盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的初步探討

李子剛

（北京賽瑞斯國際工程咨詢有限公司，北京 100070）

為了滿足日益增長的生活需求和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，我國逐漸增加了地下隧道等工程的建設(shè)數(shù)量。在實(shí)施地下工程建設(shè)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用頻率較高。其可以重點(diǎn)在挖掘隧洞環(huán)節(jié)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)功能。為提升地下作業(yè)的安全性，該設(shè)備日益向自動(dòng)化和信息化方向發(fā)展。當(dāng)前，盾構(gòu)機(jī)是集合信息、自控和液壓等多種技術(shù)的新型設(shè)備，不但能夠完成土體的挖掘、傳送，還可以對(duì)工程的實(shí)施方向和錯(cuò)誤進(jìn)行糾正。

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

設(shè)備的掘進(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的控制。早在20 世紀(jì)90 年代，實(shí)施土壓平衡還需借助模糊控制的理論作為實(shí)施保障，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性也較差。通過后期的創(chuàng)新實(shí)踐研究，技術(shù)人員采用遺傳算法的形式對(duì)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，此外，還提升了螺旋輸送機(jī)的控制功能，全面提高了盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的土壓平衡性。在智能化技術(shù)的推進(jìn)下，將自動(dòng)識(shí)別和驅(qū)動(dòng)公路效率等相關(guān)技術(shù)在自控盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行了全面應(yīng)用，不但能自主分析挖掘的實(shí)施情況，以及外挖掘?qū)ν寥缐毫Φ姆植?，還能自主控制并確定使用的推進(jìn)系統(tǒng)類型。通過構(gòu)建壓力模型和引入具有修正偏差的技術(shù)，促進(jìn)設(shè)備液壓缸及控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的管理效果。

1.2 位姿控制

技術(shù)人員可以從對(duì)液壓缸的平衡性的控制入手，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)位姿的同步管理。在20 世紀(jì)80 年代，對(duì)盾構(gòu)機(jī)位姿的控制不但形成了控制模型，還將卡爾曼濾波理論引入應(yīng)用中。此后，相關(guān)研究人員便對(duì)設(shè)備的位姿控制開展了更深入的研究。相關(guān)專家以傳統(tǒng)設(shè)備控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用先分后合的思想對(duì)模糊控制器進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，有效提升控制器的調(diào)節(jié)功能。此后，盾構(gòu)機(jī)的位姿控制系統(tǒng)還使用LabV IEW 技術(shù)，基于模糊控制器的研究計(jì)算出千斤頂?shù)募m偏控制量，以此大力推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)步入自動(dòng)化的行列。

1.3 管片的自動(dòng)拼裝

使用傳統(tǒng)方式完成管片的拼裝，確實(shí)存在較多的問題。因此，推進(jìn)自動(dòng)管片拼裝技術(shù)的應(yīng)用，不但能夠簡(jiǎn)化工序流程，還能提升工程實(shí)施的精準(zhǔn)度。在20 世紀(jì)80 年代，最先使用該項(xiàng)技術(shù)的國家是日本，此后，其他國家也逐漸更多關(guān)注到此類技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域。國際相關(guān)協(xié)會(huì)組織還專門針對(duì)隧道管片形成相應(yīng)的機(jī)制。當(dāng)前，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)處于管片自動(dòng)拼裝使用的成熟階段，可以借助動(dòng)態(tài)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)管片的自動(dòng)安裝。

2 盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)化控制存在的問題分析

盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備在目前來講是較為前沿的設(shè)備類型，其綜合了土木、信息等多領(lǐng)域的技術(shù)，在全自動(dòng)的工程實(shí)施過程中，已經(jīng)表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢(shì)。但與國際先進(jìn)水平相比，還有一些難題需要解決。

2.1 密封艙壓力控制技術(shù)不成熟

地面出現(xiàn)沉降和密封艙的壓力失衡有關(guān)。對(duì)此，多數(shù)研究人員已經(jīng)就密封艙動(dòng)態(tài)平衡控制進(jìn)行了多元化的探索，均未能總結(jié)出精準(zhǔn)度和應(yīng)用范圍更廣的模型。因此，密封艙技術(shù)發(fā)展至今，也難以上升到成熟水平。如何對(duì)掘進(jìn)系統(tǒng)分支的控制機(jī)理進(jìn)行耦合關(guān)系分析，基于密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行控制模型，提升地面沉降的自動(dòng)控制效果具有更深遠(yuǎn)的影響。

