盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统与流程

本发明涉及盾构施工工程领域，特指一种盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统。

背景技术：

隧道施工纠偏的目标是使隧道施工轴线尽可能接近隧道设计轴线(dta)。实际隧道施工轴线一般在质量控制范围内呈“蛇”形接近dta。现有技术是人工操作盾构纠偏，人工纠偏控制分区油压策略的原则是“勤纠缓纠”，实际上是一种以实际分区油压反复试凑的方法。人工纠偏中操作者的经验水平决定了“蛇”形振幅和频率。在盾构纠偏控制输出环节人工纠偏存在如下技术难点：

一、无法准确实现盾构平面力矩与高程力矩的解耦。盾构机上的千斤顶，因兼顾隧道轴线埋深的压力梯度，通常设置为下半部的千斤顶数量大于上半部的千斤顶数量，在调整顶部和底部的千斤顶时，能够实现调节千斤顶的高程力矩而不影响平面力矩，但在调整两侧部的千斤顶时，其在调节平面力矩时很难避免影响高程力矩，所以人工调节千斤顶的油压时，很难准确的实现调节平面力矩而避免对高程力矩的影响。

二、无法准确符合切口高程压力梯度的实际负荷特点。掘进油压设定值应符合盾构切口的高程土体压力梯度特点，但人工纠偏操作较难准确判断盾构切口高程实际土体压力梯度。

三、无法准确实现实际负载与设定油压配合的问题，油压设定值是分区溢流阀的限值，当实际阻力负荷超过设定值时溢流阀卸荷，油压上不去；当实际阻力小于设定值时，当前油压反映的是实际阻力负荷。因此推进油压设定值未必是实际力矩。当某区设定油压长时间大于该区负载时，设定纠偏力矩与实际纠偏力矩的差异过大实质上是一种操作性扰动因素。

人工纠偏很难准确判断上述技术难点，往往在调整当前姿态的过程的同时可能隐含了产生新的扰动因素，并会随工况逐步显现。这种状况周而复始，很难保持盾构纠偏的稳定性。

隧道施工轴线的所谓“蛇”形振幅和频率的效果取决于操作人员的实际工作经验和能力，因此，人工纠偏的质量控制效果具有一定的离散性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统，解决现有的人工纠偏存在的无法准确实现盾构平面力矩与高程力矩的解耦、无法准确符合切口高程压力梯度的实际负荷特点及无法准确实现实际负载与设定油压配合的问题所带来的盾构纠偏稳定性差和盾构纠偏质量控制效果具有一定离散型的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种盾构纠偏油压输出的自适应控制方法，包括如下步骤：

s11：对盾构机上的千斤顶进行分区以形成顶部分区、底部分区、左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶；

s12：依据千斤顶的分区建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型；

s13：获取各分区千斤顶的实际油压；

s14：通过所述转换模型获得对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压，作为纠偏设定油压；以及

s15：根据所获取的各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分区千斤顶的纠偏输出油压并输出。

本发明的自适应控制方法通过千斤顶的分区建立了纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型，所建立的转换模型可准确地实现盾构平面力矩与高程力矩解耦和准确地符合切口高程压力梯度的实际负荷特点，克服了人工经验无法达到的准确性。在纠偏设定油压输出前，利用实际油压对纠偏设定油压进行自适应处理，实现了实际负载与设定油压自动适应配合的效果，降低了人工操作造成的油压设定失误导致的纠偏风险。

本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法的进一步改进在于，步骤15：根据所获取的各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分区千斤顶的纠偏输出油压并输出，包括：

s151：计算各分区千斤顶的纠偏设定油压和实际油压的差值，并得到最大差值；

s152：判断得到的最大差值对应的分区是否为顶部分区或底部分区，

若是，则将顶部分区和底部分区千斤顶的纠偏设定油压减去最大差值作为纠偏输出油压并输出，将左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶的纠偏设定油压加上最大差值的一半作为纠偏输出油压并输出；

若否，则将最大差值对应的分区千斤顶的实际油压作为定值反馈给步骤s14中的转换模型，以重新计算各分区千斤顶的纠偏设定油压，并执行步骤s151至步骤s152。

本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法的进一步改进在于，建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型的步骤，包括：

建立各分区千斤顶的纠偏油压与纠偏合力的方程式作为方程式一，所述方程式一为：

方程式一中，f合为纠偏合力，pa为顶部分区的纠偏设定油压，pd为底部分区的纠偏设定油压，pbf为右上腰部分区和左上腰部分区的纠偏设定油压的均压，pbf＝(pb+pf)/2，pb为右上腰部分区的纠偏设定油压，pf为左上腰部分区的纠偏设定油压，pce为右下腰部分区和左下腰部分区的纠偏设定油压的均压，pce＝(pc+pe)/2，pc为右下腰部分区的纠偏设定油压，pe为左下腰部分布的纠偏设定油压，n1为除底部分区外其余分区内的千斤顶的数量，n2为底部分区的千斤顶的数量，s为千斤顶的活塞面积；

建立高程力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式二，所述方程式二为：

方程式二中，mz为高程力矩，r为盾构中心到千斤顶中心的距离，θ1为右上腰部分区的中心线与水平线的夹角，θ2为右下腰部分区的中心线与水平线的夹角；

建立平面力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式三，所述方程式三为：

my＝n1sr[cosθ1(pb-pf)+cosθ2(pc-pe)]方程式三

方程式三中，my为平面力矩；

依据各分区千斤顶油压成等比关系建立方程式四，所述方程式四为：

本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法的进一步改进在于，通过所述转换模型获得对应当前环的纠偏力矩的各分区的纠偏油压，作为纠偏设定油压的步骤，包括：

