盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望

鄧威

摘 要：盾構(gòu)機(jī)是用于隧道地下工程的重要機(jī)械設(shè)備，其對(duì)隧道地下挖掘工作有著極大的促進(jìn)作用，因此，應(yīng)該充分發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)的最大效益。由于地下施工環(huán)境相對(duì)惡劣，地下工程施工不僅難度大，并且危險(xiǎn)系數(shù)高。為了保障地下工程施工人員的安全，應(yīng)該大力投入自動(dòng)控制技術(shù)盾構(gòu)機(jī)的使用，通過先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備來有效地避免安全隱患，最大限度地提升挖掘作業(yè)的效率。本文主要通過淺述盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀，從而根據(jù)現(xiàn)狀分析情況來展望盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)技術(shù)的未來發(fā)展。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；自動(dòng)控制技術(shù)；現(xiàn)狀；展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.012

0 引言

為了滿足大眾出行的基本需求，緩解地面交通擁擠狀況，我國(guó)正在大力開發(fā)和興建地下隧道、巷道工程。盾構(gòu)機(jī)是地下工程中最常使用的一種機(jī)械設(shè)備，其主要使用在隧洞的開挖掘進(jìn)環(huán)節(jié)，并且發(fā)揮著不可替代的作用。為了有效地避免地下施工作業(yè)的危機(jī)，盾構(gòu)機(jī)目前趨向于自動(dòng)化、智能化控制，可以說目前的盾構(gòu)機(jī)是集信息、機(jī)電、自動(dòng)控制與液壓等技術(shù)為一體的新型智能化機(jī)械設(shè)備，不僅可以對(duì)土體進(jìn)行挖掘、輸送，還可以對(duì)施工進(jìn)行導(dǎo)向指引和糾正偏差。近幾年，我國(guó)正在大力推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，但是實(shí)際施工中自動(dòng)控制的盾構(gòu)機(jī)還是離不開人員的操作，因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)完善和優(yōu)化。

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

1.1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)是一種智能化的控制模式，20世紀(jì)90年代，盾構(gòu)機(jī)的土壓平衡還需要通過建立模糊控制理論來保障，但是總體系統(tǒng)還是處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。通過不斷地創(chuàng)新和改良后，專家們通過遺傳算法改良了盾構(gòu)機(jī)的施工參數(shù)，同時(shí)還加強(qiáng)了螺旋輸送機(jī)的控制能力，從而有效地提升盾構(gòu)機(jī)的土壓平衡性。另外，隨著智能技術(shù)的不斷升級(jí)，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和驅(qū)動(dòng)公路效率技術(shù)快速地投入到自動(dòng)化控制盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)中，不僅可以自動(dòng)分析土體挖掘情況和挖掘時(shí)土體的壓力分布情況，還可以自動(dòng)控制和選擇使用何種推進(jìn)系統(tǒng)。通過建立控制壓力的數(shù)學(xué)模型和引入修正偏差的先進(jìn)技術(shù)，從而促使盾構(gòu)機(jī)的液壓缸和壓力控制系統(tǒng)能夠趨向完全自動(dòng)化管理[1]。

1.2 位姿控制

通過控制液壓缸的平衡來實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的位姿控制，20世紀(jì)80年代，盾構(gòu)機(jī)的位姿控制不僅建立了特定的控制模型，還積極引入了卡爾曼濾波理論的應(yīng)用，此后，中外專家和研究學(xué)者投入到對(duì)盾構(gòu)機(jī)位姿控制的深入研究當(dāng)中。李慧平等專家在傳統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)方案導(dǎo)入了“先分后合”的理念，這樣可以有效地提高控制器的調(diào)節(jié)性能[2]。然后，盾構(gòu)機(jī)位姿控制系統(tǒng)還引入了LabV IEW技術(shù)的應(yīng)用，并且在模糊控制器的基礎(chǔ)上研究出千斤頂糾偏控制量，從而有效地推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入自動(dòng)化的發(fā)展潮流中。

