一种盾构机刀盘综合性能评价方法与流程

1.本发明属于盾构机刀盘技术领域，特别是一种盾构机刀盘综合性能评价方法。


背景技术：

2.盾构机掘进性能的好坏直接决定了施工效率，施工成本及施工安全，掘进性能评价对于隧道工程中盾构机的选型具有十分重要的指导意义。刀盘作为盾构机掘进系统的核心部分，它的结构设计是否合理，各性能是否达到要求对于提高盾构机掘进效率，延长刀盘刀具使用寿命和降低开挖成本等多方面都具备重要作用。复合式土压平衡盾构机刀盘的性能优劣直接关系到隧道掘进效率，施工安全，运营成本以及工程质量，其刀盘结构复杂，样式繁多，在不同地质条件下刀盘施工性能表现各异，这就需要对复合式土压平衡盾构机刀盘性能进行综合评价。
3.刀盘作为一个复杂的研究对象，影响刀盘性能的因素是多层次，多方面，相关联的，影响因素具有一定的模糊性。其整体性能表现取决于各因素之间的关系与环境的适应性作为一个复杂系统，其主要包含以下特点：求解过程在数学上具有不可描述性，无法抽象为一个具体的数学模型；无法用完全独立的数学方法进行评价；难以用准确的数学模型对刀盘系统进行具体描述。同时，处理系统评价要素过程中，主要是基于知识逻辑产生的，而并不是严谨的数学归纳。这些特点也决定了复合式土压平衡盾构机刀盘在性能评价方面具有特殊性，也决定了需要采取特定的方法解决此类问题。
4.由于刀盘结构的多样性以及实际盾构机施工环境的复杂多边形，不同类型的刀盘在应对不同地理地质环境下，综合性能表现不一，现如今仍缺少能够对综合性能进行评价的有效方法。目前常用的传统topsis决策方法虽然可以较好地表示待评价刀盘样本与理想方案之间的整体相似度，但是不能较好地表示待评价刀盘样本内部各因素之间的变化规律；即传统topsis方法没有充分考虑到决策指标之间的相关性，所选择的性能指标中包含有重叠信息，这些重叠信息会对决策过程产生消极影响。而传统的灰色关联度虽然能够充分地将待评价的刀盘样本内部各因素之间的变化规律表示出来，但是在样本的整体判别上存在一些不足。
5.因此，如何在传统的topsis方法中引入灰色关联度方法，从而建立起良好的性能评估模型，提高对盾构机刀盘综合性能评价的准确度，成为当前研究的关键问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种盾构机刀盘综合性能评价方法，通过在传统的topsis方法中引入灰色关联度方法，有效解决了传统topsis方法中重叠信息对决策过程中的影响，从而提高对盾构机刀盘综合性能评价的准确度。
7.本发明实施例提供了一种盾构机刀盘综合性能评价方法，包括：
8.s1、获取待评价盾构机刀盘的性能指标；
9.s2、计算出所述性能指标的加权规范化决策矩阵；
10.s3、根据所述加权规范化决策矩阵，确定所述盾构机刀盘的正理想方案和负理想方案；
11.s4、分别计算所述性能指标到正理想方案的第一欧式距离和第一灰色关联度以及所述性能指标到负理想方案的第二欧式距离和第二灰色关联度
12.s5、基于所述第一灰色关联度和第二欧式距离获得第一评估指标所述第一评估指标与盾构机刀盘综合性能正相关；
13.基于所述第二灰色关联度与第一欧式距离获得第二评估指标所述第二评估指标与盾构机刀盘综合性能负相关。
14.进一步地，还包括：
15.s6、基于所述第一评估指标与第二评估指标计算所述盾构机刀盘和所述正理想方案的相对贴近度；所述相对贴近度与盾构机刀盘综合性能正相关。
16.进一步地，所述性能指标包括径向载荷、倾覆力矩、刀间距、质心半径、刀盘直径、刀盘厚度、开口率、刀盘重量、刀盘强度、刀盘刚度、振动特性、刀盘转矩和刀盘推力。
17.进一步地，所述s2具体包括：
18.s21、采用层次分析法确定所述性能指标的权重；
19.s22、采用向量归一化法对所述性能指标进行标准化处理，获得标准化矩阵；所述标准化矩阵表示为：
[0020][0021]
其中，x
ij
表示盾构机刀盘i对性能指标j的特征值；m表示盾构机刀盘的数量；n表示性能指标的数量；
[0022]
s23、基于所述权重和标准化矩阵，计算所述性能指标的加权规范化决策矩阵；所述加权规范化决策矩阵表示为：
[0023]
u＝(u
ij
)m×n[0024]
其中，u
ij
＝ωjy
ij
(i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n)，ωj表示性能指标的权重。
[0025]
进一步地，所述s3中，所述正理想方案表示为：
[0026][0027]
所述负理想方案表示为：
[0028][0029]
其中，j表示为性能指标集中的一个性能指标；j