依据所述当前环的纠偏力矩计算得出平面力矩和高程力矩；

对方程式一至方程式四进行迭代求解以得到各分区的纠偏设定油压。

本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法的进一步改进在于，还包括：

利用各分区的纠偏输出油压控制各分区的千斤顶的油压。

本发明还提供了一种盾构纠偏油压输出的自适应控制系统，包括：

模型建立单元，用于对盾构机上的千斤顶进行分区以形成顶部分区、底部分区、左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶；还用于依据千斤顶的分区建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型；

油压采集单元，用于获取各分区千斤顶的实际油压；以及

与所述模型建立单元和所述油压采集单元连接的纠偏油压设定单元，用于通过所述转换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压作为纠偏设定油压；还用于根据所述各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分区千斤顶的纠偏输出油压并输出。

本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制系统的进一步改进在于，所述纠偏油压设定单元包括与所述模型建立单元连接的纠偏油压计算模块、与所述纠偏油压计算模块和所述油压采集单元连接的差值计算模块、与所述差值计算模块连接的判断模块以及与所述判断模块连接自适应调节模块；

所述纠偏油压计算模块用于通过所述转换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压作为纠偏设定油压；

所述差值计算模块用于得出计算各分区千斤顶的纠偏设定油压和实际油压的差值；

所述判断模块用于从所述差值计算模块计算出的差值中找出最大差值，并判断最大差值对应的分区是否为顶部分区或底部分区；

所述自适应调节模块在所述判断模块的判断结果为是时，将顶部分区和底部分区千斤顶的纠偏设定油压减去最大差值作为纠偏输出油压并输出，将左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶的纠偏设定油压加上最大差值的一半作为纠偏输出油压并输出；在判断模块的判断结构为否时，将最大差值对应的分区千斤顶的实际油压作为定值反馈给纠偏油压计算模块以使其重新计算各分区千斤顶的纠偏设定油压。

本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制系统的进一步改进在于，所述模型建立单元包括第一计算模型、第二计算模型、第三计算模型以及第四计算模型；

所述第一计算模型用于建立各分区千斤顶的纠偏油压与纠偏合力的方程式作为方程式一，所述方程式一为：

方程式一中，f合为纠偏合力，pa为顶部分区的纠偏设定油压，pd为底部分区的纠偏设定油压，pbf为右上腰部分区和左上腰部分区的纠偏设定油压的均压，pbf＝(pb+pf)/2，pb为右上腰部分区的纠偏设定油压，pf为左上腰部分区的纠偏设定油压，pce为右下腰部分区和左下腰部分区的纠偏设定油压的均压，pce＝(pc+pe)/2，pc为右下腰部分区的纠偏设定油压，pe为左下腰部分布的纠偏设定油压，n1为除底部分区外其余分区内的千斤顶的数量，n2为底部分区的千斤顶的数量，s为千斤顶的活塞面积；

所述第二计算模型用于建立高程力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式二，所述方程式二为：

方程式二中，mz为高程力矩，r为盾构中心到千斤顶中心的距离，θ1为右上腰部分区的中心线与水平线的夹角，θ2为右下腰部分区的中心线与水平线的夹角；

所述第三计算模型用于建立平面力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式三，所述方程式三为：

my＝n1sr[cosθ1(pb-pf)+cosθ2(pc-pe)]方程式三

方程式三中，my为平面力矩；

所述第四计算模型用于依据各分区千斤顶油压成等比关系建立方程式四，所述方程式四为：

本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制系统的进一步改进在于，所述纠偏油压设定单元用于依据当前环的纠偏力矩计算得出平面力矩和高程力矩，并对所述第一计算模型至所述第四计算模型进行迭代求解以得到各分区的纠偏设定油压。

本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制系统的进一步改进在于，还包括与所述纠偏油压设定单元连接的控制单元，用于利用各分区的纠偏输出油压控制各分区的千斤顶的油压。

附图说明

图1为本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法中的流程图。

图2为本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统中的千斤顶分区的示意图。

图3为本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统中各分区千斤顶的油压与埋深的比例关系图。

图4为本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统中各分区千斤顶的分布简图。

图5为本发明千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式的回归图。

图6为本发明千斤顶实际行程差角值与千斤顶实际力矩值的非线性关系图。

图7为本发明计算千斤顶行程差角的示意图。

图8为本发明计算纠偏距离时yox坐标系的结构示意图。

图9为本发明计算纠偏距离时xoz坐标系的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统，用于解决隧道施工轴线的“蛇”行振幅和频率的效果取决于操作人员的实际工作经验和能力，使得纠偏质量控制效果具有一定的离散性。本发明的自适应控制方法及系统可实现平面力矩和高程力矩的自动解耦，实现符合切口高程土体负荷梯度特点的分区推力自动分配，实现实际负载与设定油压自动适应配合效果，降低人工操作造成的油压设定失误导致的纠偏风险。本发明解决了控制油压特点和切口土质流动性差异特点的控制难题，是实现人工智能盾构纠偏的技术基础之一。下面结合附图对本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统进行说明。

