(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211452506.7 (22)申请日 2022.11.21 (71)申请人 中铁十四局集团有限公司 地址 250000 山东省济南市历下区奥体西 路2666号铁建大厦A座 申请人 中铁十四局集团大盾构工程有限公 司 (72)发明人 刘四进　马浴阳　王军　王华伟　 史林肯　刘鹏　付浩　 (74)专利代理 机构 南京泰普专利代理事务所 (普通合伙) 32360 专利代理师 李戴昂 (51)Int.Cl. H04L 67/12(2022.01) H04L 1/22(2006.01)H04Q 9/00(2006.01) H04N 7/18(2006.01) H04N 7/22(2006.01) G08B 21/18(2006.01) G08B 7/06(2006.01) (54)发明名称 基于边缘计算架构的盾构施工预警系统及 预警方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于边缘计算架构的盾 构施工预警系统及预警方法， 属于盾构智能监控 领域。 该系统包括采集预 警模块、 传输模块、 监控 展示中心， 采集预警模块包括采集终端、 预警交 互终端， 传输模块包括数据转发终端、 监控视频 网关终端， 监控展示中心包括通讯模块、 数据计 算存储服务器。 在系统架构中， 数据计算存储服 务器设定为中心硬件， 采集终端、 监控视频网关 终端设定为边缘硬件， 可 以进行边缘计算， 参与 盾构数据的预处理、 数据分析、 数据分发与策略 执行。 本发 明系统和方法能够实现盾构机施工数 据的高效、 稳定、 安全采集， 并且具备参数预警与 远程安全监控功能。 权利要求书4页 说明书9页 附图4页 CN 115499473 A 2022.12.20 CN 115499473 A 1.基于边 缘计算架构的盾构施工预警系统， 其特 征在于， 包括： 采集预警模块， 包括直连的采集终端和预警交互终端； 所述采集终端直接与盾构机可 编程逻辑控制器或盾构机操作主机连接； 传输模块， 与所述采集预警模块建立通信连接； 所述传输模块包括直连的数据转发终 端和监控视频网关； 所述数据转发终端通过路由器公网与所述采集终端连接； 所述监控视 频网关终端与工区视频监控设备通过路由器网关相连； 监控展示中心， 与所述传输模块建立通信连接； 所述监控展示中心包括直连的通讯模 块和数据计算存储服务器； 所述通讯模块与路由器连接， 路由器通过公共网络接 收传输模 块的数据转发 终端发送的数据； 其中， 所述监控展示中心设定为中心角色， 所述采集预警模块和传输模块设定为边缘 角色； 所述中心角色和边 缘角色共同构成系统架构层面的边 缘计算架构； 所述数据计算存储服务器及通讯模块为中心硬件， 所述采集终端、 预警交互终端、 数据 转发终端、 监控视频网关终端为边缘硬件； 所述中心硬件和边缘硬件共同构成硬件终端层 面的边缘计算架构。 2.根据权利要求1所述的盾构施工预警系统， 其特征在于： 所述采集终端部署在施工隧 道的泥水平衡盾构机驾驶室内， 通过网线直接与盾构机可编程逻辑控制器连接； 所述预警交互终端部署在施工隧道的泥水平衡盾构机驾驶室内， 与采集终端通过电缆 直接相连； 所述数据转发 终端部署在地 面机房， 通过路由器公网接入隧道内的采集终端； 所述监控视频网关终端部署在地面机房， 与数据转发终端直接相连， 与工区视频监控 设备通过路由器网关相连； 所述通讯模块部署在远端， 与路由器连接， 通过公共 网络接收传输模块发送的数据， 并 转发至计算存 储服务器； 所述计算存 储服务器部署在远端异地， 与通讯模块 直接相连。 3.根据权利要求1所述的盾构施工预警系统， 其特征在于： 所述采集终端作为边缘硬 件， 参与盾构机采集数据的初步 运算处理， 并将结果 转发至所述 监控展示中心； 所述监控视频网关终端作为边缘硬件， 对接入同一网关的监控视频进行自动调制编 码。 4.