盾构掘进姿态控制方法及装置、计算机可存储介质与流程

1.本公开涉及盾构掘进技术领域，特别涉及盾构掘进姿态控制方法及装置、计算机可存储介质。


背景技术：

2.盾构法隧道施工过程中，对于盾构机的姿态控制有极高的要求，然而由于地质条件复杂、测量环境恶劣等因素，使得盾构机的掘进方向很难与隧道设计轴线保持一致，常常会出现水平或者垂直偏差过大，从而对项目的工期、成本和安全造成重大影响。
3.相关技术中，盾构掘进过程中依然是依靠人工进行推进控制，由主司机根据导向测量系统的反馈值来调节油缸压力。


技术实现要素：

4.相关技术中，依赖人工经验的操作方法调节油缸压力，具有较大的局限性，很难保证隧道的成型质量。
5.针对上述技术问题，本公开提出了一种解决方案，可以实现完整的自动化掘进控制。
6.根据本公开的第一方面，提供了一种盾构掘进姿态控制方法，包括：实时获取与盾构掘进姿态相关的参数的当前参数值，所述当前参数值包括当前姿态偏差值、当前趋势值、当前盾尾间隙值；根据所述当前姿态偏差值和所述当前趋势值，判断当前盾构姿态是否在允许范围内；在所述当前盾构姿态在允许范围内的情况下，根据所述当前姿态偏差值和所述当前趋势值，确定分组油缸的目标压力差；在所述当前盾构姿态不在允许范围内的情况下，根据所述当前盾尾间隙值和所述当前姿态偏差值，以连续反向曲线为基础，构建最佳纠偏曲线，其中，所述最佳纠偏曲线使盾构在最短时间内安全地从当前位置向隧道设计轴线靠近；确定当前盾构位姿相对于所述最佳纠偏曲线的姿态偏差值和趋势值，分别作为参考姿态偏差值和参考趋势值；根据所述参考姿态偏差值和所述参考趋势值，确定分组油缸的目标压力差；根据所确定的分组油缸的目标压力差，进行盾构姿态控制。
7.在一些实施例中，构建最佳纠偏曲线包括：根据所述当前盾尾间隙值，确定第一纠偏半径；根据盾构几何尺寸，确定第二纠偏半径；根据隧道设计转弯半径，确定第三纠偏半径；确定所述第一纠偏半径、所述第二纠偏半径和所述第三纠偏半径中的最大值，作为最小纠偏半径；根据所述最小纠偏半径、所述当前姿态偏差值的水平切口偏差、盾构机与隧道设计轴线的夹角度数，构建最佳纠偏曲线。
8.在一些实施例中，确定第一纠偏半径包括：确定第一纠偏半径为其中r代表管片半径，δ为靠近转弯中心一侧的盾尾间隙，l为管片宽度。
9.在一些实施例中，所述最佳纠偏曲线包括第一段纠偏圆曲线l1和第二段纠偏圆曲线l2，所述第一段纠偏圆曲线l1的圆心角为α，所述第二段纠偏圆曲线l2的圆心角为β，α和β
通过如下公式计算得到：h为所述当前姿态偏差值的水平切口偏差；所述第一段纠偏圆曲线l1表示为表示为表示为所述第二段纠偏圆曲线l2表示为表示为表示为其中，r
min
为最小纠偏半径，θ为盾构机与隧道设计轴线的夹角度数。
10.在一些实施例中，所述当前参数值还包括分组油缸的当前压力值，根据所确定的分组油缸的目标压力差，进行盾构姿态控制包括：根据所述分组油缸的当前压力值，确定所述分组油缸的当前压力差；在所述当前压力差与所述目标压力差相同的情况下，保持所述当前参数值掘进；在所述当前压力差与所述目标压力差不同的情况下，根据所述分组油缸的当前压力差和目标压力差，确定分组油缸的压力调整值，其中，所述分组油缸的压力调整值包括水平方向油缸的压力调整值和垂直方向油缸的压力调整值；根据所确定的分组油缸的压力调整值，进行盾构姿态控制。
11.在一些实施例中，所述分组油缸的当前压力差包括当前水平压力差和当前垂直压力差，所述分组油缸的目标压力差包括目标水平压力差和目标垂直压力差，所述水平方向油缸包括第一组油缸和第二组油缸，所述垂直方向油缸包括第三组油缸和第四组油缸，确定分组油缸的压力调整值包括：确定第一组油缸的压力调整值为第一组油缸的当前水平压力差减去目标水平压力差的值的一半；确定第二组油缸的压力调整值为第二组油缸的当前垂直压力差值减去目标垂直压力差的值的一半；确定第三组油缸的压力调整值为第三组油缸的目标水平压力差减去当前水平压力差的值的一半；确定第四组油缸的压力调整值为第四组油缸的目标垂直压力值减去当前垂直压力差的值的一半。
12.在一些实施例中，确定分组油缸的目标压力差包括：利用模糊控制器或人工智能算法模型，确定分组油缸的目标压力差，其中，所述模糊控制器包括水平姿态模糊控制器和垂直姿态模糊控制器。
