一种用于TBM的刀盘扭矩异常监测系统的制作方法

本发明涉及隧道工程施工设备技术领域，具体地说，涉及一种用于TBM的刀盘扭矩异常监测系统。

背景技术：

TBM是一种用于硬岩隧道施工的掘进机，其包括：推进系统、刀盘系统以及皮带出渣系统等系统，通过这些系统可以实现隧道的开挖。其中，刀盘系统是TBM实现切削围岩的核心系统，包括刀盘和刀盘驱动，刀盘系统要求安全、可靠、能够满足长距离掘进。

刀盘扭矩是刀盘系统的关键参数，其反映了TBM操作人员的操作情况、围岩情况以及刀盘情况，这就要求实现刀盘扭矩的实时监测。通过对刀盘扭矩的监测，能够帮助解决操作人员的不合理操作，还能够向操作人员提供前方的围岩情况(例如前方是否塌方、岩石围岩种类、岩石硬度等)，同时也能反映出刀盘驱动系统是否存在异常、刀盘滚刀是否损坏等问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种用于TBM的刀盘扭矩异常监测系统，所述系统包括：

刀盘扭矩采集装置，其与TBM的刀盘驱动系统连接，用于采集所述刀盘驱动系统所提供的刀盘扭矩数据；

刀盘扭矩数据滤波装置，其与所述刀盘扭矩采集装置连接，用于根据所述刀盘扭矩数据计算当前时刻所对应的刀盘扭矩均值，得到第一刀盘扭矩均值；

异常判断装置，其与所述刀盘扭矩数据滤波装置连接，用于根据所述第一刀盘扭矩均值与预设刀盘扭矩参考值判断所述刀盘扭矩数据是否存在异常。

根据本发明的一个实施例，所述刀盘扭矩数据滤波装置包括均值滤波器。

根据本发明的一个实施例，所述刀盘扭矩数据包括当前时刻之前预设时长内的刀盘扭矩值，所述刀盘扭矩数据滤波装置配置为计算所述当前时刻之前预设时长内的刀盘扭矩值的均值，得到所述第一刀盘扭矩均值。

根据本发明的一个实施例，所述异常判断装置判断所述第一刀盘扭矩均值与第一预设刀盘扭矩参考值之间的差值是否超过第一预设差值范围，如果超过，则判定所述刀盘扭矩数据存在异常。

根据本发明的一个实施例，如果所述第一刀盘扭矩均值与第一预设刀盘扭矩参考值之间的差值超过第一预设差值范围但未超过第二预设差值范围，所述异常判断装置则生成第一扭矩异常信号，如果所述第一刀盘扭矩均值与第一预设刀盘扭矩参考值之间的差值超过所述第二预设差值范围，所述异常判断装置则生成第二扭矩异常信号。

根据本发明的一个实施例，所述刀盘扭矩数据还包括当前时刻的刀盘扭矩值，所述异常判断装置还计算所述当前时刻的刀盘扭矩值与所述第一刀盘扭矩均值之间的差值，得到当前扭矩增量值，判断所述当前扭矩增量值与第二预设刀盘扭矩参考值之间的差值是否超过第三预设差值范围，如果超过，则判定所述刀盘扭矩数据存在异常。

根据本发明的一个实施例，如果所述当前扭矩增量值与第二预设刀盘扭矩参考值之间的差值超过第三预设差值范围但未超过第四预设差值范围，所述异常判断装置则生成第三扭矩异常信号，如果所述当前扭矩增量值与第二预设刀盘扭矩参考值之间的差值超过所述第四预设差值范围，所述异常判断装置则生成第二扭矩异常信号。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：

异常控制器，其与所述异常判断装置连接，用于根据所述异常判断装置所生成的扭矩异常信号进行相应的异常控制。

根据本发明的一个实施例，所述异常控制器包括告警控制器，其与所述异常判断装置连接，所述告警控制器能够根据接收到的第一扭矩异常信号和/或第三扭矩异常信号生成告警信息。

根据本发明的一个实施例，所述异常控制器包括越权控制器，其与所述异常判断装置连接，所述越权控制器能够根据接收到的第二扭矩异常信号调整所述刀盘驱动系统的运行状态。

本发明所提供的用于TBM的刀盘扭矩数据监测系统以及监测方法能够实现对TBM刀盘驱动系统的扭矩异常监测，根据扭矩监测结果，该系统还可以实现对扭矩异常状态的自动处理，从而实现了对刀盘驱动系统以及刀盘的保护，满足了隧道快速施工的需要。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的用于TBM的刀盘扭矩异常监测系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的用于TBM的刀盘扭矩异常监测方法的实现流程图；

