CN112554943B - 一种基于tbm掘进参数的地质风险预警方法、系统及装置 - Google Patents

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CN112554943B CN202011401512.0A CN202011401512A CN112554943B CN 112554943 B CN112554943 B CN 112554943B CN 202011401512 A CN202011401512 A CN 202011401512A CN 112554943 B CN112554943 B CN 112554943B
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Abstract

本发明公开了一种基于TBM掘进参数的地质风险预警方法、系统及装置，通过第一参数数据集、第二参数数据集表征地质层在掘进过程中的稳定性变化，结合第一预设条件确定每一参数数据集的第一起始时刻、全部第一起始时刻和第一预设时间段确定第一刀盘里程；结合第二预设条件确定每一参数数据集的第二起始时刻、全部第二起始时刻和第二预设时间段确定第二刀盘里程；且当差值小于预设里程差时，将第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方预警。本申请结合掘进过程中不同地质层和掘进参数的变化规律，通过掘进过程中的掘进参数的变化进行地质层的判断以确定临近塌方地质层，并进行预警。其结合塌方时影响参数的多样性对塌方进行预警，降低误报率和漏报率。

Description

一种基于TBM掘进参数的地质风险预警方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及工程施工技术领域，更具体地说，涉及一种基于TBM掘进参数的地质风险预警方法、系统及装置。
背景技术
硬岩掘进机(TBM)在实际工程施工中面临着许多亟待解决的技术难点和频发的工程事故，施工过程中存在涌水涌泥、塌方等地质灾害的高风险，给施工带来了极大的安全隐患。目前TBM在风险预警工作中普遍存在以下问题：一是多参数阈值设置单一化，当所设报警阈值高于合理报警阈值时则报警，反之，当报警阈值低于合理报警阈值时取消报警，此方法并未结合多参数与地质风险存在的逻辑关系和两者相对应的趋势变化；二是报警阈值的不合理设置，使得工程中报警数量大，时常出现“虚惊”事件，以上问题均无法对可能出现的地质风险提供准确及时的预报。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，以结合多种掘进参数和地质风险的逻辑关系共同进行地质风险预测，本发明的第二个目的是提供一种包括上述基于TBM掘进参数的地质风险预警系统及装置。
为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，包括：
获取在掘进过程中用以表征地质由坚硬到软弱层的第一参数数据集和用以表征断层破碎的第二参数数据集；
根据第一预设条件和全部所述第一参数数据集分别确定每一所述第一参数数据集的第一起始时刻，所述第一预设条件用以判断全部所述第一参数数据集在第一预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围；
根据全部所述第一起始时刻和所述第一预设时间段确定第一刀盘里程；
根据第二预设条件和全部所述第二参数数据集分别确定每一所述第二参数数据集的第二起始时刻；所述第二预设条件用以判断全部所述第二参数数据集在第二预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围；
根据全部所述第二起始时刻和所述第二预设时间段确定第二刀盘里程；当所述第二刀盘里程和所述第一刀盘里程的里程差值小于预设里程差时，将所述第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警。
优选地，所述第一参数数据集包括刀盘转速数据集、刀盘推进速度数据集、推力数据集、扭矩数据集和主机皮带机压力数据集；
根据第一预设条件和全部所述第一参数数据集分别确定每一所述第一参数数据集的第一起始时刻，所述第一预设条件用以判断全部所述第一参数数据集在第一预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围，包括：
根据所述刀盘转速数据集判断所述第一预设时间段内刀盘转速变化量是否小于预设转速变化量；若是，则确定所述刀盘转速数据集的第一起始时刻；