13.在一些实施例中，所述当前姿态偏差值的允许范围为(-50mm，50mm)，所述当前趋势值的允许范围为(-5mm/m，5mm/m)。
14.根据本公开第二方面，提供了一种盾构掘进姿态控制装置，包括：获取模块，被配置为实时获取与盾构掘进姿态相关的参数的当前参数值，所述当前参数值包括当前姿态偏差值、当前趋势值、当前盾尾间隙值；判断模块，被配置为根据所述当前姿态偏差值和所述当前趋势值，判断当前盾构姿态是否在允许范围内；第一确定模块，被配置为在所述当前盾构姿态在允许范围内的情况下，根据所述当前姿态偏差值和所述当前趋势值，确定分组油缸的目标压力差；构建模块，被配置为在所述当前盾构姿态不在允许范围内的情况下，根据所述当前盾尾间隙值和所述当前姿态偏差值，以连续反向曲线为基础，构建最佳纠偏曲线，
其中，所述最佳纠偏曲线使盾构在最短时间内安全地从当前位置向隧道设计轴线靠近；第二确定模块，被配置为确定当前盾构位姿相对于所述最佳纠偏曲线的姿态偏差值和趋势值，分别作为参考姿态偏差值和参考趋势值；第三确定模块，被配置为根据所述参考姿态偏差值和所述参考趋势值，确定分组油缸的目标压力差；控制模块，被配置为根据所确定的分组油缸的目标压力差，进行盾构姿态控制。
15.根据本公开第三方面，提供了一种盾构掘进姿态控制装置，包括：存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器的指令，执行上述任一实施例所述的盾构掘进姿态控制方法。
16.根据本公开的第四方面，提供了一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序指令，该指令被处理器执行时实现上述任一实施例所述的盾构掘进姿态控制方法。
17.在上述实施例中，可以实现完整的自动化掘进姿态控制。
附图说明
18.构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
19.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
20.图1是示出根据本公开一些实施例的盾构掘进姿态控制方法的流程图；
21.图2是示出根据本公开一些实施例的最佳纠偏曲线的示意图；
22.图3是示出根据本公开一些实施例的盾构油缸的分布示意图；
23.图4是示出根据本公开一些实施例的确定分组油缸的目标压力差的示意图；
24.图5是示出根据本公开一些实施例的盾构掘进姿态控制方法的流程示意图；
25.图6是示出根据本公开一些实施例的盾构掘进姿态控制装置的框图；
26.图7是示出根据本公开另一些实施例的盾构掘进姿态控制装置的框图；
27.图8是示出用于实现本公开一些实施例的计算机系统的框图。
具体实施方式
28.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
29.同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
30.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
31.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
32.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
33.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
34.图1是示出根据本公开一些实施例的盾构掘进姿态控制方法的流程图。
35.如图1所示，盾构掘进姿态控制方法包括步骤s110-步骤s170。
36.在步骤s110中，实时获取与盾构掘进姿态相关的参数的当前参数值。当前参数值包括当前姿态偏差值、当前趋势值、当前盾尾间隙值。
37.在步骤s120中，根据当前姿态偏差值和当前趋势值，判断当前盾构姿态是否在允许范围内。在一些实施例中，当前姿态偏差值的允许范围为(-50mm，50mm)，搜索当前趋势值的允许范围为(-5mm/m，5mm/m)。
