基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法，根据地质数据建立三维隧道模型；通过实际作业收集工况及机械参数；通过激光定位器确定工作面轮廓，结合三维隧道模型生成测量控制要素；基于隧道结构信息、工况及机械参数和测量控制要素形成BIM虚拟隧道掌子面场景；运用BIM技术模拟隧道一个循环段落的机械开挖作业施工全过程，判断智能指令参数与决策的可行性；现场控制掘进施工试验，在动态化现场操作中，再次判断智能控制参数和智能化决策指令的可行性，进行参数调整并提高模拟运算的准确性；根据优化后的操控指令，运用BIM技术模拟隧道下一下循环段落的机械开挖作业施工；在实施中优化，至完成隧道全过程施工。至完成隧道全过程施工。至完成隧道全过程施工。

【技术实现步骤摘要】
基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法


[0001]本专利技术属于隧道工程自动化施工
，具体是一种基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法。

技术介绍

[0002]随着机械化、自动化技术与计算机控制智能化技术在建筑施工领域的研究应用，为适应高粉尘、低照度的狭窄地下空间恶劣作业环境，提高工作面员工安全系数，提高智能化、机械化、自动化施工水平，降低人工参与控制，提高隧道开挖成形精度，研究这类隧道悬臂掘进机开挖智能切割作业已成为急需解决的技术难题。
[0003]要实现隧道悬臂掘进智能化控制施工，需要通过GIS、BIM、智能化传感仪器感知、定位跟踪来控制悬臂掘进机和截割头的位置与姿态；通过计算机软件以工程参数、地质信息、施工工况参数和机械参数等数据资源为基础形成模拟人工操作指令，实现智能化控制施工作业。我国专利技术专利申请，公开号：CN112031874A，公开日：2020年12月4日，公开了一种基于BIM技术的隧道工程自动化监测控制方法，就是基于传感器的自动感应定位，实现掘进机施工自动化控制。
[0004]上述方案主要是基于传感器的定位控制，精确度较差，安装麻烦，传感器在隧道工况中容易损坏，直接影响掘进机施工控制。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决上述问题，从而提供一种基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法。
[0006]本专利技术解决所述问题，采用的技术方案是：一种基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法，步骤1：根据地质结构基于BIM建立三维地质模型；在三维地质模型中规划一条隧道；步骤2：将地质结构的物理力学信息导入三维地质模型中，建立数字三维地质模型；在数字三维地质模型中设定坐标系，将隧道的轮廓、走向、高程以及断面开挖分区边界以坐标点集合的形式生成隧道结构信息；步骤3：收集工况及机械参数：选择试验段进行人工截割作业，a)采集掘进机机械参数：推进速度Vp、冲击压力Ph、推进压力Pt、回转压力Pl、水压力PW、水流量Qw和电流功率A；b)采集掘进机开挖工况参数：一次吃刀深度、截割厚度、铣挖方式和截割速度；c)采集施工工况参数：掘进机器位姿﹑截割头位姿、切割轨迹、截割路径与轨迹；步骤4：生成测量控制要素：在人工截割作业过程中，将掘进机悬臂截割过程中的关键路径按照截割头位置在第2步中设定的坐标系中进行空间坐标定位，通过数组形式确定采集的每一个关键点的坐标数据，将各坐标数据转化为掘进机回转油缸和升降油缸的伸缩量记录，从而生成测量控制要素；
步骤5：基于隧道结构信息、工况及机械参数和测量控制要素将数字三维地质模型转换为BIM虚拟隧道掌子面场景，通过空间矩阵变换解算隧道中悬臂掘进机机身位置与姿态、截割头位置与姿态，清晰表达设备与主控部在隧道中的准确位置；在BIM虚拟隧道掌子面场景内利用数据库搜索算法，自动匹配生成智能控制参数和智能化决策指令；步骤6：运用BIM技术模拟隧道一个循环段落的机械开挖作业施工全过程，进行虚拟施工碰撞检测，在动态化的操作中判断智能指令参数与决策的可行性，从而优化智能控制参数和智能化决策指令；步骤7：根据智能控制参数和智能化决策指令现场控制掘进施工试验，步骤8：在动态化现场操作中，再次判断智能控制参数和智能化决策指令的可行性，进行参数调整并提高模拟运算的准确性，完成深度策划并生成终端智能掘进开挖操控指令；步骤9：根据优化后的操控指令，运用BIM技术模拟隧道下一下循环段落的机械开挖作业施工；最后，重复步骤6至9，完成隧道全过程施工。
[0007]采用上述技术方案的本专利技术，与现有技术相比，其有益效果是：本方法提供了一套实施性很高的掘进机智能控制参数和决策指令，解决了模拟施工与现场实操的偏差问题；掘进机与截割头定位、定向精度高，掘进机控制参照永久可靠，有效提高了隧道掘进施工的智能化，保证隧道成形质量。
[0008]作为优选，本专利技术更进一步的技术方案是：第4步中采集关键点的坐标数据包括：1）在隧道已开挖洞段初期支护面上的若干激光定位器，利用激光定位器向工作面1投射激光，激光光斑准确投射出隧道开挖轮廓控制线，激光束的方向表示隧道走向；2）在隧道开挖轮廓线、隧道中线和测量线上取任意点，利用曲线拟合形成一系列断面边界点。
