《地铁盾构大数据分析标准》

ICS号

中国标准文献分类号

团体标准

团体标准编号

代替团体标准编号

地铁盾构大数据分析标准

Standardfortechnologyofmetroshieldbigdataanalysis

（征求意见稿）

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

中国建筑节能协会发布

1范围

本文件规定了地铁盾构大数据分析的分析场景、数据资源、分析过程与方法、

结果可视化等内容。

本文件适用于地铁盾构施工前的勘察设计、盾构施工刀具磨损评估、盾构施

工轴线偏差智能报警及预测、盾构施工地表沉降预测与参数推荐、气象对盾构施

工影响分析的大数据分析。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其

中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文

件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB50715-2011地铁工程施工安全评价标

DZ/T0283-2015地面沉降调查与监测规范

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3术语和符号

下列术语和定义适用于本文件。

3.1术语

3.1.1

大数据bigdata

指的是来自各种来源的大量非结构化或结构化数据。

3.1.2

安全评价safetyassessment

以实现工程、系统安全为目的，应用安全系统工程原理和方法，对工程、系

统中存在的危险、有害因素进行识别与分析，判断工程、系统发生事故和急性职

业危害的可能性及其严重程度，剔除安全对策建议，从而为工程、系统制定防范

措施和管理决策提供科学依据。

[GB50715-2011]

3.1.3

盾构法shieldmethod

在既能支承地层压力、又能向前推进的圆形钢壳体的保护下进行开挖、推进、

装配、衬砌和注浆等作业的施工方法。

[GB50715-2011]

3.1.4

掘进参数tunnelingparameters

盾构机在施工运行过程中各子系统的运行参数，包括土仓压力、刀盘转速、

油缸推力、螺旋输送机转速等。

3.1.5

轴线偏差axisdeviation

盾构机在掘进过程中，由于受到开挖面土压力和盾壳外围土压力的不均衡性、

地下土层变化及其他方面的影响，盾构掘进轴线过量偏离原设计轴线。

3.1.6

地面沉降landsubsidence

因自然因素和人为活动引发松散地层压缩所导致的地面高程降低的地质现

象，包括在其发育过程中伴生的地裂缝现象。

[DZ/T0283-2015]

