作品来源：2026届智能建造专业本科毕业设计

设计人：蒋卓熠、陈龙杰

指导老师：骆剑彬、张鹤、关振长

作品视频

作品介绍

随着城市轨道交通、市政隧道和地下空间工程建设规模不断扩大，盾构机已成为隧道施工中的关键大型装备。盾构刀具直接作用于岩土体，其磨损状态、维修方式、更换时机和成本消耗会直接影响掘进效率、开仓风险与项目造价。为提升盾构施工中刀具管理的数字化、精细化和可追溯水平，本作品设计并实现了一套基于B/S架构的盾构刀具管理系统。系统采用前后端分离架构，融合项目台账管理、盾构机与刀位管理、开仓换刀记录、BIM三维刀盘可视化、多维数据分析、智能预警和报表导出等功能，为施工单位开展刀具状态跟踪、维修决策、寿命评价和成本控制提供了一套较完整的信息化解决方案。

1系统背景及意义

盾构施工过程中，刀盘上通常布置有滚刀、刮刀等多类型刀具。不同地层条件下，刀具受到的切削力、冲击载荷和磨蚀作用差异明显，容易出现异常磨损、偏磨、崩刃或寿命离散等问题。传统依赖人工记录和经验判断的管理方式，往往存在换刀记录分散、刀位历史难以追溯、成本统计滞后、预警判断不及时等不足，难以支撑多项目、多盾构机并行施工场景下的精细化管控。

本系统通过系统化记录和自动化计算，能够使管理人员快速掌握刀具服役状态、识别高频更换刀位、评估不同厂家刀具表现，并为开仓计划、备件采购和施工成本控制提供数据依据。

2系统架构设计

本系统面向盾构施工过程中刀具状态监测、换刀记录管理、成本统计分析和报表生成等业务需求，采用前后端分离的B/S架构进行设计，分为用户层、交互层、业务功能层、数据层和设备层五个部分。

用户层主要包括公司管理人员、项目管理人员和超级管理员三类角色。公司管理人员可以进行用户管理，并拥有查看各类记录数据、可视化模型、可视化地图、数据分析看板和下载报表的权利；项目管理人员能够对各类数据记录进行增、删、改、查，也能够查看可视化模型、可视化地图、数据分析看板，下载报表；超级管理员拥有本系统的所有权限，作为一个备用账户。

交互层是用户与系统功能进行连接的入口，主要由用户管理、CRUD数据管理页面、数据分析大屏、报表预览、报表下载、BIMFace模型展示、地图可视化等模块组成。用户通过浏览器即可实现与系统的交互。

业务功能层负责处理系统的主要任务，该层提供数据交互服务、数据统计分析服务、数据过滤检索服务、认证管理服务、操作记录服务、接口配置服务。数据交互服务依靠RESTful API来完成前后端数据的传输，系统中的项目管理、地层信息、盾构机、刀具、刀位、开仓记录和换刀明细这些模块都通过统一接口进行数据访问。

数据层主要使用PostgreSQL数据库储存各个模块的相关数据。报表文件由后端报表服务根据筛选条件从数据库中调用相关信息进行处理后自行生成。

设备层包括机房、服务器和终端设备等，为系统运行提供基础环境，是整个系统稳定运行的基础。

图1 系统总体架构

3系统功能模块设计

该系统根据实际需求分为七个模块，系统基础管理模块主要进行登录认证、用户管理和用户权限配置，它能够保证系统访问安全，并且根据不同角色控制用户可以使用的功能范围。项目管理模块由项目列表、地层信息管控和盾构设备管理三个子模块组成，能够储存和维护项目基础资料、施工地层信息、盾构机信息及其刀位信息。刀具管理模块可以建立完善的刀具信息档案，包含刀具编号、类型、生产厂商、品牌配件、维修条件、维修报价等信息，并且可以和项目管理模块建立关联，形成完整的数据链条。换刀管理模块主要包括开仓信息和换刀明细，其主要功能是记录每次开仓的时间、环号、区间等信息，并且保存各次开仓过程中不同刀位的维修和更换记录。数据分析模块基于工程相关数据进行整合分析，输出刀具磨损情况、换刀成本、刀具寿命的相关统计图表，可视化展示各类信息，为刀具厂商选择、开仓安排提供数据支持。报表生成模块支持生成换刀分析报表、成本统计报表和刀具寿命报表，将系统分析结果整理为可预览、可导出的报表文件，方便汇总和归档，并基于数据给出重点关注刀位、刀具厂家选择等相关参考建议。可视化模块通过BIM轻量化模型能够展示盾构刀盘及刀位信息，使用户能够更加直观地查看该盾构机刀盘上刀具布置情况和该刀位刀具相关信息；地图可视化通过调用高德地图API能够直观地展示项目的具体位置，为用户提供一个直观的地理空间参考。

