CN109870988A - 一种基于关联规则的盾构施工故障预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于关联规则的盾构施工故障预警方法及系统，方法包括以下步骤：S1、获取历史项目中的盾构设计数据、地质类型、施工数据和报警数据；S2、对施工数据进行预处理，并对预处理后的施工数据所对应的地质类型和报警类型进行编码；S3、根据编码后的地质类型和报警类型分别获取不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则；S4、根据当前盾构施工中的报警类型查询报警类型关联规则，对将要发生的故障进行预警，完成盾构施工的故障预警。本发明能有效帮助施工人员根据故障预警及时纠正施工不当操作或是提前做好相应的应急措施，以避免故障发生或缩短故障处理时间，有效提高盾构施工的效率。

Description

一种基于关联规则的盾构施工故障预警方法及系统

技术领域

本发明涉及盾构施工故障预警领域，具体涉及一种基于关联规则的盾构施工故障预警方法及系统。

背景技术

盾构施工法是暗挖法施工中具有高度自动化和信息化特征的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地层中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩，防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

盾构施工方法具有机械化程度高、施工速度快、对环境产生不利影响小、安全智能等优点。特别在施工情况复杂多变、地质条件较差等情况下，与传统隧道施工方法相比，具有明显优越性，已成为新建城市轨道交通施工首选方案。

在盾构施工过程中，根据盾构的报警系统发出的报警信息，施工人员需要针对故障进行一定处理，才能保证施工过程正常进行。由于不同的盾构在不同的地质下，存在大量不同种类的报警信息，施工人员根据经验可以对部分故障迅速处理完毕，而部分故障的处理过程则需要一定的材料准备，处理时间较长，降低盾构施工效率。目前，针对盾构施工的风险预警研究大部分都着重于盾构施工的掘进参数方面，在预警方面的研究则大部分集中在地表沉降上进行研究，对盾构施工进行全面系统性的风险预警研究相对较少；尤其是目前还没有针对盾构施工中报警系统的故障类型的预警研究。

由于盾构施工过程复杂，过程中产生的故障类型成百上千，为了保证施工过程的顺利进行与施工质量，施工人员需要对发生的故障进行处理，而故障处理这一过程会消耗一定的时间与物料资源；同时，故障种类繁多，一些故障之间存在关联关系，如一种故障往往是伴随另一种故障发生的，如果一种故障没有得到及时处理，则另一故障就会接踵而至，故障处理时间随之增加，拖延项目工期。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于关联规则的盾构施工故障预警方法及系统可以及时且快速地对盾构施工过程中可能出现的故障进行预警。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于关联规则的盾构施工故障预警方法，其包括以下步骤：

S1、获取历史项目中的盾构设计数据、地质类型、施工数据和报警数据；

S2、对施工数据进行预处理，并对预处理后的施工数据所对应的地质类型和报警类型进行编码；

S3、根据编码后的地质类型和报警类型分别获取不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则；

S4、根据当前盾构施工中的报警类型查询报警类型关联规则，对将要发生的故障进行预警，完成盾构施工的故障预警。

进一步地，步骤S1的具体方法包括：

根据工程地质勘测材料和盾构设计图纸获得历史项目对应的盾构设计数据和各区段的地质类型；通过盾构施工监测平台获取项目中记录的施工数据以及发生的报警数据。

进一步地，步骤S2中对施工数据预处理的具体方法包括：

删除施工数据中的冗余数据和存在缺失的施工数据；

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；

删除小于-10的环号所对应的施工数据。

进一步地，步骤S2中对地质类型和报警类型进行编码的具体方法包括：

对于地质类型，将地质类型的首拼作为其编码名称进行编码，得到地质类型对应的编码；

对于报警类型，删除报警数据中的重复数据和缺失数据，统计各类报警出现的次数，并根据次数进行降序排列；若有两种报警类型出现的次数相同，则将该两种报警类型按照名称的拼音升序排列；对于排序完成的报警类型，按照“机器编号-线路编号-顺序编号”的形式进行编码，得到报警数据对应的编码。

