一种盾构掘进自动控制方法和系统与流程

1.本发明涉及盾构智能控制的技术领域，尤其涉及一种盾构掘进自动控制方法和系统。


背景技术：

2.现代高新技术在盾构施工中的大规模应用，使得盾构掘进自动化、智能化成为未来的发展趋势。然而，盾构掘进操作全过程均依靠人工，施工过程中由主司机根据上位机界面的各种参数反馈值进行掘进控制，使得施工质量几乎完全依赖主司机经验，由于主司机技术水平的参差不齐，很难保证隧道的成型质量。
3.在盾构掘进控制方面，公开号为cn113446022a的发明专利公开了一种盾构掘进控制系统及方法，通过渣土改良控制单元、注浆质量控制单元、土仓等主参数监测单元、地面沉降监测单元实时反馈相关特征信息至控制逻辑单元，并完成掘进控制参数的调整值和调整步长，通过掘进全环境闭环反馈实现盾构智能驾驶。公开号为cn104653190a的发明专利公开了一种土压平衡盾构掘进控制方法，对掘进土量和排土量形成自动管理，施工安全性好，可在大深度、高水压下掘进工作。上述盾构掘进控制方法虽然在一定程度上都可以实现掘进的智能控制，但是仅考虑某些参数的预测准度，并没有形成一个完整的掘进控制流程，在实际应用中还需要人工全程参与，没有实现真正的无人化、少人化掘进。


技术实现要素：

4.针对现有盾构掘进智能控制仍需人工全程参与的技术问题，本发明提出一种盾构掘进自动控制方法和系统，实现了盾构掘进过程的自动化、少人化，解决现有掘进依赖于主司机的经验和工作态度导致隧道成型质量难以控制的技术难题。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种盾构掘进自动控制系统，包括专家系统，专家系统与plc控制器相连接，所述专家系统包括：知识库、推理机、解释机和人机交互设备，知识库、人机交互设备均与推理机相连接，知识库、推理机均与解释机相连接，解释机与人机交互设备相连接，推理机通过上位机与plc控制器相连接，知识库与上位机相连接；
6.所述知识库用以存储盾构掘进全过程的控制规则；
7.所述推理机根据当前掘进状态调用所对应的控制规则，且将控制结果发送到plc控制器；
8.所述解释机用以将推理结果的解释内容写入文本并进行保存，并在推理过程完成后对规则进行优化；
9.所述人机交互设备输出推理结果及相关的解释内容，设置所需的参数。
10.所述知识库包括土压控制模块、掘进控制模块、姿态控制模块及协调组织模块，土压控制模块、掘进控制模块、姿态控制模块均与协调组织模块相连接；
11.所述掘进控制模块用以控制盾构掘进全过程掘进速度在目标值允许范围内；
12.所述土压控制模块主要用以保证掘进过程中土仓压力稳定，通过控制螺机转速实现土压平衡；
13.所述姿态控制模块用以保证盾构掘进轴线与隧道设计轴线保持一致，通过调节分组油缸压力差实现掘进姿态精确控制；
14.所述组织协调模块进行控制规则的冲突消解，确定不同控制规则执行时的优先级。
15.所述土压控制模块、掘进控制模块、姿态控制模块和协调组织模块的控制规则均采用产生式表示法。
16.所述掘进控制模块包括启动段规则、上升段规则、稳定段规则、临时停机段规则和停机段规则；所述启动段规则主要实现各个泵站、皮带机系统的正常启动，上升段规则实现推进速度快速达到目标值，稳定段规则实现推进速度稳定在目标值允许范围，临时停机段规则实现临时工作停机，停机段规则主要实现掘进完成后按顺序停止各系统；所述土压控制模块从上升段开始启用，姿态控制模块从稳定段开始启用。
17.掘进过程中通过所对应阶段规则调整各油缸压力实现推进速度的升降，当推进速度超过目标值时，按稳定段规则降低油缸压力，当推进速度小于目标允许值时，按稳定段规则提高油缸压力。
18.当掘进速度超过允许范围时触发报警，停止盾构自动控制系统操作权限，由人工进行掘进控制；
19.当土仓压力超出设定值允许范围时，触发报警，停止盾构自动控制系统操作权限，由人工进行掘进控制；
20.当出现控制规则冲突时，在知识库中检索是否存在冲突解决规则，若存在则提取冲突解决规则进行冲突的解决，若不存在则退出自动掘进模式。
21.所述姿态控制模块实现掘进姿态精确控制的具体实施方法为：
22.(1)建立盾构姿态与油缸压力差值间的模糊控制器，输入变量为盾尾间隙量、切口水平偏差值h、垂直偏差值v、水平趋向值、垂直趋向值，输出变量为水平分组油缸压力差值、垂直分组油缸压力差值，每个偏差值对应输出一个压力差值；
