盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀分析

李志揚(yáng)

[摘 要]在隧道等地下施工中專(zhuān)用的工程機(jī)械之一的盾構(gòu)機(jī)正在向著高效、自動(dòng)化、智能化的技術(shù)方向發(fā)展。本文對(duì)盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，主要圍繞盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)、自動(dòng)控制技術(shù)、控制系統(tǒng)的控制策略等展開(kāi)論述。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)機(jī)；掘進(jìn)系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）02-0131-01

盾構(gòu)機(jī)的主要組成部分包括推進(jìn)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)等。在隧道、礦山、巷道等工程中的開(kāi)挖工序中起到很大的作用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為集機(jī)電、自動(dòng)化、智能化為一體的工程機(jī)械設(shè)備。我國(guó)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的使用和研究，主要圍繞著地面沉降、掘進(jìn)進(jìn)程、位姿自動(dòng)控制、襯砌進(jìn)行，目前這幾個(gè)方面的技術(shù)水準(zhǔn)已經(jīng)完全能夠適應(yīng)工程需要并大量在工程中使用。

1、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究概述

我國(guó)對(duì)于盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的研究從上世紀(jì)五十年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與實(shí)踐已經(jīng)逐步取得了卓有成效的成果。從擠壓式盾構(gòu)、氣壓式盾構(gòu)到如今的自動(dòng)化智能化控制的大型盾構(gòu)設(shè)備，在硬件和軟件的改進(jìn)與優(yōu)化上進(jìn)行了多種形式的探索和實(shí)踐，如今依然在盾構(gòu)機(jī)控制技術(shù)上進(jìn)行著深入的研究，可以說(shuō)，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備和技術(shù)雖然與國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家的水平還有一定的距離，但是關(guān)于盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)地質(zhì)條件和環(huán)境要求的設(shè)計(jì)制造活動(dòng)從未停止過(guò)。

盾構(gòu)機(jī)的工作原理運(yùn)用到的控制理論，是與自動(dòng)化技術(shù)密不可分的。包括盾構(gòu)掘進(jìn)、位姿控制、沉降控制、測(cè)控導(dǎo)向等在內(nèi)的技術(shù)已經(jīng)完全達(dá)到了較高的自動(dòng)化程度。

1.1 掘金系統(tǒng)的自動(dòng)控制

掘進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制由刀盤(pán)、推進(jìn)、排渣等子系統(tǒng)的自動(dòng)化控制完成操作。采用構(gòu)建模型的方法對(duì)這種自動(dòng)化控制進(jìn)行研究，可以分析出其密封狀態(tài)下壓力梯度的分布情況：

pe為盾構(gòu)土倉(cāng)壓力，F(xiàn)為盾構(gòu)機(jī)的總推力，v為盾構(gòu)推進(jìn)速度，ns為螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速。

上述模型主要描述的是掘進(jìn)參數(shù)施工要素間的控制值函數(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平衡控制模型演示盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)程，對(duì)盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了分析，得到了開(kāi)挖面土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)總的力學(xué)原理，建立了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的數(shù)學(xué)物理模型。闡述了幾個(gè)施工參數(shù)之間的本質(zhì)關(guān)系，推導(dǎo)出出土率、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的關(guān)系，得到了盾構(gòu)總推力、推進(jìn)速度、輸送機(jī)轉(zhuǎn)速和土倉(cāng)壓力等掘進(jìn)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型：

n0為咯算輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，F(xiàn)f為推進(jìn)時(shí)的總阻力。

1.2 掘進(jìn)系統(tǒng)的控制策略，采用的是智能控制方法。對(duì)于掘進(jìn)系統(tǒng)的智能控制策略，通過(guò)調(diào)整規(guī)則和隸屬度函數(shù)，已經(jīng)建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的掘進(jìn)開(kāi)挖面土壓平衡控制系統(tǒng)的最優(yōu)函數(shù)。可以推算出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)中的最優(yōu)的推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)千斤頂推理和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的智能化控制。在這一智能化推進(jìn)系統(tǒng)中，盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程可以分為若干個(gè)階段，每個(gè)階段都使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了模擬[1]。得到了盾構(gòu)機(jī)在隧道施工中的出現(xiàn)地面沉降時(shí)各個(gè)階段發(fā)生的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型中的數(shù)字參數(shù)得到了相應(yīng)的控制方法。有學(xué)者認(rèn)為采用自整定PID控制技術(shù)，對(duì)螺旋輸送機(jī)的排土進(jìn)行自動(dòng)智能控制效果較好。

