本發(fā)明屬于盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)節(jié)的，具體涉及一種盾構(gòu)姿態(tài)自主調(diào)節(jié)控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)、液、電、控等多學(xué)科技術(shù)的隧道施工大型設(shè)備，因盾構(gòu)施工具備自動化程度高、安全性能好、施工速度快等特點，盾構(gòu)機(jī)在城市地鐵隧道、市政管網(wǎng)、穿上跨海隧道等工程中得到廣泛應(yīng)用。然而，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，隧道工程的施工難度不斷增加，盾構(gòu)機(jī)面臨著不可確定的地質(zhì)環(huán)境、高難度的工況及復(fù)雜的配套裝備，往往難以保障隧道的施工質(zhì)量。盾構(gòu)機(jī)的實際軸線于隧道設(shè)計軸線的吻合程度是決定隧道施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

2、盾構(gòu)掘進(jìn)過程中姿態(tài)控制是重中之重，姿態(tài)偏離過大，極易造成掘進(jìn)實際軌跡偏離設(shè)計軸線，管片容易出現(xiàn)錯臺，甚至出現(xiàn)滲漏水等安全隱患。而在實際盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制主要由盾構(gòu)司機(jī)根據(jù)測量系統(tǒng)的結(jié)果及設(shè)計軸線信息，控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)分區(qū)油缸壓力，從而實現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制，其糾偏效果往往取決于盾構(gòu)司機(jī)的技術(shù)、經(jīng)驗和負(fù)責(zé)任程度，隧道成型質(zhì)量無法保證。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供了一種盾構(gòu)姿態(tài)自主調(diào)節(jié)控制方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種盾構(gòu)姿態(tài)自主調(diào)節(jié)控制方法，包括以下步驟：

3、獲取盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時的關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)和盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理得到處于同一量級的數(shù)據(jù)參數(shù)；

4、基于同一量級的數(shù)據(jù)參數(shù)篩選出相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)，所述相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)與盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)之間具有預(yù)定程度的關(guān)聯(lián)性；

5、構(gòu)建盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)測模型，將相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)作為輸入，盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)作為輸出，利用盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)測模型預(yù)測盾構(gòu)機(jī)在未來預(yù)定范圍內(nèi)的掘進(jìn)預(yù)測姿態(tài)；

6、構(gòu)建掘進(jìn)約束條件，將掘進(jìn)預(yù)測姿態(tài)的預(yù)測參數(shù)值與掘進(jìn)約束條件進(jìn)行對應(yīng)分析得到判斷結(jié)果；基于判斷結(jié)果確定盾構(gòu)糾偏路徑規(guī)劃曲線；

7、建立分組油缸壓力預(yù)測模型，根據(jù)確定的盾構(gòu)糾偏路徑規(guī)劃曲線預(yù)測各分組油缸的壓力決策值。

8、在進(jìn)一步的實施例中，還包括以下步驟：

9、構(gòu)建基于智能算法的 pid控制模型，建立與盾構(gòu)機(jī) plc通訊關(guān)系；

10、將所述壓力決策值傳輸給 pid控制模型，用于控制盾構(gòu)機(jī)分組油缸比例閥和溢流閥，實現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)自主控制。

11、在進(jìn)一步的實施例中，所述關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)至少包括： a組油缸壓力、 b組油缸壓力、 c組油缸壓力、 d組油缸壓力、 e組油缸壓力、 f組油缸壓力、掘進(jìn)推力、推進(jìn)速度、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、盾尾間隙、注漿量、注脂量進(jìn)漿流量、出漿流量、開挖倉壓力和氣墊倉壓力；

12、所述盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)至少包括：盾首水平偏差值、盾首垂直偏差值、盾尾水平偏差值和盾尾垂直偏差值。

13、在進(jìn)一步的實施例中，所述同一量級的數(shù)據(jù)參數(shù)的預(yù)處理過程包括：

14、對關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)和盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)剔除得到有效參數(shù)數(shù)據(jù)；

15、對有效參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部無量綱化處理使其處于同一量級。

16、在進(jìn)一步的實施例中，所述相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)的篩選過程如下：

