任沙 唐强

摘  要：针对盾构机在工作过程中存在刀具更换难度高、数据管理复杂、设备状态监控难等问题，对盾构机刀具工作状态监控与故障检测、人事和安全管理等进行研究，设计了一套集企业管理、业务管理的盾构机刀盘数据管理系统，系统采用B/S架构，SSM框架构建后台，Layui+jQuery+ECharts构建前台，MySQL存储数据。实现了数据管理、实时监测、数据可视化、人事及安全管理等功能，解决了企业管理和数据管理中的痛点。

關键词：SSM;数据管理;可视化

Abstract：Aiming at the problems of high difficulty in tool replacement，complex data management and equipment status monitoring in the working process of shield machine，this paper studies the working state monitoring and fault detection，personnel and safety management of shield machine tools，and designs a set of data management system for shield machine cutter head，which integrates enterprise management and business management. The system adopts B/S architecture and SSM framework to build background，Layui+jQuery+ECharts build the foreground and MySQL stores the data. It realizes the functions of data management，real-time monitoring，data visualization，personnel and safety management，and solves the pain points in enterprise management and data management.

Keywords：SSM;data management;visualization

0  引  言

随着隧道及地下空间工程的发展，越来越多的在城市地铁隧道、穿江越海隧道、电力电讯及供气工程中都开始使用大型刀具进行隧道掘进。大型刀具更换复杂，出现故障难以及时排除，因此需要对刀具工作状态进行实时监控与故障检测[1]。

湖南某机电科技有限公司在南京、新疆等地的隧道工程应用过程中，刀具设备运行记录还停留在传统的手工登记、人眼观察的阶段，这严重影响了生产的安全和高效性。因此委托我校一团队对日前盾构机在隧道工程应用中存在的问题及痛点进行深入分析，设计一套信息管理系统来协助进行设备运行环境的监测[2]。系统实现了信息采集、基础数据管理、故障实时报警、运行环境监测、数据分析等功能，通过大数据分析设备运行环境，可以使用户更加高效地进行设备管理，提高工作效率。能够实现管理层与设备层之间不限距离、不限时段、不限规模的交互，并对基础设施进行实时监控，存储到单独的资源库，实现对刀具工作状况的监控，实现对企业、业务的有效管理。

1  需求分析与关键技术

1.1  需求分析

盾构机刀盘数据管理系统是在DZ555型盾构机硬件设备运行的基础上进行开发的云管理系统。将设备运行过程中所产生的信息进行传输、整合、管理、可视化处理等，实现对数据的有效管理。本系统还对人事管理、安全管理进行了设计。总体上可以分为企业管理和业务管理两部分，在企业管理和业务管理的基础上再进行拓展，数据从工控客户端上传到云端，用户端将信息进行读取用于业务管理;企业管理数据则在本地客户端，用于企业管理。总体框图如图1所示。

盾构机刀盘数据管理系统是客户端数据采集、数据传输、数据管理等多种技术的有机组合，本文的主要研究内容如下：

（1）客户端信息采集，从客户端存储信息的电脑中读取信息，实现数据上传。

（2）TCP数据传输，数据需要从客户端传输到云端，在传输数据的过程中需要实现数据传输端口选择、数据分析入库等，这就需要选择传输的方式和途径。采用TCP的数据传输方式，将离散时间点的数据上传到云端。[3]

（3）基础数据管理，设备运行会产生许多定位信息和配置信息等基础信息，要系统地管理这些信息就需要将这些信息进行集中管理，实现类别可区分、内容可准确定位的处理，解决刀梁管理、刀具管理、传感器管理、刀梁配置等问题[4]。可以通过鼠标对刀具的位置进行定位，并设计对应算法进行矫正，刀盘上有较多个定位点，当需要调整刀具位置时，需要解决定位困难、矫正算法设计的问题。通过终端设备设计算法可以实现对刀具的操控和定位，同时进行位置修复和准确定位。