本发明的盾构纠偏油压输出的自适应控制系统包括模型建立单元、油压采集单元以及纠偏油压设定单元，纠偏油压设定单元与模型建立单元和油压采集单元连接；

其中的模型建立单元用于对盾构机上的千斤顶进行分区以形成顶部分区、底部分区、左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶；还用于依据千斤顶的分区建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型；如图2所示，对盾构机截面按顺时针方向划分出六个区域，分别为区域a至区域f，相应地，区域a为顶部分区，区域d为底部分区，区域b为右上腰部分区，区域c为右下腰部分区，区域f为左上腰部分区，区域e为左下腰部分区，划分的六个区域呈对称分布。在划分各区时，令区域d内的千斤顶数量多于其余区域内的千斤顶的数量，以抵抗底部区域较大的土体压力，能够确保盾构机保持平稳的掘进。以19组千斤顶为例，区域d内的千斤顶数量为4组，其余区域内的千斤顶数量均为3组。

油压采集单元，用于获取各分区千斤顶的实际油压；在盾构机推进的过程中，盾构机的plc会实时记录盾构机上千斤顶的油压，油压采集单元可与盾构机的plc连接，从盾构机的plc处获取各分区千斤顶的实际油压；或者在各分区千斤顶处安装压力传感器，利用压力传感器实时检测各千斤顶的油压，并发送给油压采集单元。

纠偏油压设定单元，用于通过转换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压作为纠偏设定油压；还用于根据各分区千斤顶的实际油压对纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分区千斤顶的纠偏输出油压并输出。纠偏油压设定单元在计算各分区千斤顶的纠偏油压时，读取转换模型并根据已知的纠偏力矩计算处对应的各分区千斤顶的纠偏油压作为纠偏设定油压，而后纠偏油压设定单元对应得到纠偏设定油压根据实际油压进行自适应处理，因实际油压反应了实际负载，故而利用实际油压进行自适应处理，可实现实际负载与设定油压自动适应配合的效果。

作为本发明的一较佳实施方式，纠偏油压设定单元包括与模型建立单元连接的纠偏油压计算模块、与纠偏油压计算模块和油压采集单元连接的差值计算模块、与差值计算模块连接的判断模块以及与判断模块连接自适应调节模块；

纠偏油压计算模块用于通过转换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压作为纠偏设定油压；

差值计算模块用于得出计算各分区千斤顶的纠偏设定油压和实际油压的差值；

判断模块用于从差值计算模块计算出的差值中找出最大差值，并判断最大差值对应的分区是否为顶部分区或底部分区；

自适应调节模块在判断模块的判断结果为是时，将顶部分区和底部分区千斤顶的纠偏设定油压减去最大差值作为纠偏输出油压并输出，将左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶的纠偏设定油压加上最大差值的一半作为纠偏输出油压并输出；在判断模块的判断结构为否时，将最大差值对应的分区千斤顶的实际油压作为定值反馈给纠偏油压计算模块以使其重新计算各分区千斤顶的纠偏设定油压。在纠偏油压计算模块计算出行的纠偏设定油压后，差值计算模块、判断模块和自适应调节模块对新的纠偏设定油压进行重新计算，直至得到各分区千斤顶纠偏输出油压并输出为止。

纠偏油压计算模块、差值计算模块、判断模块以及自适应调节模块形成了一个计算循环，在得出的最大差值对应的分区为左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区或右下腰部分区内时，反馈该最大差值对应分区的实际油压给纠偏油压计算模块，令其重新计算纠偏设定油压，实现了利用实际油压对纠偏设定油压不断地进行自适应处理，直至最大差值对应的分区为顶部分区或底部分区为止。如此才输出各分区的纠偏输出油压，最大差值落在顶部分区或底部分区时，能够不影响平面力矩，在输出各分区的纠偏输出油压时，将顶部分区和底部分区的油压降低(即利用顶部分区和底部分区的纠偏设定油压减去最大差值)，将腰部千斤顶的油压增加(即利用左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区或右下腰部分区的纠偏设定油压加上最大差值的一半)，这样做达到了在总推力不便的情况下，顶部和底部分区的千斤顶的油压降低，两侧的千斤顶的油压均匀增加，使得千斤顶的顶推力不收敛，具有均匀发散的特点，并提高了推进过程的稳定性。

进一步地，模型建立单元包括第一计算模型、第二计算模型、第三计算模型以及第四计算模型；

其中第一计算模型用于建立各分区千斤顶的纠偏油压与纠偏合力的方程式作为方程式一，方程式一为：

方程式一中，f合为纠偏合力，pa为顶部分区的纠偏设定油压，pd为底部分区的纠偏设定油压，pbf为右上腰部分区和左上腰部分区的纠偏设定油压的均压，pbf＝(pb+pf)/2，pb为右上腰部分区的纠偏设定油压，pf为左上腰部分区的纠偏设定油压，pce为右下腰部分区和左下腰部分区的纠偏设定油压的均压，pce＝(pc+pe)/2，pc为右下腰部分区的纠偏设定油压，pe为左下腰部分布的纠偏设定油压，n1为除底部分区外其余分区内的千斤顶的数量，n2为底部分区的千斤顶的数量，s为千斤顶的活塞面积；以19组千斤顶为例，其中的n1为3，n2为4。方程式一依据合力矩计算公式推导而来，合力矩计算公式为f＝∑nipis，其中的f表示合力矩，ni表示第i组千斤顶的数量，pi表示第i组千斤顶的油压，s表示第i组千斤顶的活塞面积。

