CN109854259B - 一种盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取方法与系统，方法包括以下步骤：S1、获取原始盾构施工数据、原始故障数据、地质数据和环号数据；S2、对获取的数据进行预处理；S3、将施工数据划分为起始段、中间段和到达段；S4、分别获取每段中每种地质情况下的施工数据；S5、获取任一种地质情况下未发生故障的施工数据；S6、获取目标参数在不同施工段中、每种地质情况下未发生故障的施工数据中的均值和标准差，并获取每种地质情况下的最佳施工数据段；S7、根据最佳施工数据获取所有掘进参数的最佳施工参数范围。本发明可以为不同盾构机在不同地质环境下的施工提供掘进参数的最佳范围，可有效减少掘进过程中的故障概率。

Description

一种盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取方法与系统

技术领域

本发明涉及盾构机施工领域，具体涉及一种盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取方法与系统。

背景技术

盾构机是在可移动钢结构护盾掩护下完成开挖、排碴、衬砌等掘进作业的光机电液一体化大型复杂装备，因其相对安全、高效经济，以及对外部环境影响小等特点，自其诞生以来就被广泛应用于各类隧道和地下工程建设。

盾构机的掘进参数数据需要以一定的时间间隔进行记录(例如每秒、每二十秒等)。在施工作业过程中，这些数据通过盾构机体遍布的各类传感器同步传输、存储到后端平台(例如盾构云平台)。掘进参数的种类和数量根据盾构机机型的不同、盾构项目的不同而有所差异，通常会存储几十至几百个掘进参数的实时值。在盾构施工作业过程中，不同的掘进参数组合可反映出不同的施工状态，例如：在项目掘进初期，掘进参数尚处于调试状态，波动较大，盾构机的掘进速度较为缓慢；而在稳定无风险施工区段，掘进参数波动平稳且掘进速度快。

掘进参数值的变化还与施工的地质环境有不可分割的关系。在不同盾构项目中，会根据项目整体地质情况，选择不同的盾构机型、刀具类型、施工工艺来进行盾构施工作业，例如：泥水平衡式盾构在中风化泥岩、强风化泥岩等高粘性地质环境中施工作业时，极易发生刀盘结泥饼、泥水循环不畅、刀盘扭矩偏大等不良现象，因而导致掘进参数出现骤变等异常情况。此外，一个完整的盾构项目往往会穿越多种地质环境，在这种复杂地质环境中，复合地层和单质地层逐段分布，掘进参数也相应呈现出不同的波动范围。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取方法与系统，可以针对不同的地质环境提供不同的盾构机掘进参数取值范围，减少盾构机施工过程中的异常情况。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取方法，其包括以下步骤：

S1、从历史数据中获取原始盾构施工数据、原始故障数据、地质数据和环号数据，并从掘进参数中选取目标参数，并将未选中的参数作为相关参数；

S2、对获取的数据进行预处理，得到预处理后的施工数据、故障数据、地质数据和环号数据；

S3、根据环号数据中的掘进环号将预处理后的施工数据划分为起始段、中间段和到达段；

S4、分别获取起始段、中间段和到达段中每种地质情况下的施工数据；

S5、根据故障数据中故障的发生时间和恢复时间获取任一种地质情况下未发生故障的施工数据；

S6、获取目标参数在不同施工段中、每种地质情况下未发生故障的施工数据中的均值和标准差，并根据西格玛原则得到每种地质情况下的最佳施工数据段；

S7、根据每种地质情况下的最佳施工数据获取所有掘进参数的最佳施工参数范围，完成盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取。

进一步地，步骤S1中的掘进参数包括：总推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速、土仓压力参数、渣土参数、注浆参数、耗材参数、推进压力和盾构姿态参数；所述目标参数包括总推力、刀盘扭矩、推进速度和刀盘转速。

