TBM隧道施工的智能化控制方法及系统与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种tbm隧道施工的智能化控制方法及系统。

背景技术：

随着国内外tbm(全断面隧道掘进机)广泛应用，tbm施工方法在隧道施工中已经逐渐成为了一种主要施工方法。对于隧道施工而言，tbm施工的工作面即隧道掌子面不断推进，工程实例中，在不同的隧道掌子面的岩体条件下，需要调整tbm的运行参数。

由于施工隧道沿线的地质条件复杂，施工风险较高，tbm隧道施工技术难度也相应加大，当掌子面前方遇到碎裂结体或散体结构的岩体或断层时，可能造成掌子面塌方与失稳等，要求施工及时发现问题并进行处理。

工程实例中观察到，通过出渣皮带上的渣片参数以及tbm的运行参数可预测隧道掌子面的岩体条件，从而判断tbm的运行参数是否合理。目前，仅凭施工人员的经验进行机器操作，一方面很难实现tbm隧道施工优化，另一方面也很难避免重大事故的发生。因此，需要提供一种tbm隧道施工的智能化控制方法及系统。

技术实现要素：

本发明提供了一种tbm隧道施工的智能化控制方法及系统，通过实时在线分析tbm的实际运行参数和出渣皮带上的渣片参数，能够获得隧道掌子面的岩体条件，进而智能推荐对应的tbm理论运行参数，以调控tbm的运行参数随掌子面的岩体条件而变化，优化了tbm隧道施工。

第一方面，提供了一种tbm隧道施工的智能化控制方法，所述方法包括：

构建数据库步骤，构建关于隧道的岩体条件与渣片参数以及运行参数之间的映射关系数据库；

采集参数步骤，实时采集所述tbm的实际运行参数和出渣皮带上的渣片参数；

处理数据步骤，在所述数据库中进行匹配查询，获得与实时采集的所述渣片参数对应的隧道掌子面的岩体条件，并推荐与所述掌子面的岩体条件对应的tbm理论运行参数；

调控施工步骤，调控所述tbm按照推荐的所述理论运行参数运行，使所述实际运行参数与所述理论运行参数相同或者接近。

在第一种可能的实现方式中，还包括优化数据库步骤，包括：将实时采集的所述渣片参数与相应推荐的所述理论运行参数生成相关映射关系并存储在所述数据库中以优化所述数据库。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，还包括展示结果步骤，包括：

将所述掌子面的岩体条件与所述渣片参数生成映射关系的图表并展示出；

将所述掌子面的岩体条件与所述运行参数生成映射关系的图表并展示出；

将异常的所述掌子面的岩体条件生成对应的报警信号并展示出。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，还包括远程监控步骤，包括：

将所述展示结果的图表信息以及报警信号展示在远程监控的人机交互界面上；

根据所述图表信息和所述报警信号，生成并推荐与实时采集的所述渣片参数相应的所述理论运行参数对应的操作指令，并在所述远程监控的人机界面上展示；

通过所述人机交互界面输入自定义参数以及与所述操作指令相应的命令，以控制所述tbm按照推荐的所述理论运行参数运行或避险。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述构建数据库步骤包括：

采集并存储至少包括所述隧道的设计参数、地质参数和所述tbm的机器参数的底层数据；

根据所述底层数据分析计算所述隧道的岩体条件、所述tbm的理论运行参数和相应的理论渣片参数；

将所述隧道的岩体条件与相应的所述tbm的理论运行参数及相应的渣片参数分别对应生成相关的映射关系并存储，以构建成所述数据库。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述采集参数步骤包括：

实时采集所述tbm的至少包括转速、推力、扭矩、掘进速度的所述实际运行参数并存储在所述数据库中；

实时采集所述出渣皮带上渣片的至少包括图像、质量流量以及体积流量的所述渣片参数并存储在所述数据库中。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述处理数据步骤包括：

在预定施工周期内累积获得所述渣片实际的块度分布、重量和体积，根据所述数据库中映射关系进行相似度匹配，获得相应掌子面的岩体条件；

根据所述数据库中的映射关系，查询获得所述岩体条件对应的所述tbm理论运行参数，以调整所述tbm的实际运行参数。

第二方面，本发明实施例提供了一种tbm隧道施工的智能化控制系统，用于实时控制tbm智能化施工，所述系统包括：构建数据库单元，用于构建关于隧道的岩体条件与渣片参数以及运行参数之间的映射关系数据库；