第二计算模型用于建立高程力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式二，方程式二为：

方程式二中，mz为高程力矩，r为盾构中心到千斤顶中心的距离，θ1为右上腰部分区的中心线与水平线的夹角，θ2为右下腰部分区的中心线与水平线的夹角；夹角θ1和θ2请参见图4所示；

第三计算模型用于建立平面力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式三，方程式三为：

my＝n1sr[cosθ1(pb-pf)+cosθ2(pc-pe)]方程式三

方程式三中，my为平面力矩；

方程式二和方程式三依据千斤顶的平面力矩计算公式和高程力矩计算公式推导而来，平面力矩计算公式为m平＝∑nipiscosθi，高程力矩计算公式为m高＝∑nipissinθi，其中的θi为第i组千斤顶对应的圆心角(顺时针方向为正)。

第四计算模型用于依据各分区千斤顶油压成等比关系建立方程式四，方程式四为：

如图3所示，考虑土质压力梯度，顶部、上腰部、下腰部以及底部的千斤顶的油压成梯形分布，图3中的h表示深度，p表示油压，其中的pa为顶部分区千斤顶的油压，pbf为左、右上腰部分区千斤顶的油压均值，pce为左、右下腰部分区千斤顶的油压均值，pd为底部分区千斤顶的油压，油压分布呈现了从顶部至底部逐渐递增的变化，由此根据油压的分布可得出方程式四。利用方程式四进行油压分布计算时，能够满足油压的梯形分布，符合土质压力梯度，使得计算得到的各分区千斤顶的油压设定值能够符合切口高程土体符合梯度特点。

再进一步地，纠偏油压设定单元用于依据当前环的纠偏力矩计算得出平面力矩和高程力矩，并对第一计算模型至第四计算模型进行迭代求解以得到各分区的纠偏设定油压。具体地，纠偏油压设定单元内的纠偏油压计算模块根据平面力矩计算公式、高程力矩计算公式和合力矩计算公式，换算出平面力矩和高程力矩与合力矩的关系，因千斤顶布设的圆心角已知，千斤顶通常是沿盾构机的截面均匀布设，故而根据千斤顶的数量，可算出各千斤顶的布设的圆心角，从而能够根据已知的当前环的纠偏力矩解算出平面力矩和高程力矩。纠偏油压计算模块读取第一计算模型至第四计算模型中的四个方程式，其中的方程式四有两个方程，即5个方程6个未知数，纠偏油压计算模块利用迭代求解，为其中的一个未知数设定一个数值，从而求解出其他的值。较佳地，设定一个未知数的数值时，依据对应的实际油压来选取。在自适应调节模块反馈一个实际油压作为定值时，纠偏计算模块将该定值作为对应分区千斤顶的纠偏设定油压，并计算出其他分区千斤顶的纠偏设定油压。

作为本发明的另一较佳实施方式，本发明的自适应控制系统还包括与纠偏油压设定单元连接的控制单元，用于利用各分区的纠偏输出油压控制各分区的千斤顶的油压。

本发明的自适应控制系统中的当前环的纠偏力矩可由人工输入，还可由其他系统或模块发送。

在一较佳实施方式中，通过一纠偏力矩预测子系统为自适应控制系统提供纠偏力矩，该纠偏力矩预测子系统包括实时采集单元、自学习单元以及预测单元，实时采集单元与自学习单元连接，自学习单元与预测单元连接；其中实时采集单元用于在盾构掘进施工的过程中，实时获取千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值；自学习单元读取实时采集单元获取的千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值，利用实时获取的千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值求解出对应的千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式；预测单元用于接收输入的当前环的千斤顶行程差角预测值，将该千斤顶行程差角预测值代入到千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式中，得出对应的千斤顶纠偏力矩值作为当前环的千斤顶纠偏力矩预测值。该当前环的千斤顶纠偏力矩预测值发送给自适应控制系统作为当前环的纠偏力矩。

进一步地，实时采集单元包括行程差角计算模块；行程差角计算模块通过如下步骤计算千斤顶实际行程差角：

第一步：计算各千斤顶行程传感器位置空间坐标(xi,yi,zi)：

xi＝li

yi＝rsinθi

zi＝rcosθi

其中：li是千斤顶行程传感器的长度，θi是千斤顶所在圆对应的圆周角，i是千斤顶序列号，r是千斤顶所在圆的半径；

第二步：解下列三元一次方程：

其中，

a12＝a21＝∑xiyi,a13＝a31＝∑xizi,a32＝a23＝∑ziyi,

c1＝∑xi,c2＝∑yi,c3＝∑zi,

解得

第三步：计算千斤顶投影和坐标轴的夹角：

其中：αy是平面方向的行程差角，αz是高程方向的行程差角。

千斤顶顶撑在盾构机和管片之间，千斤顶的顶推可推动盾构机向前移动，在隧道施工的设计轴线为曲线或者前后两环盾构姿态发生偏转的情况下，左右两侧的千斤顶的行程就会不同，从而使得前后两环管片环的千斤顶产生了行程差角。

较佳地，第一采集模块和第二采集模块与盾构机的plc连接，从盾构机的plc直接读取所需的施工数据。或者在各千斤顶处安装距离传感器，测量各千斤顶的移动距离，从而可得出行程差；第二采集模块所需的呈圆周布置的千斤顶之间过盾构轴线的直径根据盾构机的尺寸及型号可确定，可预先将该呈圆周布置的千斤顶之间过盾构轴线的直径输入到第二采集模块内。

