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

楊雄

【摘要】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(kāi)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(kāi)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(shuō)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(kāi)人員的操作，因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)完善和優(yōu)化。本文主要通過(guò)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(lái)展望盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)技術(shù)的未來(lái)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

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(guò)先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備來(lái)有效地避免安全隱患，最大限度地提升挖掘作業(yè)的效率。

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

1.1位姿控制

通過(guò)控制液壓缸的平衡來(lái)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。然后，盾構(gòu)機(jī)位姿控制系統(tǒng)還引入了LabVIEW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。

1.2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(kāi)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(guò)機(jī)器人動(dòng)態(tài)模型來(lái)協(xié)助管片全自動(dòng)拼裝的過(guò)程。

1.3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(guò)建立模糊控制理論來(lái)保障，但是總體系統(tǒng)還是處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。通過(guò)不斷地創(chuàng)新和改良后，專家們通過(guò)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)。

2、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)展望

2.1控制模型創(chuàng)建

產(chǎn)生地面沉降現(xiàn)象的主要原因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)的密封艙壓力失去平衡，所以，對(duì)于這個(gè)可以反映出盾構(gòu)實(shí)際技術(shù)水平的重要技術(shù)，很多學(xué)者都開(kāi)展了相應(yīng)的研究。由于確實(shí)深入理解，當(dāng)前還沒(méi)有給出可靠的控制模型，實(shí)用性結(jié)果較少，技術(shù)不夠成熟。在此情況下，后期需要深入探究控制機(jī)理對(duì)應(yīng)的耦合關(guān)系，創(chuàng)建一個(gè)將密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡為根本目標(biāo)的模型，合理運(yùn)用各種控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)密封艙壓力的自動(dòng)化控制，進(jìn)而確保地面沉降保持在精度要求內(nèi)。

2.2位姿控制和運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃

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(guò)將操作者的操作過(guò)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(lái)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(wú)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)。

2.3系統(tǒng)集成和優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的信息檢測(cè)、控制、共享和通信，并充分考慮盾構(gòu)自身特點(diǎn)，在創(chuàng)建控制系統(tǒng)的過(guò)程中，需要將高性能、低成本和低能耗作為根本目標(biāo)?；谶@種思想，需要對(duì)多源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行深入的研究，設(shè)計(jì)將掘進(jìn)性能和節(jié)能作為約束條件，支持多種地質(zhì)條件的優(yōu)化控制系統(tǒng)，同時(shí)這也是盾構(gòu)技術(shù)后續(xù)發(fā)展的主要方向之一。

2.4掘進(jìn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

當(dāng)前的土壓控制通常是預(yù)先設(shè)定一個(gè)壓力值，在具體施工中依據(jù)沉降、密封艙壓力等設(shè)施調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，子系統(tǒng)的工作是完全獨(dú)立的，大多由手工進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且此類調(diào)整方法屬于滯后式。由于盾構(gòu)密封艙實(shí)際壓力主要由各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)耦合進(jìn)行決定的，所以，為實(shí)現(xiàn)高精度控制，該系統(tǒng)需要運(yùn)用多個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行控制，以最佳方法對(duì)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，確?？刂谱兞康靡詫?shí)時(shí)調(diào)整及優(yōu)化。以某地鐵工程盾構(gòu)區(qū)間為例，該工程盾構(gòu)掘進(jìn)主要由操作司機(jī)在中央控制中完成，由技術(shù)人員經(jīng)計(jì)算初設(shè)正面土壓力值。施工過(guò)程中，在盾構(gòu)機(jī)正面與上、下方分別設(shè)置土、水壓傳感器監(jiān)控平衡系統(tǒng)，并在盾構(gòu)機(jī)前方安設(shè)巖土勘探系統(tǒng)。開(kāi)啟出土閘門，分別起動(dòng)皮帶輸送機(jī)，螺旋輸送機(jī)和刀盤，推進(jìn)千斤頂，對(duì)各千斤頂油壓進(jìn)行正確調(diào)整。此時(shí)，刀盤不斷切削土體，盾構(gòu)保持前進(jìn)。根據(jù)之前設(shè)定的正面土壓力對(duì)出土速度及掘進(jìn)速度進(jìn)行自動(dòng)控制。整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制，確保盾構(gòu)始終按照設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)。

結(jié)語(yǔ)：

為確保盾構(gòu)機(jī)施工安全、高效，自動(dòng)化控制為盾構(gòu)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的必然走向。伴隨科技進(jìn)步，盾構(gòu)技術(shù)及其裝備具有很高的自動(dòng)化水平，特別是在位姿控制等方面，在理論和實(shí)踐中都得到了很大的進(jìn)展。然而，對(duì)于那些具有較高復(fù)雜性的盾構(gòu)裝備，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制目標(biāo)的過(guò)程中會(huì)遇到很多難題。因此，將高安全性、高效性與節(jié)能性作為目的的盾構(gòu)技術(shù)及其裝備自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成與優(yōu)化是當(dāng)前亟需解決的技術(shù)難題。

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