图3是根据本发明一个实施例的数据滤波以及异常判断的实现流程图；

图4是根据本发明另一个实施例的数据滤波以及异常判断的实现流程图；

图5是根据本发明再一个实施例的数据滤波以及异常判断的实现流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

目前，用于TBM的刀盘驱动系统并不具有扭矩监控功能，对于刀盘扭矩异常的监测仅依靠有经验的司机判断，无法满足隧道快速施工和对刀盘系统进行保护和智能控制的需求。

针对现有技术中所存在的上述问题，本实施例提供了一种新的用于TBM的刀盘扭矩异常监测系统，图1示出了本实施例中该系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的用于TBM的刀盘扭矩异常监测系统100与TBM的刀盘驱动系统101连接，其通过采集刀盘驱动系统101所输出的刀盘扭矩来实现对刀盘扭矩异常的监测。具体地，该系统100优选地包括：刀盘扭矩采集装置102、刀盘扭矩数据滤波装置103、异常判断装置104以及异常控制器105。

为了更加清楚地表明本实施例所提供的刀盘扭矩异常监测系统100的目的、原理以及优点，以下结合图2所示出的用于TBM的刀盘扭矩异常监测方法来对该系统100的具体工作原理以及工作过程进行说明。

刀盘扭矩采集装置102与刀盘驱动系统101连接，在进行刀盘扭矩异常监测时，首先由刀盘扭矩采集装置102在步骤S201采集刀盘扭矩系统101向刀盘所提供的刀盘扭矩数据。由于刀盘是由刀盘驱动系统101所提供的扭矩来驱动的，因此通过监测刀盘驱动系统101的输出扭矩也就可以得到刀盘所收到的驱动力数据。

如果数据采样频率较高，那么最终得到的刀盘扭矩异常的监测结果将更为准确，但此时中间过程需要处理的数据量将较大；而如果数据采样频率较低，那么最终得到的刀盘扭矩异常的监测结果的准确性将收到影响，但此时中间过程所需要处理的数据量将较小。因此，需要指出的是，在本发明的不同实施例中，刀盘扭矩采集装置102所配置的数据采样频率可以根据实际需要配置为不同的合理值，本发明不限于此。

为了保证最终得到的异常监测结果的准确性，本实施例中，刀盘扭矩采集装置102优选地在满足特定启动条件的情况下来启动对刀盘扭矩数据的采集。具体地，上述特定启动条件优选地可以指代特定的刀盘转速和/或刀盘推力，此时刀盘驱动系统101将稳定运行在特定状态，因此此时所采集到的刀盘扭矩数据将能够更加准确地反应刀盘驱动系统101以及刀盘的运行状态。

需要指出的是，由于对于不同的TBM以及同一TBM在不同工况下的运行状态，上述刀盘转速和/或刀盘推力很可能会采用不同的取值，因此本发明并不对上述刀盘转速和刀盘推力的具体取值进行限定。

刀盘扭矩采集装置102在采集得到刀盘扭矩数据后，会将采集得到的刀盘扭矩数据传输至与之连接的刀盘扭矩数据滤波装置103。刀盘扭矩数据滤波装置103会在步骤S202中对所接收到的刀盘扭矩数据进行均值滤波，即计算当前时刻所对应的刀盘扭矩均值，从而得到第一刀盘扭矩均值。

本实施例中，刀盘扭矩采集装置102优选地采用均值滤波器来实现。刀盘扭矩采集装置102所采集到的刀盘扭矩数据既包含当前时刻(即当前采样点)的刀盘扭矩值，也包含当前时刻之前预设时长内(即与当前采样点相连的预设数量的采样点)的刀盘扭矩值，其通过计算当前时刻之前预设时长内的刀盘扭矩值的均值，来得到上述第一刀盘扭矩均值。

具体地，本实施例中，第一刀盘扭矩均值可以根据如下表达式计算得到：

${\stackrel{\‾}{T}}_n=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}{T}_i---\left(1\right)$

其中，表示第n时刻(即当前时刻)的刀盘扭矩值，T_i表示第i时刻的刀盘扭矩值。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，用于计算第一刀盘扭矩均值的采样点的个数(即预设时长的长度)可以根据实际需要配置为不同的合理值，本发明不限于此。