图2 系统模块划分

4数据库设计

系统数据库遵循实体清晰、关联明确、过程可追溯的设计原则，共设计了8个数据表记录施工中的相关数据，作为后面数据分析和报表生成的数据基础。

项目信息表作为存储盾构施工项目的基础信息，是盾构机、地层信息等业务数据的基础。地层信息表用于维护不同项目下各环号区间对应的地层类型和地质情况。盾构机基本信息表用于记录盾构机编号、型号及其所属项目信息。刀位信息表记录各盾构机上不同刀位安装刀具的相关信息。刀具类型信息表记录刀具的类型信息。刀具成本信息表中记录不同厂商提供给各类刀具的维修相关信息，包括维修方式、维修部位、品牌及报价等。开仓基本信息表中主要记录各次开仓中的相关信息。换刀明细表中主要记录各次开仓后各个刀位的换刀情况，包括是否更换、累计更换次数、更换刀具的刀具厂商、维修部位、价格等。

以下是各数据表一览：

表1 项目信息表

表2 地层信息表

表3 盾构机基本信息表

表4 刀位信息表

表5 刀具类型信息表

表6 刀具成本信息表

表7 开仓基本信息表

表8 换刀明细表

5系统功能介绍

5.1系统登录

在本地正常运行打开项目后，用浏览器打开http://localhost:8080/。在登录界面输入正确的用户名和密码框后可以进入系统。用户登录界面如图2-1所示。

图5-1 系统登陆界面

5.2系统首页

首页是系统的核心展示门户，把项目概况、预警信息、高频刀位统计、三维刀盘模型和地理位置地图集中显示出来，使管理人员可以查看施工现场的实时情况。

图5-2 盾构刀具管理系统首页

5.2.1项目概况面板

页面顶部设有项目和盾构机联动的选择器。用户选定项目后，盾构机下拉列表会自动进行过滤，只显示属于该项目的设备。选中盾构机之后，页面各模块的数据会进行联动刷新。

概况面板展示六个重要指标，分别是项目名称、项目地址、盾构机直径、隧道总长、当前掘进环数、累计换刀次数。以卡片形式排列这些指标，让管理者进入页面后可以迅速了解当前项目的基本状况。

图5-3 首页项目概况面板

5.2.2换刀预警、维修预警与高频更换刀位

预警模块对换刀明细记录里各刀位的当前掘进环数和上次换刀环数的差值进行实时计算，动态得到每个刀位的已服役环数，并记录各刀位更换刀具的次数，用卡片列表的形式把换刀预警前三个和维修预警前三个以及前十个高频更换刀位都进行了展示。

图5-4 换刀预警、维修预警与高频更换刀位

5.2.3BIMFace刀盘模型可视化

首页还展示了一个筛选项目下的可视化模型，并支持对模型执行旋转，缩放，平移的操作，用户可依此调节视图角度，从而得到更多详尽的结构信息。此外，在单击刀具后，会展示相应刀具信息，并在下方显示该刀位目前的换刀/维修记录。

图5-5 BIMFace刀盘模型

5.2.4地图可视化

地图可视化模块主要用来展示盾构施工项目的具体地理位置。系统利用高德地图API，对项目所在地和施工区间的具体位置进行可视化展示，可以从地理位置角度直观地了解项目分布情况和施工范围。

图5-6 地图可视化展示

5.3系统基础管理

5.3.1用户管理

通过超级管理员账号登录系统后，在用户管理中添加新用户的相关信息，并指定相应角色，用户即可使用新账号登录系统，并获得其相应的访问权限。本系统主要用途为公司内部决策使用，因此只开放账号密码登录一种登录方式，且不提供用户注册接口。

图5-7 用户管理界面

图5-8 添加用户界面

5.3.2角色权限配置

除超级管理员外，本系统中设置两类角色，分别是公司管理员和项目管理人员。公司管理员主要承担人员管理和项目监督职责，负责用户管理、权限配置等系统管理工作，同时可以查看项目相关数据和分析结果，但不具备业务数据修改权限。项目管理人员主要负责具体项目的数据维护与业务管理，拥有项目基础信息、盾构机信息、刀具信息、开仓记录、换刀明细及相关分析数据的完整操作权限。相关权限配置通过集成dvadmin中角色管理的功能实现。

