CN113982600A - 一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法 - Google Patents

一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，该方法包括以下步骤：一、盾构数据采集；二、盾构数据的预处理；三、盾构机怠速状态的设定；四、盾构机怠速状态的预警提示。本发明通过对盾构机怠速状态下怠速扭矩的获取，进而根据怠速扭矩实现盾构机怠速状态的异常工况预警。

Description

一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法
技术领域
本发明属于基于怠速扭矩的异常工况预警方法技术领域，尤其是涉及一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法。
背景技术
盾构施工方法是目前进行工程施工的重要手段之一，涉及机电、控制等多个领域。但是由于盾构机在行进过程中受到地下土层变化、刀具磨损、施工操作不当等其他方面的影响，经常会出现异常工况，若不及时识别处理将造成严重的安全事故，因此施工过程中异常工况的识别管理尤为重要，不断研究所施工风险与控制技术，不但可以提高施工质量水平和企业的技术管理水平，同时有利于避免质量、安全事故，降低施工成本。
传统的异常工况识别方法是通过相关技术人员进行数据记录，根据专家经验对相关数据的阈值设定，从而得到某些异常工况的提示，该方法具有主观性及时延性，且不能及时高效的对异常工况进行妥善的处理。
针对这些缺点，现阶段工程上主要是利用SCADA系统(Supervisory Control AndData Acquisition系统，即数据采集与监视控制系统)实时监控，并根据所设定的警戒值进行报警，但这种方法并未考虑将盾构机掘进状态分为盾构机怠速状态和盾构机掘进状态，因此不能有效地实现盾构机怠速状态的异常工况预警。
因此，需要一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，通过对盾构机怠速状态下怠速扭矩的获取，进而根据怠速扭矩实现盾构机怠速状态的异常工况预警。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，其方法步骤简单，设计合理，通过对盾构机怠速状态下怠速扭矩的获取，进而根据怠速扭矩实现盾构机怠速状态的异常工况预警。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、盾构数据采集：
在盾构机掘进过程中，采用SCADA系统对盾构机的掘进参数进行实时采集，并将检测到的掘进参数通过通信模块实时传送至监控计算机；其中，掘进参数包括盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速；
步骤二、盾构数据的预处理：
监控计算机对各个采样时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据进行缺失与异常判断，剔除缺失与异常数据，得到预处理后的掘进参数数据；
步骤三、盾构机怠速状态的设定：
步骤301、设定盾构机的推进速度为V，设定盾构机的刀盘扭矩为T，盾构机的刀盘转速为n；
步骤302、设定盾构机停止即V＝0,T＝0且n＝0；设定盾构机正常运行状态即V＞0，T＞0且n＞0；
步骤303、设定盾构机停机到盾构机正常运行之间的状态为盾构机怠速状态；其中，盾构机怠速状态即V＝0，T＞0且n＞0；
步骤304、根据预处理后的掘进参数数据，得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j；
步骤四、盾构机怠速状态的预警提示：
步骤401、在盾构机掘进的过程中，依次获得第J环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′J；其中，j和J均为正整数，且1≤j≤J；
步骤402、监控计算机根据公式
Figure BDA0003316272790000031
得到J环掘进过程中怠速扭矩平均值u；
步骤403、监控计算机根据公式
Figure BDA0003316272790000032
得到J环掘进过程中环怠速扭矩标准差δ；
步骤404、在盾构机继续掘进的过程中，监控计算机将第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′J+1和u+3δ进行判断，当T′J+1大于u+3δ，则说明第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩异常，监控计算机控制报警器报警提示；
当T′J+1不大于u+3δ，则说明第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩正常。
上述的一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，其特征在于：步骤二中监控计算机对各个采样时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据进行缺失与异常判断，剔除缺失与异常数据，得到预处理后的掘进参数数据，具体过程如下：
步骤201、监控计算机判断盾构机掘进过程中第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据是否缺失，如果第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩或者盾构机的刀盘转速数据发生缺失，则剔除第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据；如果第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据未发生缺失，则从步骤202执行；其中，i为正整数；
步骤202、监控计算机将第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速分别记作Vi，Ti，ni；
步骤203、监控计算机判断Vi是否等于零，当Vi＝0，Ti＞0，ni＞0时，则监控计算机将第i个采集时刻采集到的推进速度、刀盘扭矩和刀盘转速进行存储；否则，剔除该采集时刻采集到的掘进参数；
步骤204、多次重复步骤201至步骤203，得到掘进参数集合；
步骤205、监控计算机采用LOF算法，对掘进参数集合中的刀盘转速进行异常剔除，并将该异常刀盘转速所处的采样时刻的推进速度和刀盘扭矩同步剔除，得到第一次异常剔除后的掘进参数集合；
步骤206、监控计算机采用LOF算法，对掘进参数集合中的刀盘扭矩进行异常剔除，并将该异常刀盘扭矩所处的采样时刻的推进速度、刀盘转速同步剔除，得到预处理后的掘进参数数据。
上述的一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，其特征在于：步骤304中根据预处理后的掘进参数数据，得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j，具体过程如下：
步骤3041、根据预处理后的掘进参数数据，得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态下的各个采样时刻的预处理后刀盘扭矩；其中，第j环掘进过程中盾构机怠速状态下的预处理后刀盘扭矩的个数为Nj；
