一种盾构机的掘进控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种盾构机的掘进控制系统及方法，掘进控制系统至少包括测量模块、推进模块和控制模块，在测量模块获取的位姿参数中位置偏差超过位置偏差阈值而角度偏差为零的第一类偏差情况下，控制模块配置为基于测量模块获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线构建推进模块所需的纠偏轨迹参数，基于测量模块获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区，在可盾构区内通过至少一个直线段拟合第一纠偏曲线以生成推进模块所需的纠偏轨迹参数，在第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个直线段的旋转角度等于转弯角度阈值且能够穿过隧道设计轴线方式拟合第一纠偏曲线。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构机的掘进控制系统及方法
本专利技术涉及隧道盾构
，尤其涉及一种盾构机的掘进控制系统及方法。
技术介绍
盾构机是专门用于隧道施工的一种大型设备，它同时集中了多门学科的技术，如机械、液压、材料、控制、测量等，是一种运行原理非常复杂的设备。盾构机在施工过程中，在控制开挖面稳定的同时，能够进行出渣、拼装管片、形成衬砌、注浆等操作。盾构机在城市地铁建设、穿山隧道挖掘、市政管道等工程中都得到了广泛的应用。与其他挖掘隧道的方法相比，盾构施工法不会对周边环境产生大的影响，快速的施工速度可以缩短施工周期，减少人力物力成本，且安全性较高。然而，由于盾构机工作环境的地质条件、工况的不确定性以及掘进装备的高度复杂性，且考虑到在城市施工时，地面上往往有建筑或道路，必须保证隧道的施工质量，否则会造成地面沉降等危险。盾构机的实际掘进轴线与隧道设计轴线的吻合程度以及掘进中的姿态控制是确保隧道施工质量的关键因素。盾构机的姿态偏离过大，势必会造成掘进轨迹偏离设计轴线。目前实际工程中，针对常规转弯或者纠偏控制主要由操作人员根据盾构机的姿态偏离情况人工控制推进系统，从而控制盾构机的掘进姿态，其纠偏效果取决于操作人员的熟练程度，施工效率低且无法保证施工质量。例如，公开号为CN102102522B的中国专利文献公开了一种盾构掘进过程中的轨迹姿态复合控制方法。采用姿态和轨迹都设定阈值进行控制，即使轨迹尚未达到纠偏阈值，只要姿态偏离超限就及时进行位姿调整。当盾构机工作时通过测量、计算求取盾构机当前位置偏差、角度偏差。如果位置偏差小于等于轨迹姿态复合控制器位置偏差阈值和角度偏差小于等于轨迹姿态复合控制器角度偏差阈值，或者是位置偏差小于等于实际隧道施工位置允许偏差和角度变差为零时，则盾构机继续推进。反之，则通过最优化轨迹姿态纠偏路径，自动调整各分区推进液压缸的压力和推进位移，达到同时消除掘进过程中产生的位置偏差、角度偏差，使盾构机实际掘进路线控制在隧道设计轴线范围内，避免不必要的超挖和欠挖，提高隧道成型质量。但是该专利通过姿态和轨迹的双阈值的设定进行纠偏，其本质是将盾构机的各种偏差形式转化成角度偏差或位置偏差为0的情况，是将盾构机的偏差姿态从一个形式转换为另一形式，增加了盾构机轨迹的波动性，而且不能很好地控制盾构机返回到设计轴线的位置。将直线、圆曲线、缓和曲线纠偏分开讨论，采用缓和曲线作为纠偏线型，能够保证施工质量，但是需要迭代计算，使得计算复杂度指数级增长，不仅实现难度大，而且计算结果很难保证。引入模糊控制方法，其模糊控制表通常按经验取值，灵敏度低，不能同时纠正盾构机的位置偏差和角度偏差。而采用姿态轨迹复合法，其假设隧道设计轴线可以看成是直线，因此在曲线段时不能保证盾构机姿态与设计轴线完全吻合。例如，公开号为CN102996137B的中国专利文献公开了一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法。该方法包括以下步骤：获取隧道设计轴线的平竖曲线要素；获取初始设定的S型曲线终点里程；计算S型曲线终点里程处的坐标和方位角；获取盾构机的实时姿态数据；构建水平S型曲线；修正S型曲线终点里程；构建竖直S型曲线；判断S型曲线的最小曲率半径是否小于盾构机的最小转弯半径，若是，则重新获取S型曲线终点里程；计算出盾构机沿着S型曲线掘进一环后千斤顶的理想行程；将理想行程数据转换成所需油缸液压；计算机将计算结果传输给盾构机，控制盾构机向前掘进，并实时判断是否需要重构S型曲线。能够降低盾构机估计波动性的优点。但是该专利采用的S型纠偏曲线仅适用部分纠偏情况。例如，如果是仅存在位置偏差而不存在角度偏差的情况下，即盾构机的轴线与隧道设计轴线平行的情况下，S型的两段圆弧作为纠偏轨迹，存在直线段直接转到圆弧线段的情况。而直接从直线段直接转到S型的圆弧线段，考虑到地铁行车时转弯瞬间产生的离心力容易破坏轨道，严重的会导致地铁出轨。而且该S型纠偏曲线不是缓和曲线，其曲率变化不是均匀的，在曲率变化剧烈的情况下其盾构的隧道，也会使得地铁转弯瞬间产生的离心力破坏其运动平衡状态，存在很大的危险。此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于专利技术人做出本专利技术时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本专利技术不具备这些现有技术的特征，相反本专利技术已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在
