基于数据分析的盾构机掘进轴线偏差报警机制优化方法与流程
本发明属于盾构机掘进轴线偏差报警技术领域，具体涉及一种基于数据分析的盾构机掘进轴线偏差报警机制优化方法。
背景技术：
盾构施工中，为保证盾构机的正常稳定前行，在盾构施工之前会对盾构机行进路线进行设计，但是由于盾构机在行进过程中受到开挖面土压力和盾壳外围土压力的不均衡性、地下土层变化等其他方面的影响，盾构机掘进过程中会出现偏离原始设计轴线的问题，从而造成管片损失、盾尾损坏和地层损失过大等危害。为保证盾构施工隧道高质量的完成，需在盾构施工过程中对盾构机的轴线偏差进行精确的监控。传统的盾构机轴线偏差报警方法是人工记录相关的轴线坐标数据及偏差量，当发现偏差量超过一定范围后，报告上级主管部门进行处理，该方法具有主观性及时延性，不能及时高效的对轴线偏差状态进行妥善的处理。
针对这些缺点，现阶段工程上主要是利用信息化的风险管控系统实时监控轴线偏差量，并根据所设定的警戒值进行报警。例如，专利申请号为201710568191.5的中国发明专利，就是利用设置位置传感器，对数据进行采集设置，并通过采集距离差监测数据，根据其距离增加值确定是否出现轴线偏差现象。但是在实际工程施工的过程中，虽然可根据国家规定或者各类规范制定相应的警戒线实现报警，但是在偏离量超范围后，会持续性的进行报警，这就造成盾构机处于纠偏过程中时，轴线偏差量仍在报警阈值范围内，会造成多次无效报警，干扰施工人员判断，造成施工效率低。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于数据分析的盾构机掘进轴线偏差报警机制优化方法，根据盾构机掘进轴线偏差趋势和盾构机掘进轴线偏差速率，利用数据特征分析筛选有效报警，提高报警效率，提高盾构机掘进轴线偏差报警的准确性及有效性，降低因无效报警造成的人力损失，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于数据分析的盾构机掘进轴线偏差报警机制优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、盾构机掘进数据采集：在盾构机外壁上设置四个位置传感器，四个位置传感器分别为用于采集盾体导向水平前点数据的第一位置传感器、用于采集盾体导向水平后点数据的第二位置传感器、用于采集盾体导向垂直前点数据的第三位置传感器和用于采集盾体导向垂直后点数据的第四位置传感器，第一位置传感器和第二位置传感器均位于盾体的左侧外壁上或右侧外壁上且等高，第三位置传感器和第四位置传感器均位于盾体顶部或盾体底部，第一位置传感器和第三位置传感器均位于盾体的一个断面上，第二位置传感器和第四位置传感器均位于盾体的另一个断面上；
将同一采样时刻下盾体导向水平前点数据、盾体导向水平后点数据、盾体导向垂直前点数据和盾体导向垂直后点数据视为一组盾体导向数据；
步骤二、盾构机掘进数据去噪：控制台对盾体导向水平前点数据、盾体导向水平后点数据、盾体导向垂直前点数据和盾体导向垂直后点数据进行去噪，剔除盾体导向数据中的突变值；
同时剔除同一采样时刻下盾体导向数据中存在数据缺失的盾体导向数据；
步骤三、识别盾构机掘进轴线偏差趋势是否为离心趋势：根据公式
步骤四、计算时间窗口t内盾构机掘进轴线平均偏离速率：预先设定时间窗口t，在时间窗口t内进行盾体导向数据采样，一个时间窗口t内采样j个盾体导向数据采样点，根据公式
步骤五、判断盾构机掘进轴线偏差速率是否超标：当
步骤六、盾构机掘进轴线偏差报警：预先设置盾构机掘进轴线偏差警戒值及盾构机掘进轴线偏差报警机制，当m≤sn<1.2m时，盾构机掘进轴线偏差报警机制为i级报警；当1.2m<sn≤1.4m时，盾构机掘进轴线偏差报警机制为ii级报警；当时，盾构机掘进轴线偏差报警机制为iii级报警；其中，sn为步骤五中当前采样时刻下一组盾体导向数据中任一盾体导向点数据与预设的设计轴线之间的偏移量，m为预先设置的盾构机掘进轴线偏差警戒值；
