盾构机数据可视化监控平台-数字孪生

2002 年,中国 863 计划把盾构机列为国家关键技术，以国家力量为主导，集中力量进行盾构机专项研究。在 2008 年，中国成功研制出属于自己的国产盾构机——中国中铁一号，同时还打通了天津地铁 1500m 的隧道。此举更彻底地打破了国内盾构机市场长期被国外垄断的尴尬局面，不仅展现了我国在勇于探索创新方面的精神，同时也彰显了我国制造业在国际竞争中的实力。

本次图扑软件将采用自研 HT for Web 产品，三维立体呈现智慧盾构机监管案例，一张图可视化界面，介绍盾构机作业流程原理。依托视图组件和 HT 丰富的二维组态与三维组态图标设计，实现了将“设备上云“后的数据动态加载效果。

作业实况

进入界面后，首先呈现在眼前的是盾构机的三维构造和实时运行状态。我们采用了由图扑 HT for Web 自主研发强大的 3D 引擎，通过轻量化场景的构建和数据驱动的动画接入，成功实现了盾构机的数字孪生。该模型还体现了盾构机的内部构造和作业工艺效果。

在数据展示层面，通过选用折线图、体积图等二维图表，清晰呈现盾构机 24 小时内的推进速度、推进力度历史波动情况。当鼠标悬停在特定时间点时，系统支持查看详细数值。左侧单点数据则是推进速度与推进力的实时值。

通过对接数据接口，实时呈现刀盘转速、推进位移数据，并支持 Web 页面对实际设备进行远程控制，如控制模式的切换。

实时的岩土运输量是盾构作业的关键数据之一。运用较高密度的横坐标时间点，可详细展示运输量的历史变化情况，并支持通过调节时间区间起始点来筛选展示数据。

通过应用签到率曲线与作业人数折线的对比图，展示盾构作业一个月内的工作人员变化情况。数据看板不仅展示人员统计信息，还实时展示了施工成本累计情况，如人力成本和设备成本。图扑 HT 丰富的可视化图表组件，选以分类、组合、排序等风格，清晰有效地传达各纬度数据，让分类施策取代粗放管理。

运用科技感饼图的形式，记录地下盾构作业常态时间、紧急事件、严重事件的数量统计，鼠标悬停在各个占比范围，可查看详细信息及占比。

工程监控

手动切换至盾构作业的工程监控模块时，以流畅的动态效果将盾构机的三维场景和推进详情数据看板收起。同时，展开新的地理结构、GIS 地图以及设备详情看板，为用户提供更全面、直观的工程信息。让用户轻松获取和分析盾构作业的关键数据和地理信息。

结合 DEM 数字高程数据与地质数据，以剖面地形图的形式生动展示出盾构机推进线路上地上与地下的地形走势。此外，遵循不同盾构工艺的施工准则进行相应的提示，实时提醒作业人员，为他们提供有力的指导。进一步保障施工人员作业安全和提高效率方面起到了重要的作用。

图扑 HT 智慧盾构机监控系统支持接入先进的物联网设备运行信息数据，页面内清晰呈现盾构作业相关的所有设备告警列表。用户能一目了然地了解现场设备的报警等级、报警时间、报警内容信息，有助于现场人员迅速做出针对不同等级报警的决策，提高工作效率，使团队更具应对突发情况的能力。

由于 HT for Web 引擎的高兼容性，页面还集成了 GIS（Geographic Information System，地理信息系统），基于在线地图描绘出整条盾构作业路线，所见即所得地展示了已作业与未作业标段。

图扑 HT 场景内地图支持旋转、平移、无级放大或缩小等操作，使操作更加自由灵活。将功能整合提供了更全面的作业信息，为用户提供了更直观、便捷的操作体验。

盾构机工艺

此外，图扑软件的盾构机监控可视化案例深入详细地展示了三维推进、出土、拼装等一系列盾构作业流程。界面中还配以二维实时业务数据监控，实现了最优化的数字孪生展示。展示了对盾构作业流程的全面理解，同时通过实时监控数据的优化展示，为用户提供了更清晰、更有效的操作和决策支持。

钻头正面的刀头是由硬质合金钢材料制成的滚轮，它通过滚轮的滚动将岩石碾成碎块。在钻头的边缘部分，有一圈带有锋利刀刃的弧形刀头，根据地质岩层的不同，可以进行刀头的解锁和更换。这种设计使得钻头能够灵活适应不同地质条件，提高了盾构机在复杂岩层中的施工效率。

液压杆在压实管片的过程中，能给钻头上千吨的反推力，有助于钻头继续工作。

岩层与隧道壁之间的缝隙，用快速固化砂浆来填充，岩石下面的一圈就是隧道壁的管片，安装成一圈隧道壁，需要约 7 块这样的支撑管片。机械手安装好一片，再由液压管进行压实固定。盾构机的名称就是来源于此工序——构建隧道之“盾”。

隧道的管片又称为“盾”，是由工厂批量生产的钢筋混凝土预制件，再由重卡运进隧道中，与此同时盾构机钻头的刀盘也正在挖掘岩石。碎石和土通过传送带送出隧道。

盾构机在推进过程中，隧道的第二道混凝土加固层也在同步进行，也就是在隧道管壁下面再建造一层更坚固的隧道拱顶，采用钢筋混凝土现场浇筑。

盾构机在一路掘进过程中，会持续用砂浆和膨润土填充在环段和岩石之间的缝隙中，充分接触是为了得到与岩石之间的受力平衡，这样即使在地面以下不同深度位置上挖掘，也不会破坏底层结构。盾构机的掘进速度是一天 50 米左右，如今，一条五公里的地下隧道最快 6 个月就可以被打穿，可见人类在隧道工程建造技术上的日新月异。

通过图扑软件自主研发的 HT for Web 2D/3D 引擎，不仅参与完成了盾构机施工流程的数字孪生，还打造了多个智慧隧道中心调度平台，为隧道运营管理带来了全新的变革。以隧道综合管控为导向，提升设备控制、事件预警、流程管理、应急处置等综合业务能力。助力隧道运营管控朝着更智慧、更安全、更便捷的方向发展，推动交通行业的数字化转型升级。

盾构机从无到有，中国花了整整 6 年时间，但从有到精，只用了不到两年，2010 年，中国成功研制出大直径盾构机。此后，盾构机制造技术不断发展，到 2017 年，中国盾构机的销量达到全球第一，远超欧美和日本。中国人打破了欧美的垄断，自主研制了盾构机和相关技术。盾构机不是第一个，也不会是最后一个。

图扑软件也将会秉承着攻坚克难、敢于创新的精神，在数字孪生领域不断深耕探索，不断突破，为世界提供构建先进 2D 和 3D 可视化所需的一切。

图扑软件作为坚持自主创新的国家级高新技术企业，提供 BIM、GIS、VR、AR、XR、MR 、2D 组态/3D 组态等 Web 可视化应用解决方案。其自研核心引擎 HT for Web 支持提供图形化组态 SCADA 能力，以及构建 PaaS 、SaaS 层面低代码、零代码工业组态物联网平台。早已应用于智慧城市、园区、楼宇、工厂、智能制造、水务、能源、光伏、风电、电力、新基建、运维、政务、交通、医疗、金融、科研等各个领域。

审核编辑 黄宇