根据刀盘推进速度数据集判断所述第一预设时间段内刀盘推进速度变化量是否小于预设刀盘推进速度变化量；若是，则确定所述刀盘推进速度数据集的第一起始时刻；
根据所述推力数据集当所述第一预设时间段内的推力最大值小于第一推力值、所述第一预设时间段内的起点时刻推力值和终点时刻推力值间的差值小于第一预设推力差值且所述第一预设时间段内的所述推力最大值和推力最小值间的差值大于第二预设推力差值时，确定所述推力数据集的第一起始时刻，所述第一预设推力差值小于所述第二预设推力差值；
根据所述扭矩数据集当所述第一预设时间段内的扭矩最大值小于第一扭矩值、所述第一预设时间段内的起点时刻扭矩值和终点时刻扭矩值间的差值小于第一预设扭矩差值且所述第一预设时间段内的所述扭矩最大值和扭矩最小值间的差值大于第二预设扭矩差值时，确定所述扭矩数据集的第一起始时刻，所述第一预设扭矩差值小于所述第二预设扭矩差值；
根据所述主机皮带机压力数据集判断所述第一预设时间段内的主机皮带机压力的平均值是否大于预设主机皮带机压力均值，若是，则确定所述主机皮带机压力数据集的第一起始时刻。
优选地，所述第二参数数据集包括所述推力数据集、所述扭矩数据集和所述主机皮带机压力数据集；
根据第二预设条件和全部所述第二参数数据集分别确定每一所述第二参数数据集的第二起始时刻；所述第二预设条件用以判断全部所述第二参数数据集在第二预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围，包括：
根据所述主机皮带机压力数据集、当所述第二预设时间段内主机皮带机压力变异系数大于预设主机皮带机压力变异系数且所述第二预设时间段内的主机皮带机压力最大值和主机皮带机压力最小值间的差值大于预设主机皮带机压力差值时，确定所述主机皮带机压力数据集的第二起始时刻；
根据所述扭矩数据集、当所述第二预设时间段内扭矩压力变异系数大于预设扭矩压力变异系数、所述第二预设时间段内的扭矩最大值和扭矩最小值间的差值大于第三预设扭矩差值且所述扭矩最小值小于预设扭矩最小值时，确定所述扭矩数据集的第二起始时刻；
根据所述推力数据集判断所述第二预设时间段内推力最小值是否小于预设推力最小值，若是，则确定所述推力数据集的第二起始时刻。
优选地，所述根据全部所述第一起始时刻和所述第一预设时间段确定第一刀盘里程，包括：
所述第一起始时刻为所述第一预设时间段的起始时刻，根据每一所述第一起始时刻和所述第一预设时间段分别确定每一所述第一参数数据集的第一趋势特征时间段；
将全部所述第一趋势特征时间段共同重合的时间段所对应的里程作为所述第一刀盘里程；
和/或；
所述根据全部所述第二起始时刻和所述第二预设时间段确定第二刀盘里程，包括：
所述第二起始时刻为所述第二预设时间段的起始时刻，根据每一所述第二起始时刻和所述第二预设时间段分别确定每一所述第二参数数据集的第二趋势特征时间段；
将全部所述第二趋势特征时间段共同重合的时间段所对应的里程作为所述第二刀盘里程。
优选地，所述第一预设推力差值＝a×所述第二预设推力差值，其中，a为第一预设系数，0＜a＜1；
所述第一预设扭矩差值＝b×所述第二扭矩差值，其中，b为第二预设系数，0＜b＜1。
优选地，所述将所述第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警之后，所述方法还包括：
获取与多组所述塌方预测点一一对应的预设掘进参数合集；
对所述预设掘进参数合集中的全部预设掘进参数分别进行寻优，全部所述预设掘进参数为所述预设转速变化量、所述预设刀盘推进速度变化量、所述第一推力值、所述第一预设推力差值、所述第二预设推力差值、所述第一扭矩值、所述第一预设扭矩差值、所述第二预设扭矩差值、所述预设主机皮带机压力均值、所述预设主机皮带机压力变异系数、所述预设主机皮带机压力差值、所述预设扭矩压力变异系数、所述第三预设扭矩差值、所述预设扭矩最小值、所述预设推力最小值和所述预设里程差；
根据公式Grade＝∑(|xj-xtrue|)+n×p对寻优过程中各个预设掘进参数形成的预设掘进参数组合分别进行打分，其中，xj为每一预设掘进参数组合所对应的塌方预测点的第二刀盘里程，xtrue为每一预设掘进参数组合所对应的实际塌方点对应的里程值，n为每一预设掘进参数组合所对应的塌方预测点的第二刀盘里程的段数和每一预设掘进参数组合所对应的实际塌方点对应的里程段数间缺失的塌方段数目，p为惩罚项系数；
当Grade分值最小时所对应的预设掘进参数组合作为最优组合对全部所述预设掘进参数进行更新。
优选地，所述对所述预设掘进参数合集中的全部预设掘进参数分别进行寻优，包括：
