上海地鐵盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)改造

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，制定并實(shí)施了對以前引進(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 Abstract：accordance with current requirements from tunnel construction information management

2、in the 2nd stage. Pearl Line, Shanghai Metro, a technical reformation proposal has been set and implemented for data acquisition system in Metro shield, originally introduced from overseas. The newly added ones are gyroscope hardware, newly developed shield tunnelling attitude control, and computer

3、application software for expandable dedicated LAN for shield driving data management and shield real time data. It happens to be acting a referential guiding function for data acquisition in domestically made shield henceforth. Keywords：shield, attitude, data acquisition.     1 

4、引言   1990年1月開工的上海地鐵1號(hào)線工程，引進(jìn)了7臺(tái)法國FCB公司制造的6.34m土壓平衡盾構(gòu)（1號(hào)7號(hào)盾構(gòu)）進(jìn)行隧道施工；上海地鐵2號(hào)線隧道工程又引進(jìn)了2臺(tái)法國FRAMATOME公司制造的6.34m土壓平衡盾構(gòu)（8號(hào)和9號(hào)盾構(gòu)）。目前這9臺(tái)盾構(gòu)正投入上海軌道交通明珠線二期工程的區(qū)間隧道施工中。由于上海軌道交通明珠線二期工程對盾構(gòu)設(shè)備和隧道施工信息管理有新的要求，因此，有必要對這9臺(tái)盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在的一些功能缺陷進(jìn)行技術(shù)改造。     2  技術(shù)改造方案    2.1  存在的功

5、能缺陷    2.1.1  盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)檢測功能    2號(hào)9號(hào)盾構(gòu)未配置盾構(gòu)姿態(tài)檢測裝置。1號(hào)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)行了技術(shù)消化和應(yīng)用試驗(yàn)，但未達(dá)到工程實(shí)用效果。    2.1.2  盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)管理功能    1號(hào)9號(hào)盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能是實(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100mm一組數(shù)據(jù)）。    2.1.

6、3  數(shù)據(jù)采集硬件和軟件環(huán)境    1號(hào)7號(hào)盾構(gòu)由繼電器控制盾構(gòu)，T100數(shù)據(jù)采集器將現(xiàn)場模擬量和開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過RS232通信口將現(xiàn)場信息送往計(jì)算機(jī)；8號(hào)和9號(hào)盾構(gòu)由TSX57-20系列PLC控制盾構(gòu)，PLC的通信口將采集的信息送往計(jì)算機(jī)。1號(hào)9號(hào)盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件為DOS，應(yīng)用軟件采用TACTICIAN T2001。    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

7、單機(jī)運(yùn)行方式，地面管理者不能實(shí)時(shí)了解盾構(gòu)施工情況，不利于加強(qiáng)對隧道施工的動(dòng)態(tài)管理。    2.2  技術(shù)改造內(nèi)容    基于原盾構(gòu)電氣元器件硬件基礎(chǔ)，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)適合目前國內(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(hào)7號(hào)盾構(gòu)用數(shù)據(jù)采集卡代替原T100數(shù)據(jù)采集器，8號(hào)和9號(hào)盾構(gòu)采用原TSX57-20

8、系列PLC作為數(shù)據(jù)采集器。        陀螺儀采集的方位角、傾斜角信號(hào)由信號(hào)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(hào)7號(hào)盾構(gòu)的模擬量和數(shù)字量信號(hào)由AI、DI板卡與計(jì)算機(jī)總線連接；8號(hào)和9號(hào)盾構(gòu)的模擬量和數(shù)字量信號(hào)由PLC的RS232通信接口與數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)連接。    SDSL解決通信距離問題。傳輸距離1km時(shí)傳輸速率為2M bps；傳輸距離2km時(shí)傳輸速率為1M bps。    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)

9、傳通信計(jì)算機(jī)利用社會(huì)公共信道將盾構(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)：Windows98；應(yīng)用軟件：Kingview6.2，Visual Basic5.0，Tly 1.0。    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  &

