基于云平台的盾构数据采集系统研制和应用

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　　摘  要： 隧道建设过程中，采集盾构实时数据是监控设备、预防风险、提高隧道质量的重要途径。为了对全国各地盾构工程实现集中监控，摆脱市面上数据采集系统费用较高、通用性较差的局限，开发了基于云平台的盾构数据采集系统。该系统通过OPC协议循环读取PLC地址，根据用户设置的配置文件，将PLC记录信息按照类型逐条区分处理，然后调用WEB API接口，数据同步发送到云服务器的数据库中，使用JavaScript结合html5开发的组态软件，远程实时监控盾构机各种状态。整个系统的网络架构由盾构操作内网和地面监控外网组成，通过绑定MAC地址、限制端口访问等技术手段，阻断外部对盾构PLC的网络攻击。经过大量实际工程应用证明，该系统能满足不同品牌、不同类型盾构数据采集要求，为盾构施工集中信息化管控打下基础。
　　关键词： 盾构机; 云平台; 数据采集; 集中信息化管控
　　中图分类号：TP399          文献标识码：A    文章编号：1006-8228（2020）03-05-04
　　Development and application of cloud platform based data acquisition
　　system of shield machine
　　Chen Gang， Wang Yannian， Li Gang， Wu Jiaqi
　　（Shanghai Tunnel Engineering Construction Company Ltd. TBM Construction Branch， Shanghai 200127， China）
　　Abstract： In the process of tunnel construction， data acquisition of shield is an important way to monitor equipment， prevent risks and improve quality. In order to achieve centralized monitoring of shield all over the country， and avoid the limitations of high cost and little universal of data acquisition systems， a cloud platform based data acquisition system of shield machine is developed. The system can read PLC address through OPC protocol， and PLC record information is processed according to data type in user setting configuration file. Using WEB API interface， the data is synchronously sent to database of cloud server. The configuration software， which is developed by JavaScript and Html5， is used to remotely monitor various states of shield machine. The system network architecture is composed of shield operation internal network and ground monitoring external network. By using technologies of binding MAC address， limiting port access and so on， the external network attack on PLC is blocked. After a large number of engineering applications， it is proved that the system can meet data acquisition requirements of different brands and types of shields， provide a basis for centralized information management and control of shield construction.
　　Key words： shield machine; cloud platform; data acquisition; centralized information management and control