38.在步骤s130中，在当前盾构姿态在允许范围内的情况下，根据当前姿态偏差值和当前趋势值，确定分组油缸的目标压力差。
39.在步骤s140中，在当前盾构姿态不在允许范围内的情况下，根据当前盾尾间隙值和当前姿态偏差值，以连续反向曲线为基础，构建最佳纠偏曲线，其中，最佳纠偏曲线使盾构在最短时间内安全地从当前位置向隧道设计轴线靠近。构建最佳纠偏曲线也可以称为构建最佳纠偏曲线模型。
40.在一些实施例中，通过如下方式构建最佳纠偏曲线。
41.首先，根据当前盾尾间隙值，确定第一纠偏半径。
42.例如，确定第一纠偏半径为其中r代表管片半径，δ为靠近转弯中心一侧的盾尾间隙，l为管片宽度。
43.其次，根据盾构几何尺寸，确定第二纠偏半径。例如，第二纠偏半径表示为r2。
44.再次，根据隧道设计转弯半径，确定第三纠偏半径。例如，第三纠偏半径表示为r3。
45.然后，确定第一纠偏半径、第二纠偏半径和第三纠偏半径中的最大值，作为最小纠偏半径。盾构掘进的姿态控制过程中，使纠偏轨迹最短所采用的纠偏半径称为最小纠偏半径。
46.最后，根据最小纠偏半径、当前姿态偏差值的水平切口偏差、盾构机与隧道设计轴线的夹角度数，构建最佳纠偏曲线。
47.在一些实施例中，最佳纠偏曲线包括第一段纠偏圆曲线l1和第二段纠偏圆曲线l2，第一段纠偏圆曲线l1的圆心角为α，第二段纠偏圆曲线l2的圆心角为β。α和β通过如下公式计算得到：
48.h为当前姿态偏差值的水平切口偏差。
49.第一段纠偏圆曲线l1表示为表示为
50.第二段纠偏圆曲线l2表示为表示为
51.r
min
为最小纠偏半径，θ为盾构机与隧道设计轴线的夹角度数。最佳纠偏曲线中的x、y表示盾构位置在坐标系中的坐标，其中，x轴是隧道设计轴线，y轴垂直于隧道设计轴线。
52.图2是示出根据本公开一些实施例的最佳纠偏曲线的示意图。
53.如图2所示，盾构机ab与隧道设计轴线(designed tunnel axis，dta)od的夹角表示为θ。切口水平偏差为h，即点b到直线od的垂直距离为h。图2示出了第一段纠偏圆曲线和第二段纠偏圆曲线以及这两段纠偏圆曲线的圆心点和圆心角。
54.返回图1，在步骤s150中，确定当前盾构位姿相对于最佳纠偏曲线的姿态偏差值和趋势值，分别作为参考姿态偏差值和参考趋势值。
55.在步骤s160中，根据参考姿态偏差值和参考趋势值，确定分组油缸的目标压力差。
56.在步骤s170中，根据所确定的分组油缸的目标压力差，进行盾构姿态控制。
57.在一些实施例中，当前参数值还包括分组油缸的当前压力值。这种情况下，可以通过如下方式实现上述步骤s170。
58.首先，根据分组油缸的当前压力值，确定分组油缸的当前压力差。
59.然后，在当前压力差与目标压力差相同的情况下，保持当前参数值掘进。
60.最后，在当前压力差与目标压力差不同的情况下，根据分组油缸的当前压力差和目标压力差，确定分组油缸的压力调整值，并根据所确定的分组油缸的压力调整值，进行盾构姿态控制。分组油缸的压力调整值包括水平方向油缸的压力调整值和垂直方向油缸的压力调整值。
61.在一些实施例中，所述分组油缸的当前压力差包括当前水平压力差和当前垂直压力差，所述分组油缸的目标压力差包括目标水平压力差和目标垂直压力差，所述水平方向油缸包括第一组油缸和第二组油缸，所述垂直方向油缸包括第三组油缸和第四组油缸，确定分组油缸的压力调整值包括：确定第一组油缸的压力调整值为第一组油缸的当前水平压力差减去目标水平压力差的值的一半；确定第二组油缸的压力调整值为第二组油缸的当前垂直压力差值减去目标垂直压力差的值的一半；确定第三组油缸的压力调整值为第三组油缸的目标水平压力差减去当前水平压力差的值的一半；确定第四组油缸的压力调整值为第四组油缸的目标垂直压力值减去当前垂直压力差的值的一半。
62.以图3为例，水平方向油缸包括a组油缸和c组油缸，垂直方向油缸包括b组油缸和d组油缸，确定分组油缸的压力调整值包括：确定a组油缸的压力调整值为当前水平压力差减去目标水平压力差值；确定b组油缸的压力调整值为当前垂直压力差值减去目标垂直压力差值；确定c组油缸的压力调整值为目标水平压力差减去当前水平压力差值；确定d组油缸的压力调整值为目标垂直压力差值减去当前垂直压力差值。如图3所示，a组油缸包括油缸2、3、4、5，b组油缸包括油缸6、7、8、9、10，c组油缸包括油缸11、12、13、14，d组油缸包括油缸1、15、16。