1.3 管片的自動(dòng)拼裝

傳統(tǒng)的手動(dòng)管片拼裝存在著許多缺陷，因此，應(yīng)該大力推動(dòng)自動(dòng)管片拼裝的發(fā)展，不僅可以減少施工工序，還可以提高施工的精確性和效率度。20世紀(jì)80年達(dá)，日本是最開始研究自動(dòng)管片拼裝的國(guó)家，此后，各國(guó)紛紛進(jìn)入自動(dòng)管片拼裝技術(shù)研究。國(guó)際隧道協(xié)會(huì)專門為隧道管片的拼裝建立了相關(guān)設(shè)計(jì)機(jī)制，目前，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)全面進(jìn)入了管片自動(dòng)拼裝的時(shí)代，通過機(jī)器人動(dòng)態(tài)模型來協(xié)助管片全自動(dòng)拼裝的過程。

2 盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 建立以密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)的控制模板

密封艙壓力失衡會(huì)導(dǎo)致地面出現(xiàn)沉降不均的現(xiàn)象，而密封艙壓力控制技術(shù)則是盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，許多國(guó)內(nèi)外專家都對(duì)此展開了深入的研究。目前，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制的研究?jī)H僅還是停留在認(rèn)知初期和試驗(yàn)層面，還沒有形成理論成熟、系統(tǒng)精確的控制模型，導(dǎo)致研究的結(jié)果不具備真實(shí)性和實(shí)用性，從而造成我國(guó)盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力平衡技術(shù)落后的局面。因此，在未來的研究方向中，我們應(yīng)該從分析各個(gè)子系統(tǒng)中控制機(jī)理的關(guān)系著手，從而建立促進(jìn)密封艙壓力平衡的控制模型，再結(jié)合先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，最后實(shí)現(xiàn)密封艙壓力平衡的自動(dòng)化控制層面，精確地控制地面的沉降數(shù)據(jù)[3]。

2.2 掘進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

在傳統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)土壓控制系統(tǒng)中，通常都是先預(yù)設(shè)土倉的壓力值，然后再分析施工過程中密封艙壓力的波動(dòng)情況和地表下沉狀況來各個(gè)子系統(tǒng)的工作參數(shù)，例如推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)等。各個(gè)子系統(tǒng)的工作機(jī)理都是相互獨(dú)立分開的，同時(shí)也互不干擾互不影響，并且大多數(shù)都是需要通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，而這種手動(dòng)調(diào)節(jié)正是較為滯后的土壓糾正方式。密封艙平衡系統(tǒng)需要推進(jìn)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)和刀盤系統(tǒng)相互聯(lián)合作用來實(shí)現(xiàn)工作效益，因此，為了提高這一關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用，需要在掘進(jìn)系統(tǒng)中引入多個(gè)子系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制機(jī)理，通過最優(yōu)良的控制機(jī)理來協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)的活動(dòng)。歸根結(jié)底，目前盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)所面臨的最大難題就是實(shí)現(xiàn)密封艙壓力控制平衡，建立非線性的子系統(tǒng)耦合控制系統(tǒng)，這也是未來盾構(gòu)機(jī)主要攻克和發(fā)展的方向。

2.3 運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)規(guī)劃與位姿控制

目前，盾構(gòu)機(jī)位姿系統(tǒng)的控制理論和控制方式都是以人的邏輯思維和行為模式為基礎(chǔ)，通過將操作者的操作過程和控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)化和程序化后，就可以利用模糊控制策略來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化操控。這一切都是建立在具備施工記錄和施工經(jīng)驗(yàn)的前提下，若不具備這一有利條件，一旦遇到較為復(fù)雜的地形環(huán)境和施工工序，盾構(gòu)機(jī)的位姿控制就難以得到有效保障，這也是至今盾構(gòu)機(jī)無法全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的主要原因。若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化位姿控制，則要先分析相關(guān)影響因素，再建立專業(yè)的控制模型，在非完整欠驅(qū)動(dòng)的前提下完成局部可控，最后再求取最優(yōu)良的位姿控制規(guī)律。另外，在研究掘進(jìn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，應(yīng)該使用多目標(biāo)優(yōu)化算法，這樣不僅可以體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)規(guī)律，還可以建立軌跡自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

總而言之，盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)目前還相對(duì)不成熟，若要全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操控，則要從盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)系統(tǒng)、位姿控制系統(tǒng)和密封艙壓力控制系統(tǒng)來展開研究，希望未來盾構(gòu)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高效、全自動(dòng)、安全以及節(jié)能等目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉宣宇，邵誠.盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（45）：178-180.

[2]楊華勇，龔國(guó)芳.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015（24）：165-166.

[3]候德超.盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].科技專論，2011（08）：36-37.