3.2符号

PLC可编程序控制器ProgrammableLogicController

AI人工智能ArtificialIntelligence

CAD计算机辅助设计ComputerAidedDesign

APP应用程序Application

PCA主成分分析技术PrincipalComponentsAnalysis

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4目标和要求

4.1目标

为规范地铁盾构大数据分析的标准，给海量数据资源的使用和分析提供指引

和参考，提升盾构施工行业数据利用价值，特制定本文件。

4.2定义

本文件中的大数据指在地铁盾构业务中产生的海量数据资源。

4.3来源

地铁盾构大数据来自于地铁盾构工程的各个信息化系统中，尤其是施工现场

的业务数据系统。

4.4分类

从数据处理的角度看，分为原始数据和衍生数据。

注：原始数据是指来自上游系统的，没有做过任何加工的数据。

衍生数据是指通过对原始数据进行加工处理后产生的数据。

4.5基本要求

a)地铁盾构大数据分析场景包括勘察设计、盾构施工刀具磨损评估、轴线

偏差智能报警及预测、地表沉降预测与参数推荐、气象对盾构施工影响分析。

b)地铁盾构大数据分析数据资源应包括勘察设计数据资源、盾构施工刀具

磨损评估数据资源、轴线偏差智能报警及预测数据资源、地表沉降预测与参数推

荐数据资源、气象对盾构施工影响分析数据资源。

c)地铁盾构大数据分析过程与方法应包括关键影响因素分析、预测类分析

和评估类分析。

d)地铁盾构大数据结果可视化应包括关键影响因素分析、预测类分析和评

估类分析。

e)施工前的勘察设计场景下应进行规划选线分析、投资估算分析和安全评

价分析。

f)盾构施工过程中应进行刀具磨损评估、轴线偏差智能预测预警、地面沉

降预测与参数推荐以及气象对盾构施工的影响分析。

g)在进行地铁盾构大数据分析之前应充分收集各场景相关数据资源，以确

保分析结果的可靠性。

h)在分析之前应进行数据预处理，包括但不限于对缺失值、异常值、重复

值等进行处理。

i)在提取关键影响因素时，应结合机器学习算法和专家经验得出最终关键影

响因素。

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5地铁盾构大数据分析技术要求

5.1分析框架要求

地铁盾构大数据分析要求包括分析场景、分析所需数据资源种类、分析流程

与方法、分析结果可视化四个部分，分析框架要求的内容见图1。

图1分析框架图

5.2分析场景要求

5.2.1勘察设计要求

（1）场景目标

在进行地铁线路规划时，对提出的多种不同的线路方案进行快速定量化评价，

选出最优的线路方案。

（2）范围

一般包括规划选线、投资估算分析、安全评价分析的业务数据。

（3）基本原则

1）规划选线分析要求

地铁线路规划过程中，按要求需综合考虑评价的因素有：

a)线路辐射范围、各站辐射范围人口密度、人口日常迁徙规律。

b)城市规划色块图、文物保护控制点、环境控制点。

c)交通接驳因素、换乘站数量、车辆基地布设控制因素、渡线设施因素等。

d)对线路影响因素需进行科学的全面的考虑，定量评价选线方案。

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e)突发情况下地铁线路调配、应急措施布设、车站人群疏散速度、应急疏