23.(2)根据导向系统获取当前盾构姿态位置参数，包括盾构切口水平偏差值h、垂直偏差值v、水平趋向值、垂直趋向值；
24.(3)盾构掘进进入稳定段后，根据当前盾构姿态位置输出水平、垂直油缸压力差，若当前的油缸压力差值与输出值一样，则保持当前参数掘进，若不一样，则根据模糊控制器进行油缸压力差调整。
25.所述人机交互设备上设有一键启停按钮、临时停机按钮、自动掘进模式按钮和手动模式按钮，掘进开始时点击一键启动按钮，知识库的掘进控制模块依次执行各阶段的控制规则；出现紧急情况时点击临时停机按钮，此时刀盘、皮带机、螺机、推进系统依次停止。
26.所述知识库还包括注浆控制模块和土体改良控制模块，注浆控制模块和土体改良控制模块均与协调组织模块相连接，实现注浆和土体改良的自动控制。
27.盾构机的盾体上搭载智能感知终端，智能感知终端包括壁后注浆评价装置和渣土质量评价装置，专家系统的知识库中设有注浆控制模块和渣土改良控制模块；所述壁后注浆评价装置与专家系统的注浆控制模块相连接，对注浆系统提供建议参数；所述渣土质量
评价装置与专家系统的渣土改良控制模块相连接，对泡沫系统提供建议参数，通过对设备、土体的状态感知对自动控制系统进行掘进参数建议及优化。
28.一种盾构掘进自动控制系统的自动控制方法，其步骤为：
29.s1，盾构掘进开始，选择自动掘进模式，点击一键启停按钮；
30.s2，盾构开始掘进，进入启动段，推理机根据当前设备状态，知识库的掘进控制模块的启动段规则完成盾构掘进准备；
31.s3，启动段完成后进入上升段，调用掘进控制模块的上升段规则提高掘进速度，直至掘进速度达到目标值；同时调用土压控制模块的控制规则，保证土仓压力在目标值允许范围内波动；
32.s4，上升段完成后进入稳定段，知识库同时启用掘进控制模块、土压控制模块和姿态控制模块进行控制；所述掘进控制模块的稳定段规则保证掘进速度在目标值允许范围内波动，土压控制模块保证土仓压力在目标值允许范围内波动，姿态控制模块保证盾构沿着隧道设计轴线掘进；
33.s5，掘进过程若出现其他临时工作需要暂时停机时，知识库的掘进控制模块的临时停机段规则，实现盾构安全停机；
34.s6，掘进完成后，调用停机段规则，按顺序停止各系统。
35.所述姿态控制模块的姿态控制方法为：(1)读入导向系统中盾构姿态数据，获取当前盾构姿态及分组油缸压力值；
36.(2)读入当前姿态数据，判断当前姿态数据是否偏离dta数据，若偏离进入步骤(3)，否者进入步骤(4)；
37.(3)启动模糊控制器，计算盾构分区油缸压力差，输出各分区油缸压力值；基于姿态控制模块调整分组油缸压力，使得油缸压力差达到输出的相应分区油缸压力值，实现盾构掘进；(4)按照当前姿态继续掘进，否者返回步骤(2)。
38.所述当前盾构姿态及分组油缸压力值包括盾构切口水平偏差值h、垂直偏差值v、水平趋向值、垂直趋向值及各组油缸压力。
39.本发明的有益效果：通过充分利用盾构掘进过程的专家知识及规则，综合考虑土仓压力控制、姿态控制、掘进速度控制等因素，为盾构施工全过程提供自动控制方案。本发明可实现盾构的启动段、上升段、稳定段、临时停机段、停机段的掘进全过程，在掘进过程中启用土压控制模块、掘进控制模块、姿态控制模块，可保证盾构施工安全、高效的进行，降低主司机工作量。本发明的自动化、智能化程度高且易于实现，在保证掘进速度和精度的前提下，提高现有掘进控制和姿态控制的智能化程度，保障设备和人员安全，大大提升盾构施工效率。
附图说明
40.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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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。
41.图1为本发明的结构示意图。
42.图2为本发明的知识库结构图。
43.图3为本发明盾构掘进的流程图。
44.图4为本发明姿态控制的流程图。
45.图5为本发明模糊控制器的原理图。
具体实施方式
46.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，所描述的实施例仅仅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付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。