63.为保证总推力不变或者变化极小，从而减小对推进速度、土仓压力的影响，油缸压力差的改变按照a/c、b/d其中两组油缸一增一减的方式调整，若油缸的当前压力差值与所确定的目标压力差值一样，则保持当前参数掘进，若不一样，则按下式进行分配：确定的目标压力差值一样，则保持当前参数掘进，若不一样，则按下式进行分配：
64.δfa、δfb、δfc、δfd分别为abcd四组油缸的压力调整值，δfh为所确定的水平方
向油缸的目标压力差，δf
′h为水平方向油缸的当前压力差，δfv为所确定的垂直方向油缸的目标压力差，δf
′v为垂直方向油缸的当前压力差。
65.在一些实施例中，确定分组油缸的目标压力差包括：利用模糊控制器或人工智能算法模型，确定分组油缸的目标压力差，其中，模糊控制器包括水平姿态模糊控制器和垂直姿态模糊控制器。
66.图4是示出根据本公开一些实施例的确定分组油缸的目标压力差的示意图。
67.如图4所示，利用模糊控制单元的模糊控制器mh(水平模糊控制器)对当前水平切口偏差h和当前水平趋势值t1进行处理，得到水平方向油缸的目标压力差δfh。利用模糊控制器mv(水平模糊控制器)对当前垂直切口偏差v和当前垂直趋势值t2进行处理，得到垂直方向油缸的目标压力差δfv。
68.图4中的模糊控制器可以采用人工智能算法模型进行代替，同样考虑当前盾构姿态是否超出允许范围，从而利用不同的输出参数，针对不同工况输出不同的值，最终通过调整油缸压力进行盾构姿态控制。
69.上述实施例实现了盾构施工过程中的自动确定分组油缸的目标压力差的过程，并根据所确定的目标压力差进行盾构姿态控制，实现了真正的无人化、少人化掘进，实现完整的自动化掘进控制。上述实施例中的盾构掘进姿态自动控制技术易于实现，在保证掘进效率和施工质量的前提下，提高掘进姿态控制的智能化水平，保障设备、人员、环境三者平衡和谐，大大提高盾构施工效率。
70.图5是示出根据本公开一些实施例的盾构掘进姿态控制方法的流程示意图。
71.如图5所示，输入纠偏约束参数(当前参数值)，并读入当前姿态数据(例如当前姿态偏差值、当前趋势值)。根据当前姿态偏差值、当前趋势值，判断是否偏离隧道设计轴线dta。在判断没有偏离隧道设计轴线的情况下，判断纠偏是否结束。在判断纠偏结束的情况下，结束纠偏。在判断纠偏未结束的情况下，判断是否偏离纠偏曲线。在未偏离纠偏曲线的情况下，进行盾构掘进姿态控制。在偏离纠偏曲线的情况下，继续读入当前姿态数据。
72.在判断偏离隧道设计轴线的情况下，判断当前盾构姿态是否在允许范围内，以判断是否构建纠偏曲线。在构建纠偏曲线的情况下，构建纠偏曲线模型，进而启动模糊控制器，输出推进油缸压力差。根据输出的推进油缸压力差，可以计算各组油缸压力调整值。根据油缸压力调整值进行盾构掘进姿态控制。在进行盾构掘进的过程中，判断纠偏是否结束。在纠偏未结束的情况下，判断是否偏离纠偏曲线。在未偏离纠偏曲线的情况下，进行盾构掘进姿态控制。在偏离纠偏曲线的情况下，继续读入当前姿态数据。
73.在判断不需要构建纠偏曲线的情况下，直接启动模糊控制器，后续操作类似上述过程。
74.一些具体的实现细节，参考前述实施例，此处不再赘述。
75.图6是示出根据本公开一些实施例的盾构掘进姿态控制装置的框图。
76.如图6所示，盾构掘进姿态控制装置6包括获取模块61、判断模块62、第一确定模块63、构建模块64、第二确定模块65、第三确定模块66和控制模块67。
77.获取模块61被配置为实时获取与盾构掘进姿态相关的参数的当前参数值，所述当前参数值包括当前姿态偏差值、当前趋势值、当前盾尾间隙值，例如执行如图1所示的步骤s110。
78.判断模块62被配置为根据所述当前姿态偏差值和所述当前趋势值，判断当前盾构姿态是否在允许范围内，例如执行如图1所示的步骤s120。
79.第一确定模块63被配置为在所述当前盾构姿态在允许范围内的情况下，根据所述当前姿态偏差值和所述当前趋势值，确定分组油缸的目标压力差，例如执行如图1所示的步骤s130。