散路线等安全因素。

2）投资估算分析步骤：

a)基于工程概算历史数据的工程概算指标数据库和其它大量历史数据，参

考土建投资估算的计算经验。

b)建立影响投资的因素之间的连接方式。

c)形成工程概算的知识图谱。

d)明确输入条件，输出投资估算。

3）安全评价分析要求

安全评价分析以明挖车站和盾构区间为评价分析对象，以工程事故案例历史

数据为数据资源，包括：

a)工程事故的大概情况，事故的具体情况。

b)事故原因的初步分析、事故的发生发展经过、事故抢修抢险措施。

c)事故项目的地质勘察资料、围护结构资料、施工过程资料和工程监测资

料。

d)针对意外突发事件的车站应急预演方案、相关设备应急保护措施、防火

防涝防烟安全备案。

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5.2.2盾构施工刀具磨损评估要求

（1）场景目标

实现实时量化评估当前盾构机刀具的健康状态以及未来刀具的磨损状态的

目的。

（2）范围

包括刀盘系统机械结构与故障模式分析、滚刀失效FMECA分析、刀具磨损机

理分析、刀具磨损影响因素梳理、专家经验与施工参数匹配分析。

（3）基本原则

以地质特性、刀具特性、PLC参数三类数据为输入，建立滚刀整体磨损程度

判别模型，实现滚刀整体磨损轻重程度判断，给出是否需要检查建议。

另外，建立滚刀磨损预测模型，预测滚刀未来一定掘进距离的磨损退化程度。

5.2.3盾构施工轴线偏差智能报警及预测要求

（1）场景目标

针对现有技术并不能及时遏制或处理盾构掘进中的轴线偏差问题。

（2）范围

包括轴线偏差的关键施工参数及其他相关因素分析、关键施工参数与轴线偏

差量的关联分析、轴施工参数建议值范围验证与修正、轴线偏差量预测、轴线偏

差智能报警等方面。

（3）基本原则

针对现有技术不能及时遏制或处理盾构掘进中的轴线偏差问题，采取：

a)智能采集轴线偏差相关数据，可视化监测轴线偏差相关的关键数据。

b)实时观测盾构机的掘进路线是否严重偏离原始设计轴线。

c)对数据的分析处理结合盾构掘进趋势，剔除无效预警，进行智能化的预

警。

d)建立轴线偏差最大位移实时预测模型，根据最大允许纠偏值、历史数据

每一环可能的/允许的最大纠偏量、目前掘进趋势等进行分析和纠偏设计。

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5.2.4盾构施工地表沉降预测与参数推荐要求

（1）场景目标

解决现有技术并不能及时遏制或处理盾构掘进中的地面沉降问题。

（2）范围

包括地表沉降产生的关键施工参数及其他相关因素分析、关键施工参数和地

表沉降量的关联分析与推荐施工参数的合理范围、单一地层和复杂地层的地表沉

降量预测模型。

（3）基本原则

通过大数据分析技术，对开挖面前后方一定范围内的沉降量进行及时、准确

预测和预估。

为了避免盾构施工过程中地表沉降量超过安全阈值，完成基于大数据分析的

参数推荐，有效控制地表沉降，将沉降控制在合理范围，保证施工安全。

5.2.5盾构施工的气象影响因素分析要求

（1）场景目标

提供在建地铁沿线车站精细化天气数据服务，包含雷达图外推实时预报服务

与Web端气象数据可视化服务。

（2）范围

包括地铁沿线强降雨对地铁施工的影响、强降水对地面沉降的影响。

（3）基本原则

通过分析地铁沿线强降雨、地铁电梯井位置强降雨对地铁施工的影响，强降

雨对盾构过程的影响，形成精细化降雨预报预警方案，包括：

a)短时强降水雷达实时监测数据及可视化展示。

b)AI+气象雷达外推实时预报产品推送。

c)未来一周精细化天气预报。

d)地表沉降综合分析预测。

5.3分析所需数据资源种类要求

5.3.1勘察设计数据资源

1）规划选线分析数据资源

为实现规划选线的定量评估，数据资源应包含：

a)线路基本信息、线路基本信息包括基本特征、风险点数据、重大风险源、

线路安全调度等数据，客流特征数据，人口密度、人口日常迁徙规律等。

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b)线路车站数据，包括站型、施工工法、总建筑面积、车站总长、车站总

高、车站安全设施布设、疏散通道标识、沿线城市（道路、建筑）现状数据等。

c)线路区间数据，包括区间长度、线间距、风险工程距离、工期、区线路

转换空间等。

d)线路车站和区间评价指标数据。

e)环境数据：周边地质水文数据，包括地表水、地下水、水质数据以及河、

湖地形等相关属性数据，线路经过区域的气候数据，包括降水量、降水周期等。

2）投资估算分析数据资源

为实现各单项工程投资估算分析，数据资源应包含：

a)车站工程，包含车站概况信息、主要工程量和劳动力及主要材料数量汇

总数据。

b)区间工程，包含区间概况信息、主要工程量和劳动力及主要材料数量汇

总数据。

c)人防工程（分为车站人防工程和区间人防工程）等单项工程概算数据，

其中车站人防工程概算数据包含出入口信息数据和风道信息数据；区间人防工程

概算数据包含区间工程数据。

3）安全评价分析数据资源

安全性评价分析主要使用车站、区间勘察设计、地质水文、沿线道路建筑、

突发事件应急数据资源的相关信息见表1。

表1安全评价分析数据资源

数据资源种类内容

工程信息数据介绍工程概况

工程设计参数数据工程设计参数

工程所在地质种类及相应的特性参数、地表

地质水文参数

水与地下水以及水质数据等

人口密度、人口日常迁徙规律、客流疏散路

客流特征数据

线、疏散速度

沿线车流量、地上建筑、周边公共交通情况

沿线道路、建筑现状数据

数据信息

车站应急预案、火灾自动报警系统、防排烟

突发事件应急数据设计、防火卷帘、防倒灌排水等设施布设、

应急供电系统

事故案例数据，包括事故原因分析、事故调

工程事故数据查报告、伤亡人数与财产损失结果、事故应

急预案

5.3.2盾构施工刀具磨损评估数据资源

数据资源应包括：

a)盾构机PLC数据、包括盾构机运行过程中各个子系统的运行参数。

b)刀具磨损测量与维修更换记录，包括盾构机运行过程中各个子系统的运

行参数。

c)施工地质特性与水文特征数据，包括历史施工路段地质类型及相关地质

特性参数，地表水、地下水、水质数据以及河、湖地形等相关属性数据。

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d)刀盘系统机械结构图，刀盘系统机械结构图为刀盘系统的CAD装配图。