进一步地，步骤S2的具体方法为：

删除原始盾构施工数据和原始故障数据中的冗余数据，用“0”值替换空值数据，并处理异常环号数据；其中，处理异常环号数据的具体方法为：

对于环号减小后直至项目结束都未恢复正常的环号数据，将减小的环号全统一为最后一个正常环号；

对于环号减小后恢复正常的环号数据，将减小的环号全统一为其两端第一个正常环号的均值向上取整所得到的数值；

对重复出现的故障数据进行清除至仅保留一条；

删除小于-10的环号所对应的施工数据和故障数据。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

将掘进环号小于等于50的区段作为起始段，其中，起始段中的目标参数包括刀盘转速和总推力；

将掘进环号大于50并小于等于最大掘进环号-20的区段作为中间段，其中，中间段的目标参数包括刀盘扭矩、推进速度和刀盘转速；

将掘进环号大于最大掘进环号-20的区段作为到达段，其中，到达段的目标参数包括推进速度和刀盘转速中。

进一步地，步骤S4的具体方法为：

根据公式

获取第i段施工区段中第j种地质情况下的施工数据D_i,j；其中m＝3；n为地质情况的种类数量；D为预处理后的施工数据。

进一步地，步骤S5的具体方法为：

根据故障数据中故障的发生时间和恢复时间，以及如下约束条件：

起始段：刀盘转速≥0，单位：r/min；

中间段：刀盘转速>0.5，推进速度>0，单位：r/min、mm/min；

到达段：刀盘转速≥0，单位：r/min；其中r为转数，min为分钟，mm为毫米；

得到第i段施工区段中第j种地质情况下未发生故障的施工数据

进一步地，步骤S6的具体方法包括以下子步骤：

S6-1、根据公式

获取第i段施工区段中第j种地质情况下未发生故障的施工数据

中任一目标参数q的均值

其中N_i,j代表

的施工记录数；X_q,k代表

中第k条施工数据的任一目标参数q的值；

S6-2、根据公式

获取第i段施工区段中第j种地质情况下未发生故障的施工数据

中任一目标参数q的标准差

S6-3、根据区间范围

获取任一目标参数q对应的施工数据段，得到每个目标参数在不同施工段中、每种地质情况下对应的最佳施工数据段。

进一步地，步骤S7的具体方法包括以下子步骤：

S7-1、将不同施工段中，每个目标参数在每种地质情况下对应的最佳施工数据段取交集，得到掘进参数的最佳施工数据；

S7-2、在最佳施工数据中，分别计算掘进参数的均值和标准差，并根据取值范围[均值-标准差，均值+标准差]从最佳施工数据中确定掘进参数的最佳取值范围，完成盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取。

提供一种盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取系统，其包括

原始数据获取模块，用于从历史数据中获取原始盾构施工数据、原始故障数据、地质数据和环号数据，并从掘进参数中选取目标参数，并将未选中的参数作为相关参数；

数据预处理模块，用于对获取的数据进行预处理，得到预处理后的施工数据、故障数据、地质数据和环号数据；

数据整理模块，用于根据环号数据中的掘进环号将预处理后的施工数据划分为起始段、中间段和到达段；用于分别获取起始段、中间段和到达段中每种地质情况下的施工数据；用于根据故障数据中故障的发生时间和恢复时间获取任一种地质情况下未发生故障的施工数据；

掘进参数最佳取值范围获取模块，用于获取目标参数在不同施工段中、每种地质情况下未发生故障的施工数据中的均值和标准差，并根据西格玛原则得到每种地质情况下的最佳施工数据段。

本发明的有益效果为：

1、本发明可以为不同盾构机在不同地质环境下的施工提供最佳掘进参数取值范围，可有效减少掘进过程中的故障概率，同时还可以根据盾构机的实时数据监测掘进过程是否存在风险，及时为相关人员做出调整指导，可有效提高盾构机的掘进效率。

2、本发明将盾构项目分成不同的施工区段，并在不同的施工区段中选取不同的目标参数，结合不同的地质进行数据分析，可有效提高数据的正确性，使得本发明可用于不同型号的盾构机和不同的地质环境，有效提高本发明的适用性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取方法包括以下步骤：

