一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法及系统，包括：获取地质状况勘察数据以及对应的历史盾构机数据并在处理后得到正常稳定施工段的掘进数据；基于地质特征参数建立聚类模型，将正常稳定施工段的掘进数据输入至该模型，输出多个集群，其中类似地质状况均在一个集群中；在各集群中分别统计所有地质状况对应的掘进参数的分布，并给出预警值；将即将掘进环的地质特征参数输入至聚类模型中以获得该环所属集群并得到该环对应掘进参数的预警值；开始施工后，实时提取连续较短时间内的掘进数据，并建立掘进参数与预警值的显著差异性检验模型，如果差异性显著则对该时间段的掘进参数进行预警。间段的掘进参数进行预警。间段的掘进参数进行预警。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法及系统


[0001]本专利技术属于盾构机施工
，尤其涉及一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]盾构法施工具有技术要求高、参与主体众多、不确定性因素多的特点，施工风险较高，容易发生各类风险事故。
[0004]现有的实时监测盾构机刀盘扭矩异常的方法，基本步骤如下：
[0005](1)在新一环开始盾构施工前，提取相同盾构机在类似地质状况下的历史数据集；
[0006](2)剔除上述数据集中刀盘扭矩、刀盘转速、推进速度至少一个参数为零的数据；
[0007](3)基于3σ准则剔除上述数据集中刀盘扭矩的异常值；
[0008](4)计算上述数据集中刀盘扭矩的上、下四分位数和中位数，并将中位数与一定倍数的四分位差作为刀盘扭矩的预警值；
[0009](5)新的一环开始施工后，实时提取刀盘扭矩的运行数据，如果连续一段时间内的刀盘扭矩有两条记录超过预警值，则这两条记录间的所有时间节点均进行报警，否则认为采样器噪声引起不报警。
[0010]上述工法的主要缺点在于类似地质状况的判断上依据人工经验为主，然而人工经验存在很大的不确定性，无法给出一个准确的标准。其次，直接对比掘进参数与预警值大小关系确定是否需要给出预警容易出现误报警，这是因为盾构机噪声的存在很容易出现少量超过预警值的数据。