表示正理想方案中的性能指标集；j-表示负理想方案中的性能指标集。
[0030]
进一步地，所述s4中，所述性能指标到正理想方案的第一欧式距离和第一灰色关联度分别表示为：
[0031][0032][0033]
其中，u
j
表示性能指标集u
ij
中的最大值；r
ij
表示盘样本与正理想方案的灰色关联度系数矩阵r

中的各项。
[0034]
进一步地，所述s4中，所述性能指标到负理想方案的第二欧式距离和第二灰色关联度分别表示为：
[0035][0036][0037]
其中，u
j-表示性能指标集u
ij
中的最小值；r
ij-表示刀盘样本与负理想方案的灰色关联度系数矩阵r-中的各项。
[0038]
进一步地，所述s5包括：
[0039]
分别对所述第一灰色关联度和第二欧式距离进行无量纲化处理；将所述无量纲化处理后的第一灰色关联度和第二欧式距离进行融合，获得第一评估指标所述第一评估指标表示为：
[0040][0041]
所述第一评估指标反映了待评价盾构机刀盘与正理想方案的接近程度；所述第一评估指标与盾构机刀盘综合性能正相关；该公式中，α1 α2＝1。
[0042]
进一步地，所述s5还包括：
[0043]
分别对所述第二灰色关联度与第一欧式距离进行无量纲化处理；将所述无量纲化处理后的第二灰色关联度与第一欧式距离进行融合，获得第二评估指标所述第二评估指标表示为：
[0044][0045]
所述第二评估指标反映了待评价盾构机刀盘与正理想方案的远离程度；所述第二评估指标与盾构机刀盘综合性能负相关。
[0046]
进一步地，所述s6中，所述相对贴近度表示为：
[0047][0048]
其中，p
i*
数值与盾构机刀盘综合性能正相关。
[0049]
与现有技术相比，本发明记载的一种盾构机刀盘综合性能评价方法，具有如下有益效果：
[0050]
将灰色关联度与topsis决策方法结合，能够搭建出灰色理想值逼近模型，对盾构机刀盘性能实现综合评价，与现有评价方法相比，既能够对定性及定量性能指标进行整体评判，又能够反映各性能之间内部因素变化趋势与理想方案之间的区别，是一种效果更好地综合评价方法，能够用于盾构机刀盘综合性能的评价方法。
[0051]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0052]
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
[0053]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0054]
图1为本发明实施例提供的盾构机刀盘综合性能评价方法流程图。
具体实施方式
[0055]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0056]
参见图1所示，本发明实施例提供了一种盾构机刀盘综合性能评价方法，具体包括如下步骤：
[0057]
s1、获取待评价盾构机刀盘的性能指标；
[0058]
s2、计算出所述性能指标的加权规范化决策矩阵；
[0059]
s3、根据所述加权规范化决策矩阵，确定所述盾构机刀盘的正理想方案和负理想方案；
[0060]
s4、分别计算所述性能指标到正理想方案的第一欧式距离和第一灰色关联度以及所述性能指标到负理想方案的第二欧式距离和第二灰色关联度
[0061]
s5、基于所述第一灰色关联度和第二欧式距离获得第一评估指标所述第一评估指标与盾构机刀盘综合性能正相关；
[0062]
基于所述第二灰色关联度与第一欧式距离获得第二评估指标所述第二评估指标与盾构机刀盘综合性能负相关。
[0063]
s6、基于所述第一评估指标与第二评估指标计算所述盾构机刀盘和所述正理想方案的相对贴近度；所述相对贴近度与盾构机刀盘综合性能正相关。
[0064]