技术介绍
中增加相关现有技术之权利。
技术实现思路
针对现有技术之不足，本专利技术提供一种盾构机的掘进控制系统，至少包括：测量模块、推进模块和控制模块。所述测量模块用于至少获取盾构机的位姿参数和探测参数。所述推进模块用于至少为所述盾构机的掘进提供动力以及调整所述盾构机掘进方向和掘进姿态。所述控制模块基于所述测量模块提供的参数与隧道设计轴线对比规划所述盾构机的掘进路径和驱动所述推进模块以控制所述盾构机的掘进方向和姿态。在所述测量模块获取的位姿参数中位置偏差超过位置偏差阈值而角度偏差为零的第一类偏差情况下，所述控制模块配置为基于所述测量模块获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线构建所述推进模块所需的纠偏轨迹参数。所述控制模块配置为基于所述测量模块获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区。所述控制模块配置为基于所述可盾构区和不可盾构区修正所述第一纠偏曲线。所述控制模块配置为在所述可盾构区内通过至少一个直线段拟合所述第一纠偏曲线以生成所述推进模块所需的纠偏轨迹参数。优选地，在所述第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，所述控制模块配置为以相邻两个所述直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过所述隧道设计轴线方式拟合所述第一纠偏曲线。尽管现有技术采用缓和曲线来作为纠偏曲线，缓和曲线的曲率均匀变化的方式能够避免离心力过大，为隧道内行驶的车辆提供稳定安全的运行轨迹，但是缓和曲线是一种复杂的光滑曲线，需要通过迭代的方式计算，计算复杂度较大，而且由于盾构机自身形状和刚度的问题，盾构机的实际掘进线路是一段段的直线，并且每段直线的长度是盾构机每个掘进环的行程的距离。由于缓和曲线的曲率半径不断变化，盾构机每个掘进环都要进行角度和偏差的而控制从而在纠偏的过程中，盾构机需要基于每个掘进环进行来计算盾构姿态和转动的角度。如果以直线段替代掘进环，那么需要计算控制盾构机姿态和转动角度的次数是以直线段的数量决定的。而直线段的长度一般来说大于盾构机每个掘进环的行程。但是，如果直线段数量过少，那么就需要盾构机的测量模块和控制模块的精度足够高，尤其是在曲率半径最小处，其曲率半径接近盾构机的最小转弯半径，并且其曲率半径变化最为剧烈（变化幅度大），对精度要求更高，需要保证不会出现较大的偏差，否则不仅可能偏离缓和曲线，而且可能导致曲率半径过小，导致离心力过大。此外，随着现有超前探测技术和其他地质探测技术的不断成熟，盾构机能够在盾构的过程中获取周围地质状况，进而判断纠偏曲线是否穿越不可盾构区，可以进一步修正纠偏曲线。本专利技术通过在所述第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个所述直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过所述隧道设计轴线方式拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盾构机的掘进控制系统，至少包括测量模块（100）、推进模块（200）和控制模块（300），其特征在于，在所述测量模块（100）获取的位姿参数（101）中位置偏差（101a）超过位置偏差阈值而角度偏差（101b）为零的第一类偏差情况下，所述控制模块（300）配置为：/n基于所述测量模块（100）获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线（20）构建所述推进模块（200）所需的纠偏轨迹参数，其中，/n基于所述测量模块（100）获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区，并基于所述可盾构区和不可盾构区修正所述第一纠偏曲线（20），其中，/n在所述可盾构区内通过至少一个直线段拟合所述第一纠偏曲线（20）以生成所述推进模块（200）所需的纠偏轨迹参数，其中，/n在所述第一纠偏曲线（20）的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个所述直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过所述隧道设计轴线（10）方式拟合所述第一纠偏曲线（20）。/n

