如何优化盾构机标准化自动适配？通过PLC参数，实现编码自动转换

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文 |克己释法

编辑 |克己释法

前言

近年来，随着我国城市交通建设的快速发展，作为工程施工中自动化程度最高的盾构法隧道施工技术得到了广泛的推广和应用。

基于隧道工程建设未来的发展空间和发展方向，智能隧道建设将是该行业发展的必然趋势，在智能数字盾构 建设中。

首先要将盾构机掘进过程中的各类参数进行标准化，然后再进行采集、分析以及各类数字化运用 ，因此，盾构机掘进中基本施工参数的数据标准化就显得尤为重要。

本文所述的施工参数数据标准化工作主要集中在盾构机施工领域，通过对盾构机掘进过程中的可编程逻辑控制器（PLC）相关参数进行数据标准化。

将各种类型盾构机所获取的数据识别归类为同一组或几组标准编码，从而提高盾构机掘进参数数据的通用性和可用性 。

也为后期数字盾构工程技术进行大数据分析和数据模型建立提供可靠的数据。

盾构机施工参数数据标准化

1.1盾构机PLC参数数据的使用现状

随着隧道施工项目的不断快速增长，盾构机施工掘进数据也随之不断快速增长，在没有对接入PLC数据标准化的情况下，经常会出现一些数据异常 的情况，从而影响数据的存储及数据的分析。

例如：

（1）因PLC参数地址表单没有做好比对，导致数据错位或遗失。（2）因PLC参数单位不一致，造成数据显示异常。（3）因数据库表字段类型不一致，造成数据接入失败。

（4）因数据库表结构不一致，造成系统卡顿无法读写。（5）因数据库施工数据接入的不连续性，导致数据质量的缺失及数据冗余等。

为解决上述数据层面的困扰，本文从数据标准化和自动化的角度阐述盾构机施工数据中各项PLC参数（数据编码、名称、数据类型、单位、数值范围）的标准化及标准编码的自动适配转换功能，以期后继能够协助数字盾构机更好地适应 各种地质条件的变化。

快速指导优化并调整关键施工参数，从而提高盾构机的掘进质量和安全 ，以及更好地完成数据有效、完整的接入及存储工作.

同时，也为智能数字盾构工程技术研究提供基础数据标准化以及大数据分析和挖掘的保障。

1.2施工参数标准化对数据分析的影响

目前，大数据分析和应用在各行各业都得到了推广，通过对数据深层次的挖掘分析 ，可以找到数据与数据之间的内在关联性并且预判出某组数据的轨迹。

从而下达更为精确的执行指令，对于海量数据而言，入库数据质量是否符合要求是尤为重要的。

数据可携带性和互操作性的3个主要技术障碍为元数据的不确定性 、数据传输障碍和数据缺失，这给后续数据分析和应用造成了很大的困扰。

数据标准化是促进和改进数据使用的关键，如果没有数据标准化，就会产生不同数据库的“巴别塔”，影响知识的协同生产。

因此，数据标准化 对于后期的数据分析应用来说是一个前期基础，只有将数据标准化做好做扎实，才能在后期的数据分析、数据模型、数据应用中将大数据的特性发挥得更好。

盾构机施工参数数据标准化研究

2.1盾构机PLC地址表单参数编码标准化

盾构机掘进工程的施工参数数据主要以PLC地址表单的数据为主，由于目前盾构机的生产厂家较多，设备型号多样，PLC参数定义不一，导致在数据的采集上造成了一定的难度。

从而也影响了数据分析的难度，对于智能数字盾构机的研究推进而言，盾构机PLC参数数据的编码标准化 势在必行。

根据数字盾构机工程数据编码方法，盾构机PLC参数数据的编码标准化主要包含编码结构和编码规则 2个方面。

编码结构，盾构机PLC参数数据编码结构如下图，共6位，由英文字母加阿拉伯数字组合而成。

编码规则，编码规则主要包含：基础标识编码、系统分类编码、特征分项编码、数据属性编码和变量序号编码。

根据规则，盾构机推进系统中施工基本参数（单位）为：推进速度、净行程、总推力、总油压，按照编码结构和规则，可逐一完成盾构机其他PLC参数的编码标准化。

2.2盾构机PLC参数标准化编码自动转换

虽然我们将盾构机PLC地址表单参数编码进行了标准化，但由于现今存量市场上盾构机设备类型繁杂，PLC既有的参数设计、定义和命名也各不相同。

所以，在既有盾构机设备PLC数据采集之前，需要对不同PLC源参数数据 与标准化编码之间进行转换，将相同含义下的不同编码、不同类型、不同单位的参数转换为标准化编码（含标准名称、标准类型、标准单位）。