图5-9 角色管理界面

图5-10 公司管理员权限配置情况

图5-11 项目管理人员权限配置情况

5.4项目管理

5.4.1项目列表

系统菜单栏选择“项目管理”→“项目列表”，进入项目列表管理页面，该页面主要用来对各项目的详细信息执行录入、查询、修改以及存储等操作。

图5-12 项目列表界面

5.4.2项目地层信息

系统菜单栏选择“项目管理”→“项目地层信息”，进入项目地层信息页面。该页面主要用来记录该项目所经过的地层及其相关信息。

图5-13 项目地层信息界面

5.4.3盾构机基本信息管理

系统菜单栏选择“项目管理”→“盾构机基本信息”，进入盾构机基本信息页面，该页面主要用于记录各项目拥有盾构机的相关信息。

图5-14 盾构机基本信息界面

5.4.4盾构机刀位信息管理

单击图5-14中的刀位信息按钮，即可进入该盾构机的刀位信息管理界面，如图5-15所示。该页面左半部分为盾构机刀盘BIM模型，可以实现放大、缩小、剖面观看等功能。单击刀具时可以显示该位置刀具的刀位号、刀具父类型及刀具类型，同时联动右半部分页面，跳转至相应刀位并边框高亮显示。页面右半部分显示的是盾构机刀位的具体信息，包括刀具父类型、刀具类型、刀具类型编号以及刀具厂商等。单击卡片中维修/换刀记录按钮可以显示该刀位历史维修/换刀记录，如图5-16所示。该历史维修记录由后续换刀明细表中读取。

图5-15 盾构机刀位信息界面

图5-16 盾构机刀位历史维修记录

5.5刀具管理

5.5.1刀具类型信息

刀具类型信息用于存储刀具父类型、刀具类型名称、刀具类型编号、所属盾构机编号和所属盾构机名称等内容。

图5-17 刀具类型信息界面

5.5.2刀具成本信息管理

从图5-17中的成本信息按钮进入对应类型刀具的成本信息管理界面后，会显示不同厂商提供的不同维修方式的报价，该模块中的价格信息会在换刀明细中被调用。

图5-18 刀具成本信息界面

5.6换刀管理

5.6.1开仓信息

开仓信息界面主要用于记录每次开仓时的相关信息，包括开仓环号、开仓日期、开仓持续时间、上次开仓环号、期间掘进环数、两次开仓间地层信息、开仓位置地质情况等重要内容，如图5-19所示。

该部分只需要填写相关基础信息，其余信息由系统自动生成，相关填写内容如图2-15所示。其余信息填写规则如下：

（1）项目名称通过外键关联查询回填到系统中；

（2）区间由系统自动识别项目名称中的关键字生成；

（3）开仓编号首先提取项目名称中的前两个汉字作为编号前缀；随后拼接区间和环号，形成开仓编号。若该编号已存在，则自动追加-1、-2等后缀直至唯一；

（4）上次开仓环号由系统自动读取，在同一盾构机的所有开仓记录中，筛选出开仓环号小于当前环号的最大记录作为上次开仓环号，写入其中，如果查不到同一盾构机的开仓记录，上次开仓环号为空；

（5）期间掘进环数由系统通过“本次开仓环号-上次开仓环号”自动计算得到，如果上次开仓环号为空，则自动填入本次开仓环号；

（6）两次开仓间地层信息以上次开仓环号（或1环）为起点、本次开仓环号为终点，查询项目地层信息表中与该环号区间存在重叠的所有地层记录，对每条匹配记录取实际重叠区间，拼接为“起始环-终止环：地层类型”格式的多行文本；

（7）开仓位置地质情况由地层类型自动带出。

图5-19 开仓信息界面

图5-20 添加开仓信息填写界面

5.6.2换刀明细

单击图5-19中的换刀明细按钮，即可进入本次开仓换刀明细的界面。该界面主要记录各次开仓中具体换刀信息，如图5-21所示。

添加或填写换刀明细需要填写的内容如图5-22所示。只需要输入刀位号，系统就能够自动查询刀位信息表，回填该刀位号上的刀具的类型编号、父类型、类型名称信息，并自动生成刀具编号。累计更换次数由系统自动计算得到，它会读取上一次盾构机开仓时本刀位号的累计更换次数，如果本次开仓中该刀位发生更换，累计更换次数+1，否则累计更换次数保持不变。更换类型有维修和整刀更换两个选项可供选择，在选择完更换类型后，维修部位会根据更换类型生成对应的下拉框，整刀更换对应的下拉框是“-”，即没有维修部位；维修对应的下拉框共6个选项，分别是“轴承、密封件、刀圈”以及他们的两两组合。在更换类型和维修部位选择完毕后，系统根据它们和刀具类型编号这三个条件返回刀具成本信息表中进行查询，返回所有符合条件且有记录在表的厂家以及其对应的品牌。最后，根据刀具类型编号、更换类型、维修部位、厂家、品牌这五个条件查询刀具成本信息表，返回该维修条件下的维修价格。本部分还支持上传刀具磨损图。