分别对每个所述预设掘进参数设置子集，根据粒子群优化算法对全部所述子集进行参数寻优。
本发明还提供了一种基于TBM掘进参数的地质风险预警系统，包括：
参数数据集获取模块，用于获取在掘进过程中用以表征地质由坚硬到软弱层的第一参数数据集和用以表征断层破碎的第二参数数据集；
第一起始时刻确定模块，用于根据第一预设条件和全部所述第一参数数据集分别确定每一所述第一参数数据集的第一起始时刻；
第一刀盘里程确定模块，用于根据全部所述第一起始时刻和所述第一预设时间段确定第一刀盘里程；
第二起始时刻确定模块，用于根据第二预设条件和全部所述第二参数数据集分别确定每一所述第二参数数据集的第二起始时刻；
第二刀盘里程确定模块，用于根据全部所述第二起始时刻和所述第二预设时间段确定第二刀盘里程；
预设里程差判断模块，用于当所述第二刀盘里程和所述第一刀盘里程的里程差值小于预设里程差时，将所述第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例任一项所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法的步骤。
本发明还提供了一种基于TBM掘进参数的地质风险预警装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述实施例任一项所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法的步骤。
本发明提供的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，包括：获取在掘进过程中用以表征地质层稳定性的第一参数数据集和用以表征临近塌方的地质层稳定性的第二参数数据集；根据第一预设条件和全部第一参数数据集分别确定每一第一参数数据集的第一起始时刻，第一预设条件用以判断全部第一参数数据集在第一预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围；根据全部第一起始时刻和第一预设时间段确定第一刀盘里程；根据第二预设条件和全部第二参数数据集分别确定每一第二参数数据集的第二起始时刻；第二预设条件用以判断全部第二参数数据集在第二预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围；根据全部第二起始时刻和第二预设时间段确定第二刀盘里程；当第二刀盘里程和第一刀盘里程的里程差值小于预设里程差时，将第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警。
应用本发明提供的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法及系统，通过第一参数数据集表征地质层在掘进过程中的稳定性变化，结合第一预设条件确定每一参数数据集的第一起始时刻、全部第一起始时刻和第一预设时间段确定的第一刀盘里程以表征地质层由坚硬地层到软弱地层的变化；结合第二预设条件确定每一参数数据集的第二起始时刻、全部第二起始时刻和第二预设时间段确定的第二刀盘里程表征地质层在掘进过程中通过断层破碎带的特征；且当第二刀盘里程和第一刀盘里程的差值小于预设里程差时，认为掘进过程依次经过稳定地质层、软弱地质层和塌方地质层，将第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方预警。相较于现有技术，本申请结合掘进过程中不同地质层对应的掘进参数的变化规律以确定临近塌方地质层，并进行预警。其结合塌方时影响参数的多样性对塌方进行预警，降低误报率和漏报率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，以结合多种掘进参数和地质风险的逻辑关系共同进行地质风险预测。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法的流程示意图。
在一种具体的实施方式中，本发明提供的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，包括：
S11：获取在掘进过程中用以表征地质层稳定性的第一参数数据集和用以表征临近塌方的地质层稳定性的第二参数数据集；
在执行S12之前，对S11获取的数据进行如下处理：
步骤一：为排除TBM启动时和单次循环时间过短时的参数数值对预警的干扰，将TBM掘进启动段数据和较短单次循环数据剔除清洗，只获取TBM掘进稳定状态的数据作为训练数据；