（4）监控管理，监控管理包括历史数据管理、实时监控、报警数据管理和故障实时报警几个功能。设备长时间运行会导致温度过高、磨损严重、威胁人员安全等问题，实现实时监控刀具温度与磨损度以及自动报警成为必然，包括刀具、刀梁、刀具磨损度进行检测的刀具磨损传感器。通过红外温度传感器对所述刀具表面温度进行检测的测温装置采集数据[5]，刀具磨损传感器与所述红外线测温装置电信号连通的控制中心、与所述控制中心信号连通的冷却控制系统、与所述控制中心电信号连通的报警装置是设备端用于监测的装置，所述温度传感器与云端连通。本设计在线实时监控刀具的磨损情况和刀具温度情况，当刀具磨损严重时，发出报警并停止加工;当刀具温度过高时，自动提高冷却效率。

（5）数据分析与可视化，数据从云端下载到用户端，很难读取出对实际有帮助的数据，因此需要设计程序将离散的信息分析并处理为较为直观的形式，明确分析目的与框架，进而进行数据采集、数据处理、数据分析，达到使数据更加明了、用户获取整体运行状况、进行设备维护的目的。

1.2  关键技术

本系统采用Java语言进行开发，使用TCP作为数据传输方式，Eclipse作为开发平台，Spring和MyBatis作为后台框架，Layui用于前端展示。下面是对关键技术的详细介绍：

Layui是一款采用自身模块规范编写的前端UI框架，遵循原生HTML、CSS、JS的书写与组织形式[6]，门槛极低，初学者参照官网提供的示例便能看懂。其外在极为简洁，组件却十分丰富，从核心代码到API的每一处细节都经过精心雕琢，非常适合界面的快速开发。Layui几乎兼容全部浏览器（IE6/7除外），可作为PC端后台系统与前台界面的速成开发方案。

SpringBoot是一个快速整合的第三方框架，简化了XML配置，完全采用注解化，内置HTTP服务器（Jetty和Tom-cat），最终以Java应用程序进行执行。SpringBoot的设计是为了尽可能快地运行起来Spring应用并且尽可能减少配置文件。简单来说就是SpringBoot默认配置了很多框架的使用方式。

MyBaits是一个持久层的框架，是Apache的一个顶级项目。通过MyBatis提供的映射方式，自由灵活地生成并满足业务需求，MyBatis将输入参数自动进行输入映射，并将查询结构灵活地映射为Java类型。

TCP数据传输是通过Server与Socket实现TCP的通信。通过一个服务端与一个客户端实现信息传输，服务端创建好ServerSocket后，使用accept（）阻塞一直等待客户端发送Socket。服务器端要同时处理ServerSocket实例和Socket实例，而客户端只需要使用Socket实例。另外，每个Socket实例会关联一个InputStream和OutputStream对象，通过将字节写入套接字的OutputStream并发送数据，从InputStream获取接收数据。

2  系统设计

2.1  设计目标

盾构机刀盘数据管理系统用于设备管理、运行环境监测、数据分析等工作，通过大数据分析设备运行环境，可以使用户更加高效地进行设备管理，提高工作效率。能够实现管理层与设备层之间不限距离、不限时段、不限规模的交互。

本系统可以有效地解决数据实时上传、数据有效管理、故障實时报警、数据分析与可视化等问题。对基础设施进行实时监控，转换为一个单独的资源库，实现对刀具工作状况的监控，同时能够对企业和业务两个方面实现有效管理。

2.2  设计原则

系统将设计时将采用合理、科学的系统架构，完整的功能层次框架，保障系统的业务稳定、数据安全、通讯顺畅，能有效均衡系统的整体负载。系统建设基于以下主要原则：

（1）适度和可扩展性原则。确定项目的硬件环境和基本配置，综合考虑项目实施后一段时间内信息容量、网络状况、信息存储、数据挖掘算法对硬件的需求等因素，为了避免硬件资源的浪费，制定的硬件平台应具有适当的规模，以及一定的前瞻性和扩展性。

（2）实用性原则。以完成为相关工作的业务需求为首要目标，避免贪大求全、盲目建设，避免盲目追求最新技术。

（3）高可靠性原则。在实用性的前提下，所采用的网络和信息化技术应是国际公认的主流技术，具有持续发展的潜力。

（4）易用性原则。系统页面布局科学合理，导航清晰，页面浏览及操作提示清晰、逻辑性强、直观简洁、帮助信息丰富，便于用户和管理人员以最少的点击次数获得相应信息及完成操作，有良好的用户体验。

