盾構(gòu)關(guān)鍵部件的在線監(jiān)測(cè)和維護(hù)

       從盾構(gòu)施工歷史故障記錄中可以看到，刀盤驅(qū)動(dòng)、液壓和電控3個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求維修人員具備較高的檢修技術(shù)水平；其次，一些故障的產(chǎn)生是時(shí)間的積分，例如主軸承的磨損，結(jié)合故障趨勢(shì)變化的前期預(yù)警系統(tǒng)能夠有效幫助現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在故障發(fā)生之前進(jìn)行有效控制；最后，在多臺(tái)盾構(gòu)同期進(jìn)行施工的情況下，由于盾構(gòu)施工點(diǎn)多面廣，各施工隊(duì)伍相關(guān)設(shè)備維修技術(shù)力量參差不齊，也給盾構(gòu)的檢修帶來困難。上述種種原因都顯示，研究盾構(gòu)施工的在線故障監(jiān)測(cè)診斷和遠(yuǎn)程智能維護(hù)技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
       一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
       目前，盾構(gòu)的故障診斷還停留在半自動(dòng)狀態(tài)，即采用設(shè)備報(bào)警和人工現(xiàn)場(chǎng)勘察分析相結(jié)合的方法。把人工智能技術(shù)融入故障診斷中，以知識(shí)處理為核心的智能檢測(cè)和診斷技術(shù)已成為設(shè)備故障診斷的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。
       1、基于狀態(tài)的維護(hù)方式
       基于狀態(tài)的維護(hù)方式是目前最受關(guān)注的設(shè)備維護(hù)方式，其理念是在有證據(jù)表明故障即將發(fā)生時(shí)才對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。它能夠?qū)υO(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，借助傳感器、信號(hào)分析和人工智能等技術(shù)，對(duì)設(shè)備的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，診斷和預(yù)測(cè)設(shè)備未來的有效工作周期，制定出合理的設(shè)備維護(hù)計(jì)劃。這種維護(hù)方式根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)確定設(shè)備的最佳維護(hù)時(shí)間，以此提高設(shè)備的穩(wěn)定性，延長設(shè)備使用壽命。
       本文將盾構(gòu)機(jī)及其施工行為作為研究對(duì)象，將基于狀態(tài)的維護(hù)方式（CBM）應(yīng)用于盾構(gòu)的故障診斷與維護(hù)，并參考OSA-CBM 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)分成多個(gè)擁有不同功能的層次模塊；同時(shí)定義了不同層次之間的數(shù)據(jù)接口和通信協(xié)議，以保證CBM 系統(tǒng)內(nèi)部不同層次模塊的互操作性和互換性（見圖1）。將設(shè)備基于狀態(tài)的維護(hù)理論應(yīng)用于盾構(gòu)設(shè)備的故障診斷和維護(hù)，改變了傳統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)方式，有效實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)關(guān)鍵部件在線監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)。
       圖1 CBM 系統(tǒng)框架圖
        
       2、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
       整個(gè)盾構(gòu)故障診斷及遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)基于XAF（DevExpress eXpressApp Framework）開發(fā)框架開發(fā)。它是DEV公司開發(fā)的應(yīng)用程序快速開發(fā)框架，整合了DEV公司旗下的多款子控件，核心穩(wěn)定，易于擴(kuò)展，支持所有的.NET 語言。同時(shí)，該系統(tǒng)遵照CBM 系統(tǒng)模型的體系架構(gòu)，對(duì)處在施工過程中的盾構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷以及預(yù)測(cè)維護(hù)（見圖2）。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括傳感和數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和特征提取、產(chǎn)生警告、失效和故障診斷、狀態(tài)評(píng)估、預(yù)診斷、輔助決策、管理和控制數(shù)據(jù)流動(dòng)、對(duì)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和存取管理、系統(tǒng)配置以及人機(jī)界面。
       圖2 盾構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
       