技术实现思路

[0011]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法,适用于总推进力、推进速度、刀盘扭矩等多个掘进参数的实时预警。
[0012]为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0013]第一方面，公开了一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法，包括：
[0014]获取地质状况勘察数据以及对应的历史盾构机数据并在处理后得到正常稳定施工段的掘进数据；
[0015]基于地质特征参数建立聚类模型，将正常稳定施工段的掘进数据输入至该模型，输出多个集群，其中类似地质状况均在一个集群中；
[0016]在各集群中分别统计所有地质状况对应的掘进参数的分布，并给出预警值；
[0017]将即将掘进环的地质特征参数输入至聚类模型中以获得该环所属集群并得到该环对应掘进参数的预警值；
[0018]开始施工后，实时提取连续较短时间内的掘进数据，并建立掘进参数与预警值的
显著差异性检验模型，如果差异性显著则对该时间段的掘进参数进行预警。
[0019]作为进一步的技术方案，所述地质状况勘察数据包含隧道内物理力学性能参数数据，包括土体的内摩擦角、粘聚力、弹性模量以及隧道埋深、开挖面直径。
[0020]作为进一步的技术方案，所述历史盾构机数据包含推进速度、总推进力。
[0021]作为进一步的技术方案，基于地质特征参数建立聚类模型，具体为：
[0022]将获取的地质特征参数数据集进行归一化；
[0023]随机选取上述数据中的一个样本作为初始聚类的中心点；
[0024]计算每个样本与当前已有聚类中心之间的最短距离，并计算该样本被选取为下一个中心点的概率；
[0025]获得各样本被选取的概率后，基于轮盘法选取下一个聚类中心，直至选取到需要的K个中心点；
[0026]计算每个样本到所有聚类中心的距离，并将该样本划分为距离最小的聚类中心点所在集群；
[0027]计算每个集群中所有样本的质心作为集群新的中心点，重复计算，直至集群的中心点不再发生变化。
[0028]作为进一步的技术方案，基于轮盘法选取聚类中心是指依据各样本被选中概率将其等效为区间取值，第i个样本对应的区间长度即为第i个样本被选中的概率；
[0029]生成0
‑
1之间的随机数，数字所在区间对应的样本即为被选中的下一个聚类中心。
[0030]作为进一步的技术方案，统计掘进参数分布并确定预警值具体包括：
[0031]计算掘进参数均值、标准差；
[0032]给定当前数据集中参数的安全分布范围对应的概率，基于掘进参数均值、标准差以及概率确定预警值的上、下限。
[0033]作为进一步的技术方案，将即将掘进环的地质特征参数输入至聚类模型中以获得该环所属集群并得到该环对应掘进参数的预警值，具体为：
[0034]将待掘进环的密度、内摩擦角、粘聚力、压缩模量、弹性模量、埋深、开挖面直径地质特征参数代入聚类模型，得到待掘进环应属集群，利用该集群中的总推进力、推进速度的预警值上下限对该环进行预警。
[0035]第二方面，公开了一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警系统，包括：
[0036]数据获取模块，被配置为：获取地质状况勘察数据以及对应的历史盾构机数据并在处理后得到正常稳定施工段的掘进数据；
[0037]聚类模型建立模块，被配置为：基于地质特征参数建立聚类模型，将正常稳定施工段的掘进数据输入至该模型，输出多个集群，其中类似地质状况均在一个集群中；
[0038]在各集群中分别统计所有地质状况对应的掘进参数的分布，并给出预警值；
[0039]预警模块，被配置为：将即将掘进环的地质特征参数输入至聚类模型中以获得该环所属集群并得到该环对应掘进参数的预警值；
[0040]开始施工后，实时提取连续较短时间内的掘进数据，并建立掘进参数与预警值的显著差异性检验模型，如果差异性显著则对该时间段的掘进参数进行预警。
[0041]本专利技术基于地质特征参数建立了聚类模型，从而将类似的地质状况划分为一个集群，有效地克服了依靠人工经验判断类似地质状况的局限性。其次，本专利技术在掘进参数与预
警值进行比较时，通过提取连续较短时间内的数据建立与预警值的显著差异性检验模型，可有效减少因盾构机噪声存在导致的误报警。
[0042]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0043]本专利技术提出了基于地质特征参数的聚类模型，从而将类似的地质状况划分为一个集群，可高效地实现类似地质状况的判断，克服了目前以人工经验判断类似地质状况的局限性。
[0044]本专利技术提出了基于连续较短时间内建立掘进参数与预警值的显著差异性检验模型并基于检验结果确定是否预警的方法，相比直接对比实时的掘进参数与预警值的大小关系可有效降低误报警的发生。
[0045]本专利技术的方法适用于总推进力、推进速度、刀盘扭矩等多个掘进参数的实时预警。
[0046]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0047]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0048]图1为本专利技术实施例整体方法流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法，其特征是，包括：获取地质状况勘察数据以及对应的历史盾构机数据并在处理后得到正常稳定施工段的掘进数据；基于地质特征参数建立聚类模型，将正常稳定施工段的掘进数据输入至该模型，输出多个集群，其中类似地质状况均在一个集群中；在各集群中分别统计所有地质状况对应的掘进参数的分布，并给出预警值；将即将掘进环的地质特征参数输入至聚类模型中以获得该环所属集群并得到该环对应掘进参数的预警值；开始施工后，实时提取连续较短时间内的掘进数据，并建立掘进参数与预警值的显著差异性检验模型，如果差异性显著则对该时间段的掘进参数进行预警。2.如权利要求1所述的一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法，其特征是，所述地质状况勘察数据包含隧道内物理力学性能参数数据，包括土体的内摩擦角、粘聚力、弹性模量以及隧道埋深、开挖面直径。3.如权利要求1所述的一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法，其特征是，所述历史盾构机数据包含推进速度、总推进力。4.如权利要求1所述的一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法，其特征是，基于地质特征参数建立聚类模型，具体为：将获取的地质特征参数数据集进行归一化；随机选取上述数据中的一个样本作为初始聚类的中心点；计算每个样本与当前已有聚类中心之间的最短距离，并计算该样本被选取为下一个中心点的概率；获得各样本被选取的概率后，基于轮盘法选取下一个聚类中心，直至选取到需要的K个中心点；计算每个样本到所有聚类中心的距离，并将该样本划分为距离最小的聚类中心点所在集群；计算每个集群中所有样本的质心作为集群新的中心点，重复计算，直至集群的中心点不再发生变化。5.如权利要求4所述的一种盾构机施工掘进参数的实时风险预警方法，其特征是，基于轮盘法选取聚类中心是指依据各样本被选中概率将其等效为区间取值，第i个样本对应的区间长度即为第i个样本被选中的概率；生成0
‑
1之间的随机数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伯芝，门燕青，哈月亭，陈文明，邢慧堂，刘学增，杨敏，胡爽，孙占刚，丁爽，师刚，
申请(专利权)人：山东轨道交通研究院有限公司上海同岩土木工程科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：