47.如图1所示，一种盾构掘进自动控制系统，包括专家系统，专家系统与上位机相连接，所述专家系统包括：知识库、推理机、解释机和人机交互设备，知识库、人机交互设备均与推理机相连接，知识库、推理机均与解释机相连接，解释机与人机交互设备相连接，推理机通过上位机与plc控制器相连接，知识库与上位机相连接。
48.知识库用以存储盾构掘进全过程控制规则，主要包括土压控制模块、掘进控制模块、姿态控制模块及协调组织模块，土压控制模块、掘进控制模块、姿态控制模块均与协调组织模块相连接，土压控制模块、掘进控制模块、姿态控制模块为并联关系，土压控制模块、掘进控制模块、姿态控制模块三个模块相互独立，都与协调组织模块连接并受其约束，各个模块的控制规则均采用产生式表示法。
49.掘进控制模块主要包括启动段规则、上升段规则、稳定段规则、临时停机段规则和停机段规则，用以控制盾构掘进全过程掘进速度在目标值允许范围内。启动段规则主要实现各个泵站、皮带机系统的正常启动，上升段规则主要实现推进速度快速达到目标值，稳定段规则主要实现推进速度稳定在目标值允许范围，临时停机段规则主要实现临时工作停机，停机段规则主要实现掘进完成后按顺序停止各系统。如图3所示，其中，推进速度的目标值由项目交底书确定，掘进过程中通过所对应阶段规则调整各油缸压力实现推进速度的升降。当推进速度超过目标允许值时，按对应阶段的规则调分组电位器值，以降低油缸压力，当推进速度小于目标允许值时，按对应阶段规则调整分组油缸电位计值以提高油缸压力。其中，油缸压力与其电位计值成正比例关系，提高油缸电位计值，油缸压力变大，推进速度随之变大，反之亦然。当掘进速度超过允许范围时触发报警，将自主掘进模式切换至人工控制模式。掘进过程中，要保证掘进速度不能过大，也不能过小，因此会设定一个速度范围，当掘进速度超出这个速度范围时，会触发该系统报警，并切换至手动模式，由人工进行掘进控制。
50.上述控制规则采用产生式表示法，将自然语言描述的专家经验表示成计算机语言，产生式的规则的形式为“if(条件)then(结论)”，其中条件为一个或多个，当条件为多个时通过逻辑“and”、“or”进行连接，例如若顶部土仓压力连续5秒大于土压下限值，小于土压上限值，则保持螺旋输送机转速不变，用产生式规则表示如下：
51.if p》0.9*p1，and p《1.1*p1，then r
螺机
不变。
52.其中，p为土仓压力，p1为土压设定值，r
螺机
为螺旋输送机转速。
53.土压控制模块从上升段开始启用，姿态控制模块从稳定段开始启用。
54.土压控制模块主要用以保证掘进过程中土仓压力稳定，通过控制螺机转速实现土压平衡，当土仓压力值大于目标值时，提高螺机转速；当土仓压力小于目标值时，降低螺机转速。上述目标值根据项目交底书及地层条件计算综合所得，当土仓压力超出设定值允许范围时，触发报警，并将自主掘进模式切换至人工控制模式。
55.姿态控制模块主要用以保证盾构掘进轴线与隧道设计轴线保持一致，通过调节分组油缸压力差实现掘进姿态精确控制。
56.姿态控制模块实现掘进姿态精确控制的具体实施方法为：
57.(1)建立盾构姿态与油缸压力差值间的模糊控制器，输入变量为盾尾间隙量、切口水平偏差值h、垂直偏差值v、水平趋向值t1、垂直趋向值t2，输出变量为水平分组油缸压力差值δfh、垂直分组油缸压力差值δfv，每个偏差值都可以对应输出一个压力差值。
58.(2)根据导向系统获取当前盾构姿态位置，主要包括盾构切口水平偏差值h、垂直偏差值v、水平趋向值t1、垂直趋向值t2；
59.(3)盾构掘进进入稳定段后，根据当前盾构姿态位置输出水平、垂直油缸压力差，若当前的油缸压力差值与(1)中输出值一样，则保持当前参数掘进，若不一样，则根据姿态控制控制规则进行调整。
60.如图5所示，模糊控制器是由一系列模糊控制规则构成，一般情况下，其应当遵循的原则是：当姿态偏差值较大时，以消除偏差为主；当姿态偏差值较小，单趋向值较大时，以保持姿态的稳定性为主，防止超调。包括偏差值和趋向值的盾构位姿与姿态控制模块的输出均传送至模糊控制器，根据模糊规则先进行模糊化，然后进行模糊推理，最后进行反模糊化，从而调整分组油缸压力差，实现姿态控制。水平方向模糊控制规则如下表所示。
61.表1水平方向模糊控制规则
[0062][0063]