【技术特征摘要】
1.一种盾构机的掘进控制系统，至少包括测量模块（100）、推进模块（200）和控制模块（300），其特征在于，在所述测量模块（100）获取的位姿参数（101）中位置偏差（101a）超过位置偏差阈值而角度偏差（101b）为零的第一类偏差情况下，所述控制模块（300）配置为：
基于所述测量模块（100）获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线（20）构建所述推进模块（200）所需的纠偏轨迹参数，其中，
基于所述测量模块（100）获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区，并基于所述可盾构区和不可盾构区修正所述第一纠偏曲线（20），其中，
在所述可盾构区内通过至少一个直线段拟合所述第一纠偏曲线（20）以生成所述推进模块（200）所需的纠偏轨迹参数，其中，
在所述第一纠偏曲线（20）的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个所述直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过所述隧道设计轴线（10）方式拟合所述第一纠偏曲线（20）。


2.根据权利要求1所述的掘进控制系统，其特征在于，在所述第一纠偏曲线（20）的两侧为可盾构区且其曲率半径大于最小转弯半径的第一阈值的情况下，所述控制模块（300）配置为以相邻两个所述直线段的旋转角度等于转弯角度阈值方式拟合所述第一纠偏曲线（20）。


3.根据权利要求2所述的掘进控制系统，其特征在于，所述第一纠偏曲线（20）至少包括两段凹凸方向以彼此相切点中心对称且同时与所述隧道设计轴线（10）相切的第一曲线段（20a）和第二曲线段（20b），其中，
所述第一曲线段（20a）和第二曲线段（20b）的相切点处的曲率半径最小且该相切点的曲率半径大于最小转弯半径；
与所述隧道设计轴线（10）相接的所述第二曲线段（20b）的曲率半径均匀变化的幅度小于等于所述第一曲线段（20a），并且所述第二曲线段（20b）的长度大于等于所述第一曲线段（20a）。


4.根据权利要求3所述的掘进控制系统，其特征在于，在所述第二曲线段（20b）远离所述隧道设计轴线（10）的一侧为不可盾构区的情况下，所述控制模块（300）配置为所述直线段穿过所述第二曲线段（20b）在其靠近所述隧道设计轴线（10）的一侧以至少一个直线段拟合所述第二曲线段（20b）。


5.根据权利要求4所述的掘进控制系统，其特征在于，在所述盾构机（400）的刀盘朝向所述隧道设计轴线（10）且所述角度偏差（101b）小于等于第一角度偏差阈值的情况下，所述控制模块（300）配置为控制所述推进模块（200）以当前姿态和方向进行掘进直至所述测量模块（100）反馈所述盾构机（400）处于第二类偏差，其中，
所述第一角度偏差阈值为所述控制模块（300）以所述转弯角度阈值控制所述盾构机（400）连续转动后到达所述隧道设计轴线（10）处或之前其所述角度偏差（101b）为零的角度值；
所述第二类偏差为所述位置偏差（101a）为零且所述角度偏差（101b）不为零。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兵，王利明，杨振兴，吕乾乾，冯欢欢，张合沛，王明胜，韩伟锋，郑永光，李大伟，张志增，陈瑞祥，陈桥，褚长海，杨延栋，郭璐，王雅文，
申请(专利权)人：盾构及掘进技术国家重点实验室，中铁隧道局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41