一种基于物联网的顶管机施工在线监测系统的制作方法

本发明涉及顶管机施工装置，具体为一种基于物联网的顶管机施工在线监测系统。

背景技术：

1、顶管施工技术作为一种非开挖的地下管道铺设方法，已经在城市基础设施建设中广泛应用，特别是在城市密集区进行石油、电力、排水等管线施工时，具有避免地面大规模开挖的优势。传统的顶管施工依赖于操作人员对设备的手动操作和参数的监控，而随着科技的发展，施工现场的监测技术也在不断进步。

2、现有技术中，顶管机的运行状态和环境参数通常通过安装在设备上的各类传感器进行监控，如顶管机的推力、泥浆压力、泥浆流量等重要参数。然而，这些监控手段通常独立运行，监测的数据需要由现场人员定期读取和分析，并基于这些数据进行手动调整。这种监控方式虽然能够满足大部分施工需求，但在复杂的施工环境或远程施工过程中，存在以下几个问题：

3、数据的集中化处理能力有限：现有的监测设备往往分散在施工现场的各个关键位置，虽然能够采集到部分关键参数，但这些数据缺乏统一的分析和处理系统。操作人员需要定期对每个设备进行数据读取，无法实现对整个施工过程的集中化、实时化监控。

4、远程监控和自动化水平不足：由于顶管施工通常在地下进行，施工现场条件复杂，操作人员需要在现场进行设备调试和参数调整，这对施工安全和效率提出了更高要求。现有技术中的传感器虽然能够实时监测部分施工参数，但缺乏远程控制和自动化处理能力，导致在突发状况下，响应速度较慢。

5、预警系统的局限性：现有技术中的监测系统虽然可以采集并显示部分设备参数，但通常不具备综合的数据分析和智能预警功能。当施工参数发生异常时，操作人员需要手动判断并采取措施，这可能延误问题处理的最佳时机。

技术实现思路

1、基于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于物联网的顶管机施工在线监测系统，以解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于物联网的顶管机施工在线监测系统，包括：

3、物联网传感器，用于采集环境参数和顶管机的状态参数；

4、数据采集模块，用于连接所述物联网传感器，实时获取并传输所述环境参数和所述状态参数；

5、数据处理模块，用于接收并预处理所述环境参数和所述状态参数，根据预处理后的所述环境参数和所述状态参数计算综合监测指标，其中，所述综合监测指标包括切削能耗系数、泥浆动能系数、机械应力集中系数和地层扰动系数；

6、监控模块，用于实时监测所述综合监测指标，建立阈值动态调整机制，根据动态阈值计算相对偏差，当相对偏差大于偏差阈值时生成报警信号，进行报警，并可视化显示所述综合监测指标的实时数据和历史趋势；

7、通信模块，用于基于物联网技术，实现数据的无线传输。

8、本发明进一步设置为，所述物联网传感器包括负载传感器、扭矩传感器、压力传感器、土壤湿度传感器、密度传感器和流量传感器；所述环境参数包括开挖面土压、土壤硬度、土壤含水率、泥浆密度、泥浆流量、泥浆压力和地表沉降量；所述状态参数包括液压压力、推进力、推进速度、切削头扭矩、切削头转速、电机电流、振动加速度和设备倾角。

9、本发明进一步设置为，根据所述环境参数和所述状态参数计算综合监测指标，包括：

10、根据所述推进力、推进速度、切削头扭矩、切削头转速、开挖面土压和土壤含水率计算切削能耗系数；

11、根据泥浆密度、泥浆流量和泥浆压力计算泥浆动能系数；

12、根据液压压力、电机电流、振动加速度和设备倾角计算机械应力集中系数；

13、根据地表沉降量、设备倾角、推进力和土壤含水率计算地层扰动系数。

14、本发明进一步设置为，根据所述推进力、推进速度、切削头扭矩、切削头转速、开挖面土压和土壤含水率计算切削能耗系数，所述切削能耗系数的计算逻辑为：，其中，为切削能耗系数，为推进力，为推进速度，为切削头扭矩，为切削头转速，为开挖面土压，为土壤含水率。

15、本发明进一步设置为，根据泥浆密度、泥浆流量和泥浆压力计算泥浆动能系数，所述泥浆动能系数的计算逻辑为：，其中，为泥浆动能系数，为泥浆密度，为泥浆流量，为泥浆压力。

16、本发明进一步设置为，根据液压压力、电机电流、振动加速度和设备倾角计算机械应力集中系数，所述机械应力集中系数的计算逻辑为：，其中，为机械应力集中系数，为液压压力，为电机电流，为振动加速度，为设备倾角。