参数采集单元，用于实时采集所述tbm的实际运行参数和出渣皮带上的渣片参数；

数据处理单元，用于在所述数据库中进行匹配查询，获得与实时采集的所述渣片参数对应的隧道掌子面的岩体条件，并推荐与所述掌子面的岩体条件对应的tbm理论运行参数；

调控施工单元，用于调控所述tbm按照推荐的所述理论运行参数运行，使所述实际运行参数与所述理论运行参数相同或者接近。

本发明实施例通过构建关于隧道的岩体条件与渣片参数以及运行参数之间的映射关系数据库，实时采集tbm的实际运行参数和出渣皮带上的渣片参数并存储在数据库中，在数据库中根据相应的映射关系获得了隧道掌子面的岩体条件，通过对岩体条件匹配查询，智能化预测与掌子面的岩体条件相对应的tbm理论运行参数，从而据此调整tbm的运行参数以适应不同掌子面岩体条件的掘进施工，能够实现在施工进程中同步优化tbm隧道施工工法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是可以应用于本发明实施例的示例性系统架构。

图2是本发明tbm隧道施工的智能化控制方法的第一个实施例的流程示意图。

图3是本发明tbm隧道施工的智能化控制方法的第二个实施例的流程示意图。

图4是本发明tbm隧道施工的智能化控制方法的第三个实施例的流程示意图。

图5是本发明tbm隧道施工的智能化控制系统的实施例的功能结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和方法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了模块和单元的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

在具体的隧道施工项目中，由于tbm法施工的开挖面大，出渣量大，掘进距离长，加上tbm设备掘进速度快，需通过出渣皮带将tbm掘进过程中开挖的渣片连续运出，在掘进过程中，随着tbm掘进的推进，针对不同掌子面的岩体条件，需要调整tbm的运行参数，实现掘进的同时，把设备调整到最佳状态，确保安全顺利的施工。当掌子面前方遇到碎裂结体或散体结构的岩体或断层时，也可能造成掌子面塌方或失稳等异常情况，因此，要求在施工过程中及时发现问题进行处理。

通过对大量的实例观察得出：出渣皮带上的渣片参数特性受施工隧道的岩体条件及tbm掘进过程中的运行参数影响，通过实时分析出渣皮带上的渣片参数特性能够反推掌子面前方的岩体条件，进而根据岩体条件调整tbm的运行参数，以优化施工，减少事故发生。

图1是可以应用于本发明实施例的示例性系统架构。

如图1所示，对tbm掘进施工的运行参数和出渣皮带上渣片的渣片参数进行采集，并将所有采集的数据进行分析处理，生成相关映射关系并存储在项目部的数据库中，同时将采集的参数和处理结果均存储在数据库中进行分析处理和展示预警，并在云服务平台上同步共享，以便进行智能化控制施工或者通过远程专家(监控者)远程指导施工。

图2是本发明tbm隧道施工的智能化控制方法的第一个实施例的流程示意图。

步骤201：构建数据库步骤，构建关于隧道的岩体条件与渣片参数以及运行参数之间的映射关系数据库。

在本步骤中，隧道的岩体条件已在施工前的地质调查中获得，在施工前需充分了解开挖隧道沿线地质、岩体特性、地下水状况等，尤其需对不良地质条件调查，这对施工进行影响很大，不同的岩体条件决定了不同的施工工法和运行参数，也决定了开挖过程获得的渣片参数特性。

作为一种可选实施例，在本步骤可先采集并存储至少包括隧道的设计参数、地质参数和tbm的机器参数的底层数据，根据这些底层数据获得隧道的岩体条件、tbm的理论运行参数和相应的理论渣片参数，将隧道的岩体条件与相应的tbm的理论运行参数及相应的渣片参数分别对应生成相关的映射关系并存储以构建成数据库，该数据库能够随掘进施工进程定期进行人工或自动维护。

因此，通过隧道和tbm机器设计参数的底层数据构建关于隧道的岩体条件与渣片参数以及运行参数之间的映射关系数据库，作为基础的数据库进行参照，可为研究相互的数据关系提供理论支撑，通过相互之间的映射关系能够进行相应数据的匹配查询，以实现预测优化效果。

步骤202：采集参数步骤，实时采集tbm的实际运行参数和出渣皮带上的渣片参数。

在本步骤中，可以通过tbm的控制室接口实时采集tbm的实际运行参数，其中，实际运行参数至少包括刀盘转速、推力、扭矩、掘进速度，并将实时采集的这些实际运行参数存储在数据库中；实时采集的出渣皮带上渣片的渣片参数至少包括块度图像、质量流量以及体积流量，并将这些渣片参数存储在数据库中，通过将实时采集的各运行参数和渣片参数存储在数据库中，可以进一步完善丰富数据库。