进一步地，步骤S3的具体方法包括以下子步骤：

S3-1、根据地质类型对应的编码和报警数据对应的编码得到某一盾构机型在某一地质类型下施工数据的报警类型标签集合，将该报警类型标签集合作为故障关联规则挖掘的原始数据集；将原始数据集中每条数据的报警类型标记集合作为一个事务，将每个事务中的报警类型标签作为事务的元素项；初始化关联规则的支持度阈值；

S3-2、对原始数据集进行第一次扫描，获取所有频繁一项集的计数，删除支持度小于支持度阈值的元素项，将剩下的频繁一项集按照支持度降序放入项头表；

S3-3、对原始数据集进行第二次扫描，从原始数据集中剔除非频繁一项集，将剩下的报警类型标签按照支持度降序进行排列，将排列后的剩余报警类型标签插入树结构，建立FP树；

S3-4、从项头表的底部项依次向上获取FP树中对应的条件模式基，将条件模式基中低于支持度阈值的项删除，创建条件FP树，得到所有的故障频繁项集合；

S3-5、对于任一故障频繁项集L，任取其子集S，根据公式

置信度

获取故障关联规则“S→L-S”的置信度，进而得到任意组合的报警类型标签的置信度，即不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则集合；其中L-S为故障频繁项集L中除开子集S的集合。

进一步地，步骤S3-3中将排列后的剩余故障插入树结构，建立FP树的具体方法为：

建立树结构，将树结构中排序靠前的节点作为祖先节点，靠后的节点作为子孙节点，将排序后的故障插入树结构中；若故障之间存在共同的祖先，则将对应的公用祖先节点计数加1；若插入的故障为新节点，则在项头表对应的节点通过节点链表链接上该新节点，直至所有数据都插入树结构中，得到创建后的FP树。

提供一种基于关联规则的盾构施工故障预警系统，其包括：

历史数据获取模块，用于获取历史项目中的盾构设计数据、地质类型、施工数据和报警数据；

数据处理模块，用于对施工数据进行预处理，并对预处理后的施工数据所对应的地质类型和报警类型进行编码；

关联规则获取模块，用于根据编码后的地质类型和报警类型分别获取不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则；

预警模块，用于根据当前盾构施工中的报警类型查询报警类型关联规则，对将要发生的故障进行预警，完成盾构施工的故障预警。

本发明的有益效果为：本发明根据盾构施工中的历史数据挖掘的关联规则即可进行盾构施工故障的预测，可以帮助发现故障间平时难以发现的关联关系，且可以随着盾构施工的不断推进，及时加入新的数据并更新关联规则库，提高关联规则的可信度，帮助实现故障预警。本发明操作简单，成本较低，能有效帮助施工人员根据故障预警及时纠正施工不当操作或是提前做好相应的应急措施，以避免故障发生或缩短故障处理时间，一方面缩短工期，一方面提高盾构施工质量，使得盾构高效掘进。

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，该基于关联规则的盾构施工故障预警方法包括以下步骤：

S1、获取历史项目中的盾构设计数据、地质类型、施工数据和报警数据；

S2、对施工数据进行预处理，并对预处理后的施工数据所对应的地质类型和报警类型进行编码；

S3、根据编码后的地质类型和报警类型分别获取不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则；

S4、根据当前盾构施工中的报警类型查询报警类型关联规则，对将要发生的故障进行预警，完成盾构施工的故障预警。

步骤S1的具体方法包括：根据工程地质勘测材料和盾构设计图纸获得历史项目对应的盾构设计数据和各区段的地质类型；通过盾构施工监测平台获取项目中记录的施工数据以及发生的报警数据。

步骤S2中对施工数据预处理的具体方法包括：删除施工数据中的冗余数据和存在缺失的施工数据。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”。删除小于-10的环号所对应的施工数据。