       系統(tǒng)首先采集盾構(gòu)關(guān)鍵零部件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪濾波等處理后存入機(jī)載故障診斷中心的本地?cái)?shù)據(jù)庫中；把數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、分析與預(yù)測(cè)等程序進(jìn)行封裝，開發(fā)盾構(gòu)的機(jī)載故障診斷系統(tǒng)。通過對(duì)盾構(gòu)的關(guān)鍵和易發(fā)生故障部位進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)了解盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)、故障情況以及剩余的工作時(shí)間。
       二、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
       數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，是進(jìn)行分析工作的基礎(chǔ)。因此，必須構(gòu)建工作性能良好的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，從而使盾構(gòu)故障診斷系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速地對(duì)各種故障做出診斷，預(yù)防或消除故障，合理地指導(dǎo)設(shè)備的運(yùn)行，提高設(shè)備的可靠性和安全性。
       本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫需要實(shí)現(xiàn)的功能有如下要求：
       （1）數(shù)據(jù)采集：接收UDP 數(shù)據(jù)包，進(jìn)行拆分，并按時(shí)間和PLC地址順序存入數(shù)據(jù)庫。
       （2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過對(duì)實(shí)時(shí)接收到的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的閾值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
       （3）警告及報(bào)警：當(dāng)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，即時(shí)進(jìn)行報(bào)警、記錄，并統(tǒng)計(jì)報(bào)警數(shù)。
       （4）健康評(píng)估：對(duì)盾構(gòu)或零部件按不同的分析方法進(jìn)行診斷，并判斷設(shè)備的健康程度。
       （5）預(yù)測(cè)：對(duì)盾構(gòu)或零部件使用分析方法進(jìn)行未來狀態(tài)預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余壽命時(shí)長。
       （6）建議：根據(jù)健康評(píng)估及預(yù)測(cè)內(nèi)容，給予盾構(gòu)或零部件維護(hù)建議。
       （7）歷史查詢：實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)或零部件歷史狀態(tài)、歷史報(bào)警信息、歷史監(jiān)測(cè)信息、歷史診斷記錄、歷史預(yù)測(cè)、歷史維修建議的查詢。
       （8）物資管理： 對(duì)盾構(gòu)、零部件、傳感器、PLC地址等設(shè)備本身的相關(guān)信息的查詢及添加、修改、刪除。
       （9）設(shè)備相關(guān)信息管理：對(duì)盾構(gòu)其他信息，如零部件或傳感器所在的位置、供應(yīng)商的相關(guān)信息等的管理。
       （10）遠(yuǎn)程維護(hù)：通過服務(wù)器可以查看機(jī)載設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)功能。
       （11）人員管理：不同的操作人員具有不同的權(quán)限設(shè)置，可以操作的內(nèi)容也有所不同，其中管理員的權(quán)限最高，可以對(duì)人員信息及權(quán)限進(jìn)行添加、修改和刪除；另外，對(duì)每個(gè)人員登錄或退出系統(tǒng)的時(shí)間也進(jìn)行記錄，以便于維修查詢。
       （12）報(bào)表管理：對(duì)盾構(gòu)或零部件的每一個(gè)分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都可以產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的報(bào)表進(jìn)行輸出。
       針對(duì)以上需求，提出如圖3 所示的E-R 圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計(jì)，其中包含實(shí)體數(shù)據(jù)、處理算法、分析結(jié)果、處理意見、測(cè)量儀器、設(shè)備、供應(yīng)商、人員和位置，并反映了各實(shí)體之間的關(guān)系。
       圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫E-R 圖
       
       三、功能實(shí)現(xiàn)
       1、狀態(tài)監(jiān)測(cè)
       盾構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是為了了解和掌握運(yùn)行中的盾構(gòu)設(shè)備整體及其零部件的運(yùn)行狀態(tài)，包括采用各種檢測(cè)、測(cè)量、監(jiān)視方法，結(jié)合盾構(gòu)系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀，考慮環(huán)境因素。根據(jù)零部件發(fā)生故障的幾率以及盾構(gòu)施工中地位的重要性和對(duì)停機(jī)造成影響的程度，在對(duì)盾構(gòu)零部件進(jìn)行重要性等級(jí)劃分后，選取盾構(gòu)的刀盤裝置、皮帶輸送機(jī)等作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，選取管片拼裝裝置、形狀保持裝置、加泥/注水裝置和后配套裝置等作為僅次于重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)對(duì)象。
       明確了監(jiān)測(cè)對(duì)象后，需要明確各個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)，只有這樣才能夠針對(duì)參數(shù)采用一定的監(jiān)測(cè)方法對(duì)盾構(gòu)零部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這些參數(shù)可以通過PLC采集，然后通過UDP傳輸協(xié)議把采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送到上層，并保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫中。盾構(gòu)設(shè)備的重要關(guān)鍵零部件技術(shù)狀態(tài)是否正常，可根據(jù)監(jiān)測(cè)所取得的動(dòng)態(tài)參數(shù)、缺陷狀況與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行分別對(duì)照加以判別，表1列出了判斷設(shè)備狀態(tài)的一般標(biāo)準(zhǔn)。
       表1 判斷設(shè)備狀態(tài)的一般標(biāo)準(zhǔn)
       