根据当前采样时刻下盾构机掘进轴线水平前、水平后、垂直前和垂直后的偏移量数据，自动启动相应的盾构机掘进轴线偏差报警机制进行盾构机掘进轴线偏差报警。
上述的基于数据分析的盾构机掘进轴线偏差报警机制优化方法，其特征在于：步骤一中，四个位置传感器均将采集的数据传输至盾构机plc控制器中，利用scada系统与盾构机plc控制器通信将盾构机掘进数据采集至控制台。
上述的基于数据分析的盾构机掘进轴线偏差报警机制优化方法，其特征在于：步骤二中，控制台利用数据挖掘中的聚类算法分别对盾体导向水平前点数据、盾体导向水平后点数据、盾体导向垂直前点数据和盾体导向垂直后点数据进行去噪，剔除盾体导向数据中的突变值。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过在盾构机外壁上设置四个位置传感器，其中，两个传感器设置在盾构机前端，分别用于采集盾体导向水平前点数据和盾体导向垂直前点数据；另两个传感器设置在盾构机后端，分别用于采集盾体导向水平后点数据和盾体导向垂直后点数据，由于盾构机是利用盾头移动带动盾尾移动，因此两个盾体导向前点数据具有主导作用，利用两个盾体导向前点数据判断盾构机掘进轴线偏差趋势，剔除盾构机回归设计隧道线路时的报警信号，提高报警的有效性及可靠性，便于推广使用。
2、本发明通过盾构机掘进数据去噪，剔除盾体导向数据中的突变值，该部分数据可能是由于采集系统的异常造成的，识别并剔除异常数据，保证数据的有效性，可靠稳定，使用效果好；同时剔除同一采样时刻下盾体导向数据中存在数据缺失的盾体导向数据，当盾体导向数据中四个数据缺失任一数据时，则该条盾体导向数据无实用意义，剔除缺失数据的数据样本，保证数据的有效性，便于后期数据分析，避免造成数据异常处理带来的误报警。
3、本发明方法步骤简单，对盾构机掘进轴线水平前、水平后、垂直前和垂直后偏差速率分别进行计算，根据数据落入的报警机制范围区间自动启动报警机制，评估盾构机运行状态的风险，指导并提高施工人员处理效率，节省人力成本，便于推广使用。
综上所述，本发明根据盾构机掘进轴线偏差趋势和盾构机掘进轴线偏差速率，利用数据特征分析筛选有效报警，提高报警效率，提高盾构机掘进轴线偏差报警的准确性及有效性，降低因无效报警造成的人力损失，排除干扰，避免在偏离状态下的持续性报警，提高施工效率，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于数据分析的盾构机掘进轴线偏差报警机制优化方法，包括以下步骤：
步骤一、盾构机掘进数据采集：在盾构机外壁上设置四个位置传感器，四个位置传感器分别为用于采集盾体导向水平前点数据的第一位置传感器、用于采集盾体导向水平后点数据的第二位置传感器、用于采集盾体导向垂直前点数据的第三位置传感器和用于采集盾体导向垂直后点数据的第四位置传感器，第一位置传感器和第二位置传感器均位于盾体的左侧外壁上或右侧外壁上且等高，第三位置传感器和第四位置传感器均位于盾体顶部或盾体底部，第一位置传感器和第三位置传感器均位于盾体的一个断面上，第二位置传感器和第四位置传感器均位于盾体的另一个断面上；
四个位置传感器均将采集的数据传输至盾构机plc控制器中，利用scada系统与盾构机plc控制器通信将盾构机掘进数据采集至控制台；
将同一采样时刻下盾体导向水平前点数据、盾体导向水平后点数据、盾体导向垂直前点数据和盾体导向垂直后点数据视为一组盾体导向数据；
需要说明的是，通过在盾构机外壁上设置四个位置传感器，其中，两个传感器设置在盾构机前端，分别用于采集盾体导向水平前点数据和盾体导向垂直前点数据；另两个传感器设置在盾构机后端，分别用于采集盾体导向水平后点数据和盾体导向垂直后点数据，由于盾构机是利用盾头移动带动盾尾移动，因此两个盾体导向前点数据具有主导作用，利用两个盾体导向前点数据判断盾构机掘进轴线偏差趋势，剔除盾构机回归设计隧道线路时的报警信号，提高报警的有效性及可靠性。