步骤二：对推力和扭矩进行滑动平均滤波处理，提取的数据中推力和扭矩的滑动窗口长度为W1，每次采样到一个新数据后放入窗口末端，并扔掉窗口前端的一次数据。对窗口内数据进行平均运算，实现平均滤波处理，从而使推力和扭矩每隔一个步长时间(可设为单次采集数据时间)更新一次数据集；
步骤三：提取的推力和扭矩以及步骤一提取的其他与TBM地质风险相关参数的滑动窗口长度为W2，对参数进行窗口化处理，为后续的参数数据变换做预处理工作。
在一种实施例中，第一参数数据集包括推力数据集和扭矩数据集，结合掘进过程中隧道围岩判别理论和方法，当推力和扭矩以较高值同步均匀变化时，说明TBM在较硬的均匀地层中掘进；当推力和扭矩以较低值同步均匀变化时，说明TBM在较软的均匀地层中掘进；当推力和扭矩同步呈下降趋势时，则表明隧道围岩出现由硬变软的变化趋势。可通过对推力数据集和扭矩数据集进行地质层的判断。第一参数数据集和第二参数数据集可包括相同参数数据集或不同参数数据集，可以理解的是，第一参数数据集包括第一参数与掘进过程中时间的对应关系，以能够根据第一预设条件和全部第一参数数据集分别确定每一第一参数数据集的第一起始时刻；同理，第二参数数据集包括第二参数与掘进过程中时间的对应关系，以能够根据第二预设条件和全部第二参数数据集分别确定每一第二参数数据集的第二起始时刻。临近塌方的地质层一般发生在VI、V级围岩，第二参数数据集为推力数据集和扭矩数据集，当推力最小值小于第一预设值、扭矩最小值小于第二预设值时，认为TBM掘进至VI、V级围岩，易发生塌方。
S12：根据第一预设条件和全部第一参数数据集分别确定每一第一参数数据集的第一起始时刻，第一预设条件用以判断全部第一参数数据集在第一预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围；
S13：根据全部第一起始时刻和第一预设时间段确定第一刀盘里程；
S14：根据第二预设条件和全部第二参数数据集分别确定每一第二参数数据集的第二起始时刻；第二预设条件用以判断全部第二参数数据集在第二预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围；
S15：根据全部第二起始时刻和第二预设时间段确定第二刀盘里程；
每个第一参数数据集符合第一预设条件的第一预设时间段可能为一个或几个，并根据第一预设时间段相应地得到一个或几个第一起始时刻，第一起始时刻优选为第一预设时间段的起始时刻。同样地，每个第二参数数据集符合第二预设条件的第二预设时间段可能为一个或几个，并根据第二预设时间段相应的得到一个或几个第二起始时刻，第一起始时刻优选为第一预设时间段的起始时刻，第二起始时刻优选为第二预设时间段的起始时刻。
S16：当第二刀盘里程和第一刀盘里程的里程差值小于预设里程差时，将第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警。
应用本发明提供的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法及系统，通过第一参数数据集表征地质层在掘进过程中的稳定性变化，结合第一预设条件确定每一参数数据集的第一起始时刻、全部第一起始时刻和第一预设时间段确定的第一刀盘里程以表征地质层由坚硬地层到软弱地层的变化；通过第二参数数据集表征地质层在掘进过程中通过断层破碎带的特征，结合第二预设条件确定每一参数数据集的第二起始时刻、全部第二起始时刻和第二预设时间段确定的第二刀盘里程表征地质层由不稳定状态到临近塌方前的变化；且当第二刀盘里程和第一刀盘里程的差值小于预设里程差时，认为掘进过程依次经过稳定地质层、不稳定地质层和临近塌方地质层，并临近塌方，将第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方预警。相较于现有技术，本申请结合掘进过程中不同地质层对应的掘进参数的变化规律判断以确定临近塌方地质层，并进行预警。其结合塌方时影响参数的多样性对塌方进行预警，降低误报率和漏报率。
具体的，第一参数数据集包括刀盘转速数据集、刀盘推进速度数据集、推力数据集、扭矩数据集和主机皮带机压力数据集；
根据第一预设条件和全部第一参数数据集分别确定每一第一参数数据集的第一起始时刻，第一预设条件用以判断全部第一参数数据集在第一预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围，包括：
根据刀盘转速数据集判断第一预设时间段内刀盘转速变化量是否小于预设转速变化量；若是，则确定刀盘转速数据集的第一起始时刻；
根据刀盘推进速度数据集判断第一预设时间段内刀盘推进速度变化量是否小于预设刀盘推进速度变化量；若是，则确定刀盘推进速度数据集的第一起始时刻；