[0009]上述步骤5生成的智能化决策指令包括：施工指令模块一：切割运动控制，根据隧道参数、截割工艺和掘进机参数利用规划算法规划合理的截割部截割路径与轨迹；根据截割部的轨迹和规划路径，通过控制算法计算截割臂关节的控制量，然后通过D/A转换模块转换成电流信号控制电液比例阀；根据传感器采集的电流数据去反馈控制电液比例阀，从而达到自适应截割；施工指令模块二：掘进机和截割头位置姿态控制，悬臂式掘进机人机交互远程操控时，需要校准的模型参数包括虚实同步和传感系统两部分，前者利用物理掘进机的位姿参数，实时修正虚拟场景的掘进机位姿；后者校准相关传感器，包括截割部位置感知计算机控制系统的内外参标定和捷联惯导的初始校准；施工指令模块三：定位和跟踪，通过悬臂式掘进机携带的三维激光扫描测量采集、传感处理和计算机控制系统以隧道轮廓线上布置的激光定位器激光束和光斑作为参考基准，实现隧道内掘进机身位姿精确测量定位和跟踪控制掘进机切割运动轨迹。
[0010]上述地质结构数据包括覆盖层厚度、基岩起情况、测定隐伏断层、破碎带的位置，产状、岩层质量、工程地质围岩分类，地质体结构特征及含水构造、岩性围岩的纵波波速。
[0011]上述步骤2中，隧道结构信息包括隧道断面上各点的坐标集合、隧道断面分区边界点坐标集合以及隧道断面沿隧道走向延伸各点的集合。
[0012]具体地，经过实际施工能够被优化的参数有：自循环进尺、一次切割深度、分部划分和切割顺序、截割部摆速度及其改变方法、切割头转速及其改变方法。
[0013]优选的，截割头根据操控指令提供的坐标移动，在接近下一个坐标位置时减速移动。
附图说明
[0014]图1是本专利技术隧道悬臂掘进三维建模示意图；图2是本专利技术隧道工作面分区开挖与截割路径示意图；图3是本专利技术截割路径关键点定位示意图。
[0015]图中：1、工作面；2、截割头；3、掘进机；4、隧道；5、激光定位器；6、计算机控制系统；7、光斑；8、截割路径。
具体实施方式
[0016]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，目的仅在于更好地理解本
技术实现思路
，因此，所举之例并不限制本专利技术的保护范围。
[0017]下面，参见图1、图2，对本专利技术提供的基于BIM深度策划的隧道掘进机3控制方法详细说明。
[0018]一、三维地质模型构建。
[0019]掌握围岩地质是隧道悬臂掘进机3选型和智能控制开挖方法深度策划首要条件，是构建三维地质模型的基础数据。通过查阅初步地质勘察资料，收集包括区域地质构造、地层岩性地质、水文地质的基础上进行地质详勘。地质详勘采取综合物探法，基于地震勘察折射波法、高密度电法、超声波测井法综合物探数据和围岩岩性、产状、完整性、[BQ]值等指标构建隧道三维地质模型。具体地：a)采用地震折射波法测定覆盖层的厚度、基岩的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法，步骤1：根据地质结构基于BIM建立三维地质模型；在三维地质模型中规划一条隧道；步骤2：将地质结构的物理力学信息导入三维地质模型中，建立数字三维地质模型；在数字三维地质模型中设定坐标系，将隧道的轮廓、走向、高程以及断面开挖分区边界以坐标点集合的形式生成隧道结构信息；其特征在于：步骤3：收集工况及机械参数：选择试验段进行人工截割作业，a)采集掘进机机械参数：推进速度Vp、冲击压力Ph、推进压力Pt、回转压力Pl、水压力PW、水流量Qw和电流功率A；b)采集掘进机开挖工况参数：一次吃刀深度、截割厚度、铣挖方式和截割速度；c)采集施工工况参数：掘进机器位姿﹑截割头位姿、切割轨迹、截割路径与轨迹；步骤4：生成测量控制要素：在试验段人工截割作业过程中，将掘进机悬臂截割过程中的关键路径按照截割头位置在第2步中设定的坐标系中进行空间坐标定位，通过数组形式确定采集的每一个关键点的坐标数据，将各坐标数据转化为掘进机回转油缸和升降油缸的伸缩量记录，从而生成测量控制要素；步骤5：基于隧道结构信息、工况及机械参数和测量控制要素将数字三维地质模型转换为BIM虚拟隧道掌子面场景，通过空间矩阵变换解算隧道中悬臂掘进机机身位置与姿态、截割头位置与姿态，清晰表达设备与主控部在隧道中的准确位置；在BIM虚拟隧道掌子面场景内利用数据库搜索算法，自动匹配生成智能控制参数和智能化决策指令；步骤6：运用BIM技术模拟隧道一个循环段落的机械开挖作业施工全过程，进行虚拟施工碰撞检测，在动态化的操作中判断智能指令参数与决策的可行性，从而优化智能控制参数和智能化决策指令；步骤7：根据智能控制参数和智能化决策指令现场控制掘进施工试验，步骤8：在动态化现场操作中，再次判断智能控制参数和智能化决策指令的可行性，进行参数调整并提高模拟运算的准确性，完成深度策划并生成终端智能掘进开挖操控指令；步骤8：根据优化后的操控指令，运用BIM技术模拟隧道下一下循环段落的机械开挖作业施工；最后，重复步骤6至8，完成隧道全过程施工。2.根据权利要求1所述基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法，其特征在于：第4步中采集关键点的坐标数据包括：1）在隧道已开挖洞段初期支护...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝俊锁，李惠民，张荣超，扈晓立，王石光，
申请(专利权)人：中铁十八局集团第二工程有限公司，
类型：发明
国别省市：