17、本发明进一步设置为，根据地表沉降量、设备倾角、推进力和土壤含水率计算地层扰动系数，所述地层扰动系数的计算逻辑为：，其中，为地层扰动系数，地表沉降量，为设备倾角，为推进力，为土壤含水率。

18、本发明进一步设置为，实时监测所述综合监测指标，建立阈值动态调整机制，根据动态阈值计算相对偏差，当相对偏差大于偏差阈值时生成报警信号，进行报警，包括：

19、根据历史数据设置综合监测指标的初始阈值区间；

20、根据所述环境参数和所述状态参数计算环境影响因子和设备状态影响因子；

21、根据所述环境影响因子和设备状态影响因子对初始阈值区间进行动态调整，生成动态阈值区间；

22、根据综合监测指标和对应动态阈值区间计算相对偏差，当相对偏差大于偏差阈值时生成报警信号，进行报警。

23、本发明进一步设置为，所述环境影响因子的计算逻辑为：，其中，为环境影响因子，为土壤硬度，为基准土壤硬度，为土壤含水率，为基准土壤含水率，为设备倾角；

24、所述设备状态影响因子的计算逻辑为：，其中，为设备状态影响因子，为液压压力，为基准液压压力，为切削头扭矩，为基准切削头扭矩，为电机电流，为基准电机电流。

25、本发明进一步设置为，根据所述环境影响因子和设备状态影响因子对初始阈值区间进行动态调整；根据综合监测指标和对应动态阈值区间计算相对偏差，当相对偏差大于偏差阈值时生成报警信号，进行报警，包括：

26、将环境影响因子和设备状态影响因子进行幂次加和，得到综合影响因子；

27、将所述初始阈值区间与所述综合影响因子相乘得到动态阈值区间；

28、当所述综合监测指标位于动态阈值区间外时，计算相对偏差；

29、当所述相对偏差大于第一偏差阈值且小于或等于第二偏差阈值时，生成第一报警信号，进行报警；

30、当所述相对偏差大于第二偏差阈值时，生成第二报警信号，进行报警且对顶管机进行停机处理。

31、本发明提供一种基于物联网的顶管机施工在线监测系统，包括：物联网传感器，用于采集环境参数和顶管机的状态参数；数据采集模块，用于连接所述物联网传感器，实时获取并传输所述环境参数和所述状态参数；数据处理模块，用于接收并预处理所述环境参数和所述状态参数，根据预处理后的所述环境参数和所述状态参数计算综合监测指标，其中，所述综合监测指标包括切削能耗系数、泥浆动能系数、机械应力集中系数和地层扰动系数；监控模块，用于实时监测所述综合监测指标，建立阈值动态调整机制，根据动态阈值计算相对偏差，当相对偏差大于偏差阈值时生成报警信号，进行报警，并可视化显示所述综合监测指标的实时数据和历史趋势；通信模块，用于基于物联网技术，实现数据的无线传输，产生的有益效果包括：

32、实时性和全面性提高：本发明采用了多个物联网传感器和数据采集模块，能够实时监测顶管机在施工过程中涉及的多种参数，包括设备的运行状态和环境参数，通过物联网终端实时传输至服务器，保证了监测的实时性和数据的全面性，实现了数据的集中管理与实时反馈，显著提高了监测效率；

33、智能化数据处理与预警机制：本发明引入了智能数据处理模块，能够对采集到的施工参数进行自动分析与处理，并生成施工综合监测指标。当监测数据超出预设的偏差阈值时，系统会自动发出报警信号，提醒操作人员采取必要的措施。这种智能化预警机制大大降低了设备故障或施工异常可能带来的安全隐患，避免了依赖人工判断的滞后性，提升了施工安全性；

34、提升了决策准确性：本发明通过对基础参数进行综合计算与分析，生成施工监测指标，能够准确反映顶管机的整体运行状况，不仅可以实时评估设备的当前工作状态，还能提前预测潜在的风险，从而优化施工决策，提升了施工效率和安全性；

35、影响因子的动态计算与优化控制：本发明通过对影响因子进行动态计算和实时监控，能够帮助施工人员识别异常情况，并根据不同的影响因子对施工参数进行优化调整，保证施工的安全性和质量稳定性。通过对影响因子的精确控制，本发明显著降低了施工过程中发生设备故障和环境风险的概率，提升了施工效率和施工的可靠性。

36、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。