进一步地，实时采集模块还包括推力采集模块和与推力采集模块连接的力矩计算模块；推力采集模块用于获取各千斤顶的推力值；力矩计算模块用于依据各千斤顶的推力值计算出各千斤顶的力矩值并求和得到千斤顶实际力矩值。较佳地，推力采集模块与盾构机的plc连接，从盾构机的plc直接读取到各千斤顶的推理值；或者在各千斤顶处安装压力传感器，用于实时检测各千斤顶的顶推力。力矩计算模块在计算各千斤顶的力矩值时，需知晓各千斤顶的力臂大小，而各千斤顶的力臂由千斤顶的设置位置可知，该力臂可预先输入到力矩计算模块内。

该纠偏力矩预测子系统还包括与实时采集单元和自学习单元连接的数据表，该数据表用于成对的存储千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值，实时采集单元和自学习单元依据先进先出规则对数据表中的数据进行存储和读取。其中的实时采集单元依据设定的采样环数采集最近的实际施工数据，即千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值，较佳地，采样环数设定为3环，即采集距当前施工管片环最近的已经施工好的三环管片的施工数据，这样依据实时采样的周期可得到采集数据的总数据量，数据表的存储量依据该总数据量建立。

自学习单元包括与数据表连接的第一计算模块和与第一计算模块连接的第二计算模块，该第一计算模块从数据表中读取千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值，并代入到式二中求解出a0和a1的值，式二为：

式二中，yi为千斤顶实际力矩值，n为采样环数，xi的取值为千斤顶实际行程差角值；第一计算模块将计算出的a0和a1的值发送给第二计算模块；

第二计算模块接收第一计算模块求解出的a0和a1的值，并代入式一中得到千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式，式一为：

yj＝a0+a1xi式一

式一中，yj为千斤顶纠偏力矩；xi为千斤顶行程差角。如图5所示，显示了式一表达式的回归图，图5中x轴表示千斤顶实际行程差角值，y轴表示千斤顶实际力矩值。

自学习单元的计算原理为：实时获取的千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值的关系是非线性的，对二者进行分区拟合可得出图6所示的关系，如图6所示，x轴表示千斤顶实际行程差角值，y轴表示千斤顶实际力矩值，曲线e表示千斤顶实际力矩的高程分量，曲线p表示千斤顶实际力矩的平面分量。自学习单元将千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值的非线性关系以分段函数方法转换为分段区域内的近似折线线形关系，数据表中存储有最近几环的数据，即千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值，若每环是10个控制周期，则数据表中的数据总量为10*环数。研究千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值的关系时，千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值为一系列成对的数据，在小范围内将千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值的关系看作为直线关系，就有式一的关系表达式成立，而后通过最小二乘法确定：以所述千斤顶实际力矩值与所述千斤顶纠偏力矩的差的平方和∑(yi-yj)²最小为判断依据，用函数∑(yi-yj)²对a0和a1求导，并令偏导数为零，则得到式二，从而根据数据表中的数据可计算出对应当前环的千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式，该关系表达式适用于计算当前环的千斤顶纠偏力矩。

进一步地，在盾构掘进施工的过程中，自学习单元利用实时获取的千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值不断地求解a0和a1的值并更新千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式。以采样环数为3环为例进行说明，在预测当前环的千斤顶纠偏力矩时，与该当前环相邻的前3环的数据已知，利用已知的前3环的千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值求解出对应的a0和a1的值而后更新千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式，利用更新的关系表达式得出千斤顶纠偏力矩的预测值。

预测单元接收的当前环的千斤顶行程差角预测值可手动输入，也可通过其他系统或模块提供。

在一较佳实施方式中，手动输入、其他系统或模块输入的千斤顶行程差角预测值可通过如下方式计算得到：若盾构的设计轴线为曲线，则当前环的千斤顶行程差角预测值为盾构姿态转角变化值加上设计轴线的转角变化值。如图7所示，曲线dta为设计轴线，在图7所示的实例中，当前环的千斤顶行程差角预测值为盾构姿态转角变化值加上设计轴线的转角变化值。图7中的点ci-1为第i-1环管片的切口中心位于设计轴线dta上的位置点，点ti-1为第i-1环管片的盾尾中心位于设计轴线dta上的位置点，故而点ci-1与点ti-1的连线表示对应第i-1环管片的行程处盾构机的切口和盾尾均位于曲线dta上时的盾构轴线a1；点ci为第i环管片的切口中心位于曲线dta上的位置点，点ti为第i环管片的盾尾中心位于曲线dta上的位置点，故而点ci与点ti的连线表示对应第i环管片的行程处盾构机的切口和盾尾均位于曲线dta上时的盾构轴线a2；盾构轴线a1和盾构轴线a2的夹角dθ0为对应第i环管片的设计轴线的转角变化值；点dci-1为第i-1环管片的管片轴线中心位于曲线dta上时切口中心的位置点，点dti-1为第i-1环管片的管片轴线中心位于曲线dta上时盾尾中心的位置点，点dci-1与点dti-1的连线表示对应第i-1环管片行程处管片轴线中心位于曲线dta上时的盾构轴线a3；点dci为第i环管片的管片轴线中心位于设计轴线dta上时切口中心的位置点，点dti为第i环管片的管片轴线中心位于设计轴线dta上时盾尾口中心的位置点，点dci与点dti的连线表示对应第i环管片行程处管片轴线中心位于曲线dta上时的盾构轴线a4；盾构轴线a1和盾构轴线a2的夹角dθ1为盾构姿态转角变化值。曲线dta为盾构的设计轴线，其上的所有位置点的坐标值均已知，从而上述夹角dθ0和dθ1均可计算得出，从而将两个夹角相加即为当前环的千斤顶行程差角预测值。

