[发明专利]基于大数据的盾构掘进轴线实时纠偏系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于大数据的盾构掘进轴线实时纠偏系统及方法，系统包括数据预处理模块、轨迹策略模块、油压姿态模块、油压优化模块、实时监测模块和自动学习模块，能够基于施工现场采集的大数据考虑影响盾构姿态变化的因素，轨迹策略模块提供下一施工单元的目标位置，油压姿态模块根据目标位置输出到达目标位置所需分区油压值；同时考虑了盾构机油压允许输出范围，对系统计算的油缸压理论值进行优化；当模型计算结果出现异常时，输出紧急停机信号。纠偏方法与一般轴线控制方法相比，不仅可以全面的考虑了影响盾构轴线控制的因素保证纠偏过程不会引起周围土体的扰动，而且考虑了模型的稳定性，设置应急处理措施。

技术领域

本发明涉及盾构机控制技术领域，尤其涉及基于大数据的盾构掘进轴线实时纠偏系统及方法。

背景技术

盾构机掘进过程中，掘进姿态的控制效果是影响隧道施工质量的关键之一。由于盾构法施工过程中地下环境情况复杂，施工参数之间具有多耦合性，所以建立施工环境参数和盾构姿态直接控制量——油压量之间的数学模型非常困难。常见的盾构轴线控制的方法分有以下三类：

⑴以多项式拟合推进轨迹为基础的轴线纠偏方法

以多项式拟合推进轨迹为主的轴线控制方法根据盾构当前的偏离姿态，使用多项式拟合出盾构回归隧道设计轴线的轨迹。遵循拟合轨迹的特性，定性的给出盾构千斤顶油缸压力的分配方案，指导盾构司机进行轴线纠偏。

⑵以对盾构机负载进行受力分析为基础的轴线纠偏方法

通过对盾构机的负载进行受力分析，建立盾构机姿态的动力学方程和运动学方程。根据盾构姿态的偏离值，输出姿态纠偏所需盾构千斤顶的油压值。

⑶以模糊控制为基础的轴线控制方法

以模糊控制为基础的轴线控制方法根据施工经验积累，多以盾构姿态纠偏量或千斤顶油压值作为被控对象建立轴线纠偏的规则表，获得轴线纠偏的模糊控制器。

但是上述三类方法多基于几何拟合或施工经验，考虑影响推进的因素较为片面，没有考虑盾构纠偏过程是否会对周围土体造成扰动，以及模型输出值是否不超过盾构机的油压阀门最大开度、控制器针对对异常情况的应急措施。所以导致此以上方法实际应用效果较差。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的盾构掘进轴线实时纠偏系统及方法，以克服现有方法的上述缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于大数据的盾构掘进轴线实时纠偏系统及方法。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

基于大数据的盾构掘进轴线实时纠偏系统，包括数据预处理模块、轨迹策略模块、油压姿态模块、油压优化模块、实时监测模块和自动学习模块；所述实时监测模块包括全站仪、棱镜和陀螺仪，所述实时监测模块用于实时检测施工数据，所述施工数据包括盾构机的姿态数据和隧道设计轴线数据；系统基于实时监测模块采集施工现场的大数据，通过所述据预处理模块、轨迹策略模块、油压姿态模块、油压优化模块和自动学习模块计算出盾构机轴线纠偏过程各分区千斤顶所需的理论油压值，同时根据盾构机允许的最大油压值，对所述理论油压值进行优化；当计算结果出现异常、即当盾构机姿态偏离设计轴线超出阈值时，输出紧急停机信号。

优选的，所述数据预处理模块接收施工数据并对施工数据进行去除异常值处理和高低频数据融合。

优选的，其中，高频数据为盾构机操作参数，包括盾构机刀盘扭矩、刀盘转速、推进速度、分区千斤顶行程、总推力、分区油压阀门开度、分区输出油压值、切口的水平方向偏差、切口竖直方向偏差、盾尾的水平方向偏差、盾尾的竖直方向偏差、盾构坡度角和开挖面土压力；低频数据包括具有低频特性的隧道设计轴线坐标、盾尾间隙和开挖面土质信息；以施工单元为等间隔，将高频数据对应低频数据进行数据融合，使得融合数据的每条记录含有高频的盾构机操作数据对应低频特性的施工信息。