同时，需要指出的是，在发明的其他实施例中，刀盘扭矩采集装置还可以根据刀盘系统涉及参数、围岩条件以及实际经验值对所接收到的刀盘扭矩数据进行滤波，从而得到第一刀盘扭矩均值，本发明同样不限于此。

如图2所示，在得到第一刀盘扭矩均值后，刀盘扭矩数据滤波装置103会将得到的第一刀盘扭矩均值传输给异常判断装置104，异常判断装置104会在步骤S203中根据所接收到的第一刀盘扭矩均值和预设刀盘扭矩参考值来判断刀盘扭矩采集装置102所采集到的刀盘扭矩数据是否存在异常。

具体地，如图3所示，本实施例中，当接收到刀盘扭矩数据滤波装置103传输来的第一刀盘扭矩均值后，异常判断装置104会在步骤S301中计算第一刀盘扭矩均值与第一预设刀盘扭矩参考值之间的差值即存在：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{T}}_n={\stackrel{\‾}{T}}_n-T_n^p---\left(2\right)$

其中，表示当前时刻所对应的第一预设刀盘扭矩参考值。

本实施例中，各个时刻所对应的第一预设刀盘扭矩参考值优选地存储在已知的控制规则表中，异常判断装置104可以通过查询控制规则表来得到各个时刻所对应的第一预设刀盘扭矩参考值。

当得到差值后，异常判断装置104将在步骤S302中判断该差值是否超过第一预设差值范围。如果该差值未超过第一预设差值范围，那么则表示刀盘扭矩数据的波动范围在许可范围之内，此时异常判断装置104将在步骤S306中判定刀盘扭矩采集装置102所采集到的刀盘扭矩数据正常。而如果该差值超过第一预设差值范围，那么此时异常判断装置104将判定刀盘扭矩采集装置102采集到的刀盘扭矩数据存在异常并生成扭矩异常信号。

为了更清楚地表明刀盘扭矩数据的异常状态，如图3所示，本实施例中，如果差值超过第一预设差值范围，那么异常判断装置104将在步骤S303中进一步判断差值超过第二预设差值范围。其中，第一预设差值范围包含在第二预设差值范围内。

如果差值超过了第一预设差值范围但未超过第二预设差值范围，那么此时异常判断装置104将在步骤S305中生成第一扭矩异常信号；而如果差值超过了第二预设差值范围，那么此时异常判断装置104将在步骤S304中生成第二扭矩异常信号。第二扭矩异常信号所表征的刀盘扭矩数据异常状况相较于第一扭矩异常信号所表征的刀盘扭矩数据异常状况更为严重。

再次如图1所示，本实施例中，异常判断装置104在判断出刀盘扭矩数据存在异常时，会将自身生成扭矩异常信号传输给异常控制器105，以由异常控制器根据所接收到的扭矩异常信号进行相应的异常控制。

具体地，本实施例中，异常控制器105优选地包括告警器和越权控制器。其中，如果异常控制器105接收到第一扭矩异常信号，那么则表示刀盘扭矩数据虽然出现异常，但数据偏差在一定范围(例如第二预设差值范围)内，此时告警器将对第一扭矩异常信号进行响应，来根据扭矩超限情况、推力情况以及操作情况生成告警信息(例如指示灯闪烁或播放告警音等)，以此来提示操作员此时刀盘扭矩数据出现异常。

而如果异常控制器105接收到第二扭矩异常信号，那么则表示刀盘扭矩数据的异常状态较为严重，此时越权控制器将对第二扭矩异常信号进行响应，来根据第二扭矩异常信号、扭矩超限情况、推力情况以及操作情况调整刀盘驱动系统101的运行状态，以减小相应的刀片推进力，直至停机，从而对刀盘进行保护。

当然，根据实际需要，如果异常控制器105接收到第二扭矩异常信号，告警器和越权控制器还可以同时对第二扭矩异常信号进行相应，此时告警器将生成相应的告警信息，而越权控制器则调整刀盘驱动系统101的运行状态，本发明不限于此。

需要指出的是，在发明的其他实施例中，异常判断装置104还可以根据第一刀盘扭矩均值，采用其他合理的方式来判断刀盘扭矩数据是否存在异常，本发明不限于此。

例如，在本发明的一个实施例中，异常判断装置104还可以采用如图4所示的方法来判断刀盘扭矩数据是否存在异常。具体地，当接收到刀盘扭矩数据滤波装置103传输来的第一刀盘扭矩均值后，异常判断装置104会在步骤S401中计算当前时刻的刀盘扭矩值与第一刀盘扭矩均值之间的差值，从而得到当前扭矩增量值ΔT_n，即存在：