       采用幅值分析法和閾值分析法對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。在不知道判斷監(jiān)測(cè)參數(shù)狀態(tài)的上下限值和警告值的情況下，采用幅值分析法可以對(duì)主要零部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，而當(dāng)知道判斷零部件狀態(tài)參數(shù)的上下限值的時(shí)候可采用閾值分析法對(duì)主要的零部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。幅值分析法與閾值分析法的示例如圖4、圖5 所示。
       圖4 幅值分析實(shí)例
       
       圖5 閾值分析實(shí)例
       
       2、故障診斷與預(yù)測(cè)
       系統(tǒng)通過建立多模塊的故障診斷專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)故障的智能診斷，結(jié)合基于規(guī)則交互式實(shí)時(shí)快速故障診斷、基于貝葉斯的故障診斷以及基于實(shí)時(shí)參數(shù)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析。
       整個(gè)流程如圖6 所示，當(dāng)進(jìn)行故障診斷時(shí)，用戶選擇的每個(gè)零部件都會(huì)對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)故障序號(hào)，系統(tǒng)選擇一個(gè)查詢條件作為當(dāng)前的查詢條件，接著系統(tǒng)會(huì)選擇與故障序號(hào)相對(duì)應(yīng)的查詢條件中所需的原始數(shù)據(jù)。如果所得的原始數(shù)據(jù)與查詢條件不匹配，則說明沒有出現(xiàn)該故障；反之則出現(xiàn)了該故障。如果后續(xù)還有對(duì)應(yīng)該零部件，則繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，直到對(duì)應(yīng)于該零部件的查詢條件均匹配完。在快速實(shí)時(shí)診斷模塊中直接顯示出現(xiàn)的故障，系統(tǒng)還會(huì)對(duì)零部件進(jìn)行打分，對(duì)零部件當(dāng)前的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；在貝葉斯概率診斷模塊中，除了顯示出現(xiàn)的故障，還要繼續(xù)判斷是否為故障樹最底層，如果不是要繼續(xù)往下推理，最終顯示故障原因和概率，概率最大的排在首位，后面的按照概率從大到小排列，系統(tǒng)同樣也會(huì)對(duì)零部件進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估。最后系統(tǒng)會(huì)記錄故障，還會(huì)給用戶提供相應(yīng)故障的解決方法。至于時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析模塊，操作人員應(yīng)選擇需要分析的參數(shù)所對(duì)應(yīng)的零部件的某個(gè)傳感器，接著選擇時(shí)間段，然后系統(tǒng)會(huì)以圖表的形式直觀地顯示出該參數(shù)的多個(gè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值，提供各個(gè)時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的作用說明以及個(gè)別指標(biāo)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，操作人員可根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)合系統(tǒng)提供的說明對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，從而判別出是否有潛在的故障存在。
       對(duì)盾構(gòu)故障的預(yù)測(cè)主要用于估計(jì)故障的發(fā)生、傳播及發(fā)展，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常和故障，幫助維修人員在早期發(fā)現(xiàn)異常，預(yù)測(cè)故障的影響，從而及早采取防治措施。
       四、結(jié)語
       本文以盾構(gòu)設(shè)備及其施工行為作為研究對(duì)象，將基于狀態(tài)的維護(hù)理論用于盾構(gòu)的故障診斷與維護(hù)中；參考OSA-CBM 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)分成了多個(gè)功能不同的層次模塊。不僅對(duì)盾構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集及其數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行研究，以此為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，而且對(duì)盾構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、預(yù)測(cè)分析、建議生成以及遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，最終實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)關(guān)鍵部件的在線監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程維護(hù)。
       作者：陳傳林  單位：上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司