　　0 引言
　　全國各地轨道交通施工正快速全面铺开，这对于隧道施工企业的人员、装备以及管理提出了更高要求[1]。为了让地面施工人员乃至远离施工现场的管理人员能够准确、及时地查看隧道内盾构机的工作状态、掘进参数和运行记录，保障盾构施工稳定、高效、安全地进行，必须配备功能齐全的数据采集系统[2]。
　　盾构数据采集通常情况下由盾构制造企业完成，普遍采用商业化的组态软件（如movicon[3]、wincc[4]等），需要向软件厂商支付版权费，数据采集终端成本较高，且偏重于记录盾构控制参数，却忽略施工企业更加关心的隧道施工过程参数，如测量、注浆、泡沫等第三方系统。部分盾构使用工控厂商提供的数据采集软硬件产品，该软件为国外企业开发，采集数据包含全国各地土层地质资料，信息较为敏感，使用闭源软件可能造成敏感信息泄露。盾构生产厂家在电气控制设计阶段，已经对参数地址有预分配、产生信号地址表单，数据采集开发与盾构生产同步进行，有充足的时间来完成[5]。对于施工企业而言，施工所用盾构机本是租赁的，常常基坑具备条件后才能确定施工用盾构，距离始发节点仅有数周时间，现有数据采集开发模式显然很仓促。 　　针对这些问题本文采用编程软件，开发的盾构数据采集系统，降低盾构数据采集技术门槛，所有操作都在编辑PLC地址表上完成。盾构数据接入速度快，地址表导入客户端本地数据，中央数据库自动建表及快速完成配置，具备集中管理大量离散数据采集客户端的能力。
　　1 数据采集系统
　　1.1 系统原理
　　盾构机PLC用的是西门子S7-400系列，由于西门子S7-400没有公布通过工业以太网方式连接PC的数据包格式，不能通过编程直接控制PLC（可编程逻辑控制器），西门子提供的解决方案是采用其提供的驱动程序，将PC与PLC通信标准化为OPC（OLE for Process Control，用于过程控制的OLE）[6]。OPC的当前版本基于Microsoft的COM，以OLE/COM/DCOM技术为基础，采用客户/服务器模式，为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一的标准[7-8]。数据采集软件采用Visual Basic 2015编写，表格控件使用DXPerience10.2.4，采用OPC通讯技术获取PLC数据，周期性获取OPC Server数据。
　　各个工地现场数据采集客户端、硬件机房与云端数据库构成星型架构，本地客户端主要负责OPC通讯。系统先读取预设置文件，将初始化参数信息读取进来，根据预配置PLC地址表单文件，对PLC寄存器内数值逐条、分类型处理，如果数据类型错误则作为异常输出并结束程序;否则在每个工作周期内，软件根据类型批量读取PLC地址，把数据整合、存储到相应文件中，伺机将处理好的数据发送到云服务器，如图1所示。云端数据库依次响应各个客户端的离散请求，依据项目编号将数据存储至相应数据库表中，供APP、网页端用户访问。
　　1.2 网络结构
　　施工现场分地面和井下2个工作面，井下开挖面盾构通过光纤与地面监控室相连构成内网，内网由项经部负责建立，盾构设备安装单位配合调试地下盾构数据地面监控室显示功能。根据拓扑结构安装数据采集客户端，数据采集PC机带有双网口，连接盾构监视网络（内网），以及可访问公网的路由设备（外网）。内网增加网关设备，通过绑定MAC地址、限制端口访问等技术手段，阻断针对盾构PLC网络攻击，具体如图2所示。
　　1.3 數据处理
　　数据采集软件读取配置文件，来获取地址设置文件、本地文件保存地址、窗口抬头、采样周期等信息。根据指定地址设置文件，将其内部记录按照类型逐条区分：PLC数据分为Float、UShort2Float、Const、Boolean、Integer、Short、Stroke共7种类型，其中Float为浮点数32bit，UShort2Float为浮点数16bit，Const为常数，Boolean为开关量1bit，Integer为长整形32bit，Short为短整形16bit，Stroke为净行程。所有记录处理完毕后，按照CollectionTimer设定的扫描周期，定时批量读取PLC寄存器。数据按照数据类型依次处理后，写入指定的本地文件夹内，同时将数据写入本地以环号命名的MySQL数据库表中。为了保证网络中断后数据可以续传、传送数据可稳定追溯行，数据以CSV文件形式保存在工地端电脑，按照年（YYYY）/月（MM）/日（DD）/时（HH24）形式存放。
　　1.4 数据传输
　　数据传输服务负责将工地端PLC数据，通过调用WEB API接口形式同步到云服务器端。数据采集服务开机自动启动，复制扫描这些文件，如果有需要上传的文件则按照文件生产时间先后传送。考虑到工地端电脑中文件存放硬盘空间不大，设计了自动删除历史数据功能，可自行配置数据保留在工地端电脑时间，超过时间的数据将会自动删除。
