盾构机区间监控现场标准化方案设计

第一章  引言

由于城市地铁、铁路隧道和高速公路隧道等地下工程的建设带来了巨大的社会与经济效益，我国的地下隧道工程进入了一个全新的发展时期，盾构法在城市地铁中的广泛应用成为重中之重。然而盾构法隧道建设的过程和工艺相对复杂、风险问题较多，所以各施工单位和监管部门对盾构法隧道施工的过程监控都十分重视，各单位在盾构法施工过程中都投入了较大的人力和物力。

    目前市场上能够提供安防监控的企业较多，但安防工程公司对盾构机并不了解、对盾构法施工过程应该监控的地方并不清楚，所以造成了很多监控系统建而不用或者不能用的局面。再者，没有对盾构施工的充分认识就不能提供针对盾构法施工现场进行全面、及时、准确的监控方案，也会导致监控盲点的产生和事故的发生。深圳鑫零一科技有限公司（以下简称深圳鑫零一）具有多年盾构设备管控的丰富经验和盾构法施工技术服务经验，对盾构施工现场地面到地下监控系统建设有着独特的认识，能够完整实现专业、专用的盾构法隧道施工现场监控系统建设、监控室建设。同时深圳鑫零一还可通过信息化和物联网技术将现场的各种传感、视频图像数据与互联网大数据结合，提供远程盾构施工监控和技术指导服务。

1.1 系统简介

    盾构现场监控系统的主要目的是将盾构机的电气控制系统与地面监控室连通，同时利用主干通信网络实现地面与地下的电话系统和视频监控系统的整个。最后，通过计算机网络和显示系统将各种信号、数据、视频集中显示在多媒体监控室。主要工作内容如下图所示：

第二章  子系统介绍

2.1 系统组成

如1.1中所述，盾构法施工现场监控系统主要由光纤网络铺设、人车分流门禁道闸安全设备、LED显示系统、隧道内视频监控、地面视频监控、盾构机数据监视系统、电话语音系统和多媒体监控室构成。

2.2 系统总体架构

    ◇ 以光纤环网为基础，实现各功能模块数据通信；

    ◇ 入口出口以人行道闸、车行道闸实现人车分流，保障场地进出安全；

    ◇ 道闸与LED屏幕通讯，实时显示场地与隧道内工种和人数；可选配噪音扬尘传感器与LED屏幕同步显示；

    ◇ 光纤下沉至隧道内，接通隧道内各路摄像机；接通盾构机主控系统，实现数据通讯；电话网络与下沉光纤同步实施，完成地上到地面的电话通讯；

    ◇ 地面上安装广角球型摄像机，尽可能地覆盖整个地面施工区域；

    ◇ 设计和安装多媒体监控室，室内安装多块LED大屏，同时显示数据和视频。

2.3 监控室设计

市场上监控室设计水平良莠不齐，更多的监控室草草了事，监控室布局不合理、走线杂乱、火灾安全隐患较多、舒适度差，监控人员工作不方便，没有达到监控系统建设的目的。盾构区间监控室一般是集装箱或者临时板房搭建而成，根据多年经验，监控室面积设置在20~35平方米左右较为合适，在监控室内可规划较大的监视器、办公操作台、机柜、渣土采样区以及宣传展板等。可根据以下设计图进行监控室布局：

    拼接屏后面要预留较大的检修空间，部分设备和走线也可以搁置在这个隐蔽区域，其它部分的走线也尽量隐蔽在踢脚线内，使整个监控室看起来整洁有序。操作台上的监视器根据盾构台数进行数量取舍。监控室内的设计原理图如下：

    监控室设计原理图

2.4 光纤网络铺设

    光纤网络铺设是整个系统的核心，隧道视频、盾构参数、电话通讯、人员定位、环境监测等相关数据的传输都是通过光纤网络传输到地面监控室。盾构法施工现场组网的一个特点是盾构随着隧道的进尺发生移动，需要光纤灵活地随隧道进尺而发生移动。一般地，可将光纤敷设在盾构机5号台车上，掘进班组在盾构推进前按推进计划预先放置线缆。线缆向盾体一侧要进入盾构主司机后面的电气控制室，线缆向盾尾一侧一般和盾构大电线缆一同延伸至地面。

    在电气控制室内进行光纤熔接，熔接后线缆与地下主交换接通。典型的隧道内到地面的网络拓扑如下图所示：

    隧道网络拓扑

2.5 人员/车辆门禁通道系统

    门禁通道系统主要利用人脸识别机制限制人员的进出，保障禁止非工作人员私自进出施工区域，同时也可用来来保障数据的真实性和有效性，避免因人为因素而导致考勤失效，或是管理出错。车辆的门禁可以提升对现场车辆的及时管控，做到更加有效的车辆利用率。盾构现场要在以下两个区域设置道闸：大门口与隧道下井入口。大门口要进行人车分离设置，隧道井口只安装人行道闸设备。