（5）安全性原则。数据的安全有着无可替代的重要性。系统要求建立完善的管理体系，系统使用统一权限认证平台，为各角色精确地分配权限，保证重要资料的安全性。

2.3  系统总体设计

根据盾构机刀盘数据管理系统的需求分析，本系统将功能设计为组织机构、基础数据、监控管理、数据分析、人事管理、安全管理六部分。盾构机刀盘数据管理系统整体架构如图2所示。

2.4  功能结构设计

系统功能结构设计各菜单为组织机构（企业管理、部门管理）、基础数据管理（刀梁管理、刀具管理、传感器管理、刀梁配置）、监控管理（实时监测、历史数据）、数据分析（刀具趋势分析、刀梁趋势分析）、人事管理（用户管理、岗位管理）、安全管理（权限管理、操作日志）。

（1）组织机构主要是管理本系统的企业信息和部门信息。其中企业信息包含企业名称、法人、地址等相关信息;部门信息包含企业信息下各个部门的信息。企业信息分为了以下几大类：企业名称、税号、法人、地址信息，同时具有添加、删除、修改功能，实现了对于企业信息的管理。部门信息菜单栏有以下操作选项：添加部门、添加同级、添加下级、修改信息、删除功能;同时各项信息也有相应展示：部门信息、部门代码、联系人、联系地址、联系电话、部门描述。部门信息的管理可以提高信息管理的效率和有效性[7]。

（2）基础数据是统计刀盘上各个切刀的各个部位的基础数据;包括刀梁、刀具、传感器。每个刀盘上有4个刀梁，每个刀梁上有10～12把刀具。传感器接收刀盘各个位置的温度。刀梁管理栏目名称分为：刀梁编号、名称、位置、备注、操作，可以进行刀梁的添加和删除操作，选取需要观测数据的刀梁;刀具管理栏目名称分为：编号、刀梁名称、位置、备注、操作，对刀具的位置信息进行了直观的展示，同时也具有编辑、添加、删除的功能;传感器管理栏目名称分为：传感器名、协议、位置、备注、操作，直观地展示了传感器信息，也可以对需要管理的传感器进行编辑、添加、删除的功能;刀梁的配置则需要在盾构机的正面结构图上选择需要配置的一个具体的刀梁。

（3）监控管理主要是实现对各个刀具的磨损程度以及温度的实时监控，除了实时监控之外，还要能记录刀梁历史记录，以便查询。实时监控将刀具结构图上传感器位置用颜色可调节的指示灯来表示刀具实时的温度情况。用表格的形式将时间、切刀、磨损、温度作为实时检测的数据对象，将具体数据以直观的形式展示给管理者，同时，也能满足管理者的需求性选择。历史数据可以对刀梁、刀具的信息进行有选择性的查询;对应信息分别为：刀梁、刀具、时间、磨损和温度。

（4）数据分析是以图表的形式展示各刀梁刀具温度、磨损程度，便于判断温度、磨损的走向趋势。具体分为刀具趋势分析和刀梁趋势分析。刀具趋势分析功能是将刀具的温度和磨损程度的离散信息进行了整合和可视化处理;刀梁趋势分析是通过对刀梁、温度或者磨损程度，进行分析并生成曲线后展示在页面上。

（5）人事管理分管用户信息和岗位信息，提供企业的人事服务，提供用户和岗位的基础管理功能。用户管理模块分为部门名、角色名、用户姓名、用户信息等，页面菜单具有新增用户、修改信息、删除、导出、筛选列和打印选项，其功能是将用户信息进行整合，提供打印、导出等功能;岗位管理提供了岗位搜索、岗位授权功能。用户通过登录管理页面，即可根据自身需要选择需要管理的功能。