在另一较佳实施方式中，预测单元与一当前环的千斤顶形成差角预测子系统连接，该当前环的千斤顶形成差角预测子系统用于输出当前环的千斤顶形成差角预测值给预测单元。该当前环的千斤顶形成差角预测子系统包括训练数据获取单元、模型训练单元、预测数据获取单元以及目标预测执行单元，训练数据获取单元与模型训练单元连接；目标预测执行单元与模型训练单元和预测数据获取单元连接；其中训练数据获取单元用于获取第一训练数据集和第二训练数据集，该第一训练数据集包括对应当前管片环的盾构机的相对偏差信息和前一管片环的千斤顶行程差角；第二训练数据集包括对应当前管片环的千斤顶行程差角；第一训练数据集和第二训练数据集可通过相同的管片环而建立起对应关系。模型训练单元接收训练数据获取单元的第一训练数据集和第二训练数据集，该模型训练单元用于利用神经网络模型建立第一训练数据集和第二训练数据集的神经网络纠偏预测模型；预测数据获取单元用于在盾构施工过程中获取对应当前管片环的相对偏差信息和前一管片环的千斤顶行程差角作为预测输入数据；目标预测执行单元接收预测数据获取单元的预测输入数据，将预测输入数据输入到神经网络纠偏预测模型中进而获取神经网络纠偏预测模型输出的千斤顶行程差角作为当前管片环千斤顶形成差角预测值。

具体地，训练数据获取单元包括有参数输入模块、弦高计算模块以及计算处理模块；较佳地，当前环的千斤顶形成差角预测子系统包括有存储单元，将盾构机掘进施工的施工参数和/或既有隧道的施工参数存放于存储单元内；参数输入模块、纠偏距离计算模块和计算处理模块均与存储单元连接并可读取存储单元中存储的施工参数。其中的参数输入模块用于输入隧道施工的设计轴线、隧道施工过程中的盾构机的实时偏差信息以及盾构机的当前行程；弦高计算模块用于根据盾构机的当前行程，将盾构机的切口中心及盾尾中心均位于所述设计轴线上时，拼装管片轴线中心的位置作为纠偏轴向参考位置点，并计算出所述参考位置点距所述设计轴线的弦高；计算处理模块用于根据盾构机的尺寸设定对应的比例系数，依据比例系数将弦高转换为盾构机的稳态目标偏置值，再根据稳态目标偏置值与实时偏差信息计算得到盾构机的相对偏差信息。从而弦高计算模块和计算处理模块将盾构机的弦高和盾构机的稳态目标偏置值反馈给训练数据获取单元，由训练数据获取单元将该盾构机的弦高和盾构机的相对偏差信息依据对应的管片环进行存储。

较佳地，弦高计算模块计算得到的弦高包括平面弦高和高程弦高，结合图8和图9所示，弦高计算模块根据盾构机的当前行程在设计轴线上查找出对应的盾构机的切口中心及盾尾中心的设计坐标值；在图8中，显示了在大地坐标系中x轴和y轴界定的平面内的坐标图，曲线dta即为隧道施工的设计轴线，点c为盾构机的切口中心，点t为盾构机的盾尾中心，点c和点t均位于曲线dta上，点c和点t的连线即为盾构轴线，也表示盾构姿态，根据参数输入单元获取盾构机的当前行程，从而知道当前管片环号，盾构机的切口里程及盾尾里程，接着找出切口中心和盾尾中心均落在设计轴线上时对应的设计坐标值，得到点c的坐标(xc,yc,zc)和点t的坐标(xt,yt,zt)。查找模块还用于对应计算出参考位置点m的坐标值(x1,y1,z1)，该参考位置点m为盾构轴线上对应的拼装管片的轴线中心。

弦高计算模块根据参考位置点的坐标值、盾构机的切口中心及盾构中心的设计坐标值，于隧道施工的大地坐标系中的x轴和y轴界定的平面内，计算出参考位置点的投影点距设计轴线的弦高作为平面弦高；平面弦高即为图8中点m距点p的距离，其中点p为经过点m且与点c和点t连成的直线相垂直的直线与设计轴线的交点，该点p表示拼装管片轴线中心落在设计轴线上，具体地，计算公式如下：

ph＝(y1-yt)cosα-(x1-xt)sinα

上式中，ph为平面纠偏距离，α为点c和点t连成的直线与x轴的夹角。式中的坐标值已知，故而平面弦高计算模块可计算得到平面弦高ph。

该弦高计算模块还根据参考位置点的坐标值、盾构机的切口中心及盾构中心的设计坐标值，于隧道施工的大地坐标系中的x轴和z轴界定的平面内，计算出参考位置点的投影点在z轴方向上距设计轴线的弦高作为高程弦高。结合图9所示，高程弦高即为点m在垂直方向也即z轴方向上到点p的距离，具体地，计算公式如下：

