一种近距离双线顶管轨迹控制系统及方法与流程

本发明涉及顶管隧道，具体为一种近距离双线顶管轨迹控制系统及方法。

背景技术：

1、在部分地下工程中，为满足管线布置需求，通常需要采用双线顶管施工方式，即在同一区域内先后施工两条相互平行且间距较小的地下管道。其中，第一条管道完成施工后，第二条管道需要在限定安全间距范围内进行推进，以保证两条管道之间满足设计要求，同时避免施工过程中由于偏移造成管壁接近、结构干涉或土体扰动扩大等问题。

2、现有的可参考公告号为：cn106050254b的发明专利，其公开了一种硬岩顶管机纠偏系统设计方法，1将纠偏油缸铰接在前盾和尾盾上；2模拟所述顶管机纠偏系统进行纠偏，以确定纠偏油缸行程s；3调整前盾法兰工作面与前盾末端端面的距离，以确保在纠偏过程中保证前盾盾体和尾盾盾体连接处铰接密封环的有效性；4再次调节步骤2中的纠偏油缸的伸缩，进行第二次纠偏模拟，以得到纠偏系统准确的纠偏角度。根据本发明设计方法安装的纠偏系统可以有效地解决顶管机在掘进过程中实现曲线作业的困难，并且能够很好地解决在硬岩地层中顶管机卡刀盘的问题，确保在地下管网建设直线和非直线管道的顺利挖掘。

3、基于上述现有技术，现有顶管施工主要针对单条管道自身位置进行定位控制，难以利用已施工管道建立动态空间参考体系，导致后续施工管道与已施工管道之间的相对位置关系难以准确确定，同时难以在第二管道推进过程中持续获取两条管道之间的距离变化、位置偏移以及姿态变化信息，无法及时判断施工过程中存在的潜在偏移风险，并且现有纠偏控制主要依据单个顶管设备自身姿态进行调整，无法根据双管实际空间关系进行主动修正，难以形成检测、分析、控制以及反馈优化相结合的闭环轨迹控制过程。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种近距离双线顶管轨迹控制系统及方法，解决了缺少空间参考基准、无法实时掌握双管关系以及无法主动闭环纠偏的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种近距离双线顶管轨迹控制系统，包括第一管道参考感知模块，设置于先施工完成的第一管道内部，用于采集第一管道空间位置信息，并根据采集数据建立第一管道空间参考坐标模型；

3、第二管道位置探测模块，设置于后施工第二管道的顶进设备处，用于获取第二管道施工过程中的实时空间位置、姿态参数以及与第一管道之间的相对位置信息；

4、轨迹偏差分析模块，分别与第一管道参考感知模块和第二管道位置探测模块通信连接，用于将第二管道实时空间位置数据映射至第一管道空间参考坐标模型中，并计算第二管道与第一管道之间的空间距离偏差以及轨迹偏移量；

5、纠偏控制执行模块，其输入端连接轨迹偏差分析模块，用于根据空间距离偏差以及轨迹偏移量生成纠偏动作，并调整第二管道顶进方向以及施工参数；

6、数据反馈优化模块，分别与第二管道位置探测模块和纠偏控制执行模块通信连接，用于采集第二管道纠偏后的空间位置变化数据，并根据反馈结果对纠偏参数进行优化调整；

7、中央控制模块，分别与第一管道参考感知模块、第二管道位置探测模块、轨迹偏差分析模块、纠偏控制执行模块以及数据反馈优化模块通信连接，用于接收各模块采集的数据，并根据双管空间偏差计算结果向纠偏控制执行模块发送纠偏控制指令，向数据反馈优化模块发送参数修正指令，形成基于第一管道空间参考坐标模型的双线顶管轨迹闭环控制。