举例说明，在刀盘转速数据集上符合第一预设时间段内刀盘转速变化量小于预设转速变化量的第一预设时间段的个数可能为多个，根据每个第一预设时间段均分别得到一个第一起始时刻；同时通过判断第一预设时间段内的刀盘转速变化量和刀盘推进速度变化量以排除因司机调节刀盘转速而引起的推力和扭矩的变化。
其中，将第一预设时间段设置为预设长度的滑动窗口，选取窗口内刀盘转速3/4位数和刀盘转速1/4位数进行刀盘转速变化量的计算，由此以防止刀盘转速最大值、最小值等非常规极值产生的计算误差。同样地，刀盘推进速度变化量由刀盘推进速度3/4位数和刀盘推进速度1/4位数计算得到。
根据推力数据集当第一预设时间段内的推力最大值小于第一推力阈值、第一预设时间段内的起点时刻推力值和终点时刻推力值间的差值小于第一预设推力差值且第一预设时间段内的推力最大值和推力最小值间的差值大于第二预设推力差值时，确定推力数据集的第一起始时刻，第一预设推力差值小于第二预设推力差值；
根据扭矩数据集当第一预设时间段内的扭矩最大值小于第一扭矩阈值、第一预设时间段内的起点时刻扭矩值和终点时刻扭矩值间的差值小于第一预设扭矩差值且第一预设时间段内的扭矩最大值和扭矩最小值间的差值大于第二预设扭矩差值时，确定扭矩数据集的第一起始时刻，第一预设扭矩差值小于第二预设扭矩差值；
由此以表明隧道围岩出现由硬变软的变化趋势，选取推力和扭矩呈总体下降趋势且下降幅度大于设定值的第一预设时间段。
当TBM遇到不良地质层后塌方一般伴随着主机皮带压力增大的情况，根据主机皮带机压力数据集判断第一预设时间段内的主机皮带机压力的平均值是否大于预设主机皮带机压力均值，若是，则确定主机皮带机压力数据集的第一起始时刻。
其中，第一预设推力差值＝a×所述第二预设推力差值，其中，a为第一预设系数，0＜a＜1；
所述第一预设扭矩差值＝b×所述第二扭矩差值，其中，b为第二预设系数，0＜b＜1。
进一步地，第二参数数据集包括推力数据集、扭矩数据集和主机皮带机压力数据集；
根据第二预设条件和全部第二参数数据集分别确定每一第二参数数据集的第二起始时刻；第二预设条件用以判断全部第二参数数据集在第二预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围，包括：
根据主机皮带机压力数据集、当第二预设时间段内主机皮带机压力变异系数大于预设主机皮带机压力变异系数且第二预设时间段内的主机皮带机压力最大值和主机皮带机压力最小值间的差值大于预设主机皮带机压力差值时，确定主机皮带机压力数据集的第二起始时刻；
根据扭矩数据集、当第二预设时间段内扭矩压力变异系数大于预设扭矩压力变异系数、第二预设时间段内的扭矩最大值和扭矩最小值间的差值大于第三预设扭矩差值且扭矩最小值小于预设扭矩最小值时，确定扭矩数据集的第二起始时刻；
根据推力数据集判断第二预设时间段内推力最小值是否小于预设推力最小值，若是，则确定推力数据集的第二起始时刻。
在该具体实施例中，根据全部第一起始时刻和第一预设时间段确定第一刀盘里程，包括：
第一起始时刻为第一预设时间段的起始时刻，根据每一第一起始时刻和第一预设时间段分别确定每一第一参数数据集的第一趋势特征时间段；
将全部第一趋势特征时间段共同重合的时间段所对应的里程作为第一刀盘里程；
根据刀盘转速数据集的第一起始时刻、刀盘推进速度数据集的第一起始时刻、推力数据集的第一起始时刻、扭矩数据集的第一起始时刻和主机皮带机压力数据集的第一起始时刻和第一预设时间段分别确定在各第一参数数据集上的第一趋势特征时间段，并将刀盘转速数据集的第一趋势特征时间段、刀盘推进速度数据集的第一趋势特征时间段、推力数据集的第一趋势特征时间段、扭矩数据集的第一趋势特征时间段、主机皮带机压力数据集的第一趋势特征时间段的共同重合的时间段所对应的里程作为第一刀盘里程，及第一刀盘里程应满足上述全部第一参数数据集在第一预设时间段内的趋势特征，由此以确定在第一刀盘里程内地质层发生由硬变软的变化趋势。
和/或；
根据全部第二起始时刻和第二预设时间段确定第二刀盘里程，包括：
第二起始时刻为第二预设时间段的起始时刻，根据每一第二起始时刻和第二预设时间段分别确定每一第二参数数据集的第二趋势特征时间段；
将全部第二趋势特征时间段共同重合的时间段所对应的里程作为第二刀盘里程。
根据主机皮带机压力数据集的第二起始时刻、扭矩数据集的第二起始时刻和推力数据集的第二起始时刻和第一预设时间段分别确定在各第二参数数据集上的第二趋势特征时间段，将主机皮带机压力数据集的第二趋势特征时间段、扭矩数据集的第二趋势特征时间段和推力数据集的第二趋势特征时间段共同重合的时间段所对应的里程作为第二刀盘里程。