步骤S2中对地质类型和报警类型进行编码的具体方法包括：对于地质类型，将地质类型的首拼作为其编码名称进行编码，得到地质类型对应的编码。对于报警类型，删除报警数据中的重复数据和缺失数据，统计各类报警出现的次数，并根据次数进行降序排列；若有两种报警类型出现的次数相同，则将该两种报警类型按照名称的拼音升序排列；对于排序完成的报警类型，按照“机器编号-线路编号-顺序编号”的形式进行编码，得到报警数据对应的编码。

步骤S3的具体方法包括以下子步骤：

S3-1、根据地质类型对应的编码和报警数据对应的编码得到某一盾构机型在某一地质类型下施工数据的报警类型标签集合，将该报警类型标签集合作为故障关联规则挖掘的原始数据集；将原始数据集中每条数据的报警类型标记集合作为一个事务，将每个事务中的报警类型标签作为事务的元素项；初始化关联规则的支持度阈值；

S3-2、对原始数据集进行第一次扫描，获取所有频繁一项集的计数，删除支持度小于支持度阈值的元素项，将剩下的频繁一项集按照支持度降序放入项头表；

S3-3、对原始数据集进行第二次扫描，从原始数据集中剔除非频繁一项集，将剩下的报警类型标签按照支持度降序进行排列，将排列后的剩余报警类型标签插入树结构，建立FP树；

S3-4、从项头表的底部项依次向上获取FP树中对应的条件模式基，将条件模式基中低于支持度阈值的项删除，创建条件FP树，得到所有的故障频繁项集合；

S3-5、对于任一故障频繁项集L，任取其子集S，根据公式

置信度

获取故障关联规则“S→L-S”的置信度，进而得到任意组合的报警类型标签的置信度，即不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则集合；其中L-S为故障频繁项集L中除开子集S的集合。

步骤S3-3中将排列后的剩余故障插入树结构，建立FP树的具体方法为：建立树结构，将树结构中排序靠前的节点作为祖先节点，靠后的节点作为子孙节点，将排序后的故障插入树结构中；若故障之间存在共同的祖先，则将对应的公用祖先节点计数加1；若插入的故障为新节点，则在项头表对应的节点通过节点链表链接上该新节点，直至所有数据都插入树结构中，得到创建后的FP树。

该基于关联规则的盾构施工故障预警系统包括：

历史数据获取模块，用于获取历史项目中的盾构设计数据、地质类型、施工数据和报警数据；

数据处理模块，用于对施工数据进行预处理，并对预处理后的施工数据所对应的地质类型和报警类型进行编码；

关联规则获取模块，用于根据编码后的地质类型和报警类型分别获取不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则；

预警模块，用于根据当前盾构施工中的报警类型查询报警类型关联规则，对将要发生的故障进行预警，完成盾构施工的故障预警。

在本发明的一个实施例中，可以预先设置报警的置信度阈值，当预测的报警类型置信度大于阈值时，即主动进行预警。例如置信度阈值为60％时，若60号盾构机在10号线项目的“沙卵石，中风化泥岩”地质下，当报警类型A和B均出现时，查询到对应的关联规则中有“A,B→C，置信度＝0.95”，则说明报警类型C有95％的概率也出现，从而做出报警类型C的预警，施工人员可以根据预警提前做好相应的应对措施。

综上所述，本发明根据盾构施工中的历史数据挖掘的关联规则即可进行盾构施工故障的预测，可以帮助发现故障间平时难以发现的关联关系，且可以随着盾构施工的不断推进，及时加入新的数据并更新关联规则库，提高关联规则的可信度，帮助实现故障预警。本发明操作简单，成本较低，能有效帮助施工人员根据故障预警及时纠正施工不当操作或是提前做好相应的应急措施，以避免故障发生或缩短故障处理时间，一方面缩短工期，一方面提高盾构施工质量，使得盾构高效掘进。

Claims (7)

1.一种基于关联规则的盾构施工故障预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取历史项目中的盾构设计数据、地质类型、施工数据和报警数据；

