应用分析，针对系统应用技术和性能瓶颈进行了优化，例如web控件由java向Activex的转移，提高了用户浏览器的兼容性；数据库由sqlserver转用工业实时数据库，减少了由于盾构数增加引起的数据库操作竞争，提高了数据库效率。
建立上海轨道交通的盾构施工管理信息化平台，促进了上海盾构施工管理信息化模式的形成；为制定全国盾构施工信息化管理的行业标准，在全国范围内推广盾构施工管理信息化解决方案；推动国内盾构施工管理的模式升级做了有益的尝试。