當(dāng)前，盾構(gòu)機(jī)的土壓控制需設(shè)置具體的壓力值，且需隨時(shí)監(jiān)測(cè)地表的沉降和密封艙壓力變化，依據(jù)具體的參數(shù)進(jìn)行實(shí)施推進(jìn)。通常通過手動(dòng)方式完成調(diào)節(jié)。但這與高精度和控制效果的目標(biāo)還有一定的距離。當(dāng)前，重要研究目標(biāo)為盾構(gòu)機(jī)所有子系統(tǒng)之間的控制參數(shù)、密封艙壓力變化等的優(yōu)化，在冗余輸入和多維度的約束條件下，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)耦合控制系統(tǒng)的控制，達(dá)到理想的智能化效果。

2.2 高精度、高效控制不完善

對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的位姿控制已經(jīng)在上文做出了詳細(xì)分析，通過機(jī)器人模仿的推理和決策對(duì)操作進(jìn)行程序化的模仿實(shí)施，從而以智能化的技術(shù)代替人工，在當(dāng)前的施工中應(yīng)用率較高的方式。但如果施工區(qū)域的地理環(huán)境較為復(fù)雜，智能化的自動(dòng)程序便會(huì)在預(yù)測(cè)和控制位姿等方面出現(xiàn)偏差。同時(shí)，從當(dāng)前的應(yīng)用效果分析，約束欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)位姿的控制還未實(shí)現(xiàn)更大范圍的應(yīng)用，因此，應(yīng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的線路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌跡等進(jìn)行自動(dòng)化的控制。

2.3 集成控制系統(tǒng)需要優(yōu)化

在實(shí)施盾構(gòu)機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)，需同時(shí)考慮執(zhí)行元件等方面的特征，使用性能較高且能量消耗較小的方式，深入研究多源驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)之間的聯(lián)系，包括能耗映射規(guī)律等方面。此外，還需反復(fù)對(duì)掘進(jìn)性能等裝備的控制系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，從而使其適應(yīng)各類性質(zhì)的檢測(cè)和信息整合，達(dá)到對(duì)施工過程的協(xié)調(diào)控制。

3 盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)展望

3.1 控制模型創(chuàng)建

地面出現(xiàn)沉降，主要由于盾構(gòu)機(jī)密封艙的壓力失衡，因此對(duì)實(shí)施盾構(gòu)實(shí)際技術(shù)開展相關(guān)研究也成為當(dāng)前研究人員的主要方向。當(dāng)前，我國還未形成可靠性更強(qiáng)的控制模型，難以實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)用，技術(shù)也不夠完善。對(duì)此，研究人員需在今后的研究中進(jìn)一步深化對(duì)機(jī)理對(duì)應(yīng)的耦合關(guān)系的研究，形成以密封艙壓力平衡為總體目標(biāo)的模型，綜合使用各類控制時(shí)藕斷實(shí)現(xiàn)對(duì)密封艙的控制，從而實(shí)現(xiàn)地面沉降的精度標(biāo)準(zhǔn)。

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

當(dāng)前，對(duì)位姿系統(tǒng)的控制理論及方式均以人類的思維為基礎(chǔ)實(shí)施的模仿，對(duì)操作者的具體實(shí)施流程和控制方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)化整理，便可以在模糊控制理念的指導(dǎo)下完成自動(dòng)化操作，并以形成的完善的記錄和經(jīng)驗(yàn)素材為基礎(chǔ)實(shí)施。如果不具有上述條件，盾構(gòu)機(jī)的位姿控制一旦在復(fù)雜程度較高的環(huán)境下實(shí)施，便會(huì)導(dǎo)致控制效果不佳，這也是自動(dòng)化難以大范圍應(yīng)用的根本原因。如果想得到理想的位姿控制效果，便需先分析能夠?qū)刂菩Чa(chǎn)生影響的因素，此后，形成相應(yīng)的控制模型，在非完整的調(diào)價(jià)下實(shí)現(xiàn)對(duì)局部的有效控制，再計(jì)算出最優(yōu)化的位姿控制方法。此外，在實(shí)際研究掘進(jìn)運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，通常可以使用多目標(biāo)的運(yùn)算方式進(jìn)行，這種方式不但能夠明確反映出運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)律，還可以對(duì)軌跡進(jìn)行自動(dòng)的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)理想的控制效果。