（6）安全管理包括权限管理、操作日志和密码的修改功能，用户所对应的岗位被分配的权限使得用户能访问用户所能允许操作的系统功能;日志记录着所有操作过本系统的记录;修改密码功能允许当前登录用户修改自己的登录密码。权限管理分为增加系统和增加权限两部分，按照操作指令填入系统名称、权限名、路径等完成权限更改操作;操作日志对于系统监督运维非常重要，在本系统中只需要满足搜索功能，没有对删除、增加等日志管理功能进行设计。为了满足操作需要设计了打印、导出、删选列功能和页面选取功能。

2.5  数据库设计

系统采用的数据库是MySQL数据库，使用MySQL的主要原因是其开源而且轻量级，安装起来较Oracle等其他数据库简单，MySQL安装完后仅占稍多于100 MB的内存。

从需求分析中可以总结出整个系统的整体功能分为两个部分：一部分是企业信息的管理，如企业信息、部门信息、用户管理、岗位管理等，另一部分便是业务的处理及数据的管理，如刀梁管理、刀具管理、传感器管理、趋势分析等，所以本系统的数据库整体分为两部分：一部分是企业管理;另一部分是业务管理。盾构机刀盘数据管理系统数据库结构如图3所示。业务部份的数据库表包括dz_knifeBeam、dz_knifeData、dz_txtFile、dz_knifeTool、dz_temperature、dz_sensor，企業基础信息管理部分的数据库表包括EMS_Menu、EMS_RoleAuth、EMS_Role、EMS_Ente、EMS_Depa、EMS_User、EMS_LogUser。[8-10]

3  系统应用与功能展示

本系统是将盾构机的刀梁、刀具、温度传感器等信息采集之后进行融合和分析，获得有利于管理实现的数据并进行有效的管控和数据可视化处理。大型刀具的管理要求在对信息进行采集的同时能够实现数据的整合和集中管理。减少设备运行故障，并且在设备运行出现故障时报警以提高效率，减少损失。本系统提高了盾构机的管理有效性和设备安全性。从根本上解决的大型盾构机管理数据紊乱，数据体量庞大带来的问题。同时，降低了管理成本，提高了社会生产效率。如图4所示为刀梁数据实时监测功能，图5所示为刀梁数据趋势分析功能。

4  结  论

本平台以解决实际问题为目的，从现实情况与实际业务出发，有效分析和可视化数据，完善系统功能，较好地解决盾构机数据管理存在的问题。本系统在运行过程中状态良好，系统有效灵活地解决用户、角色以及权限之间的关系管理问题，通过身份认证、日志管理等方式保障了系统的安全性以及保密性。对数据进行实时可视化和对历史数据的趋势可视化均很好地体现了数据的价值。

参考文献：

[1] 曾芬芳，景旭文.智能制造概论 [M].北京：清华大学出版社，2001.

[2] 王建军.基于数据仓库的广电智能器材管理系统的研究与实现 [D].北京：北京邮电大学，2006.

[3] 徐文璞.数字通信 [M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[4] 李伟.数字化车间基于MES的刀具管理模式研究与系统开发 [D].重庆：重庆大学，2016.

[5] 高金玉，张金波，王鹏宇，等.非接触式电力设备温度监测仪研究与设计 [J].东北电力大学学报，2016，36（4）：39-42.

[6] 董晓睿，丁健，孟凡芬，等.基于SSM框架的微博矩阵管理系统设计与开发 [J].电脑编程技巧与维护，2019（7）：4-6+16.

[7] 张德伟，徐学龙，吴大沛，等.基于二维码的试验样车管理系统的设计与实现 [J].现代信息科技，2020，4（10）：180-182.

[8] 陈全，邓倩妮.云计算及其关键技术 [J].计算机应用，2009（9）：2562-2567.

[9] 刘正伟，文中领，张海涛.云计算和云数据管理技术 [J].计算机研究与发展，2012，49（S1）：26-31.

[10] 赵璘，王红霞.基于Spring MVC+JDBCTemplate的Web系统的研究与应用 [J].软件工程，2017，20（1）：5-8.

作者简介：任沙（1991—），女，汉族，湖南汨罗人，硕士，研究方向：信息系统集成;通讯作者：唐强（1989—），男，汉族，湖南怀化人，实验师，硕士，研究方向：信息系统集成、信息可视化。