如图2所示，组织协调模块在盾构进入稳定段后启用，组织协调模块分别与掘进控制模块、土压控制模块和姿态控制模块相连接，主要用以解决掘进控制、土压控制、姿态控制运行过程中出现的规则冲突，确定执行规则的优先级。在系统运行过程中，当出现规则冲突时，首先确定知识库内是否存在实例化冲突解决规则；若存在，则提取实例化冲突解决规则进行冲突的解决.若冲突不能得到解决，则切换至手动掘进模式，并在知识库中添加解决冲突的新规则。
[0064]
推理机与知识库连接，用于根据当前掘进状态调用所对应的控制规则。自动掘进开始，启用掘进控制模块，每个阶段调用对应的控制规则；进入上升段后启用土压控制模块；进入稳定段后，启用姿态控制模块，将控制结果发送到plc控制器，由plc控制器进行命
令执行。
[0065]
解释机与推理机连接，用以将推理结果的解释内容写入文本并进行保存，并可在推理过程完成后对规则进行优化。推理结束后，可挑出不合理的规则并对其进行优化。
[0066]
人机交互设备分别与解释机、推理机相连接，人机交互设备可输出推理结果及相关的解释，专家系统所需设置的参数在人机交互设备中进行操作。
[0067]
人机交互设备上具有一键启停、临时停机、手动/自动模式切换四个虚拟按钮，掘进开始时点击一键启动的虚拟按钮，专家系统知识库的掘进控制模块依次执行各阶段规则；出现紧急情况时点击临时停机的虚拟按钮，此时刀盘、皮带机、螺机、推进系统依次停止。
[0068]
本发明公开了一种盾构掘进自动系统，用以实现盾构操作的少人化、无人化目标。
[0069]
实施例2
[0070]
一种基于盾构掘进自动控制系统，还可在盾构机上搭载智能感知终端，智能感知终端包括壁后注浆评价装置、渣土质量评价装置等，并在专家系统知识库中添加注浆控制模块和渣土改良控制模块，壁后注浆评价装置与专家系统连接，对注浆系统提供建议参数；渣土质量评价装置与专家系统连接，对渣土改良系统提供建议参数，通过对设备、土体的状态感知对自动控制系统进行掘进参数建议及优化。
[0071]
壁后注浆控制模块用以控制同步注浆速度、压力、时间等参数，确保注浆质量，具体实施方法如下：
[0072]
(1)采用壁后注浆检测装置对注浆质量进行测试，并得出注浆质量评价；
[0073]
(2)将注浆质量评价结果发送至专家系统，专家系统的注浆控制模块根据评价结果确定是否调整及如何调整注浆参数，并将执行命令发送至plc控制器；
[0074]
渣土质量评价模块的实现方法与壁后注浆控制模块相同。
[0075]
其他结构和原理与实施例1相同。
[0076]
实施例3
[0077]
一种盾构掘进自动控制系统的自动控制方法，具体实施的步骤为：
[0078]
s1，盾构掘进开始，选择自动掘进模式，点击一键启动按钮；
[0079]
s2，一键启动后，盾构开始掘进，进入启动段，推理机根据当前设备状态，调用掘进控制模块的启动段规则完成盾构掘进准备；
[0080]
s3，启动段完成后进入上升段，调用掘进控制模块的上升段规则提高掘进速度，直至掘进速度达到目标值；同时调用土压控制模块的控制规则，保证土仓压力在目标值允许范围内波动；
[0081]
s4，上升段完成后进入稳定段，需要同时启用三个模块进行控制；掘进控制模块的稳定段规则保证掘进速度在目标值允许范围内波动，土压控制模块用以保证土仓压力在目标值允许范围内波动，姿态控制模块用以保证盾构沿着隧道设计轴线掘进；
[0082]
如图4所示，姿态控制模块的姿态控制流程如下：(1)读入dta(隧道设计轴线)数据，获取当前盾构姿态及分组油缸压力值，包括盾构切口水平偏差值h、垂直偏差值v、水平趋向值t1、垂直趋向值t2及各组油缸压力；(2)读入当前姿态数据，判断当前姿态数据是否偏离dta，即根据盾构姿态偏差值判定是否需要纠偏，若需要纠偏则启动模糊控制器，计算盾构分区油缸压力差，输出各分区油缸压力值；(3)基于姿态控制模块调整分组油缸压力，使
得油缸压力差达到上述值，实现盾构掘进；(4)若不需要纠偏则按照当前姿态继续掘进，否者返回步骤(2)。
[0083]
s5，掘进过程若出现其他临时工作需要暂时停机时，调用掘进控制模块的临时停机段规则，保证盾构安全停机；
[0084]
s6，掘进完成后，调用停机段规则，按顺序停止各系统。
[0085]
本发明将盾构掘进分为启动段、上升段、稳定段、临时停机段、停机段，每个工作段执行相对应的规则。本发明具有一键启动及模式切换功能，可避免自动掘进出现意外情况。本发明主要针对控制执行层进行详细阐述，旨在实现盾构掘进自动化。
[0086]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。