步骤3042、将第j环掘进过程中盾构机怠速状态下的各个预处理后刀盘扭矩按照从大到小排序进行排列并依次编号为1，...，Nj，并将第1个预处理后刀盘扭矩，...，第Nj个预处理后刀盘扭矩分别记作
Figure BDA0003316272790000041
Figure BDA0003316272790000042
步骤3043、当Nj为奇数时，根据公式
Figure BDA0003316272790000043
得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j；当Nj为偶数时，根据公式
Figure BDA0003316272790000044
得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j。
上述的一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，其特征在于：步骤401中J的取值范围为80～100。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明基于怠速扭矩的异常工况预警方法步骤简单、实现方便，有效地实现盾构机怠速状态的异常工况预警。
2、本发明方法操作简便且使用效果好，首先是盾构数据采集，之后对采集到的盾构数据进行行缺失与异常判断，剔除缺失与异常数据，得到预处理后的掘进参数数据，然后在盾构机怠速状态下得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j，最后根据历史J环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩数据，得到环怠速扭矩平均值u和环怠速扭矩标准差δ，最后将第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩与环怠速扭矩平均值u和环怠速扭矩标准差δ进行判断，进而监控计算机控制报警器报警提示，提高了预警的准确性。
综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，通过对盾构机怠速状态下怠速扭矩的获取，进而根据怠速扭矩实现盾构机怠速状态的异常工况预警。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示的一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，包括以下步骤：
步骤一、盾构数据采集：
在盾构机掘进过程中，采用SCADA系统对盾构机的掘进参数进行实时采集，并将检测到的掘进参数通过通信模块实时传送至监控计算机；其中，掘进参数包括盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速；
步骤二、盾构数据的预处理：
监控计算机对各个采样时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据进行缺失与异常判断，剔除缺失与异常数据，得到预处理后的掘进参数数据；
步骤三、盾构机怠速状态的设定：
步骤301、设定盾构机的推进速度为V，设定盾构机的刀盘扭矩为T，盾构机的刀盘转速为n；
步骤302、设定盾构机停止即V＝0,T＝0且n＝0；设定盾构机正常运行状态即V＞0，T＞0且n＞0；
步骤303、设定盾构机停机到盾构机正常运行之间的状态为盾构机怠速状态；其中，盾构机怠速状态即V＝0，T＞0且n＞0；
步骤304、根据预处理后的掘进参数数据，得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j；
步骤四、盾构机怠速状态的预警提示：
步骤401、在盾构机掘进的过程中，依次获得第J环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′J；其中，j和J均为正整数，且1≤j≤J；
步骤402、监控计算机根据公式
Figure BDA0003316272790000061
得到J环掘进过程中怠速扭矩平均值u；
步骤403、监控计算机根据公式
Figure BDA0003316272790000062
得到J环掘进过程中环怠速扭矩标准差δ；
步骤404、在盾构机继续掘进的过程中，监控计算机将第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′J+1和u+3δ进行判断，当T′J+1大于u+3δ，则说明第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩异常，监控计算机控制报警器报警提示；
当T′J+1不大于u+3δ，则说明第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩正常。
本实施例中，步骤二中监控计算机对各个采样时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据进行缺失与异常判断，剔除缺失与异常数据，得到预处理后的掘进参数数据，具体过程如下：
步骤201、监控计算机判断盾构机掘进过程中第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据是否缺失，如果第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩或者盾构机的刀盘转速数据发生缺失，则剔除第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据；如果第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据未发生缺失，则从步骤202执行；其中，i为正整数；
步骤202、监控计算机将第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速分别记作Vi，Ti，ni；
步骤203、监控计算机判断Vi是否等于零，当Vi＝0，Ti＞0，ni＞0时，则监控计算机将第i个采集时刻采集到的推进速度、刀盘扭矩和刀盘转速进行存储；否则，剔除该采集时刻采集到的掘进参数；
步骤204、多次重复步骤201至步骤203，得到掘进参数集合；
步骤205、监控计算机采用LOF算法，对掘进参数集合中的刀盘转速进行异常剔除，并将该异常刀盘转速所处的采样时刻的推进速度和刀盘扭矩同步剔除，得到第一次异常剔除后的掘进参数集合；
步骤206、监控计算机采用LOF算法，对掘进参数集合中的刀盘扭矩进行异常剔除，并将该异常刀盘扭矩所处的采样时刻的推进速度、刀盘转速同步剔除，得到预处理后的掘进参数数据。
本实施例中，步骤304中根据预处理后的掘进参数数据，得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j，具体过程如下：
步骤3041、根据预处理后的掘进参数数据，得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态下的各个采样时刻的预处理后刀盘扭矩；其中，第j环掘进过程中盾构机怠速状态下的预处理后刀盘扭矩的个数为Nj；
步骤3042、将第j环掘进过程中盾构机怠速状态下的各个预处理后刀盘扭矩按照从大到小排序进行排列并依次编号为1，...，Nj，并将第1个预处理后刀盘扭矩，...，第Nj个预处理后刀盘扭矩分别记作