步骤二、盾构机掘进数据去噪：控制台对盾体导向水平前点数据、盾体导向水平后点数据、盾体导向垂直前点数据和盾体导向垂直后点数据进行去噪，剔除盾体导向数据中的突变值；
同时剔除同一采样时刻下盾体导向数据中存在数据缺失的盾体导向数据；
本实施例中，步骤二中，预先设置盾体导向水平前点差异阈值、盾体导向水平后点差异阈值、盾体导向垂直前点差异阈值和盾体导向垂直后点差异阈值，差异阈值均为正数；
当盾体导向水平前点数据序列中存在一采集数据与其前后采集数据差异的绝对值超过盾体导向水平前点差异阈值时，该采集数据为突变值；
当盾体导向水平后点数据序列中存在一采集数据与其前后采集数据差异的绝对值超过盾体导向水平后点差异阈值时，该采集数据为突变值；
当盾体导向垂直前点数据序列中存在一采集数据与其前后采集数据差异的绝对值超过盾体导向垂直前点差异阈值时，该采集数据为突变值；
当盾体导向垂直后点数据序列中存在一采集数据与其前后采集数据差异的绝对值超过盾体导向垂直后点差异阈值时，该采集数据为突变值。
本实施例中，步骤二中，控制台利用数据挖掘中的聚类算法分别对盾体导向水平前点数据、盾体导向水平后点数据、盾体导向垂直前点数据和盾体导向垂直后点数据进行去噪，剔除盾体导向数据中的突变值。
需要说明的是，通过盾构机掘进数据去噪，剔除盾体导向数据中的突变值，该部分数据可能是由于采集系统的异常造成的，识别并剔除异常数据，保证数据的有效性，可靠稳定，使用效果好；同时剔除同一采样时刻下盾体导向数据中存在数据缺失的盾体导向数据，当盾体导向数据中四个数据缺失任一数据时，则该条盾体导向数据无实用意义，剔除缺失数据的数据样本，保证数据的有效性，便于后期数据分析，避免造成数据异常处理带来的误报警。
步骤三、识别盾构机掘进轴线偏差趋势是否为离心趋势：根据公式
需要说明的是，利用第一位置传感器和第三位置传感器采集相邻时刻数据，并计算与设计轴线偏差，将两个偏差值进行比较，识别当前盾构机掘进轴线的偏差趋势，若当前盾构机掘进轴线偏差趋势为向心趋势，表示盾构机正在处于纠偏状态中，此时，剔除当前盾体导向数据，无须进行盾构机掘进轴线偏差报警，保证盾构机在可控范围内进行施工。
步骤四、计算时间窗口t内盾构机掘进轴线平均偏离速率：预先设定时间窗口t，在时间窗口t内进行盾体导向数据采样，一个时间窗口t内采样j个盾体导向数据采样点，根据公式
步骤五、判断盾构机掘进轴线偏差速率是否超标：当
需要说明的是，当盾构机掘进轴线偏差速率超标，认为该时刻的运行状态存在风险，需要进行报警提示；当盾构机掘进轴线偏差速率未超标，认为该时刻的运行状态风险可控，无需报警提示，可剔除该部分数据，保证报警数据的有效性，减少报警干扰。
步骤六、盾构机掘进轴线偏差报警：预先设置盾构机掘进轴线偏差警戒值及盾构机掘进轴线偏差报警机制，当m≤sn<1.2m时，盾构机掘进轴线偏差报警机制为i级报警；当1.2m<sn≤1.4m时，盾构机掘进轴线偏差报警机制为ii级报警；当时，盾构机掘进轴线偏差报警机制为iii级报警；其中，sn为步骤五中当前采样时刻下一组盾体导向数据中任一盾体导向点数据与预设的设计轴线之间的偏移量，m为预先设置的盾构机掘进轴线偏差警戒值；
根据当前采样时刻下盾构机掘进轴线水平前、水平后、垂直前和垂直后的偏移量数据，自动启动相应的盾构机掘进轴线偏差报警机制进行盾构机掘进轴线偏差报警。
需要说明的是，对盾构机掘进轴线水平前、水平后、垂直前和垂直后偏差速率分别进行计算，根据数据落入的报警机制范围区间自动启动报警机制，评估盾构机运行状态的风险，指导并提高施工人员处理效率，节省人力成本。
本发明使用时，根据盾构机掘进轴线偏差趋势和盾构机掘进轴线偏差速率，利用数据特征分析筛选有效报警，提高报警效率，提高盾构机掘进轴线偏差报警的准确性及有效性，降低因无效报警造成的人力损失，排除干扰，避免在偏离状态下的持续性报警，提高施工效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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