盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀分析及展望

姜 濤

(中鐵十六局集團建工機械有限公司，北京 101500)

盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀分析及展望

姜 濤

(中鐵十六局集團建工機械有限公司，北京 101500)

針對盾構(gòu)機自動控制技術(shù)，首先對國內(nèi)外盾構(gòu)技術(shù)研究現(xiàn)狀進行簡要概括，在此基礎(chǔ)上著重盾構(gòu)機的自動控制技術(shù)現(xiàn)狀，以當(dāng)前存在的實際問題為依據(jù)，提出盾構(gòu)機自動控制技術(shù)未來發(fā)展趨勢，旨在為我國盾構(gòu)技術(shù)及其裝備的持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

盾構(gòu)機；自動控制技術(shù)；現(xiàn)狀；展望

1 盾構(gòu)機研究現(xiàn)狀

自盾構(gòu)技術(shù)出現(xiàn)以來已有近200年的歷史，該技術(shù)始于英國，在德國和日本得到飛速發(fā)展。二十世紀(jì)早期，該技術(shù)在歐美和日本推廣。近幾十年，該技術(shù)得到進一步發(fā)展，成效明顯，特別是在日本，盾構(gòu)機工作面。盾構(gòu)技術(shù)的相關(guān)設(shè)備先后歷經(jīng)了手掘、擠壓、半機械與全機械，設(shè)備機械化水平不斷提高，對于復(fù)雜地層有著很高的適應(yīng)能力。

從盾構(gòu)機自身性能角度講，德國與日本處在國際領(lǐng)先行列，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)實現(xiàn)所有工藝的自動化控制及機械化，在此基礎(chǔ)上還能提供檢測、糾偏與故障診斷自動化等功能。

(2)面對復(fù)雜地層有著良好的適應(yīng)能力，可在硬巖、軟土等條件下施工，而且還支持長距離和大直徑隧道，斷面種類及形狀實現(xiàn)了多樣化，尺寸也在進一步增大。

(3)盾構(gòu)機朝微小和超大兩個方向發(fā)展，徑向尺寸從 0.2～18.0m，目前己生產(chǎn)出圓形、矩形、雙圓、三圓、球型、子母型盾構(gòu)和復(fù)合盾構(gòu)等。

(4)科技水平日益提升，大多使用液壓驅(qū)動及電液比例控制等現(xiàn)代化技術(shù)，具備低能耗與大功率等優(yōu)勢；除此之外，GPS測量與激光雷達導(dǎo)向等也得到了廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)的盾構(gòu)技術(shù)研究起步相對較晚，在上世紀(jì)九十年代才取得一定的提升。我國自主研發(fā)一些盾構(gòu)，如擠壓和氣壓等，著重進行了土壓平衡與泥水加壓等方面的研究。就目前來看，我國很多企業(yè)都認(rèn)識到盾構(gòu)研究的重要意義，并付諸于實踐，研制多種類型的新型盾構(gòu)機。然而，國產(chǎn)盾構(gòu)機只可以在環(huán)境要求較低的地區(qū)中使用，不能滿足復(fù)雜地質(zhì)條件提出的實際需求，并且在控制系統(tǒng)方面還相對落后，控制技術(shù)水平較低是影響國內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)長遠發(fā)展的重要因素。因此，我國盾構(gòu)技術(shù)研究還處在起步階段，未形成可以針對多種條件及要求的設(shè)計與研制盾構(gòu)的實力。

2 盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 掘進系統(tǒng)

(1)模型創(chuàng)建。

盾構(gòu)機掘進系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，如刀盤、推進和排渣等，針對掘進控制，其研究工作早期是將試驗與模型創(chuàng)建為核心的。掘進系統(tǒng)的模型創(chuàng)建方法有很多種，如運用BP網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建開挖面的土壓平衡控制模型，但在具體的建模過程中并未充分考慮地質(zhì)條件。因此，在充分考慮地質(zhì)條件和工程地點等因素的基礎(chǔ)上，運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建了盾構(gòu)機推進速度自動控制模型。通過對自適應(yīng)神經(jīng)模糊理論的應(yīng)力，可創(chuàng)建將排土控制作為基礎(chǔ)的控制模型，如式(1)所示

Pe=f(F,v,ns)

(1)

式中：Pe代表盾構(gòu)土倉的壓力；F代表盾構(gòu)機所能提供的推力；v代表盾構(gòu)機速度；ns代表螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速大小。

(2)系統(tǒng)控制對策。

對于盾構(gòu)掘進系統(tǒng)控制，大多運用智能控制的方式。LI等充分運用模糊免疫控制對策，設(shè)計出一種全新的可自動調(diào)節(jié)控制器，在非線性系統(tǒng)中進行應(yīng)用，通過試驗得知，系統(tǒng)穩(wěn)定性與動態(tài)特性均良好。針對模糊控制，運用專家經(jīng)驗難以從相對復(fù)雜的過程當(dāng)中使用全部數(shù)據(jù)對規(guī)則與隸屬度函數(shù)進行調(diào)整。為此，YEH等使用了BP神經(jīng)網(wǎng)路創(chuàng)建一個開挖面的平衡控制策略，策略中的尋優(yōu)函數(shù)可以給出最佳的速度建議，在很大程度上完成了推力及轉(zhuǎn)速的自動化控制，確保開挖面實現(xiàn)平衡的目標(biāo)。