${\mathrm{\ΔT}}_n=T_n-{\stackrel{\‾}{T}}_n---\left(3\right)$

其中，T_n表示当前时刻的刀盘扭矩值。

当得到当前扭矩增量值ΔT_n后，异常判断装置104将在步骤S402中计算当前扭矩增量值ΔT_n与第二预设刀盘扭矩参考值之间的差值ΔT′_n，即存在：

${\mathrm{\ΔT}}_n^{\′}={\mathrm{\ΔT}}_n-T_n^q---\left(4\right)$

其中，表示当前时刻所对应的第二预设刀盘扭矩参考值。

该实施例中，各个时刻所对应的第二预设刀盘扭矩参考值优选地存储在已知的控制规则表中，异常判断装置104可以通过查询控制规则表来得到各个时刻所对应的第二预设刀盘扭矩参考值。

当得到差值ΔT′_n后，异常判断装置104将在步骤S403中判断该差值ΔT′_n是否超过第三预设差值范围。如果该差值ΔT′_n未超过第三预设差值范围，那么则表示刀盘扭矩数据的波动范围在许可范围之内，此时异常判断装置104将在步骤S407中判定刀盘扭矩采集装置102所采集到的刀盘扭矩数据正常。而如果该差值ΔT′_n超过第三预设差值范围，那么此时异常判断装置104将判定刀盘扭矩采集装置102采集到的刀盘扭矩数据存在异常并生成扭矩异常信号。

为了更清楚地表明刀盘扭矩数据的异常状态，如图4所示，该实施例中，如果差值ΔT′_n超过第三预设差值范围，那么异常判断装置104将在步骤S404中进一步判断差值ΔT′_n超过第四预设差值范围。其中，第三预设差值范围包含在第四预设差值范围内。

如果差值ΔT′_n超过了第三预设差值范围但未超过第四预设差值范围，那么此时异常判断装置104将在步骤S406中生成第三扭矩异常信号；而如果差值ΔT′_n超过了第四预设差值范围，那么此时异常判断装置104将在步骤S405中生成第二扭矩异常信号。第二扭矩异常信号所表征的刀盘扭矩数据异常状况相较于第三扭矩异常信号所表征的刀盘扭矩数据异常状况更为严重。

该实施例中，异常判断装置104在判断出刀盘扭矩数据存在异常时，同样会将自身生成扭矩异常信号传输给异常控制器105，以由异常控制器105根据所接收到的扭矩异常信号进行相应的异常控制。

具体地，该实施例中，异常控制器105优选地包括告警器和越权控制器。其中，如果异常控制器105接收到第三扭矩异常信号，那么则表示刀盘扭矩数据虽然出现异常，但数据偏差在一定范围(例如第四预设差值范围)内，此时告警器将对第三扭矩异常信号进行响应，来根据扭矩超限情况、推力情况以及操作情况生成告警信息(例如指示灯闪烁或播放告警音等)，以此来提示操作员此时刀盘扭矩数据出现异常。

而如果异常控制器105接收到第二扭矩异常信号，那么则表示刀盘扭矩数据的异常状态较为严重，此时越权控制器将对第二扭矩异常信号进行响应，来根据第二扭矩异常信号、扭矩超限情况、推力情况以及操作情况调整刀盘驱动系统101的运行状态，以减小相应的刀片推进力，直至停机，从而对刀盘进行保护。

当然，根据实际需要，如果异常控制器105接收到第二扭矩异常信号，告警器和越权控制器还可以同时对第二扭矩异常信号进行相应，此时告警器将生成相应的告警信息，而越权控制器则调整刀盘驱动系统101的运行状态，本发明不限于此。

而在本发明的另一个实施例中，异常判断装置104还可以采用如图5所示的方式来判断刀盘扭矩数据是否存在异常。由于图5所示的步骤S501至步骤S512的实现原理以及实现过程与上述图3和图4中所涉及的内容类似，故在此不再对图5的具体实现流程进行赘述。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的用于TBM的刀盘扭矩数据监测系统以及监测方法能够实现对TBM刀盘驱动系统的扭矩异常监测，根据扭矩监测结果，该系统还可以实现对扭矩异常状态的自动处理，从而实现了对刀盘驱动系统以及刀盘的保护，满足了隧道快速施工的需要。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。