在该具体实施例中，现有的分类方法由于设定值单一、掘进参数之间并未建立逻辑关系，很难确定掘进参数及预设值进而对地质风险进行判断预警，将第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警之后，方法还包括：
获取与多组塌方预测点一一对应的预设掘进参数合集；
对预设掘进参数合集中的全部预设掘进参数分别进行寻优，全部预设掘进参数为预设转速变化量、预设刀盘推进速度变化量、第一推力阈值、第一预设推力差值、第二预设推力差值、第一扭矩阈值、第一预设扭矩差值、第二预设扭矩差值、预设主机皮带机压力均值、预设主机皮带机压力变异系数、预设主机皮带机压力差值、预设扭矩压力变异系数、第三预设扭矩差值、预设扭矩最小值、预设推力最小值和预设里程差；
其中，第一预设推力差值由第二预设推力差值计算得到，第一预设扭矩差值由第二扭矩差值计算得到。
选取N组塌方预测点的塌方数据作为学习样本，塌方数据包括预设掘进参数合集，对上述14个预设掘进参数设置子集，通过粒子群优化算法分别对14个子集进行参数寻优，循环迭代所有粒子，更新方向同时向个体最优方向和全局最优方向更新，以寻求最优组合；
对每次寻优过程中的预设掘进参数组合进行记录，并进行打分，每次遍历时只针对一个预设掘进参数进行调参，以曼哈顿距离为度量指标，增加惩罚项，根据公式Grade＝∑(|xj-xtrue|)+n×p对寻优过程中各个预设掘进参数形成的预设掘进参数组合分别进行打分，其中，xj为每一预设掘进参数组合所对应的塌方预测点的第二刀盘里程，xtrue为每一预设掘进参数组合所对应的实际塌方点对应的里程值，n为每一预设掘进参数组合所对应的塌方预测点的第二刀盘里程的段数和每一预设掘进参数组合所对应的实际塌方点对应的里程段数间缺失的塌方段数目，p为惩罚项系数；
当Grade分值最小时所对应的预设掘进参数组合作为最优组合对全部预设掘进参数进行更新，表明该预设掘进参数组合下对应的塌方预测点的里程与实际塌方的里程隶属度越高；选取不断更新的塌方数据作为预测样本，对预设掘进参数进行训练优化，使得评估结果漏报率最小，降低误报率和漏报率。从而进行早期预警，减少设备、部件的损坏以及降低人员伤亡，提高施工安全性。
可以理解的是，每一预设掘进参数组合所对应的塌方预测点的第二刀盘里程的段数可以为多个，相应地，每一预设掘进参数组合所对应的实际塌方点对应的里程段数也可以为多个，n为二者对应后缺失的里程段数目。
基于上述方法实施例，本发明还提供了一种基于TBM掘进参数的地质风险预警系统，包括：
参数数据集获取模块，用于获取在掘进过程中用以表征地质由坚硬到软弱层的第一参数数据集和用以表征断层破碎的第二参数数据集；
第一起始时刻确定模块，用于根据第一预设条件和全部第一参数数据集分别确定每一第一参数数据集的第一起始时刻；
第一刀盘里程确定模块，用于根据全部第一起始时刻和第一预设时间段确定第一刀盘里程；
第二起始时刻确定模块，用于根据第二预设条件和全部第二参数数据集分别确定每一第二参数数据集的第二起始时刻；
第二刀盘里程确定模块，用于根据全部第二起始时刻和第二预设时间段确定第二刀盘里程；
预设里程差判断模块，用于当第二刀盘里程和第一刀盘里程的里程差值小于预设里程差时，将第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警。
应用本发明提供的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法及系统，通过第一参数数据集表征地质层在掘进过程中的稳定性变化，结合第一预设条件确定每一参数数据集的第一起始时刻、全部第一起始时刻和第一预设时间段确定的第一刀盘里程以表征地质层由稳定状态到不稳定状态的变化；通过第二参数数据集表征通过断层破碎带的特征，结合第二预设条件确定每一参数数据集的第二起始时刻、全部第二起始时刻和第二预设时间段确定的第二刀盘里程表征地质层由不稳定状态到临近塌方前的变化；且当第二刀盘里程和第一刀盘里程的差值小于预设里程差时，认为掘进过程依次经过稳定地质层、不稳定地质层和临近塌方地质层，并临近塌方，将第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方预警。相较于现有技术，本申请结合掘进过程中不同地质层和掘进参数的变化规律，通过掘进过程中的掘进参数的变化进行地质层的判断以确定临近塌方地质层，并进行预警。其结合塌方时影响参数的多样性对塌方进行预警，降低误报率和漏报率。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例任一项所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法的步骤。