5.3.3盾构施工轴线偏差智能报警及预测数据资源

轴线偏差分析应主要使用盾构机PLC数据，通过数据采集平台中的物联感知

子平台采集获取，也可通过盾构远程监控系统导出获取，相关信息见表2。

表2轴线偏差智能报警及预测分析数据资源

数据资源种类内容

盾构机PLC数据盾构机施工运行过程中各子系统的运行参数

盾构项目日志今日进度、明日计划、问题及分析等

不同地质环境施工参数范围，盾构机掘进受力分析，

专家知识经验

盾构机铰接型式，管片拼装方式等

实际工程文献纠偏方案制定、纠偏曲线设计等

5.3.4盾构施工地表沉降预测与参数推荐数据资源

地表沉降分析应主要使用盾构机PLC数据及地表沉降量检测数据，通过数据

采集平台中的物联感知子平台采集获取，也可通过盾构远程监控系统导出获取，

相关信息见表3。

表3地表沉降预测与参数推荐数据资源

数据资源种类内容

盾构机PLC数据盾构机施工运行过程中各子系统的运行参数

沉降监测数据各个沉降点沉降量检测值

施工地质特性数据施工路段的地质种类及相应的特性参数

地表水、地下水、水质数据以及河、湖地形等相关

水文特征数据

属性数据

其他数据盾构机型号、埋深等

5.3.5气象对盾构施工影响分析数据资源

数据资源应包括：

a)实况观测数据、包括中国气象站逐小时观测数据、雷达回波实况数据、

全球预报系统数据。

b)地理信息数据、包括各个地铁站地理位置坐标、海拔高度、地表类型。

c)APP预报数据、包括当前地面常规物理量（温度、湿度、降雨量等）、

未来数小时各站点地面常规物理量（温度、湿度、降雨量等）、未来数小时雷达

回波外推结果。

d)其他数据。包括施工沿线实况和预报的地面常规物理量（温度、湿度、

降雨量等）。

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5.4分析流程与方法要求

5.4.1关键影响因素分析流程与方法

关键影响因素分析可按照如下步骤进行：

a)数据处理，包括非数值化数据处理，缺失值处理，归一化处理，异常值

检测，标准化等。

b)对数据进行相关性分析，剔除冗余因素。所用方法主要有：相关系数分

析等。

c)利用机器学习算法筛选或提取关键影响因素。所用方法主要有：随机森

林，关联分析等。

d)特征提取或重构。所用方法主要有：PCA等。

e)与专家经验和知识进行综合对比分析，给出最终关键影响因素。

5.4.2预测类分析流程与方法

预测类分析可按如下步骤进行：

a)利用关键影响因素分析方法获得预测目标的关键因素。

b)构建预测模型。分类预测方面，所用方法主要有：支持向量机、XGBoost

等；回归预测方面，所用方法主要有：线性回归、支持向量回归等。

c)根据预测模型进行预测，获得预测结果，并对结果进行评价分析。

5.4.3评估类分析流程与方法

评估类分析可按如下步骤进行：

a)利用关键影响因素分析方法获得评估目标的关键因素。

b)给出评估的指标。

c)构建评估模型。

d)对评估结果进行分析。

5.5分析结果可视化要求

5.5.1可视化实现方法

利用开源的可视化组件进行结果的可视化，主要组件有：neo4j、echart、

networkX、matplotlib。

可视化的形式应主要包括：

a)柱形图类：水平基本柱形图、水平胶囊柱形图、列表柱形图、分组柱形

图、垂直基本柱形图、垂直胶囊柱形图、折线图、斑马柱形图、正负坐标柱形图；

b)折线图：区域图、基本折线图、双轴折线图；

c)饼图：基本饼图、单值百分比饼图、指标对比饼图、目标占比饼图、多

维度饼图、带图饼图、多值百分比饼图、指标饼图；

d)散点图：散点图、气泡图；

e)其他基础图表：基本水位图、雷达图、销售额动态看板、销售额静态看