S1、从历史数据中获取原始盾构施工数据、原始故障数据、地质数据和环号数据，并从掘进参数中选取目标参数，并将未选中的参数作为相关参数；

S2、对获取的数据进行预处理，得到预处理后的施工数据、故障数据、地质数据和环号数据；

S3、根据环号数据中的掘进环号将预处理后的施工数据划分为起始段、中间段和到达段；

S4、分别获取起始段、中间段和到达段中每种地质情况下的施工数据；

S5、根据故障数据中故障的发生时间和恢复时间获取任一种地质情况下未发生故障的施工数据；

S6、获取目标参数在不同施工段中、每种地质情况下未发生故障的施工数据中的均值和标准差，并根据西格玛原则得到每种地质情况下的最佳施工数据段；

S7、根据每种地质情况下的最佳施工数据获取所有掘进参数的最佳施工参数范围，完成盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取。

步骤S1中的掘进参数包括：总推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速、土仓压力参数、渣土参数、注浆参数、耗材参数、推进压力和盾构姿态参数；所述目标参数包括总推力、刀盘扭矩、推进速度和刀盘转速。

步骤S2的具体方法为：删除原始盾构施工数据和原始故障数据中的冗余数据，用“0”值替换空值数据，并按照环号保持不变或增大原则处理异常环号数据；其中，处理异常环号数据的具体方法为：

对于环号减小后直至项目结束都未恢复正常的环号数据，将减小的环号全统一为最后一个正常环号；例如某环号数据为“1,1,1,2,2,3,6,-12,-14”，其中的“-12,-14”环号并未与“6”保持不变或增大，故均为异常环号，且直至结束都未恢复正常，因此将其全统一为“6”，则该环号数据最终处理为“1,1,1,2,2,3,6,6,6”。

对于环号减小后恢复正常的环号数据，将减小的环号全统一为其两端第一个正常环号的均值向上取整所得到的数值；例如某环号数据为“1,1,1,2,2,3,4,5,-3,-2,4,7”，其中的“-3,-2,4”环号并未与“5”保持不变或增大，而“7”相对于“5”为增大，因此“7”为正常环号，“-3,-2,4”均为异常环号，因此将异常环号“-3,-2,4”全统一为“5”和“7”的均值向上取整得到的数值6，则该环号数据最终处理为“1,1,1,2,2,3,4,5,6,6,6,7”。

对重复出现的故障数据进行清除至仅保留一条；

删除小于-10的环号所对应的施工数据和故障数据。

步骤S3的具体方法为：将掘进环号小于等于50的区段作为起始段，其中，起始段中的目标参数包括刀盘转速和总推力；将掘进环号大于50并小于等于最大掘进环号-20的区段作为中间段，其中，中间段的目标参数包括刀盘扭矩、推进速度和刀盘转速；将掘进环号大于最大掘进环号-20的区段作为到达段，其中，到达段的目标参数包括推进速度和刀盘转速中。

步骤S4的具体方法为：根据公式

获取第i段施工区段中第j种地质情况下的施工数据D_i,j；其中m＝3；n为地质情况的种类数量；D为预处理后的施工数据。

步骤S5的具体方法为：根据故障数据中故障的发生时间和恢复时间，以及如下约束条件：

起始段：刀盘转速≥0，单位：r/min；

中间段：刀盘转速>0.5，推进速度>0，单位：r/min、mm/min；

到达段：刀盘转速≥0，单位：r/min；其中r为转数，min为分钟，mm为毫米；

得到第i段施工区段中第j种地质情况下未发生故障的施工数据

步骤S6的具体方法包括以下子步骤：

S6-1、根据公式

获取第i段施工区段中第j种地质情况下未发生故障的施工数据

中任一目标参数q的均值

其中N_ij代表

的施工记录数；X_q,k代表

中第k条施工数据的任一目标参数q的值；

S6-2、根据公式

获取第i段施工区段中第j种地质情况下未发生故障的施工数据

中任一目标参数q的标准差

S6-3、根据区间范围

获取任一目标参数q对应的施工数据段，得到每个目标参数在不同施工段中、每种地质情况下对应的最佳施工数据段。

步骤S7的具体方法包括以下子步骤：

S7-1、将不同施工段中，每个目标参数在每种地质情况下对应的最佳施工数据段取交集，得到掘进参数的最佳施工数据；

S7-2、在最佳施工数据中，分别计算掘进参数的均值和标准差，并根据取值范围[均值-标准差，均值+标准差]从最佳施工数据中确定掘进参数的最佳取值范围，完成盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取。

该盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取系统，其特征在于，包括

原始数据获取模块，用于从历史数据中获取原始盾构施工数据、原始故障数据、地质数据和环号数据，并从掘进参数中选取目标参数，并将未选中的参数作为相关参数；

数据预处理模块，用于对获取的数据进行预处理，得到预处理后的施工数据、故障数据、地质数据和环号数据；

数据整理模块，用于根据环号数据中的掘进环号将预处理后的施工数据划分为起始段、中间段和到达段；用于分别获取起始段、中间段和到达段中每种地质情况下的施工数据；用于根据故障数据中故障的发生时间和恢复时间获取任一种地质情况下未发生故障的施工数据；

掘进参数最佳取值范围获取模块，用于获取目标参数在不同施工段中、每种地质情况下未发生故障的施工数据中的均值和标准差，并根据西格玛原则得到每种地质情况下的最佳施工数据段。

在本发明的一个实施例中，获取某型号盾构机在某地铁项目施工中的原始数据，包括49223条施工参数数据、11195条故障数据、2种地质情况。根据施工数据的-5～1229环号范围，将施工数据划分为3段，并定义相应的目标参数：起始段为-5～50环，目标参数为X_刀盘转速和X_总推力；中间段为51～1209环，目标参数为X_刀盘转速，X_推进速度，X_刀盘扭矩；到达段为1210～1229环，目标参数为X_刀盘转速，X_推进速度。

根据地质说明给施工数据划分地质情况：1～100环为卵石和泥岩混合地质，101～1229为泥岩地质，即：

D＝D_1,1+D_2,1+D_2,2+D_3,2

其中D_1,1表示起始段1～50环的卵石和泥岩混合地质，D_2,1表示中间段51～100环的卵石和泥岩混合地质，D_2,2表示中间段101～1210环的泥岩地质，D_3,2表示到达段的1211～1229环的泥岩地质。

由于在D_3,2中无X_刀盘转速≥0且无故障的正常施工数据，因而未得到

有1489条施工数据；

有2532条施工数据；；

有3825条施工数据。在

中，

同理，在

中，μ_{刀盘转速,2,1}＝1.11，σ_{刀盘转速,2,1}＝0.31，μ_{总推力,2,1}＝9402.95，σ_{总推力,2,1}＝930.70。在

中，μ_{刀盘转速,2,2}＝1.49，σ_{刀盘转速,2,2}＝0.50，μ_{总推力,2,2}＝11816.44，σ_{总推力,2,2}＝2001.38。

在

中，刀盘转速的区间参数为[0.83，1.71]，在此区间下获取对应的施工数据

总推力的区间参数范围为[8727.47，11521.93]，并获取此区间下对应的施工数据

最后将

和

取交集，得到895条最佳施工数据

同理，可得到1090条

和844条

根据

和

分别获取各个目标参数的最佳施工参数范围，得到“地质类型-盾构机类型-区间段”的掘进参数包，其中区间段包括起始段、中间段和到达段。

本发明在具体实施过程中，还可以将每个目标参数在不同施工段、每种地质情况下对应的最佳施工数据段中最小值至最大值所组成的范围作为可调优施工参数范围。因此在施工过程中，若单条施工数据中掘进参数的实时值都在最佳施工参数范围，则可判断该条施工数据处于最佳施工状态；若单条施工数据的实时值都不在最佳施工参数范围内但都在可调优施工参数范围内，则可判断该条施工数据属于可调优施工状态；若单条施工数据的实时值不在可调优施工参数范围内，则表示处于警示施工状态，需要及时调整。

对于一段施工数据，可以以每五分钟的施工数据作为最小单位，若该时间单位内的每条施工数据都处于最佳施工参数范围内，则表示该施工数据呈现最佳施工状态；若该时间单位内的每条施工数据在可调优施工参数范围内波动，则表示该施工数据可进行调优；若该时间单位内的每条施工数据都出现在可调优施工参数范围外，或从可调优施工参数范围逐渐偏离，且差值越来越大，则表示该段施工数据处于警示施工趋势，需要及时调整。