17、利用梯度決策樹計算關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)的重要性得分，并將關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)按照其重要性得分從高到低的順序進(jìn)行排序；將排序在前預(yù)定名次的關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)定義為相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)；

18、其中，所重要性得分的計算公式如下：

19、；

20、式中，表示節(jié)點，表示所有樹的數(shù)量，表示 m棵樹的非葉子節(jié)點數(shù)量，表示第 m棵樹的第 j個非葉子節(jié)點的劃分特征，為損失函數(shù)，、分別表示落在第 m棵樹的第 j個非葉子節(jié)點上所有樣本的一階導(dǎo)數(shù)之和、二階導(dǎo)數(shù)之和，、分別表示落在第 m棵樹上第 j個非葉子節(jié)點的左節(jié)點l上的一階導(dǎo)數(shù)之和、右節(jié)點r上的一階導(dǎo)數(shù)之和，、分別表示落在第 m棵樹上第 j個非葉子節(jié)點的左節(jié)點l上的二階導(dǎo)數(shù)之和、右節(jié)點r上的二階導(dǎo)數(shù)之和，表示正則化項的超參數(shù)。

21、在進(jìn)一步的實施例中，所述掘進(jìn)約束條件包括：盾首水平偏差的約束條件、盾首垂直偏差的約束條件、盾尾水平偏差的約束條件和盾尾垂直偏差的約束條件；

22、所述預(yù)測參數(shù)值包括：盾首水平偏差預(yù)測值、盾首垂直偏差預(yù)測值、盾尾水平偏差預(yù)測值和盾尾水平偏差預(yù)測值；

23、對應(yīng)的，所述判斷結(jié)果的分析過程為：若滿足判斷公式，則判斷結(jié)果為符合掘進(jìn)要求；反之，則判斷結(jié)果為不符合掘進(jìn)要求；

24、所述判斷公式的表達(dá)形式如下：

25、；

26、式中， 、 、和分別為盾首水平偏差標(biāo)準(zhǔn)值、盾首垂直偏差標(biāo)準(zhǔn)值、盾尾水平偏差標(biāo)準(zhǔn)值和盾尾水平偏差標(biāo)準(zhǔn)值。

27、在進(jìn)一步的實施例中，所述盾構(gòu)糾偏路徑規(guī)劃曲線的確定方法如下：

28、若判斷結(jié)果為符合掘進(jìn)要求，則按照當(dāng)前的盾構(gòu)糾偏路徑規(guī)劃曲線進(jìn)行掘進(jìn)；

29、若判斷結(jié)果為不符合掘進(jìn)要求，則基于當(dāng)前姿態(tài)信息和掘進(jìn)約束條件建立盾構(gòu)姿態(tài)糾偏路徑規(guī)劃參數(shù)方程；根據(jù)所述盾構(gòu)姿態(tài)糾偏路徑規(guī)劃參數(shù)方程確定新的盾構(gòu)糾偏路徑規(guī)劃曲線，按照新的盾構(gòu)糾偏路徑規(guī)劃曲線進(jìn)行掘進(jìn)。

30、在進(jìn)一步的實施例中，所述分組油缸壓力預(yù)測模型的表達(dá)形式如下：

31、；

32、式中，為樣本數(shù)量，表示樣本的參數(shù)值，表示前棵決策樹一起對樣本的預(yù)測值，表示第 t棵決策樹模型的復(fù)雜度，為損失函數(shù)，為目標(biāo)函數(shù)；

33、對應(yīng)的，壓力決策值的確定流程為：將確定的盾構(gòu)糾偏路徑規(guī)劃曲線上的盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)作為輸入，利用分組油缸壓力預(yù)測模型得到各分組油缸的壓力決策值。

34、在進(jìn)一步的實施例中，所述盾構(gòu)姿態(tài)糾偏路徑規(guī)劃參數(shù)方程的建立流程如下：

35、獲取當(dāng)前姿態(tài)信息，包括盾構(gòu)隧道的軸線坐標(biāo)、盾構(gòu)機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑、隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑、盾尾間隙、管片長度和油缸行程差；