板、地图实时动态闪点效果。

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5.5.2分析结果可视化参考

a)关键影响因素分析内容参考见图2至图4。

图2关键影响因素分析可视化1

图3关键影响因素分析可视化2

图4影响因素分析可视化3

b)预测类分析结果可视化内容参考见图5至图6。

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图5预测类分析结果可视化1

图6预测类分析结果可视化2

c)评估类分析结果可视化内容参考见图7。

图7评估类分析结果可视化

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附录A盾构大数据分析数据集内容

（规范性）

A.1盾构施工设备状态数据采集内容

施工设备状态数据采集内容及数据类型符合表A.1规定。

表A.1设备运行状态信息数据项及数据类型

序号数据项数据类型说明

1设备编号字符型如“……”。

2开机时间字符型格式为YYYY一MM一DDHH:MM:SS。

3关机时间字符型格式为YYYY一MM一DDHH:MM:SS。

4状态编码字符型对应的类别代码。

A.2盾构施工工艺数据采集内容

施工工艺类数据采集内容及数据类型符合表A.2至表A.7规定。

表A.2盾构掘进刀盘系统数据采集内容

序号数据项数据类型说明

1刀盘速度调节整型

2刀盘转速浮点型

3刀盘功率浮点型

4刀盘油温浮点型

5刀盘速度给定浮点型

6刀盘扭矩浮点型

7刀盘绝对位置浮点型

8刀盘角度浮点型

9超挖刀行程浮点型

10刀具磨损检测浮点型刀盘磨损检测，通常包含多个检测点。

11刀盘磨损检测油路压力浮点型

12超挖刀行程检测浮点型

13刀盘贯入度浮点型

14超挖刀油温检测浮点型

15刀盘喷水流量检测浮点型

16刀盘喷水压力检测浮点型刀盘喷水压力检测数据，通常包含多路。

17刀头刀盘位移油缸行程浮点型刀头刀盘位移油缸行程，通常包含多组。

18刀盘喷水当前环累计量浮点型

19刀盘喷水总累计量浮点型

20刀盘当前环累计工作时间整型

21刀盘总累计工作时间整型

22刀盘喷水自动控制布尔型

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掘进刀盘驱动电机参数，通常包含多组电

23电机频率浮点型

机，下同。

24电机功率浮点型

25电机电流浮点型

26电机扭矩浮点型

27主驱动电机温度检测浮点型

28扭矩箱油缸行程刀头偏移浮点型

表A.3盾构推进系统数据采集内容

序号数据项数据类型说明

1推进总推力浮点型

2油缸推力浮点型推进系统各组油缸推力，通常包含多组。

3齿轮油温浮点型

4推进泵出口压力浮点型

推进泵压力，包含多组，数量与油缸数量一

5推进压力浮点型

致。

辅助推进油缸行程，包含多组，数量与油缸

6辅助推进油缸行程浮点型

数量一致。

推进油缸行程，包含多组，数量与油缸数量

7推进油缸行程浮点型

一致。

8推进速度浮点型

9掘进环数整型

10当前环数整型

11推进位移浮点型推进位移，包含多组，数量与油缸数量一致。

12油箱油温浮点型

表A.4盾构盾尾密封系统数据采集内容

序号数据项数据类型说明

通常包含盾尾密封前、后部16个方

1盾尾密封压力浮点型

位的检测值。

2盾尾密封行程距离浮点型

3HBW密封油脂当前环累计量浮点型

4HBW密封油脂总累计量浮点型

5EP2润滑油脂当前环累计量浮点型

6EP2润滑油脂总累计量浮点型

7盾尾密封当前环累计量浮点型