具体地，可以利用架设在出渣皮带上方的线阵工业相机对皮带上的渣片进行连续拍照获得反映渣片块度的渣片图像，通过对渣片图像进行分析处理以研究渣片的块度分布，包括渣片面积、长轴、中轴以及长轴和中轴的比值分布；

同时，用装在皮带下的称重传感器和测速传感器分别获得渣片的质量流量和皮带的传输速度，通过计算分析获得渣片的质量流量以及预定施工周期内渣片的重量。

同时，用装在皮带上方的二维激光测距传感器以固定频率实时扫描皮带上的渣片获得渣片的表面轮廓，将渣片的表面轮廓结合皮带的传输速度可以计算出渣片的体积流量以及预定施工周期内渣片的体积。

通过在线实时采集tbm的实际运行参数和出渣皮带上的渣片参数，能够实现连续同步的采集各相应数据，解决了人工筛选渣片的时间延后性问题，能同步获得渣片参数与相应的运行参数，为智能化控制tbm的施工提供了有力保障。

步骤203：处理数据步骤，在数据中进行匹配查询，获得与实时采集的渣片参数对应的隧道掌子面的岩体条件，并推荐与掌子面的岩体条件对应的tbm理论运行参数。

在本步骤中，对实时采集的渣片参数进行分析处理，根据已经建立的各参数之间的映射关系，在数据库中进行相似度匹配查询，能够获得与实时采集的渣片参数对应的隧道掌子面的岩体条件，进一步地根据掌子面的岩体条件进行匹配查询，自动智能的推荐出相对应的tbm理论运行参数。

步骤204：调控施工步骤，调控tbm按照推荐的理论运行参数运行，使实际运行参数与理论运行参数相同或者接近。

在本步骤中，根据上述处理数据步骤推荐的与施工掌子面的岩体条件相对应的tbm理论运行参数，调控tbm机器进行合理的运行操作以适应掌子面的岩体条件，以使tbm机器以最佳状态进行施工，通过直接采集的渣片参数预测出岩体条件，从而根据岩体条件以相匹配的运行参数间接实现智能化调控。

需要说明的是，具体操作时，在预定施工周期内，例如，可以对在预定的开挖时间或者开挖距离内累积的渣片参数特性进行分析处理，首先获得实际累积的渣片重量或体积，然后根据实际掌子面岩体条件和运行参数计算在同一施工周期内理论累积的渣片重量或体积，最后通过将实际累积的渣片重量或体积与理论累积的重量或体积进行比较，从而既直观又准确的预测是否存在塌方或者超挖等异常状况。进一步地通过分析岩体条件、渣片参数和运行参数还能获得岩体的可掘进指数变化、实际开挖长度的重量与渣片重量的对比、渣片的块度变化、松散系数的变化等，从而根据这些分析结果智能判断和预警掘进工况，并根据这些异常状况进行相应的预警或调整施工。

图3是本发明tbm隧道施工的智能化控制方法的第二个实施例的流程示意图。

该方法还可以包括步骤205：优化数据库步骤，将实时采集的渣片参数与相应推荐的理论运行参数生成相关映射关系并存储在数据库中以优化数据库。

在本步骤中，随着施工的推进，通过实时的渣片参数与相应推荐的理论运行参数，不断调整tbm进行相应的操作以适应不同掌子面的岩体条件，从而能优化施工，在不断的优化过程中，通过将相适应的渣片参数与运行参数生成相关的映射关系并匹配存储在数据库中，能够不断完善优化数据库以便为后续类似施工提供有力的数据支撑。

图4是本发明tbm隧道施工的智能化控制方法的第三个实施例的流程示意图。

该方法还可以包括步骤206：展示结果步骤，将掌子面的岩体条件与渣片参数生成映射关系的图表并展示出；将掌子面的岩体条件与运行参数生成映射关系的图表并展示出；将异常的掌子面的岩体条件生成对应的报警信号并展示出。

在本步骤中，通过将岩体条件与渣片参数和运行参数分别对应生成映射关系并通过图表形式展示出，同时将异常的岩体条件，例如碎裂结体、散体结构或断层的岩体条件生成对应的报警信号以警示灯、警示鸣笛或者警示图标等方式展示出，以便观察者能直观了解到异常状况及时处理。

该方法还可以包括步骤207：远程监控步骤，将展示结果的图表信息以及报警信号展示在远程监控界面上；根据图表信息和报警信号，生成并推荐与实时采集的渣片参数相应的理论运行参数对应的操作指令，并在远程监控界面(人机交互界面)上展示；通过远程监控界面输入自定义参数以及与操作指令相应的命令，以控制tbm按照推荐的理论运行参数运行或避险。