引入标准编码的适配软件进行标准编码自动匹配及转换，通过自动适配转换软件建立一个比较完整的数据标准编码库，可以实现对不同盾构机、不同PLC地址编码与标准编码之间进行批量自动匹配。

如有新增或未自动匹配到的PLC地址参数时，则通过人工匹配 转换为标准编码。

待确认后，新增或未自动匹配到的PLC参数编码将自动更新完善至数据标准编码库，从而确保盾构机PLC施工参数数据采集的规范性和准确性。

也为后续的大数据分析研究提供标准、统一的数据保障，标准编码的适配软件主要包含：

（1）类别名维护， 维护编码规则中的基础标识编码，包含了名称和编码，为后续的标准编码提供基础标识选择。

（2）标准库维护， 维护盾构机PLC参数的标准编码，主要包含了PLC参数的名称、编码、数据类型、单位、小数点位数、是否为核心参数等标准信息。

用以建立标准库体系，是标准化编码自动转换的基础，标准库的初始数据在建库时统一整理后直接导入数据库中；也可以在后期进行单独的标准编码新增录入。

（3）别名库维护， 目前市场上不同盾构机对同一个PLC参数名称的命名有所不同，该功能主要是维护盾构机PLC参数标准编码名称的别名，以便提高标准编码的自动匹配度，同一个标准编码名称可以维护多个不同的别名；

另外，在功能数据处理中的人工匹配操作完成后，系统将自动学习记录标准编码名称的别名并存入对应数据库中，以备作为系统自动匹配因子。

（4）标准字维护， 标准字的维护主要是为了解决在人工匹配未自动匹配到的参数时繁杂的搜寻工作，通过标准字的不断增加。

在人工匹配标准编码时，查询条件中输入关键字，系统即可根据标准字的关联，自动快速给出标准名称及标准编码。

（5）数据处理， 数据处理功能主要实现不同盾构机的PLC参数标准编码的自动匹配，系统将导入的源编码数据文件通过编码的名称和别名进行自动匹配，系统学习到的别名越多，自动匹配的正确率也越高。

当盾构机PLC源参数中存在未自动匹配到的参数时，系统将提示未自动匹配到的参数，并进行人工编辑匹配，人工编辑匹配完成后，该PLC参数名称将自动纳入别名库，以备后继系统学习和自动匹配使用，如遇全新的PLC参数，则在标准库维护功能中进行新增维护。

2.3盾构施工参数标准化在项目中的应用

以上海轨道交通机场线12标凌空路转换井—7号风井右线隧道项目为例，将盾构机厂商提供的盾构机PLC源地址。

参数表单通过标准编码的适配软件进行标准编码自动匹配转换 ，转换为系统标准编码格式，转换前后盾构机PLC地址源参数标准编码转换输出图如下。

经过标准编码的匹配转换，该工程项目所采集接入的PLC参数数据均以标准编码和标准名称为关联参数，在后续的工程施工数据分析和数据挖掘中，都将以统一的标准编码为基准。

结论

通过建立盾构机PLC施工参数数据的标准化和自动适配 ，可以有效应对不同品牌、不同型号的盾构机设备PLC参数；

有效解决因PLC参数地址表单不一致而造成的数据错位、数据遗失或采集异常等情况的发生，工程项目数据标准化工作的普及，可以有效提供多项目统一的标准PLC参数数据。

达到优化现有数据结构，并提高盾构机PLC数据采集和存储的完成性和有效性的目的，也为智能数字盾构机大数据分析和数据挖掘模型提供可依靠的数据基础。

目前，隧道项目施工参数数据的分析、应用尚处于初级阶段，还需要在各个方面上进行摸索和试探，通过盾构施工参数标准化和自动适配技术的研究和应用，将会使得更多的盾构机PLC施工数据趋向标准化、一致化，也会大大提高此类数据的可用度和可信度。

从而推动隧道工程行业在智能数字盾构机领域的不断进步和发展。

参考文献

[1] 盾构施工参数相关性及对地表沉降影响的研究[J].曹军;王振勇;李璐乾;沈扬奎.低温建筑技术，2020(07)

[2] 基于复杂网络的盾构施工参数时间序列研究[J].周诚;张涵涛.铁道工程学报，2017(03)

[3] 黄泛区盾构下穿高铁沉降分析及施工参数控制[J].祝嘉辉;李俊才;朱正国.南京工业大学学报(自然科学版)，2021(01)

[4] 穿越砂层盾构施工渣土改良及施工参数现场试验[J].张杰.工程机械与维修，2023(02)

[5] 盾构下穿危旧公路立交桥施工参数控制研究[J].沈贵斌.科学技术创新，2022(15)