综上所述，本发明可以为不同盾构机在不同地质环境下的施工提供最佳掘进参数，可有效减少掘进过程中的故障概率，同时还可以根据盾构机的实时数据监测掘进过程是否存在风险，及时为相关人员做出调整指导，可有效提高盾构机的掘进效率。

Claims (1)

1.一种盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、从历史数据中获取原始盾构施工数据、原始故障数据、地质数据和环号数据，并从掘进参数中选取目标参数，并将未选中的参数作为相关参数；

S2、对获取的数据进行预处理，得到预处理后的施工数据、故障数据、地质数据和环号数据；

S3、根据环号数据中的掘进环号将预处理后的施工数据划分为起始段、中间段和到达段；

S4、分别获取起始段、中间段和到达段中每种地质情况下的施工数据；

S5、根据故障数据中故障的发生时间和恢复时间获取任一种地质情况下未发生故障的施工数据；

S6、获取目标参数在不同施工段中、每种地质情况下未发生故障的施工数据中的均值和标准差，并根据西格玛原则得到每种地质情况下的最佳施工数据段；

S7、根据每种地质情况下的最佳施工数据获取所有掘进参数的最佳施工参数范围，完成盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取；

所述步骤S1中的掘进参数包括：总推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速、土仓压力参数、渣土参数、注浆参数、耗材参数、推进压力和盾构姿态参数；所述目标参数包括总推力、刀盘扭矩、推进速度和刀盘转速；

所述步骤S2的具体方法为：

删除原始盾构施工数据和原始故障数据中的冗余数据，用“0”值替换空值数据，并处理异常环号数据；其中，处理异常环号数据的具体方法为：

对于环号减小后直至项目结束都未恢复正常的环号数据，将减小的环号全统一为最后一个正常环号；

对于环号减小后恢复正常的环号数据，将减小的环号全统一为其两端第一个正常环号的均值向上取整所得到的数值；

对重复出现的故障数据进行清除至仅保留一条；

删除小于-10的环号所对应的施工数据和故障数据；

所述步骤S3的具体方法为：

将掘进环号小于等于50的区段作为起始段，其中，起始段中的目标参数包括刀盘转速和总推力；

将掘进环号大于50并小于等于最大掘进环号-20的区段作为中间段，其中，中间段的目标参数包括刀盘扭矩、推进速度和刀盘转速；

将掘进环号大于最大掘进环号-20的区段作为到达段，其中，到达段的目标参数包括推进速度和刀盘转速中；

所述步骤S4的具体方法为：根据公式

获取第i段施工区段中第j种地质情况下的施工数据D_i,j；其中m＝3；n为地质情况的种类数量；D为预处理后的施工数据；

所述步骤S5的具体方法为：

根据故障数据中故障的发生时间和恢复时间，以及如下约束条件：

起始段：刀盘转速≥0，单位：r/min；

中间段：刀盘转速>0.5，推进速度>0，单位：r/min、mm/min；

到达段：刀盘转速≥0，单位：r/min；其中r为转数，min为分钟，mm为毫米；

得到第i段施工区段中第j种地质情况下未发生故障的施工数据

所述步骤S6的具体方法包括以下子步骤：

S6-1、根据公式

获取第i段施工区段中第j种地质情况下未发生故障的施工数据

中任一目标参数q的均值

其中N_i,j代表

的施工记录数；X_q,k代表

中第k条施工数据的任一目标参数q的值；

S6-2、根据公式

获取第i段施工区段中第j种地质情况下未发生故障的施工数据

中任一目标参数q的标准差

S6-3、根据区间范围

获取任一目标参数q对应的施工数据段，得到每个目标参数在不同施工段中、每种地质情况下对应的最佳施工数据段；

所述步骤S7的具体方法包括以下子步骤：

S7-1、将不同施工段中，每个目标参数在每种地质情况下对应的最佳施工数据段取交集，得到掘进参数的最佳施工数据；

S7-2、在最佳施工数据中，分别计算掘进参数的均值和标准差，并根据取值范围[均值-标准差，均值+标准差]从最佳施工数据中确定掘进参数的最佳取值范围，完成盾构机施工掘进参数最佳取值范围的获取。

Images