80.构建模块64被配置为在所述当前盾构姿态不在允许范围内的情况下，根据所述当前盾尾间隙值和所述当前姿态偏差值，以连续反向曲线为基础，构建最佳纠偏曲线，其中，所述最佳纠偏曲线使盾构在最短时间内安全地从当前位置向隧道设计轴线靠近，例如执行如图1所示的步骤s140。
81.第二确定模块65被配置为确定当前盾构位姿相对于所述最佳纠偏曲线的姿态偏差值和趋势值，分别作为参考姿态偏差值和参考趋势值，例如执行如图1所示的步骤s150。
82.第三确定模块66被配置为根据所述参考姿态偏差值和所述参考趋势值，确定分组油缸的目标压力差，例如执行如图1所示的步骤s160。
83.控制模块67被配置为根据所确定的分组油缸的目标压力差，进行盾构姿态控制，例如执行如图1所示的步骤s170。
84.图7是示出根据本公开另一些实施例的盾构掘进姿态控制装置的框图。
85.如图7所示，盾构掘进姿态控制装置7包括存储器71；以及耦接至该存储器71的处理器72。存储器71用于存储执行盾构掘进姿态控制方法对应实施例的指令。处理器72被配置为基于存储在存储器71中的指令，执行本公开中任意一些实施例中的盾构掘进姿态控制方法。
86.图8是示出用于实现本公开一些实施例的计算机系统的框图。
87.如图8所示，计算机系统80可以通用计算设备的形式表现。计算机系统80包括存储器810、处理器820和连接不同系统组件的总线800。
88.存储器810例如可以包括系统存储器、非易失性存储介质等。系统存储器例如存储有操作系统、应用程序、引导装载程序(boot loader)以及其他程序等。系统存储器可以包括易失性存储介质，例如随机存取存储器(ram)和/或高速缓存存储器。非易失性存储介质例如存储有执行盾构掘进姿态控制方法中的至少一种的对应实施例的指令。非易失性存储介质包括但不限于磁盘存储器、光学存储器、闪存等。
89.处理器820可以用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、应用专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑设备、分立门或晶体管等分立硬件组件方式来实现。相应地，诸如判断模块和确定模块的每个模块，可以通过中央处理器(cpu)运行存储器中执行相应步骤的指令来实现，也可以通过执行相应步骤的专用电路来实现。
90.总线800可以使用多种总线结构中的任意总线结构。例如，总线结构包括但不限于工业标准体系结构(isa)总线、微通道体系结构(mca)总线、外围组件互连(pci)总线。
91.计算机系统80还可以包括输入输出接口830、网络接口840、存储接口850等。这些接口830、840、850以及存储器810和处理器820之间可以通过总线800连接。输入输出接口830可以为显示器、鼠标、键盘等输入输出设备提供连接接口。网络接口840为各种联网设备提供连接接口。存储接口850为软盘、u盘、sd卡等外部存储设备提供连接接口。
92.这里，参照根据本公开实施例的方法、装置和计算机程序产品的流程图和/或框图
描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个框以及各框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
93.这些计算机可读程序指令可提供到通用计算机、专用计算机或其他可编程装置的处理器，以产生一个机器，使得通过处理器执行指令产生实现在流程图和/或框图中一个或多个框中指定的功能的装置。
94.这些计算机可读程序指令也可存储在计算机可读存储器中，这些指令使得计算机以特定方式工作，从而产生一个制造品，包括实现在流程图和/或框图中一个或多个框中指定的功能的指令。
95.本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。
96.通过上述实施例中的盾构掘进姿态控制方法及装置、计算机可存储介质，可以实现完整的自动化掘进控制。
97.至此，已经详细描述了根据本公开的盾构掘进姿态控制方法及装置、计算机可存储介质。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。