上式中，eh为高程弦高。式中的坐标值已知，故而高程弦高计算模块可计算得到高程弦高eh。

本发明的弦高计算模块计算出的弦高包括高程弦高和平面弦高，高程弦高表示在实际施工中盾构机高度方向(也即z轴方向)的偏差，平面弦高表示在实际施工中盾构机在平面内(也即x轴和y轴线方向)的偏差。

计算处理模块将比例系数、平面弦高、高程弦高以及盾构机尺寸代入公式组一和公式组二，计算得出盾构机切口的平面偏置值和高程偏置值与盾构机盾尾的平面偏置值和高程偏置值。公式组一为：

公式组一中，dpcut为盾构机切口的平面偏置值，decut为盾构机切口的高程偏置值，k为比例系数，ph为平面弦高，eh为高程弦高；

公式组二为：

公式组二中，dptail为盾构机盾尾的平面偏置值，detail为盾构机盾尾的高程偏置值，k为比例系数，ph为平面弦高，eh为高程弦高，l为盾构机的长度，l0为拼装管片轴线中心距盾尾中心的距离；

其中盾构机尺寸包括盾构机的长度，拼装管片轴线中心距盾尾中心的距离，该盾构机尺寸信息通过参数输入单元输入，处理单元的稳态目标偏置转换模块读取参数输入单元输入的盾构机尺寸，并代入到公式组二中计算得出盾尾的平面偏置值和高程偏置值。

计算处理模块在得到平面偏置值和高程偏置值后，结合盾构机的实时偏差信息得到盾构机的相对偏差信息，具体地，将盾构机切口的平面实时偏差值与盾构机切口的平面偏置值求和，作为盾构机切口的平面相对偏差值；将盾构机切口的高程实时偏差值与盾构机切口的高程偏置值求和，作为盾构机切口的高程相对偏差值；将盾构机盾尾的平面实时偏差值与盾构机盾尾的平面偏置值求和，作为盾构机盾尾的平面相对偏差值；将盾构机盾尾的高程实时偏差值与盾构机盾尾的高程偏置值求和，作为盾构机盾尾的高程相对偏差值。

训练数据获取单元获取千斤顶的行程差角的方法与本发明中的实时采集单元获取千斤顶实际行程差角值的方法相同。具体可参见实时采集单元的第一采集模块、第二采集模块以及行程差角计算模块处的描述。

模型训练单元以第一训练数据集作为神经网络模型的输入数据，以第二训练数据集作为神经网络模型的输出数据，训练神经网络模型得到神经网络纠偏预测模型。

预测数据获取单元根据盾构施工过程中的施工参数获取到对应当前环管片的盾构机的相对偏差信息和前一管片环的千斤顶行程差角作为预测输入数据，而盾构机的相对偏差信息和前一管片环的千斤顶行程差角的获取方法与训练数据获取单元的获取方法相同，具体可参见上述训练数据获取单元的描述。

下面对本发明的盾构纠偏油压输出的自适应控制方法进行说明。

本发明的盾构纠偏油压输出的自适应控制方法，包括如下步骤：

如图1所示，执行步骤s11：对盾构机上的千斤顶进行分区以形成顶部分区、底部分区、左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶；接着执行步骤s12；

执行步骤s12：依据千斤顶的分区建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型；接着执行步骤s13；

执行步骤s13：获取各分区千斤顶的实际油压；接着执行步骤s14；

执行步骤s14：通过转换模型获得对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压，作为纠偏设定油压；接着执行步骤s15；

执行步骤s15：根据所获取的各分区千斤顶的实际油压对纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分区千斤顶的纠偏输出油压并输出。

如图2所示，对盾构机截面按顺时针方向划分出六个区域，分别为区域a至区域f，相应地，区域a为顶部分区，区域d为底部分区，区域b为右上腰部分区，区域c为右下腰部分区，区域f为左上腰部分区，区域e为左下腰部分区，划分的六个区域呈对称分布。在划分各区时，令区域d内的千斤顶数量多于其余区域内的千斤顶的数量，以抵抗底部区域较大的土体压力，能够确保盾构机保持平稳的掘进。以19组千斤顶为例，区域d内的千斤顶数量为4组，其余区域内的千斤顶数量均为3组。在盾构机推进的过程中，盾构机的plc会实时记录盾构机上千斤顶的油压，故步骤s13可通过与盾构机的plc连接，从盾构机的plc处获取各分区千斤顶的实际油压；或者在各分区千斤顶处安装压力传感器，利用压力传感器实时检测各千斤顶的油压。

本发明的自适应控制方法通过千斤顶的分区建立了纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型，所建立的转换模型可准确地实现盾构平面力矩与高程力矩解耦和准确地符合切口高程压力梯度的实际负荷特点，克服了人工经验无法达到的准确性。在纠偏设定油压输出前，利用实际油压对纠偏设定油压进行自适应处理，实现了实际负载与设定油压自动适应配合的效果，降低了人工操作造成的油压设定失误导致的纠偏风险。

作为本发明的一较佳实施方式，步骤15：根据所获取的各分区千斤顶的实际油压对纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分区千斤顶的纠偏输出油压并输出，包括：

s151：计算各分区千斤顶的纠偏设定油压和实际油压的差值，并得到最大差值；

s152：判断得到的最大差值对应的分区是否为顶部分区或底部分区，

若是，则将顶部分区和底部分区千斤顶的纠偏设定油压减去最大差值作为纠偏输出油压并输出，将左上腰部分区、左下腰部分区、右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶的纠偏设定油压加上最大差值的一半作为纠偏输出油压并输出；