8盾尾密封总累计量浮点型

9HBW外密封计数整型

10HBW内密封计数整型

表A.5盾构导向系统数据采集内容

序号数据项数据类型说明

1滚动角左极限取负值浮点型

通常包含多个方位的位移检

2铰接位移浮点型

测。

3盾体俯仰角浮点型

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4上位机顺转角度值浮点型

5上位机逆转角度值浮点型

6扭矩油缸行程掘进方向浮点型

通常包含多个方位的位移检

7盾体铰接油缸行程右部掘进方向浮点型

测。

8掘进速度浮点型

9前盾俯仰角整型

10前盾旋转角

俯仰角1盾体轴线与第一节盾体水平线

11

之间的夹角

俯仰角2盾体轴线与第二节盾体水平线

12

之间的夹角

通常包含多个里程的多个参

13里程参考点投影到隧道轴线上的里程

考点。

通常包含多个方位的检测

14盾尾间隙值

值。

15参考点的隧道长度到隧道轴线上的投影通常包含多个参考点。

表A.6注浆系统数据采集内容

序号数据项数据类型说明

1注浆液压力浮点型通常包含多个检测点。

2砂浆位置检测浮点型

3注浆液当前环累计量浮点型

4注浆液总累计量浮点型

通常通过操作面板调节，包含多个方位的

5注浆速度调节浮点型

值。

6自动注浆时间浮点型

7自动注浆剩余时间浮点型

8注浆自动状态布尔型

9混合液流量整型通常包含多个检测点。

10AB液比例值浮点型

11喷水自动间隔时间设定值整型

表A.7门式起重机数据采集内容

序号数据项数据类型说明

1起重量浮点型

2起升高度/下降深度浮点型

3运行行程浮点型

4大车运行偏斜浮点型

5风速浮点型

6操作指令字符型

7工作时间整型

8累计工作时间整型

9工作循环整型

10起升机构制动器开闭状态布尔型

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11抗风防滑状态布尔型

12联锁保护门限位状态布尔型

13联锁保护机构运行互锁状态布尔型

同一或不同一轨道运行机构安全

14布尔型

信号

15供电电缆卷筒状态布尔型

16超速保护状态布尔型

A.3盾构施工质量数据采集内容

施工质量类数据采集内容及数据类型符合表1.3-1、表1.3-2规定。

表A.8管片拼装系统数据采集内容

序号数据项数据类型说明

1管片宽度浮点型

2管片安装机角度计算浮点型

3管片安装机当前角度浮点型

4中断取的管片安装机角度浮点型

5管片安装机逆转角度计算值浮点型

6管片安装机角度计算浮点型

7砂浆罐超声波传感器液位间距浮点型

8拼装机抓举头压力浮点型

9管片拼装模式整型

表A.9全站仪隧道断面检测数据采集内容

序号数据项数据类型说明

1点编号浮点型

2偏距（Y）浮点型

3里程（X）浮点型

4高程（Z）浮点型

5与轨面线高差浮点型

6相对坐标X浮点型

7相对坐标Y浮点型

8多段线命令字符型

A.4盾构施工安全数据采集内容

施工安全类数据采集内容及数据类型符合表1.4规定。

表A.10施工安全相关数据采集内容

序号数据项数据类型说明

1硫化氢气体检测浮点型

2甲烷气体检测浮点型

3水平位移监测累计变化量浮点型

4竖向位移监测累计变化量浮点型

5深层水平位移监测量浮点型

6土体分层竖向位移监测浮点型

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主要包括：建（构）筑物、桥梁、

7裂缝监测浮点型

既有隧道结构等

8地下水位监测浮点型

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