　　工地端电脑中数据上传服务将数据上传后，数据上传接口会将最新数据保存到Mongo DB数据库和MQ消息队列，消息队列中排队后才进行入库操作。通过Mongo DB数据库存放最新1h内实时数据，开发接口给相关程序，这样做解决了用户并发访问以及数据实时传送的问题。为了相关业务访问和系统后续数据处理，秒级数据需要进行分时和分段压缩采样，并将这2个采样连同秒级数据通过接口的形式公布给相关业务系统，如图3所示。
　　2 系统安装和调试
　　采集的数据分为盾构基本数据以及外部设备数据，基本数据在盾构下井施工之前就分配好地址存放数据，外部设备数据由设备厂家后期配置写入PLC，采集之前需要确认现场设备安装调试完毕，数据采集后可以通过现场设备核对数据是否正常。
　　采集系统硬件主要是工控机，现场监控室可能因电路损坏断电或人为暂时断电，将工控机开机设置成上电自动开机，能及时恢复数据采集，减少采集故障持续时间。工控机有2个网口标记为LAN1与LAN2，分别接入路由器和内网交换机，2个网口细分为内、外网分别用于采集数据和传输数据。硬件安装好之后设置工控机内网IP地址，使其和盾构PLC在局域网中正常通讯。选择PLC类型：三菱、横河PLC或西门子PLC，再选择OPC类型。打开配置文件所在路径导入参数，程序会根据变量名自动匹配变量编码字段，如果没有则可能是变量名称跟数据字典内容不一致，双击该变量名称列进行修改。编辑符合数据采集客户端的地址表后，运行采集软件程序采集相应数据。
　　3 实时组态
　　盾构实时信息组态属于数据采集与控制领域，业内普遍采用专业组态软件的方式开发，例如组态王、movicon等，但组态软件不利于系统功能扩展和移动端开发，开发周期长、需要购买价格不菲的加密狗授权等处处受制于人[6-9]。目前软件业界存在主流开发语言为html5、Java等，Java集中了所有关于软件开发和软件工程研究的最新成果，面向对象、类型安全、组件技术、自动内存管理、跨平台异常处理、版本控制及代码安全管理。html5的设计目的是为了在移动设备上支持多媒体，新的语法特征被引进以支持这一点，如video、audio和canvas标记。html5还引进了新的功能，可以真正改变用户与文档的交互方式，且支持手机端开发。综合以上考虑，使用JavaScript结合html5来开发组态软件，组态软件采用界面和数据库分离，界面内部由各个分系统模块构成[9]，这样就不使用任何开发工具自带控件，能够保证界面网页发布在不用类型浏览器上跨平台使用，如图4所示。 　　4 工程应用
　　2017年3月至2017年12月，本系统在杭州文一路盾构法隧道区间进行示范工程应用试验，经过一段时间使用证明，系统硬件和软件运行稳定、数据准确，实现了自动连续数据获取，提高了数据采集工作效率。
　　示范工程应用成功后，推广应用到上海隧道工程有限公司及申通地铁所有的盾构法隧道施工项目。截至到目前，该系统应用到72个项目242台次盾构机上，涉及上海、新加坡、武汉、南京、杭州、昆明、乌鲁木齐、珠海、宁波、无锡、南昌、天津、郑州等16个省市地区，涵盖地铁隧道、能源隧道、超大直径隧道、异型隧道等五大领域。系统运行正常，有效获取了盾构工程施工参数，满足目前市面上主流盾构机的数据采集工作，包括863盾构、类矩形盾构、小松盾构、海瑞克盾构、武汉大冶、中交天河、中铁装备、奥村、川崎、三菱、布依格、铁建重工等16种品牌盾构机。
　　5 结束语
　　本文开发的基于云平台数据采集系统，盾构数据接入平台速度快，所有的操作都通过编辑PLC地址表完成，可以满足不同品牌、不同类型的盾构设备数据接入要求。该系统使用云服务器集中管理离散客户端，将遍布全国各地的盾构机施工数据采集、发送到云数据库，为盾构集中化管控和大数据分析打下基础。接下来，将针对潜在的客服，根据不同客户的需求，实现个性化定制，提供数据采集外包服务。
　　参考文献（References）：
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　　[2] 魏建华，宋德玉，陈林.掘进机上位机监控系统的研究及实现[J].煤炭学报，2004.29（4）：481-486
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　　[6] 徐受天，蒲晓波.基于OPC的盾构地面数据采集和监视系统设计[J].隧道建设，2009.29（6）：674-677
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　　[8] 柴凯，侯立刚，姜军银.OPC技术在工业过程控制中的應用研究[J].工业仪表与自动化装置，2005.3：70-72
　　[9] 陈刚，李刚，王志杰.盾构施工远程监控组态的开发和应用[J].计算机时代，2018.12：32-36
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