若否，则将最大差值对应的分区千斤顶的实际油压作为定值反馈给步骤s14中的转换模型，以重新计算各分区千斤顶的纠偏设定油压，并执行步骤s151至步骤s152。

进一步地，建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型的步骤，包括：

建立各分区千斤顶的纠偏油压与纠偏合力的方程式作为方程式一，方程式一为：

方程式一中，f合为纠偏合力，pa为顶部分区的纠偏设定油压，pd为底部分区的纠偏设定油压，pbf为右上腰部分区和左上腰部分区的纠偏设定油压的均压，pbf＝(pb+pf)/2，pb为右上腰部分区的纠偏设定油压，pf为左上腰部分区的纠偏设定油压，pce为右下腰部分区和左下腰部分区的纠偏设定油压的均压，pce＝(pc+pe)/2，pc为右下腰部分区的纠偏设定油压，pe为左下腰部分布的纠偏设定油压，n1为除底部分区外其余分区内的千斤顶的数量，n2为底部分区的千斤顶的数量，s为千斤顶的活塞面积；以19组千斤顶为例，其中的n1为3，n2为4；

建立高程力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式二，方程式二为：

方程式二中，mz为高程力矩，r为盾构中心到千斤顶中心的距离，θ1为右上腰部分区的中心线与水平线的夹角，θ2为右下腰部分区的中心线与水平线的夹角；夹角θ1和θ2请参见图4所示；

建立平面力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式三，方程式三为：

my＝n1sr[cosθ1(pb-pf)+cosθ2(pc-pe)]方程式三

方程式三中，my为平面力矩；

依据各分区千斤顶油压成等比关系建立方程式四，方程式四为：

如图3所示，考虑土质压力梯度，顶部、上腰部、下腰部以及底部的千斤顶的油压成梯形分布，图3中的h表示深度，p表示油压，其中的pa为顶部分区千斤顶的油压，pbf为左、右上腰部分区千斤顶的油压均值，pce为左、右下腰部分区千斤顶的油压均值，pd为底部分区千斤顶的油压，油压分布呈现了从顶部至底部逐渐递增的变化，由此根据油压的分布可得出方程式四。利用方程式四进行油压分布计算时，能够满足油压的梯形分布，符合土质压力梯度，使得计算得到的各分区千斤顶的油压设定值能够符合切口高程土体符合梯度特点。

再进一步地，通过转换模型获得对应当前环的纠偏力矩的各分区的纠偏油压，作为纠偏设定油压的步骤，包括：

依据当前环的纠偏力矩计算得出平面力矩和高程力矩；

对方程式一至方程式四进行迭代求解以得到各分区的纠偏设定油压。

具体地，根据平面力矩计算公式、高程力矩计算公式和合力矩计算公式，换算出平面力矩和高程力矩与合力矩的关系，因千斤顶布设的圆心角已知，千斤顶通常是沿盾构机的截面均匀布设，故而根据千斤顶的数量，可算出各千斤顶的布设的圆心角，从而能够根据已知的当前环的纠偏力矩解算出平面力矩和高程力矩。上述的四个方程式，其中的方程式四有两个方程，即5个方程6个未知数，利用迭代求解，为其中的一个未知数设定一个数值，从而求解出其他的值。较佳地，设定一个未知数的数值时，依据对应的实际油压来选取。在反馈一个实际油压作为定值时，将该定值作为对应分区千斤顶的纠偏设定油压，并计算出其他分区千斤顶的纠偏设定油压。

作为本发明的另一较佳实施方式，还包括：

利用各分区的纠偏输出油压控制各分区的千斤顶的油压。

本发明的自适应控制方法中的当前环的纠偏力矩可由人工输入，还可由其他系统或模块发送。

在一较佳实施方式中，

在另一较佳实施方式中，盾构纠偏力矩的预测方法包括盾构掘进施工的过程中，实时获取千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值；利用实时获取的千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值求解出对应的千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式；获取当前环的千斤顶行程差角预测值，将千斤顶行程差角预测值代入千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式，得出对应的千斤顶纠偏力矩值作为当前环的千斤顶纠偏力矩预测值。利用实时获取的千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角求解出对应的千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式的步骤，包括：设定采样环数，依据所设定的采样环数的数据量建立对应的数据表；将实时获取的千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值成对的存储于数据表中，并依据先进先出规则对数据表中的数据进行存储和读取；将千斤顶纠偏力矩和千斤顶行程差角拟合为直线关系，则得到如下表示式：

yj＝a0+a1xi式一

式一中，yj为千斤顶纠偏力矩；xi为千斤顶行程差角；a0和a1为待定参数；

以千斤顶实际力矩值与千斤顶纠偏力矩的差的平方和∑(yi-yj)²最小为判断依据，用函数∑(yi-yj)²对a0和a1求导，并令偏导数为零，则得到：

式二中，yi为千斤顶实际力矩值，n为采样环数，xi的取值为千斤顶实际行程差角值；

将数据表中存储的千斤顶实际力矩值和千斤顶行程差角值代入式二中求解出a0和a1的值；将求解出的a0和a1的值代入到式一中就得到了千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式。

具体地，盾构纠偏力矩的预测方法与上述的纠偏力矩预测子系统的计算方法相同，故计算方法及原理可参见上述的纠偏力矩预测子系统的描述，在此不再赘述。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。