1.3 位姿控制可以通過(guò)控制推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸實(shí)現(xiàn)。其工作原理是建立卡爾曼濾波理論基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論建立的自回顧預(yù)測(cè)控制模型。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量到的位姿數(shù)據(jù)，對(duì)液壓缸的開(kāi)關(guān)模式進(jìn)行自動(dòng)選擇，達(dá)到控制盾構(gòu)機(jī)的位置和角度的目的。這種自動(dòng)化控制系統(tǒng)綜合了人工智能和模糊理論，對(duì)施工中的實(shí)時(shí)偏差可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，得到千斤頂?shù)募m偏控制量，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)的自動(dòng)控制。

1.4 管片的自動(dòng)拼裝引入了機(jī)器人拼裝技術(shù)。包括管片的輸送、拼裝機(jī)鉗住管片、管片就位、接頭螺栓的自動(dòng)穿孔等工序的自動(dòng)化，均可由機(jī)器人來(lái)進(jìn)行操縱，而且機(jī)器人操控已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)管片拼裝的高精度和全自動(dòng)控制。

2、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)化控制存在的問(wèn)題分析

作為機(jī)械、土木、電氣、信息等多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)之集大成的盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備，在全自動(dòng)、信息化施工中，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水準(zhǔn)相比，還存在很多亟待解決的難題要攻克。

2.1 地面沉降與密封艙壓力失衡有關(guān)系。針對(duì)這一關(guān)鍵技術(shù)，很多學(xué)者進(jìn)行了多種針對(duì)密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡控制機(jī)理的試驗(yàn)，都未能獲得精準(zhǔn)和普適性較強(qiáng)的模型。因此，密封艙壓力控制技術(shù)到目前為止依然處在不成熟的階段。如何針對(duì)掘進(jìn)系統(tǒng)的子系統(tǒng)的控制機(jī)理進(jìn)行耦合關(guān)系的分析，得到建立在密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡基礎(chǔ)上的控制模型，對(duì)于使地面沉降達(dá)到自動(dòng)控制精度要求具有非常重要的意義。

2.2 現(xiàn)行的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的土壓控制是需要設(shè)定密封艙內(nèi)的土壓力值的，而且要不斷觀測(cè)地表沉降、密封艙壓力變化等的參數(shù)變化才能推進(jìn)。調(diào)節(jié)方式一般是通過(guò)手工完成。者與密封艙壓力的高精度、高效控制的要求還相差甚遠(yuǎn)。目前要解決的重大技術(shù)客體就是對(duì)盾構(gòu)機(jī)子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系、控制參數(shù)、密封艙壓力變化的映射關(guān)系進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，研究冗余輸入和多維約束條件下的非線形強(qiáng)耦合掘進(jìn)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和智能化。

2.3 盾構(gòu)機(jī)的位姿控制理論和方法前文已經(jīng)詳細(xì)進(jìn)行過(guò)闡述，不多贅言。采用機(jī)器人模仿的邏輯推理和決策過(guò)程，將操作和控制經(jīng)驗(yàn)通過(guò)程序化加以智能操作，以取代人工操作，是目前施工中常用的手法。但是如果遇到復(fù)雜和地質(zhì)情況，智能化仿人控制程序會(huì)出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)和控制盾構(gòu)位姿的情況。而且從目前的使用效果來(lái)看，在非完整的約束欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位姿控制至今沒(méi)有取得普遍的實(shí)用效果。因此，應(yīng)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡的優(yōu)化算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)位姿和軌跡自動(dòng)控制的目標(biāo)[2]。

2.4 對(duì)盾構(gòu)機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)施檢測(cè)和控制，要考慮盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的多驅(qū)動(dòng)源、執(zhí)行元件等特點(diǎn)，采用高性能、低能耗的方法，研究處多源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的相互關(guān)系，包括胸痛控制參數(shù)、能耗映射規(guī)律等等。多進(jìn)行以掘進(jìn)性能、節(jié)能偉約束條件的掘進(jìn)裝備的集成優(yōu)化控制系統(tǒng)的創(chuàng)新形試驗(yàn)，以達(dá)到適應(yīng)不同地質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、信息融合、協(xié)調(diào)控制的掘進(jìn)施工目的。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的掘進(jìn)系統(tǒng)、位姿自動(dòng)化控制等發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，也提出了現(xiàn)實(shí)盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)化、智能化系統(tǒng)中存在的技術(shù)難題和科學(xué)挑戰(zhàn)。今后需要進(jìn)一步攻克裝備的關(guān)鍵問(wèn)題，以達(dá)到大型盾構(gòu)隧道掘進(jìn)裝備的安全、高效、節(jié)能的集成優(yōu)化目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郇利民，侯德超，張兵等.盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].科技與企業(yè)，2014，（1）：281-281.

[2] 石玉璽.盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用研究[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2016，23（11）：115.