此外，换刀明细保存成功后，系统还会将刀位信息表中该刀位的最新刀具厂商字段同步更新为本次换刀记录中的厂家信息。

图5-21 换刀明细界面

图5-22 添加换刀明细填写界面

5.7数据分析

5.7.1项目仪表盘

系统菜单栏选择“数据分析”→“项目仪表盘”，进入项目仪表盘页面。该界面用于展示盾构刀具管理系统中的综合统计信息。用户可以根据项目名称、盾构机名称、环号范围、日期范围条件进行筛选。系统根据筛选条件统计开仓次数、换刀数量、维修数量、换刀费用、异常磨损率等核心指标，并通过趋势图和统计图展示不同阶段的项目概况。该页面能够帮助管理人员快速了解项目整体运行状态，掌握刀具损耗和开仓换刀的变化趋势。

图5-23 项目仪表盘

5.7.2刀具磨损分析

系统菜单栏选择“数据分析”→“刀具磨损分析”，进入刀具磨损分析页面。该页面主要用于专门展示刀具出现磨损的情况，包括（1）开仓次数、检查刀具数、异常磨损数和异常磨损率的统计数据；（2）磨损等级分布情况，主要统计开仓检查刀具时不同所有刀具磨损情况的概率；（3）各刀具类型磨损对比情况，主要统计刮刀和滚刀在开仓中各磨损情况的累计出现次数；（4）历次开仓异常磨损率变化情况，主要统计各次开仓中滚刀和刮刀的异常磨损率变化情况以及换刀的数量；（5）各厂家异常磨损率趋势，主要统计不同厂家在各次开仓时出现异常磨损的概率，辅助用户对各厂家刀具的质量进行判断。

图5-24 刀具磨损分析

5.7.3刀具寿命分析

系统菜单栏选择“数据分析”→“刀具寿命分析”，进入刀具寿命分析页面。该页面用于专门展示刀具寿命相关分析数据。

换刀预警和维修预警会分别展示据上次换刀/维修环数最多的前8个刀位，提醒用户重点关注这些刀位上的刀具状态。在役刀具寿命直方图、历史刀具寿命直方图和历史刀具寿命CDF曲线分别展示目前仍在使用和已经报废刀具的寿命分布情况。各厂家刀具首次维修情况展示的是不同厂家生产的刀具首次维修时已经掘进环数的平均值、中位数和警戒值；各厂家寿命统计对比则展示的是不同厂家生产的刀具报废时已经掘进环数的平均值、中位数和警戒值。该模块能够帮助用户发现寿命较短的刀位或厂家，以及长久未更换或维修的刀具，为刀具采购、维修安排和开仓计划提供数据支持。

图5-25 刀具寿命分析

5.7.4换刀成本分析

系统菜单栏选择“数据分析”→“换刀成本分析”，进入换刀成本分析页面。该页面用于专门展示换刀中所花费的成本，包括（1）累计换刀费用、平均每次开仓换刀费用、换刀/维修次数的统计数据；（2）成本分布情况；（3）各次开仓费用变化情况和累计费用；（4）各厂家在不同维修条件下的平均成本费用统计；（5）各厂家刀具单位寿命成本。通过该模块，用户可以较直观地了解刀具成本情况，并作为判断刀具厂商性价比的一部分，为成本控制和厂家选择提供参考。

图5-26 换刀成本分析

5.8报表生成

报表生成中心支持生成4种类型的报表：换刀分析报表、磨损分析报表、刀具寿命分析报表、成本统计分析报表，支持通过项目、盾构机、刀具类型、刀具厂家、时间范围和环号范围进行筛选，并支持以PDF和Excel文件格式导出。

图5-27 报表生成中心

设置完查询条件后，下方会生成报表预览界面，显示报表标题、相关指标、筛选条件、各统计表和分析结论。

图5-28 报表预览

6 作品亮点

本系统面向盾构施工刀具管理场景，具有以下特点与创新点：

（1）刀具全生命周期数据贯通。系统以项目、盾构机和刀位为主线，将刀具类型、刀位信息、开仓记录、换刀明细、厂家成本和分析结果串联起来，实现从基础台账到业务过程再到统计决策的闭环管理。

（2）BIM三维刀盘与业务数据联动。系统集成BIMFace三维可视化能力，将刀盘模型、刀位信息和历史换刀记录结合展示，使用户能够从空间位置理解刀具状态，提升刀位检查和异常定位效率。

（3）多维分析支撑维修与采购决策。系统从磨损、寿命、成本和厂家表现等角度构建分析看板，能够识别高频更换刀位、长时间未维修刀具、异常磨损趋势和单位寿命成本差异，为开仓安排、维修策略和厂家选择提供数据依据。