10、#160; 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)軸線比較，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)結(jié)構(gòu)。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。  &#

11、160; 所編制的設(shè)計(jì)軸線軟件基本功能有：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)果表明:設(shè)計(jì)軸線平面和高程誤差小于等于1mm。其設(shè)計(jì)軸線數(shù)據(jù)輸入量小于日本TOKIMEC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(dòng)程序。  &

12、#160; 設(shè)定陀螺儀通信基本數(shù)據(jù)：    數(shù)據(jù)速率：2400bps    數(shù)碼長度：8bit    奇偶性：無    停止位：1bit   間隔：200ms    3.3  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)的基礎(chǔ)條件，其計(jì)算方法如下： 

13、60;  PBNLJ    式中P盾構(gòu)切口里程(m)；          B區(qū)間隧道起點(diǎn)里程(m)；          N管片環(huán)號(hào)（環(huán)寬1m）；           L千斤頂伸長距離(m)；       

14、60;   J盾構(gòu)切口至千斤頂起始位置(m)。     一環(huán)結(jié)束條件：L0.8m并且拼裝開始，    一環(huán)開始條件：（NN1）：L0.3m并且掘進(jìn)開始；    3.3.2  盾構(gòu)姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)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

15、為A2i，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C1：        由方位修正角C1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)平面偏差與高程偏差    切口平面偏差、切口高程偏差、盾尾平面偏差、盾尾高程偏差是相對于設(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)平面偏差awL·sin(A1i-

16、C1)-S1    盾構(gòu)高程偏差hwL·sin(H1i- C2)-S2    式中H1i陀螺儀檢測到的盾構(gòu)坡度角；          C2坡度修正角；           S2設(shè)計(jì)軸線的坡度角；            L千斤頂位移

17、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(gè)區(qū)間油壓，或?qū)?2個(gè)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)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)前方位偏差角；       

18、    h1陀螺儀檢測到的盾構(gòu)當(dāng)前坡度偏差角；           c1人工測量到的切口平面偏差；           c2人工測量到的盾尾平面偏差；           c3人工測量到的切口高程偏差；     

19、0;     c4人工測量到的盾尾高程偏差；          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(chǔ)。1號(hào)7號(hào)盾構(gòu)采集了24個(gè)模擬量數(shù)據(jù)，58個(gè)開關(guān)量數(shù)據(jù)；地鐵8號(hào)、 9號(hào)盾構(gòu)采集了29個(gè)模擬量數(shù)據(jù)，87個(gè)開關(guān)量數(shù)據(jù)(表1

20、)。表1  采集的模擬量信號(hào)表序號(hào) 模擬量 量程 量程 （8、9號(hào)盾構(gòu)） （17號(hào)盾構(gòu)） 1 上土壓（Mpa） 00.5  2 左、中、右土壓（Mpa） 00.5 00.5 3 下土壓（Mpa） 00.5  4 螺旋機(jī)上、下土壓（Mpa） 00.5 00.5 5 1、2、3、4區(qū)油壓（Mpa） 040 045 6 刀盤油壓（Mpa） 040 045 7 刀盤轉(zhuǎn)速(r/min) 01 01 8 螺旋機(jī)油壓（Mpa） 060 045 9 螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) 020 020 10 上、下、左、右千斤頂位移(mm) 01200 01200 11 加泥水壓力(Mpa)

21、 01 01 12 加泥水流量(m3) 020 020 13 注漿壓力14(Mpa) 02  14 注漿流量14(m3/h) 05  15 推進(jìn)速度(mm/min) 020 020 16 排土門開度(%) 0100 0100 17 方位角、坡度角、旋轉(zhuǎn)角（o） 360360 360360 18 皮帶機(jī)油壓(Mpa) 040         4.2  盾構(gòu)數(shù)據(jù)管理功能    操作界面的菜單結(jié)構(gòu)(圖3)。    

22、0;       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“切口平面偏差”、“切口高程偏差”、“盾尾平面偏差”、“盾尾高程偏差”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