Figure BDA0003316272790000071
Figure BDA0003316272790000072
步骤3043、当Nj为奇数时，根据公式
Figure BDA0003316272790000073
得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j；当Nj为偶数时，根据公式
Figure BDA0003316272790000081
得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j。
本实施例中，步骤401中J的取值范围为80～100。
本实施例中，Nj为正整数。
本实施例中，步骤3043中采用求中位数得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩，提高了怠速扭矩的获取准确性。
本实施例中，需要说明的是，LOF算法是指Local Outlier Factor算法，又称局部异常因子算法。
综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，通过对盾构机怠速状态下怠速扭矩的获取，进而根据怠速扭矩实现盾构机怠速状态的异常工况预警。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、盾构数据采集：
在盾构机掘进过程中，采用SCADA系统对盾构机的掘进参数进行实时采集，并将检测到的掘进参数通过通信模块实时传送至监控计算机；其中，掘进参数包括盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速；
步骤二、盾构数据的预处理：
监控计算机对各个采样时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据进行缺失与异常判断，剔除缺失与异常数据，得到预处理后的掘进参数数据；
步骤三、盾构机怠速状态的设定：
步骤301、设定盾构机的推进速度为V，设定盾构机的刀盘扭矩为T，盾构机的刀盘转速为n；
步骤302、设定盾构机停止即V＝0,T＝0且n＝0；设定盾构机正常运行状态即V＞0，T＞0且n＞0；
步骤303、设定盾构机停机到盾构机正常运行之间的状态为盾构机怠速状态；其中，盾构机怠速状态即V＝0，T＞0且n＞0；
步骤304、根据预处理后的掘进参数数据，得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j；
步骤四、盾构机怠速状态的预警提示：
步骤401、在盾构机掘进的过程中，依次获得第J环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′J；其中，j和J均为正整数，且1≤j≤J；
步骤402、监控计算机根据公式
Figure FDA0003316272780000011
得到J环掘进过程中怠速扭矩平均值u；
步骤403、监控计算机根据公式
Figure FDA0003316272780000021
得到J环掘进过程中环怠速扭矩标准差δ；
步骤404、在盾构机继续掘进的过程中，监控计算机将第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′J+1和u+3δ进行判断，当T′J+1大于u+3δ，则说明第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩异常，监控计算机控制报警器报警提示；
当T′J+1不大于u+3δ，则说明第J+1环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩正常。
2.按照权利要求1所述的一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，其特征在于：步骤二中监控计算机对各个采样时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据进行缺失与异常判断，剔除缺失与异常数据，得到预处理后的掘进参数数据，具体过程如下：
步骤201、监控计算机判断盾构机掘进过程中第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据是否缺失，如果第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩或者盾构机的刀盘转速数据发生缺失，则剔除第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据；如果第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速数据未发生缺失，则从步骤202执行；其中，i为正整数；
步骤202、监控计算机将第i个采集时刻采集到的盾构机的推进速度、盾构机的刀盘扭矩和盾构机的刀盘转速分别记作Vi，Ti，ni；
步骤203、监控计算机判断Vi是否等于零，当Vi＝0，Ti＞0，ni＞0时，则监控计算机将第i个采集时刻采集到的推进速度、刀盘扭矩和刀盘转速进行存储；否则，剔除该采集时刻采集到的掘进参数；
步骤204、多次重复步骤201至步骤203，得到掘进参数集合；
步骤205、监控计算机采用LOF算法，对掘进参数集合中的刀盘转速进行异常剔除，并将该异常刀盘转速所处的采样时刻的推进速度和刀盘扭矩同步剔除，得到第一次异常剔除后的掘进参数集合；
步骤206、监控计算机采用LOF算法，对掘进参数集合中的刀盘扭矩进行异常剔除，并将该异常刀盘扭矩所处的采样时刻的推进速度、刀盘转速同步剔除，得到预处理后的掘进参数数据。
3.按照权利要求1所述的一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，其特征在于：步骤304中根据预处理后的掘进参数数据，得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j，具体过程如下：
步骤3041、根据预处理后的掘进参数数据，得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态下的各个采样时刻的预处理后刀盘扭矩；其中，第j环掘进过程中盾构机怠速状态下的预处理后刀盘扭矩的个数为Nj；
步骤3042、将第j环掘进过程中盾构机怠速状态下的各个预处理后刀盘扭矩按照从大到小排序进行排列并依次编号为1，...，Nj，并将第1个预处理后刀盘扭矩，...，第Nj个预处理后刀盘扭矩分别记作
Figure FDA0003316272780000031
Figure FDA0003316272780000032
步骤3043、当Nj为奇数时，根据公式
Figure FDA0003316272780000033
得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j；当Nj为偶数时，根据公式
Figure FDA0003316272780000034
得到第j环掘进过程中盾构机怠速状态的怠速扭矩T′j。
4.按照权利要求1所述的一种基于怠速扭矩的异常工况预警方法，其特征在于：步骤401中J的取值范围为80～100。
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