8、优选的，所述第一管道参考感知模块包括：

9、传感节点布置子单元，用于沿第一管道轴向间隔设置多个空间感知节点，并将所述空间感知节点固定于第一管道内部；

10、空间数据采集子单元，用于采集各空间感知节点的位置坐标、姿态信息以及节点之间的空间距离数据；

11、节点通信子单元，用于实现多个空间感知节点之间的数据传输和同步，并将采集的空间数据传输至中央控制模块；

12、参考坐标生成子单元，用于根据多个空间感知节点采集的位置数据进行坐标转换以及空间轨迹拟合，生成表征第一管道实际空间延伸轨迹的三维参考坐标模型。

13、优选的，所述第二管道位置探测模块包括：

14、机头探测子单元，设置于第二管道顶进设备前端，用于检测第二管道顶进设备与第一管道之间的相对距离以及空间方向；

15、姿态检测子单元，用于检测第二管道顶进过程中的水平偏转角、竖向偏转角以及轴向旋转角；

16、实时定位子单元，用于获取第二管道顶进设备当前位置坐标，并生成第二管道实时空间位置信息；

17、数据融合子单元，用于对机头探测子单元、姿态检测子单元以及实时定位子单元采集的数据进行融合处理，生成第二管道实时空间位置数据。

18、优选的，所述轨迹偏差分析模块包括：

19、坐标匹配子单元，用于将第二管道实时空间位置数据转换至第一管道空间参考坐标模型对应的坐标系中；

20、距离计算子单元，用于计算第一管道与第二管道之间的实时空间距离，包括两管中心距离、横向间距以及竖向间距；

21、偏差分析子单元，用于根据第二管道实时空间位置与目标施工轨迹之间的差异，计算第二管道横向偏移量、竖向偏移量以及姿态偏差量；

22、风险判断子单元，用于将计算得到的空间距离偏差以及轨迹偏移量与预设安全阈值进行比较，并生成正常推进信号或纠偏控制信号。

23、优选的，所述纠偏控制执行模块包括：

24、控制参数生成子单元，用于根据轨迹偏差分析模块输出的空间偏差数据计算纠偏方向、纠偏角度以及调整量；

25、执行控制子单元，用于根据中央控制模块输出的控制指令驱动第二管道顶进设备的纠偏机构执行方向调整动作；

26、推进参数调节子单元，用于根据双管空间距离变化调整第二管道施工过程中的推进速度、推进压力以及辅助施工参数。

27、优选的，所述数据反馈优化模块包括：

28、位置反馈采集子单元，用于采集第二管道完成纠偏后的实时空间位置数据；

29、纠偏效果评价子单元，用于根据纠偏后的空间位置数据判断第二管道与第一管道之间的实际距离是否恢复至预设安全范围；

30、参数修正子单元，用于根据纠偏效果评价结果调整后续纠偏控制参数，并将修正后的参数反馈至中央控制模块。

31、优选的，所述中央控制模块包括：

32、数据存储子单元，用于存储第一管道空间参考坐标模型、双管设计安全距离参数以及历史施工轨迹数据；

33、比较判断子单元，用于将轨迹偏差分析模块输出的空间距离偏差以及轨迹偏移量与预设安全阈值进行比较，生成双管空间偏差向量；

34、控制优化子单元，用于根据双管空间偏差向量计算纠偏方向、纠偏量以及推进参数调整量，并生成控制指令；

35、人机交互子单元，用于实时显示第一管道空间轨迹、第二管道实时位置、双管距离变化以及系统运行状态。

36、本发明还公开了一种近距离双线顶管轨迹控制系统的控制方法，包括以下步骤：s1：在先施工完成的第一管道内部布置多个空间感知节点，通过第一管道参考感知模块采集各节点空间位置数据，并建立第一管道空间参考坐标模型；

37、s2：在第二管道顶进施工过程中，通过第二管道位置探测模块获取第二管道顶进设备的实时空间位置、姿态信息以及与第一管道之间的相对距离数据；

38、s3：将第一管道空间参考坐标模型与第二管道实时空间位置数据输入轨迹偏差分析模块，通过坐标匹配、距离计算以及偏差分析，获得双管空间距离偏差以及轨迹偏移量；

39、s4：中央控制模块根据双管空间偏差数据与预设安全阈值的比较结果，判断第二管道是否需要进行轨迹调整，并生成对应纠偏控制参数；

40、s5：纠偏控制执行模块根据纠偏控制参数调整第二管道顶进方向以及施工参数，使第二管道恢复至目标施工轨迹；

41、s6：数据反馈优化模块采集纠偏后的第二管道空间位置变化数据，并根据纠偏效果对控制参数进行修正，中央控制模块根据修正结果再次调整控制策略，形成双线顶管轨迹闭环控制。

42、有益效果

43、本发明提供了一种近距离双线顶管轨迹控制系统及方法。与现有技术相比具备以下有益效果：

44、1、该一种近距离双线顶管轨迹控制系统及方法，通过在先施工完成的第一管道内部设置空间感知节点，并根据多个节点采集的空间位置信息建立第一管道空间参考坐标模型，使已施工管道由传统的被动参照对象转变为后续施工过程中的动态空间基准。相较于现有仅依靠顶管设备自身定位或地面控制点进行轨迹控制的方式，本发明能够利用第一管道实际空间延伸轨迹作为参考依据，提高了双线顶管施工过程中空间定位的准确性，降低了因地下环境变化导致参考基准偏移的问题，为后续第二管道精准施工提供可靠的数据基础；

45、2、该一种近距离双线顶管轨迹控制系统及方法，通过第二管道位置探测模块实时获取第二管道顶进过程中的空间位置、姿态信息以及与第一管道之间的相对距离，并利用轨迹偏差分析模块将第二管道位置数据映射至第一管道空间参考坐标模型中，实现双管空间关系的实时计算。相比现有技术中依靠设计参数或施工完成后人工检测的方式，本发明能够在施工过程中连续监测双管间距变化以及轨迹偏移趋势，及时发现第二管道偏离安全范围的风险，提高近距离双线顶管施工过程中的安全性和轨迹控制精度；

46、3、该一种近距离双线顶管轨迹控制系统及方法，通过中央控制模块、纠偏控制执行模块以及数据反馈优化模块之间的数据交互，根据双管空间偏差结果自动生成纠偏控制参数，并在执行纠偏后重新采集位置变化数据，对后续控制策略进行优化调整，形成“空间检测—偏差分析—主动纠偏—反馈修正”的闭环控制过程。相较于现有仅根据单管自身姿态进行人工调整的方式，本发明能够根据双管实际空间关系主动调整第二管道推进方向及施工参数，提高纠偏响应速度和控制稳定性，减少管道间距不足、轨迹偏移累积等施工风险。