根据权利要求1所述的盾构施工预警系统， 其特征在于： 所述通讯模块接收所述数据 转发终端发送的数据， 并转发至所述数据计算存 储服务器； 所述数据计算存储服务器自动存储接收到的数据， 分别生成掘进参数报表、 物料消耗 报表、 危险预警报表、 施工质量报表， 并将生成的报表数据与理论计算的数值进行加权对 比， 根据数值波动和偏差自动发出不同等级的预警， 并且接入专家系统数据库， 匹配解决方 案， 辅助技 术人员驾驶盾构机 。 5.根据权利要求1所述的盾构施工预警系统， 其特征在于： 所述数据转发终端具有光纤 固网与移动网络 两种数据转发模式； 普通情况下采用光纤直连路由器固网的方式发送数据； 当固网中断或网速波动范围大 于预定值时， 自动切换至移动网络发送数据。 6.根据权利要求1所述的盾构施工预警系统， 其特征在于， 所述采集终端进行多次数据权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115499473 A 2采集操作： 第N次数据采集后， 按照预先设置， 所述采集终端筛选部分数据点位的数据直接经传输 模块转发至远端的监控展示中心； 第N+1次数据采集后， 所述采集终端提取设置的数据点位的数据， 与第N次采集到的数 据进行对比运算， 若 数据有变化， 则将新的数据经传输模块转发至远端的监控展示中心， 若 数据无变化， 则不发送新的数据， 此时远端的监控展示中心的计算存储服务器默认维持原 数据不变； 设置预定频率对 采集到的原 始数据打包传输 至远端的监控展示中心。 7.根据权利要求4所述的盾构施工预警系统， 其特征在于， 所述掘 进参数报表E1包括如 下特征字段： 刀盘 推进扭矩i1、 转速i2、 推力i3、 贯入度i4、 总挤压力i5； 所述物料消耗报表E2包括如下特征字段： 同步注浆量i6、 盾尾油脂注入量i7、 主轴承密 封润滑油脂i8； 所述危险预警报表E3包括如下特征字段： 施工工区监控视频自动 识别与抓拍i9、 盾构机 台车监控视频自动识别与抓拍i10、 隧道内部同步施工监控视频自动识别与抓拍i11、 驾驶舱 监控视频自动识别与抓拍i12、 气垫仓监控视频自动识别与抓拍i13； 所述施工质量报表E4包括如下特征字段： 地表沉降i14、 管片错台i15、 管片上浮i16、 盾尾 间隙i17、 盾构姿态导向i18； 将所有特 征字段构建成一个N维矢量， 存 储为数据点 位表。 8.一种盾构施工预警方法， 基于如权利要求1至7中任一项所述的盾构施工预警系统以 实现， 其特 征在于包括如下步骤： 步骤1、 盾构机开始掘进施工， 操作人员现场或者远程控制预警交互终端， 设置采集终 端的采集 参数， 并下达指令， 开始采集； 步骤2、 采集终端采集盾构机产生的施工数据、 传感器监控数据； 步骤3、 采集终端存储采集到的施工数据和传感器监控数据， 形成数据点位表， 并利用 边缘计算能力进行初步运算， 得到处理后的数据， 实时转 发至数据转 发终端， 同时采集 终端 存储的原始数据定期传输 至数据转发 终端； 步骤4、 监控视频网关终端将接入同一网关的视频监控统一编码， 并发送至传输模块的 数据转发 终端； 步骤5、 数据转发终端将传输的盾构机数据和视频监控打包， 通过光纤固网传输至监控 展示中心， 当光纤固网不能使用时， 自动切换至蜂窝移动网络传输； 步骤6、 监控展示中心的通讯模块接收处理后的盾构施工数据和视频监控数据， 在数据 计算存储服务器进行分析处理， 输出结果， 并将接 收到的原始盾构施工数据直接存储在服 务器； 步骤7、 数据计算存储服务器分析处理的结果实时传输至采集预警模块的预警交互终 端展示， 为盾构 机驾驶人员提供辅助决策， 当出现参数报警时， 预警交互终端的声光报警功 能启动， 发出警报， 同时盾构 机操作人员与监控展示中心的技术人员可通过视频通话， 远程 沟通解决方案； 步骤8、 消警后， 声光报警自动关闭。 9.根据权利要求8所述的盾构施工预警方法， 其特征在于， 步骤6中数据计算存储服务权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115499473 A 3