下面分别对上述各个步骤进行详细的说明。
[0065]
在上述步骤s1中，构建盾构机刀盘结构综合性能评价指标体系，具体步骤如下：
[0066]
(1)建立盾构机性能指标体系层次结构
[0067]
刀盘作为盾构掘进机的关键部件，其刀盘性能是制约盾构机掘进效率和保证施工
质量的主要因素之一，构建一个科学合理的刀盘性能评价体系，是进行刀盘评价的重要基础，可以为刀盘性能评价方法的研究提供平台。建立刀盘性能评价指标体系，需要考虑刀盘设计、制造及施工等因素，选取能够准确、全面反映刀盘性能的指标。本发明实施例拟采取定量指标与定性指标相结合使用的原则，选取评价指标，使评价更加具有客观性与全面性，避免因定量指标评价数据本身存在问题而造成评价准确性下降。
[0068]
本发明实施例拟从从刀盘结构性能、刀具布置性能、力学性能及工作性能等方面建立刀盘性能指标评价体系，除上述性能之外，还充分考虑经济性，安全可靠性及环境适应性等因素，最终确定了复合式土压平衡盾构机刀盘性能评价的递阶层次结构以及各类指标在递阶层次结构中的位置，构建出刀盘性能综合评价指标体系。
[0069]
根据不同类型的盾构机刀盘系统确定一，二级指标，保证刀盘性能指标体系的有效性与合理性。详细盾构机刀盘评价指标体系见表1：
[0070]
表1盾构机刀盘评价指标体系
[0071][0072][0073]
(2)刀盘评价指标的初始化及计算
[0074]
盾构机刀盘性能评价指标包含定量与定性指标，其中定量指标能够通过不同的数学方法计算数值并确定数值进行描述的评价指标，可以通过规范化处理后，比较具体的数值大小，上述指标体系中的刀具布置性能，刀盘力学性能，盘体结构性能均为定量指标；而定性指标则是可以用模糊语言进行描述的不确定性指标，包含上述指标体系中的经济性，安全可靠性以及环境适应性等指标。对定性指标的标准化处理，本发明实施例拟采取模糊
topsis决策法进行评定；对于定量指标的标准化处理，本发明实施例拟采取相对优属度计算公式进行数据处理，根据实际定量指标的评估准则可分为越大越优型指标，越小越优型指标，分别对应采取下列方法进行标准化处理。
[0075]
对越大越优指标的相对优属度：
[0076]
对越小越优指标的相对优属度：
[0077]
其中，x
ij
表示盾构机刀盘i对性能指标j的特征值；r
ij
为盾构机刀盘i对性能指标j的相对优属度；为盾构机刀盘i对性能指标j的特征值取大，为盾构机刀盘i对性能指标j的特征值取小。
[0078]
在上述步骤s2中，具体包括：
[0079]
s21、采用层次分析法确定所述性能指标的权重；
[0080]
s22、采用向量归一化法对所述性能指标进行标准化处理，获得标准化矩阵；所述标准化矩阵表示为：
[0081][0082]
其中，x
ij
表示盾构机刀盘i对性能指标j的特征值；m表示盾构机刀盘的数量；n表示性能指标的数量；
[0083]
s23、基于所述权重和标准化矩阵，计算所述性能指标的加权规范化决策矩阵；所述加权规范化决策矩阵表示为：
[0084]
u＝(u
ij
)m×n[0085]
其中，u
ij
＝ωjy
ij
(i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n)，ωj表示性能指标的权重。
[0086]
在上述步骤s3中，正理想方案表示为：
[0087][0088]
负理想方案表示为：
[0089][0090]
其中，j表示为性能指标集中的一个性能指标；j

表示正理想方案中的性能指标集；j-表示负理想方案中的性能指标集。
[0091]
在上述步骤s4中，性能指标到正理想方案的第一欧式距离和第一灰色关联度分别表示为：
[0092][0093][0094]
其中，u
j
表示性能指标集u
ij
中的最大值；r
ij
表示盘样本与正理想方案的灰色关
联度系数矩阵r