36、以最短路徑作為目標(biāo)，采用以下公式計算得到最小糾偏曲率半徑：

37、；

38、式中，為盾尾間隙允許的糾偏半徑，其計算公式為：；

39、為油缸行程差允許的最小糾偏半徑，其計算公式為：，為推進(jìn)油缸半徑，為盾構(gòu)刀盤切口至盾尾的距離；

40、基于最小糾偏曲率半徑，構(gòu)建滿足掘進(jìn)約束條件的盾構(gòu)姿態(tài)糾偏路徑規(guī)劃參數(shù)方程，表示為：

41、；

42、；

43、式中，、分別為糾偏曲線起點和終點坐標(biāo)，為終點后一擬合點坐標(biāo)，為盾尾中心坐標(biāo)，為糾偏曲線曲率半徑，、分別為方程的一階和二階導(dǎo)數(shù)，、、和 d均為系數(shù)，表示受限于。

44、一種盾構(gòu)姿態(tài)自主調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)如上所述的盾構(gòu)姿態(tài)自主調(diào)節(jié)控制方法，包括：

45、數(shù)據(jù)采集模塊，被設(shè)置為獲取盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時的關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)和盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)；

46、數(shù)據(jù)處理模塊，被設(shè)置為對關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)和盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理得到處于同一量級的數(shù)據(jù)參數(shù)；基于同一量級的數(shù)據(jù)參數(shù)篩選出相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)，所述相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)與盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)之間具有預(yù)定程度的關(guān)聯(lián)性；

47、智能決策模塊，被設(shè)置為構(gòu)建盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)測模型，將相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)作為輸入，盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)作為輸出，利用盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)測模型預(yù)測盾構(gòu)機(jī)在未來預(yù)定范圍內(nèi)的掘進(jìn)預(yù)測姿態(tài)；將掘進(jìn)預(yù)測姿態(tài)的預(yù)測參數(shù)值與掘進(jìn)約束條件進(jìn)行對應(yīng)分析得到判斷結(jié)果；基于判斷結(jié)果確定盾構(gòu)糾偏路徑規(guī)劃曲線；建立分組油缸壓力預(yù)測模型，根據(jù)確定的盾構(gòu)糾偏路徑規(guī)劃曲線預(yù)測各分組油缸的壓力決策值；

48、自主控制模塊，被設(shè)置為構(gòu)建基于智能算法的 pid控制模型，建立與盾構(gòu)機(jī) plc通訊關(guān)系；將所述壓力決策值傳輸給pid控制模型，用于控制盾構(gòu)機(jī)分組油缸比例閥和溢流閥，實現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)自主控制。

49、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的一種盾構(gòu)姿態(tài)自主控制方法，通過構(gòu)建盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)測模型，對未來一定里程范圍內(nèi)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)實際施工盾構(gòu)掘進(jìn)約束條件，判斷未來一定里程范圍內(nèi)盾構(gòu)姿態(tài)是否符合要求，進(jìn)而建立盾構(gòu)姿態(tài)糾偏路徑規(guī)劃參數(shù)方程，給出盾構(gòu)姿態(tài)糾偏路徑規(guī)劃曲線。隨后基于盾構(gòu)姿態(tài)糾偏路徑規(guī)劃曲線，結(jié)合盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)，建立盾構(gòu)糾偏曲線相關(guān)參數(shù)與分組油缸關(guān)聯(lián)關(guān)系，給出各分組油缸的壓力和行程決策值。最后通過建立與盾構(gòu)機(jī) plc通訊關(guān)系，利用 pid控制器實現(xiàn)分區(qū)油缸壓力和行程控制，最終實現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)自主控制。

50、本發(fā)明提供了完整的盾構(gòu)姿態(tài)自主控制體系，解決了人工操作過程中對盾構(gòu)姿態(tài)判斷不準(zhǔn)確、糾偏操作控制不穩(wěn)定等問題，可有效避免盾構(gòu)姿態(tài)波動過大和蛇形糾偏等現(xiàn)象，實現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)自主化、精確化控制。