S2、对施工数据进行预处理，并对预处理后的施工数据所对应的地质类型和报警类型进行编码；

S3、根据编码后的地质类型和报警类型分别获取不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则；

S4、根据当前盾构施工中的报警类型查询报警类型关联规则，对将要发生的故障进行预警，完成盾构施工的故障预警。

2.根据权利要求1所述的基于关联规则的盾构施工故障预警方法，其特征在于，所述步骤S1的具体方法包括：

根据工程地质勘测材料和盾构设计图纸获得历史项目对应的盾构设计数据和各区段的地质类型；通过盾构施工监测平台获取项目中记录的施工数据以及发生的报警数据。

3.根据权利要求1所述的基于关联规则的盾构施工故障预警方法，其特征在于，所述步骤S2中对施工数据预处理的具体方法包括：

删除施工数据中的冗余数据和存在缺失的施工数据；

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；

删除小于-10的环号所对应的施工数据。

4.根据权利要求1所述的基于关联规则的盾构施工故障预警方法，其特征在于，所述步骤S2中对地质类型和报警类型进行编码的具体方法包括：

对于地质类型，将地质类型的首拼作为其编码名称进行编码，得到地质类型对应的编码；

对于报警类型，删除报警数据中的重复数据和缺失数据，统计各类报警出现的次数，并根据次数进行降序排列；若有两种报警类型出现的次数相同，则将该两种报警类型按照名称的拼音升序排列；对于排序完成的报警类型，按照“机器编号-线路编号-顺序编号”的形式进行编码，得到报警数据对应的编码。

5.根据权利要求1所述的基于关联规则的盾构施工故障预警方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法包括以下子步骤：

S3-1、根据地质类型对应的编码和报警数据对应的编码得到某一盾构机型在某一地质类型下施工数据的报警类型标签集合，将该报警类型标签集合作为故障关联规则挖掘的原始数据集；将原始数据集中每条数据的报警类型标记集合作为一个事务，将每个事务中的报警类型标签作为事务的元素项；初始化关联规则的支持度阈值；

S3-2、对原始数据集进行第一次扫描，获取所有频繁一项集的计数，删除支持度小于支持度阈值的元素项，将剩下的频繁一项集按照支持度降序放入项头表；

S3-3、对原始数据集进行第二次扫描，从原始数据集中剔除非频繁一项集，将剩下的报警类型标签按照支持度降序进行排列，将排列后的剩余报警类型标签插入树结构，建立FP树；

S3-4、从项头表的底部项依次向上获取FP树中对应的条件模式基，将条件模式基中低于支持度阈值的项删除，创建条件FP树，得到所有的故障频繁项集合；

S3-5、对于任一故障频繁项集L，任取其子集S，根据公式

获取故障关联规则“S→L-S”的置信度，进而得到任意组合的报警类型标签的置信度，即不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则集合；其中L-S为故障频繁项集L中除开子集S的集合。

6.根据权利要求5所述的基于关联规则的盾构施工故障预警方法，其特征在于，所述步骤S3-3中将排列后的剩余故障插入树结构，建立FP树的具体方法为：

建立树结构，将树结构中排序靠前的节点作为祖先节点，靠后的节点作为子孙节点，将排序后的故障插入树结构中；若故障之间存在共同的祖先，则将对应的公用祖先节点计数加1；若插入的故障为新节点，则在项头表对应的节点通过节点链表链接上该新节点，直至所有数据都插入树结构中，得到创建后的FP树。

7.一种基于关联规则的盾构施工故障预警系统，其特征在于，包括：

历史数据获取模块，用于获取历史项目中的盾构设计数据、地质类型、施工数据和报警数据；

数据处理模块，用于对施工数据进行预处理，并对预处理后的施工数据所对应的地质类型和报警类型进行编码；

关联规则获取模块，用于根据编码后的地质类型和报警类型分别获取不同盾构机型在不同地质类型下施工数据的报警类型关联规则；

预警模块，用于根据当前盾构施工中的报警类型查询报警类型关联规则，对将要发生的故障进行预警，完成盾构施工的故障预警。