主机（现场服务器）：负责整个系统设备及人员检测数据的管理、通讯、统计存储

    以及屏幕显示、查询打印、画面编辑、网络通讯等任务；

控制板：实时采集接收人员卡的信息，并及时通过通信线路实时反馈到系统当中并生成控制摆闸的指令，根据数据有效性就行控制，保证人员进出正常；

道闸：主要安装在入口处，对车辆进出限制作用；

遥控器：及时检测是否有车辆经过，并发送信息至控制系统，控制道闸开启或关闭；

三辊闸：也安装在隧道入口处，对人员进出限制作用；

读卡器：远距离读卡器，通过靠近自动刷卡方式，获取人员/车辆携带的电子标签卡信息，并传输到后台控制中央去。

2.6 LED显示系统

将LED大屏幕安装在施工入口附近，靠近门房或是值班室为佳，用于实时显示施工人员的信息。显示的内容包括：标签号，姓名，时间，总人数等。另外，可以通过大屏幕提示施工人员注意施工安全，在有高温、霜冻等恶劣天气时可以及时进行温馨提示。迎接检查或者召开重大会议时，也可以在大屏幕上显示各种欢迎标语、宣传标语等。

系统组成：服务器、同步系统卡、LED显示屏

服务器：主要实现对显示内容的编辑，控制

同步显示系统卡：系统的核心部分，同步实现电脑与LED屏的显示内容。对信号进行编译传输

LED显示屏：由32X16 led灯点（P10单红）阵组成的模组拼装而成，根据实际情况可以选择拼装的大小

2.7 视频监控系统

    盾构施工现场的视频监控系统较为复杂，特别是隧道内部摄像头的安装有一定工法要求。例如出渣口、砂浆罐和螺机的视频探头，既要同时满足主司机的监控需要，又要同时满足传输到地面监控室的需求。主司机室的网络可能与地面监控网络是分开，所以还需要一定的网络分配技术。

    频监控系统由盾构施工现场前端监控点、传输链路、监控中心存储、控制及显示等部分构成。其中盾构施工现场前端监控点又分为左右线隧道内摄像头、站台摄像头和地面场地摄像头。

    隧道内部一般在下述位置安装摄像头，每个区域的监控目的互不相同：

    地面场地一般在下述位置安装摄像头，监控目的也各不相同：

    部分监控效果如下图所示：

传输链路包括前端摄像机到中心的视频传输、云台控制、电源供应等线路；监控中心设置NVR及显示器，NVR负责视频存储和解码输出，管理人员登入NVR可以对前端摄像机及录像存储进行个性化设置，并对前端视频实现最大单个项目32路的同步回放功能。

    深圳鑫零一施工的现场视频还包含将了本地视频远程同步到互联网的功能，这需要一定的组网技术才能完成。视频系统和数据监视系统可以同时进入深圳鑫零一盾构云，接入盾构云后用户可在家、办公司、处级单位、集团单位以及任何接入互联网的场所查看现场数据和视频其组网原理如下图所示：

    远程监控效果如下图所示：

2.8 盾构数据监视系统

盾构数据来自于地下盾构机主控制室，需要将地下监控画面同步到地面监控室，且地面地下互不影响，其中需要用到工业组态软件技术，一般安防工程公司不具备此软件部署能力。我司通过为主控PLC组态形成地下到地面的数据总线，地面监控室部署盾构厂家专用监控系统或者盾构云现场版为监控用户提供盾构掘进数据监视功能。基本网络原理如下图所示：

    组态后运行的监视软件主监视与导向系统界面如下图所示（不具备控制功能）

2.9 电话系统

    电话系统的目的是提供一个监控室到盾构主司机室的通话网络，同时也可横向扩展提供监控室到搅拌站、监控室到管片厂、监控室到库房的通话网络。地面地下仍然要借助光纤网络进行通讯，在终端转换为电话交换机网络即可，其网络拓扑如下图所示：

    现场运用效果图：

2.10 不同等级监控室效果图

    根据实际环境，现场多媒体监控室可以选择拼接电视墙、绚丽液晶电视机或者普通显示器作为展示系统，造价成本由高到低。

拼接电视墙有4~8块高清LED拼接屏构成，可做到3.5mm窄边拼接，显示效果最好。配合矩阵后可以构成不同屏幕组成，可将视频监控、盾构主监视、盾构姿态显示到不同的屏幕区域，如下图展示了一个6块屏幕划分为4X2的组合模式：

    也可采用框架式组合柜体进行组合展示，成本较拼接屏较低，部署灵活快速。缺点是不能安装较大尺寸的屏幕，屏幕与屏幕之间间隙较大，且屏幕与屏幕之间不能组合。如下图所示：

    若要使投资再减小，可使用壁挂电视机的方式，如下图所示：

    只使用显示器展示可达到最小化投资，此处省略展示。