2.2 位姿控制

盾構(gòu)機位姿能使用它的設(shè)計軸線來進行描述，通過液壓缸的有效控制完成自動化位姿控制。針對盾構(gòu)位姿控制，日本處在國際前列，提出很多研究成果。SAKAI等在上世紀(jì)80年代首次在位姿控制中沿用卡爾曼濾波原理，并基于統(tǒng)計學(xué)理論，創(chuàng)建了預(yù)測控制的相關(guān)模型，但這一理論十分繁瑣，需要完成很多回歸分析工作，因此其應(yīng)用范圍有限。在此之后，IMAI等提出一種更為完善的位姿控制系統(tǒng)，通過對盾構(gòu)位姿數(shù)據(jù)的測量，系統(tǒng)自動化選取液壓缸開啟和關(guān)閉模式，從而精確操控盾構(gòu)角度與位置。

2.3 管片拼裝

盾構(gòu)管片拼裝最早是由專業(yè)技工完成手工操作，這種拼裝模式存在很多弊端，會對施工質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。對此，很多國家都在積極探究管片拼裝的自動化技術(shù)。日本是最早應(yīng)用自動化管片拼裝技術(shù)的，伴隨機器人等產(chǎn)品的不斷引入，管片拼裝的自動化技術(shù)得到飛速發(fā)展。TANAKA等實現(xiàn)了對自動機器人的實際應(yīng)用，為達到較高的精度，又提出數(shù)字伺服等先進的控制技術(shù)。

3 盾構(gòu)機自動控制技術(shù)展望

3.1 控制模型創(chuàng)建

產(chǎn)生地面沉降現(xiàn)象的主要原因為盾構(gòu)機的密封艙壓力失去平衡，所以，對于這個可以反映出盾構(gòu)實際技術(shù)水平的重要技術(shù)，很多學(xué)者都開展了相應(yīng)的研究。由于確實深入理解，當(dāng)前還沒有給出可靠的控制模型，實用性結(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理對應(yīng)的耦合關(guān)系，創(chuàng)建一個將密封艙壓力動態(tài)平衡為根本目標(biāo)的模型，合理運用各種控制方法，實現(xiàn)對密封艙壓力的自動化控制，進而確保地面沉降保持在精度要求內(nèi)。

3.2 掘進系統(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，子系統(tǒng)的工作是完全獨立的，大多由手工進行調(diào)節(jié)，而且此類調(diào)整方法屬于滯后式。由于盾構(gòu)密封艙實際壓力主要由各個子系統(tǒng)通過耦合進行決定的，所以，為實現(xiàn)高精度控制，該系統(tǒng)需要運用多個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)的方式進行控制，以最佳方法對子系統(tǒng)運動進行控制，確?？刂谱兞康靡詫崟r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)掘進主要由操作司機在中央控制中完成，由技術(shù)人員經(jīng)計算初設(shè)正面土壓力值。施工過程中，在盾構(gòu)機正面與上、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)機前方安設(shè)巖土勘探系統(tǒng)。開啟出土閘門，分別起動皮帶輸送機，螺旋輸送機和刀盤，推進千斤頂，對各千斤頂油壓進行正確調(diào)整。此時，刀盤不斷切削土體，盾構(gòu)保持前進。根據(jù)之前設(shè)定的正面土壓力對出土速度及掘進速度進行自動控制。整套系統(tǒng)實現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制，確保盾構(gòu)始終按照設(shè)計軸線推進。

3.3 位姿控制和運動軌跡動態(tài)規(guī)劃

當(dāng)前的盾構(gòu)位姿控制是將人的邏輯推理過程作為依據(jù)的，對專家操作經(jīng)驗進行程序化，在利用相關(guān)的模糊控制方法完成智能控制，或直接由人工完成操作。然而，在缺少記錄的條件下，一旦遇到較為復(fù)雜的地質(zhì)條件將難以給出準(zhǔn)確預(yù)測，因此至此還未獲取實用成果。對此，需要對位姿具體影響因素進行分析，創(chuàng)建控制模型，在其前提下找尋最佳的姿態(tài)控制規(guī)律，與此同時，對多目標(biāo)的優(yōu)化算法進行分析，實現(xiàn)動態(tài)規(guī)劃目標(biāo)，這也是使盾構(gòu)位姿與軌跡追蹤實現(xiàn)自動控制目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.4 系統(tǒng)集成和優(yōu)化

為實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的信息檢測、控制、共享和通信，并充分考慮盾構(gòu)自身特點，在創(chuàng)建控制系統(tǒng)的過程中，需要將高性能、低成本和低能耗作為根本目標(biāo)?；谶@種思想，需要對多源驅(qū)動系統(tǒng)等進行深入的研究，設(shè)計將掘進性能和節(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)，同時這也是盾構(gòu)技術(shù)后續(xù)發(fā)展的主要方向之一。

4 結(jié)束語

為確保盾構(gòu)機施工安全、高效，自動化控制為盾構(gòu)技術(shù)未來發(fā)展的必然走向。伴隨科技進步，盾構(gòu)技術(shù)及其裝備具有很高的自動化水平，特別是在位姿控制等方面，在理論和實踐中都得到了很大的進展。然而，對于那些具有較高復(fù)雜性的盾構(gòu)裝備，在實現(xiàn)自動化控制目標(biāo)的過程中會遇到很多難題。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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[2] 郇利民,侯德超,張兵,等. 盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].科技與企業(yè),2014,11(1):281-282.

[3] 張麗華. 淺析盾構(gòu)機自動控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].科技展望,2015,12(21):132-133.

2016-10-21

姜濤(1982- )，男，河北高碑店人，工程師，研究方向：工程機械。

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1008-3383(2017)02-0148-02