3.3 系統(tǒng)集成和優(yōu)化

多個(gè)子系統(tǒng)若想實(shí)現(xiàn)信息的控制和共享等功能，便需基于盾構(gòu)自身的特點(diǎn)出發(fā)，在實(shí)施控制系統(tǒng)的創(chuàng)設(shè)時(shí)，將性能、成本和能耗方面的指標(biāo)作為總體的追求目標(biāo)。以這種指導(dǎo)思想實(shí)施系統(tǒng)建設(shè)，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)多元驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究，將掘進(jìn)性能及節(jié)能等方面的因素作為限制性條件，支持各類地質(zhì)優(yōu)化控制系統(tǒng)，這也可以作為盾構(gòu)技術(shù)在未來的核心發(fā)展目標(biāo)。

3.4 掘進(jìn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

目前，實(shí)施土壓控制需提前設(shè)置壓力參數(shù)，在實(shí)施的過程中參照沉降等設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。此外，每個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行均是獨(dú)立的，大部分系統(tǒng)需通過手工方式完成調(diào)節(jié)，可見這種調(diào)節(jié)方法難以適應(yīng)當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展要求，表現(xiàn)出明顯的落后特征。盾構(gòu)密封艙的壓力其實(shí)是由各個(gè)子系統(tǒng)通過耦合最終確定，因此，為了切實(shí)其設(shè)施能夠控制的精確性，該系統(tǒng)則需對(duì)多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行綜合的協(xié)調(diào)和控制，從而應(yīng)用更適用的方式對(duì)子系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)控，最終保證變量獲得及時(shí)的改進(jìn)和優(yōu)化。以某地區(qū)的地鐵項(xiàng)目的盾構(gòu)區(qū)間來說，該項(xiàng)目中的盾構(gòu)掘進(jìn)是通過人工方式對(duì)中央的控制實(shí)現(xiàn)的，技術(shù)人員對(duì)正面土壓力進(jìn)行計(jì)算得出最終的結(jié)果。在整個(gè)工程的實(shí)施過程中，需在盾構(gòu)機(jī)的上下和正面位置設(shè)置土壓和水壓傳感平衡系統(tǒng)，同時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)前設(shè)置巖土勘探系統(tǒng)。當(dāng)出土的閘門啟動(dòng)后，便可以同步啟動(dòng)傳送機(jī)、輸送等，推動(dòng)千斤頂，并對(duì)其機(jī)芯能夠油壓調(diào)控。到此環(huán)節(jié)，刀盤會(huì)完成土體的切削，從而保證盾構(gòu)處于前行的運(yùn)行狀態(tài)。此前設(shè)定的正面土壓力會(huì)決定此時(shí)的出土和掘進(jìn)速度，對(duì)其進(jìn)行人為的控制。整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的協(xié)調(diào)性，最終輔助盾構(gòu)按照設(shè)計(jì)的軸線完成推進(jìn)。

4 結(jié)語

科技的發(fā)展帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)在多領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢(shì)功能，隨著研究深度的不斷加強(qiáng)，盾構(gòu)機(jī)在未來的應(yīng)用中必然會(huì)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的施工，達(dá)到更高的安全性和有效性。此外，還可以大幅節(jié)省人力和物力成本，在施工期限方面也做到了合理壓縮，為施工方創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)收益。但受到各類因素的影響，盾構(gòu)機(jī)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中也會(huì)凸顯一定的問題，需要研究人員加大研究力度，不斷探索出更科學(xué)的解決措施，從而促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)能夠大范圍應(yīng)用到具體的項(xiàng)目施工中，有效代替人工完成高難度的施工項(xiàng)目。