中电智科：聚合中国力量 超御自主可靠

中电智能科技有限公司总经理丰大军

近期，美国剑指中国高新技术产业的“实体清单”成为全球关注的焦点。无论是华为的从容应对，还是中国政府的奉陪到底，这背后印证了中国整体科技创新实力不容小觑的事实，还进一步鞭策着中国企业在自主科技创新领域中不断前行，中电智能科技有限公司（简称中电智科）正是其中之一。

中电智科成立于2018年7月19日，隶属于中国电子信息产业集团有限公司，是中国电子全资控股企业，其前身为电子六所安全可靠PLC研发团队，致力于安全可靠PLC等关键产品研发与应用，历经4年时间，不仅打造了全自主、强安全、高可用、高可靠的PLC产品，更在国防军工行业取得令人瞩目的成绩。更加引发业界关注的是，近期中电智科正式开启PLC聚合平台战略规划，希望通过打造国际领先的聚合平台，聚拢国内各品牌PLC厂商，补足同行短板，合力打造具有影响力的国产PLC品牌。中电智科总经理丰大军表示：“‘乘势待时，事半功倍’，中电智科希望借助国产自主化的强大助推力，以一个央企的使命感和责任感，聚合中国PLC力量，共同推动中国PLC产业健康发展。”

时代所向，致力国产PLC自主创新

PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）作为工业控制系统的关键核心设备，广泛应用于国家重要基础设施和各种工业控制领域。PLC的安全可靠关系着国家的经济发展和国防安全。追溯中电智科前身电子六所PLC研发团队创立的初心，丰大军表示，正是源于近年来国内外爆发的大量针对工业控制系统发起的网络攻击事件，给我国的工控安全敲响了警钟。另外“两化融合”和“互联网+”战略的推进，工业控制网络日益开放的同时，PLC控制系统面临的安全形势也日益严峻。因此，自主研发PLC产品和相应的控制软件势在必行。

在这样的背景下，中国电子集团的一纸军令状，电子六所国产PLC研发项目于2015年5月正式启动，以安全可靠PLC等关键产品为核心，面向国家重要基础设施应用，聚焦高端PLC产品研发。

4年国产PLC的自主研制之路，中电智科向业界交付了一份又一份令人眼前一亮的答卷。2015年12月，第一代PLC原型机联调通过；2016年7月，超御品牌PLC样机在某装备燃料加注模拟系统上通过所有验证试验；2017年8月研发团队牵头开展国家核高基重大专项，进一步推进国产PLC产业化的进程；2017年9月，超御PLC亮相第三届军民融合展，获得一致好评；2018年11月，入选工信部控制器“一条龙”应用计划示范企业和示范项目。

当前，中电智科旗下超御品牌PLC包含大型、中型、小型、专用型等多个产品系列，并可根据信息安全防护能力划分为普通型和安全增强型两类产品，可满足各种控制规模、不同安全防护能力要求的自动化应用场景。此外，中电智科还自主研发了PLC逻辑编程软件SC-ProSys及监控组态软件SC-ProView。

全自主、强安全、高可用、高可靠的特点让中电智科的PLC产品在高标准、高要求的重要行业硕果累累，对此，丰大军深感自豪：“在中国电子集团的鼎力支持下，中电智科自创立伊始就始终坚持自主创新，由于国防军工行业大多采用高端PLC产品，我们最初研发的产品就直接定位国际高端PLC产品，众多项目的成功应用正印证了超御PLC产品在高端应用领域的竞争力。”

不忘初心，开拓聚合平台新战略

自上世纪70年代引进PLC以来，PLC在我国的应用已有40多年的历史。随着中国经济的高速发展和工业自动化水平的不断提升，中国PLC市场规模发展迅速。数据显示，2017年中国 PLC产品市场规模为101亿元，同比增长达24.5%。然而，中国PLC本土品牌的发展却一直步履维艰，目前我国PLC市场超过90%的份额仍被国外品牌所垄断。

采访中，丰大军告诉记者，中电智科对中国PLC市场进行了充分调研，目前国内中高端PLC大多依赖进口，40多家PLC民族企业仅在部分小型PLC低端市场具备竞争优势，总份额不足7%。丰大军分析认为，国内PLC企业在市场竞争中处于劣势的主要原因有三个方面：其一，能力分散，无法形成竞争合力。其二，技术水平落后，仅能设计生产低端的硬件模块，编程软件大部分依靠国外成熟技术，处理器芯片大多“借用”国外嵌入式信息处理类CPU。其三，产业生态发展差，未形成可持续健康发展的产业生态。