中的各项。
[0095]
性能指标到负理想方案的第二欧式距离和第二灰色关联度分别表示为：
[0096][0097][0098]
其中，u
j-表示性能指标集u
ij
中的最小值；r
ij-表示刀盘样本与负理想方案的灰色关联度系数矩阵r-中的各项。
[0099]
该步骤s4中，主要为确定各待评价刀盘样本中各指标到正理想方案与负理想方案之间的灰色关联度和其主要的方法是在灰色关联系数矩阵r

和r-中引进权重系数ωj，建立待评价刀盘与正负理想方案之间的灰色关联度。
[0100]
在上述步骤s5中，对求得的欧式距离和以及灰色关联度和通过下方公式进行无量纲化处理之后将无量纲化后的欧氏距离和灰色关联度进行融合，其中欧氏距离和灰色关联度能够表示出待评估刀盘样本距离理想解的距离，其值越大，则表示距离越近；欧氏距离和灰色关联度能够表示出待评估刀盘样本距离理想解的距离，其值越大，则表示距离越远；
[0101]
具体为：
[0102]
分别对所述第一灰色关联度和第二欧式距离进行无量纲化处理；将所述无量纲化处理后的第一灰色关联度和第二欧式距离进行融合，获得第一评估指标所述第一评估指标表示为：
[0103][0104]
所述第一评估指标反映了待评价盾构机刀盘与正理想方案的接近程度；所述第一评估指标与盾构机刀盘综合性能正相关，即第一评估指标的数值越大，则盾构机刀盘综合性能越好；该公式中，α1和α2分别代表决策者对相应位置和形状的偏好程度，满足α1 α2＝1。。
[0105]
分别对所述第二灰色关联度与第一欧式距离进行无量纲化处理；将所述无量纲化处理后的第二灰色关联度与第一欧式距离进行融合，获得第二评估指标所述第二评估指标表示为：
[0106][0107]
所述第二评估指标反映了待评价盾构机刀盘与正理想方案的远离程度；所述第二评估指标与盾构机刀盘综合性能负相关，即第二评估指标数值越小，则盾构机刀盘综合性能越差。
[0108]
在上述步骤s6中，相对贴近度表示为：
[0109][0110]
其中，p
i*
数值与盾构机刀盘综合性能正相关。
[0111]
在上述步骤结束后，还需要进行刀盘评价指标权重的计算，根据前边建立的刀盘性能综合评价体系，本发明实施例拟采用faph模糊层次分析法对评价体系进行权重计算，借助模糊集合理论和层次结构分析法，按照优先顺序对各类准则和方案进行排序。
[0112]
本发明实施例提供了一种盾构机刀盘综合性能评价方法，通过构建盾构机刀盘结构综合性能评价指标体系，充分考虑刀盘设计，制造及施工等因素，选取能够准确，全面反映刀盘性能的指标，结合刀盘结构性能，刀具布置性能，力学性能及工作性能等方面建立刀盘性能分一级二级指标搭建定性定量结合的指标评价体系；
[0113]
通过构建基于灰色关联度与topsis决策法的盾构机刀盘综合性能评价模型，分别确定同一属性指标的最大值与最小值，将效益型正向指标的最大值和成本型负向指标的最小值构成正理想解，将效益型正向指标的最小值与成本型负向指标的最大值构成负理想解。这一步主要是要根据实际工况中的性能指标特性确定其理想方案的选取依据为最大值还是最小值，对待评价的刀盘正负理想方案分别进行计算；
[0114]
根据各待评价的刀盘方案的正，负理想方案，计算各刀盘样本到正负理想解的欧氏距离和在求出各待评价刀盘方案的欧式距离后，通过加权标准化矩阵，对各待评价刀盘方案到正负理想解的灰色关联度和进行计算，并对所得到的欧氏距离及灰色关联度进行无量纲化处理，并进行欧氏距离与灰色关联度的结合，计算得到相对贴近度，通过相对贴近度评估盾构机刀盘的综合性能。
[0115]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。