本发明还提供了一种基于TBM掘进参数的地质风险预警装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述实施例任一项所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法的步骤。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (10)

1.一种基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，其特征在于，包括：
获取在掘进过程中用以表征地质由坚硬到软弱层的第一参数数据集和用以表征断层破碎的第二参数数据集；
根据第一预设条件和全部所述第一参数数据集分别确定每一所述第一参数数据集的第一起始时刻，所述第一预设条件用以判断全部所述第一参数数据集在第一预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围；
根据全部所述第一起始时刻和所述第一预设时间段确定第一刀盘里程；
根据第二预设条件和全部所述第二参数数据集分别确定每一所述第二参数数据集的第二起始时刻；所述第二预设条件用以判断全部所述第二参数数据集在第二预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围；
根据全部所述第二起始时刻和所述第二预设时间段确定第二刀盘里程；
当所述第二刀盘里程和所述第一刀盘里程的里程差值小于预设里程差时，将所述第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警。
2.根据权利要求1所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，其特征在于，所述第一参数数据集包括刀盘转速数据集、刀盘推进速度数据集、推力数据集、扭矩数据集和主机皮带机压力数据集；
根据第一预设条件和全部所述第一参数数据集分别确定每一所述第一参数数据集的第一起始时刻，所述第一预设条件用以判断全部所述第一参数数据集在第一预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围，包括：
根据所述刀盘转速数据集判断所述第一预设时间段内刀盘转速变化量是否小于预设转速变化量；若是，则确定所述刀盘转速数据集的第一起始时刻；
根据刀盘推进速度数据集判断所述第一预设时间段内刀盘推进速度变化量是否小于预设刀盘推进速度变化量；若是，则确定所述刀盘推进速度数据集的第一起始时刻；
根据所述推力数据集当所述第一预设时间段内的推力最大值小于第一推力值、所述第一预设时间段内的起点时刻推力值和终点时刻推力值间的差值小于第一预设推力差值且所述第一预设时间段内的所述推力最大值和推力最小值间的差值大于第二预设推力差值时，确定所述推力数据集的第一起始时刻，所述第一预设推力差值小于所述第二预设推力差值；
根据所述扭矩数据集当所述第一预设时间段内的扭矩最大值小于第一扭矩值、所述第一预设时间段内的起点时刻扭矩值和终点时刻扭矩值间的差值小于第一预设扭矩差值且所述第一预设时间段内的所述扭矩最大值和扭矩最小值间的差值大于第二预设扭矩差值时，确定所述扭矩数据集的第一起始时刻，所述第一预设扭矩差值小于所述第二预设扭矩差值；
根据所述主机皮带机压力数据集判断所述第一预设时间段内的主机皮带机压力的平均值是否大于预设主机皮带机压力均值，若是，则确定所述主机皮带机压力数据集的第一起始时刻。
3.根据权利要求2所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，其特征在于，所述第二参数数据集包括所述推力数据集、所述扭矩数据集和所述主机皮带机压力数据集；
根据第二预设条件和全部所述第二参数数据集分别确定每一所述第二参数数据集的第二起始时刻；所述第二预设条件用以判断全部所述第二参数数据集在第二预设时间段内的趋势特征是否符合预设范围，包括：
根据所述主机皮带机压力数据集、当所述第二预设时间段内主机皮带机压力变异系数大于预设主机皮带机压力变异系数且所述第二预设时间段内的主机皮带机压力最大值和主机皮带机压力最小值间的差值大于预设主机皮带机压力差值时，确定所述主机皮带机压力数据集的第二起始时刻；
根据所述扭矩数据集、当所述第二预设时间段内扭矩压力变异系数大于预设扭矩压力变异系数、所述第二预设时间段内的扭矩最大值和扭矩最小值间的差值大于第三预设扭矩差值且所述扭矩最小值小于预设扭矩最小值时，确定所述扭矩数据集的第二起始时刻；