如何解决这些痛点是丰大军及其带领的中电智科一直思索的问题：“对于一家PLC企业来说，一种方式是自力更生，从产品研发到市场应用，一切从头做起，这不仅需要漫长的培育期，同时也要面对现有成熟企业的竞争。另一种方式是通过合并收购实现迅速扩张，但这一方式对于并购双方来说不仅需要经营理念一致、企业文化相互融合，而且存在巨大的市场风险。”

在丰大军看来，这两种方式都不利于中国PLC民族产业的长远发展：“中国PLC产业要实现弯道超车，就需要放长眼光，将‘锚’抛在时间之河中较深远的地方，以未来丈量现在，才能站立得更坚实安稳。”

正是基于对中国PLC产业发展现状的认识和长远发展的考量，中电智科提出了PLC聚合平台战略规划，期待通过这一战略，聚拢国内各PLC品牌,激发核聚效应，共同推动国产PLC产品的研发应用进程，保障工控系统安全，合力打造一个具有市场影响力的民族品牌，形成成熟的聚合商业模式。

使命担当，引领中国PLC“超御”未来

对于PLC聚合平台战略的发展，丰大军有明确的目标：“三年内实现国产品牌市场占有率达到15%，五年内实现国产品牌超过40%。”这显然并不是空谈，在聚合平台战略发布之前，中电智科就已潜心为此在技术创新、市场开拓方面做了全方位的准备。

在丰大军看来，聚合平台战略落地最难突破的是两个核心技术，一是PLC编程编译技术，二是PLC专用处理器技术。而据其介绍，中电智科完全自主研发的PLC逻辑编程软件SC-ProSys已推出市场，该软件完全遵循IEC61131-3标准，支持Windows、麒麟平台，具有良好的跨平台性能，支持多种国产处理器目标平台。另一方面，依托中国电子集团，中电智科正在开展PLC专用处理器的研制工作，目前规划的5款PLC专用处理器将陆续推出。“中电智科将依托中国电子集团全产业链信息系统生态环境，秉持自主创新和安全可靠发展原则，构建编程编译工具和专用处理器紧密捆绑的PLC技术平台，打造PLC软件定义功能、软件定义网络、软件定义控制、软件定义安全的深度融合一体化方案，实现自主创新本质安全、安全可信过程安全、失效可用功能安全、专用定制产业安全的终极发展目标，解决产业发展痛点。”丰大军表示。

实现自主创新、安全可靠的PLC产业体系，不仅需要技术层面和应用层面的创新，更需要商业模式的创新。聚合平台将以行业内前所未有的联盟的形式推进，丰大军详细解释道：“这一联盟欢迎任何一家国内PLC企业的加入，对于所有加入联盟的企业，中电智科将对其开放编程编译软件和PLC专用处理器的使用，统一市场推广，享受税收优惠，通过高校计划、全国巡演等活动开展营销推广。”

更为重要的是，聚合平台还将对加入联盟的企业在技术创新方面给予强有力的支持，促进各PLC企业产品研发和技术创新的发展。聚合平台还将通过工信部工业强基工程控制器“一条龙”应用计划、军用装备创新技术联合攻关基地、国家重要基础设施安全可靠需求项目陆续开展安全可靠PLC产品的军民融合应用推广。在突破民用市场方面，聚合平台将与自动控制系统集成商、智能装备制造商以及行业用户紧密合作，提供在各行业广泛应用的自动控制技术和产品以及适用于重点产业的完整解决方案。

时势造英雄，英雄也造时势。中国在过去的40多年间经历着一场盛大的改革，到处都是沸腾的城市化和工业化浪潮，迅速造就了强大的工业体系和制造大国底蕴。历史流转至2019年，中国工业进程被全球经济格局变化裹挟，在拐点处开始转型升级。世界潮流浩浩荡荡，大国博弈间，自强自立正是大势所趋。为什么是中电智科扛起了引领中国PLC产业的大旗？丰大军直言：“这是出于中电智科作为一家央企的使命感和责任感。虽然央企是以企业化的形式运作，但我认为盈利始终不是央企最重要的目标，央企更多承载的使命是国家某种能力的维护者，对于中电智科来说，我们更长远的目标是提升中国PLC产业化的水平。”

时代所向，使命担当。中电智科满怀产业报国的责任和情怀，勇立自主创新时代的潮头，突破核心技术，构建安全生态，以“行业合伙人”的姿态，为中国PLC产业打造出聚合力量，构建融合发展和快速超越的生态平台，绘制出中国PLC民族产业的未来蓝图。未来已来，当前的中电智科最为期待的是一路同行，共同“超御”未来的伙伴！

摘自《自动化博览》2019年6月刊

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