在本步骤中，通过远程监控，能够在施工隧道之外的环境中以可视化方式获知隧道内的施工情况，并对现场施工进行远程指导或操作，当遇到异常状况(如超挖、塌方、断层或高压大涌水等)时，还可以对数据库进行远程管理维护。具体地，可以在远程硬件设备上进行输入、修改或删除等用户管理权限以调控进行相应的操作，同时能优化完善数据库，解决了在隧道施工现场指导操作的环境问题和危险性，进一步实现了智能化控制tbm施工。

作为一种可选实施方式，远程监控可以包括隧道施工的工程项目部的监控平台或将数据库通过云服务平台共享在专家辅助人员的智能电子设备上进行维护管理。在施工中，通过专门的工程项目部实时监控施工，或者通过专家辅助人员介入监控系统进行远程辅助指导以解决突发状况，确保了施工的安全、高效和可控，进一步实现tbm施工的智能化。

图5是本发明tbm隧道施工的智能化控制系统的实施例的功能结构示意图。

如图5所示，本实施例的系统500包括构建数据库单元510、参数采集单元520、数据处理单元530和调控施工单元540。其中：

构建数据库单元510，用于构建关于隧道的岩体条件与渣片参数以及运行参数之间的映射关系数据库；

参数采集单元520，用于实时采集tbm的实际运行参数和出渣皮带上的渣片参数；

数据处理单元530，用于在数据库中进行匹配查询，获得与实时采集的渣片参数对应的隧道掌子面的岩体条件，并推荐与掌子面的岩体条件对应的tbm理论运行参数；

调控施工单元540，用于调控tbm按照推荐的理论运行参数运行，使实际运行参数与理论运行参数相同或者接近。

在一些可选实施例中，构建数据库单元510可以包括采集底层数据模块、分析计算模块以及生成数据库模块。其中，采集底层数据模块用于采集并存储至少包括隧道的设计参数、地质参数和tbm的机器参数的底层数据；分析计算模块用于根据底层数据分析计算隧道的岩体条件、tbm的理论运行参数和相应的理论渣片参数；生成数据库模块用于将隧道的岩体条件与相应的tbm的理论运行参数及相应的渣片参数分别对应生成相关的映射关系并存储，以构建成数据库。

在一些可选实施例中，参数采集单元520可以包括运行参数模块和渣片参数模块。其中，运行参数模块用于实时采集tbm的至少包括转速、推力、扭矩、掘进速度的实际运行参数并存储在数据库中；渣片参数模块用于于实时采集出渣皮带上渣片的至少包括块度图像、质量流量以及体积流量的渣片参数并存储在数据库中。

在一些可选实施例中，数据处理单元530可以包括渣片参数处理模块和运行参数处理模块。其中，渣片参数处理模块用于在预定施工周期内累积获得渣片实际的块度分布、重量和体积，根据数据库中映射关系进行相似度匹配，获得相应掌子面的岩体条件；运行参数处理模块用于根据数据库中的映射关系，查询获得岩体条件对应的tbm理论运行参数，以调整tbm的实际运行参数。

在一些可选实施例中，在上述实施例的基础上还可以增加数据库优化单元550。其中，数据库优化单元550用于将实时采集的渣片参数与相应推荐的理论运行参数生成相关映射关系并存储在数据库中以优化数据库。

在一些可选实施例中，在上述各实施例的基础上还可以增加结果展示单元560。结果展示单元560包括岩体与渣片模块、岩体与运行模块以及报警模块，其中，岩体与渣片模块用于将掌子面的岩体条件与渣片参数生成映射关系的图表并展示出；岩体与运行模块用于将掌子面的岩体条件与运行参数生成映射关系的图表并展示出；报警模块用于将异常的掌子面的岩体条件生成对应的报警信号并展示出。

在一些可选实施例中，在上述各实施例的基础上还可以增加远程监控单元570。远程监控单元570包括界面展示模块、推荐操作模块以及输入命令模块，其中，界面展示模块用于将展示结果的图表信息以及报警信号展示在远程监控的人机交互界面上；推荐操作模块用于根据图表信息和报警信号，生成并推荐与实时采集的渣片参数相应的理论运行参数对应的操作指令，并在远程监控的人机界面上展示；输入命令模块用于通过人机交互界面输入自定义参数以及与操作指令相应的命令，以控制tbm按照推荐的理论运行参数运行或避险。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的tbm施工的智能化控制系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。