根据所述推力数据集判断所述第二预设时间段内推力最小值是否小于预设推力最小值，若是，则确定所述推力数据集的第二起始时刻。
4.根据权利要求1所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，其特征在于，所述根据全部所述第一起始时刻和所述第一预设时间段确定第一刀盘里程，包括：
所述第一起始时刻为所述第一预设时间段的起始时刻，根据每一所述第一起始时刻和所述第一预设时间段分别确定每一所述第一参数数据集的第一趋势特征时间段；
将全部所述第一趋势特征时间段共同重合的时间段所对应的里程作为所述第一刀盘里程；
和/或；
所述根据全部所述第二起始时刻和所述第二预设时间段确定第二刀盘里程，包括：
所述第二起始时刻为所述第二预设时间段的起始时刻，根据每一所述第二起始时刻和所述第二预设时间段分别确定每一所述第二参数数据集的第二趋势特征时间段；
将全部所述第二趋势特征时间段共同重合的时间段所对应的里程作为所述第二刀盘里程。
5.根据权利要求2所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，其特征在于，所述第一预设推力差值＝a×所述第二预设推力差值，其中，a为第一预设系数，0＜a＜1；
所述第一预设扭矩差值＝b×所述第二预设扭矩差值，其中，b为第二预设系数，0＜b＜1。
6.根据权利要求3所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，其特征在于，所述将所述第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警之后，所述方法还包括：
获取与多组所述塌方预测点一一对应的预设掘进参数合集；
对所述预设掘进参数合集中的全部预设掘进参数分别进行寻优，全部所述预设掘进参数为所述预设转速变化量、所述预设刀盘推进速度变化量、所述第一推力值、所述第一预设推力差值、所述第二预设推力差值、所述第一扭矩值、所述第一预设扭矩差值、所述第二预设扭矩差值、所述预设主机皮带机压力均值、所述预设主机皮带机压力变异系数、所述预设主机皮带机压力差值、所述预设扭矩压力变异系数、所述第三预设扭矩差值、所述预设扭矩最小值、所述预设推力最小值和所述预设里程差；
根据公式Grade＝∑(|xj-xtrue|)+n×p对寻优过程中各个预设掘进参数形成的预设掘进参数组合分别进行打分，其中，xj为每一预设掘进参数组合所对应的塌方预测点的第二刀盘里程，xtrue为每一预设掘进参数组合所对应的实际塌方点对应的里程值，n为每一预设掘进参数组合所对应的塌方预测点的第二刀盘里程的段数和每一预设掘进参数组合所对应的实际塌方点对应的里程段数间缺失的塌方段数目，p为惩罚项系数；
当Grade分值最小时所对应的预设掘进参数组合作为最优组合对全部所述预设掘进参数进行更新。
7.根据权利要求6所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法，其特征在于，所述对所述预设掘进参数合集中的全部预设掘进参数分别进行寻优，包括：
分别对每个所述预设掘进参数设置子集，根据粒子群优化算法对全部所述子集进行参数寻优。
8.一种基于TBM掘进参数的地质风险预警系统，其特征在于，包括：
参数数据集获取模块，用于获取在掘进过程中用以表征地质由坚硬到软弱层的第一参数数据集和用以表征断层破碎的第二参数数据集；
第一起始时刻确定模块，用于根据第一预设条件和全部所述第一参数数据集分别确定每一所述第一参数数据集的第一起始时刻；
第一刀盘里程确定模块，用于根据全部所述第一起始时刻和第一预设时间段确定第一刀盘里程；
第二起始时刻确定模块，用于根据第二预设条件和全部所述第二参数数据集分别确定每一所述第二参数数据集的第二起始时刻；
第二刀盘里程确定模块，用于根据全部第二起始时刻和第二预设时间段确定第二刀盘里程；
预设里程差判断模块，用于当所述第二刀盘里程和所述第一刀盘里程的里程差值小于预设里程差时，将所述第二刀盘里程处作为塌方预测点进行塌方报警。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法的步骤。
10.一种基于TBM掘进参数的地质风险预警装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的基于TBM掘进参数的地质风险预警方法的步骤。
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