CN114135300B - 盾构机同步推拼系统推进力分配方法、装置、设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本文提供了盾构机同步推拼系统推进力分配方法、装置、设备和介质，方法包括：获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；构建使得第二推进力合力和第二合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小的推进力约束方程；求解推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。本文基于力学和数学理论，构建使得总推进力合力和合力点不变、同步推拼模式下处于推进状态的各油缸与交替推拼模式下各油缸的推进力变化尽可能小的推进力约束方程，有利于减小推进动力损耗，也使各油缸推进力的调节更加精确，保障盾构姿态和推进力速度。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道施工技术和装备领域，具体涉及盾构机同步推拼系统推进力分配方法、装置、设备和介质。
背景技术
常规盾构施工采用交替推拼模式，即先进行推进，待推进有一环管片的宽度后进行该环管片的拼装，使隧道一次成型；一环管片拼装完成后，盾构机再次推进一环距离，之后再进行一环管片拼装，如此反复交替进行。采用该模式施工时，盾构机的推进工序完全停下来才能开始拼装工序，这就导致了盾构机的各系统需要频繁地启停，从根本上制约了隧道施工的效率。
因此，同步推拼模式应运而生，这种模式是指油缸推动盾构机向前掘进的同时，缩回若干个相邻的油缸用于管片的拼装，以此实现一边推进一边拼装，可大大提高了掘进效率。但由于缩回了一组油缸，因此剩余油缸必须维持原交替模式下油缸提供的推进力合力点不变以避免发生偏载，并且还应使得总推进力大小不变以保障掘进动力和掘进速度，因此保持合力点不变和总推力不变是同步推拼模式的关键。
现有的同步推拼模式主要有两种控制方式：一种方式是缩回一组油缸用于管片拼装，再缩回一组与之对称的油缸(也称为同调)以克服偏载，其余油缸增大推力以实现合力点和总推力不变；另一种方式是使得未缩回的油缸形成梯度化的推进力以补偿缩回油缸的推进力。但这两种方式难以适用于任意油缸分组缩回时对剩余油缸推进力的分配，其推进力计算结果还可能超出油缸压力的上限值，且计算精度低；除此以外，这两种方式还难以适用于油缸数量少的场景。因此，亟需一种同步推拼模式下盾构机推进力的分配方法。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本文的目的在于，提供一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法、装置、设备和介质，以解决现有技术中无法实现任意油缸缩回拼装时剩余油缸推进力分配的问题和剩余油缸推进力计算。
为了解决上述技术问题，本文的具体技术方案如下：
第一方面，本文提供一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法，包括：
获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各油缸的第二推进力合力和第二合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小的推进力约束方程；
求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
具体地，所述第二推进力合力的计算公式为：
其中，SUM2为第二推进力合力，Foi为同步推拼模式下第i个处于推进状态的油缸的推进力，N为油缸总数；k1为同步推拼模式下处于回缩状态的油缸的数量，k1>1；当i∈[m，m+k1)时，Foi＝0为处于缩回状态的油缸；m的取值范围为[1，N]；
则SUM2＝SUM1；
其中，SUM1为第一推进力合力，Fi为交替推拼模式下第i个油缸的推进力。
具体地，在构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各油缸的第二推进力合力和第二合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小的推进力约束方程之前，所述方法还包括：
建立原点与盾构机的中心相重合的坐标系；
基于所述坐标系，获取盾构机各油缸的位置。
进一步地，所述第二合力点坐标为：
其中，X2为第二合力点水平坐标，Y2为第二合力点竖直坐标；θoi为同步推拼模式下处于推进状态的第i个油缸与坐标系X轴的夹角；
则X2＝X1；
Y2＝Y1；
其中，X1为第一合力点水平坐标，Y1为第一合力点竖直坐标，θi为交替推拼模式下第i个油缸与坐标系X轴的夹角。
更进一步地，使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小为：
优选地，所述求解所述推进力约束方程，包括：
根据所述推进力约束方程，建立拉格朗日乘子法计算公式；
将所述推进力约束方程与解析所述拉格朗日乘子法公式得到的偏导方程联立，得到关于同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力的满秩矩阵；
求解所述满秩矩阵，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
具体地，建立的拉格朗日乘子法计算公式为：
其中，为求偏导，γ、δ和μ均为常系数。
优选地，所述推进力约束方程还包括：使得各油缸的推进力小于等于推进力阈值。
第二方面，本文还提供一种盾构机同步推拼系统推进力分配装置，包括：
第一获取模块，用于获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
第一构建模块，用于构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各油缸的第二推进力合力和第二合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小推进力约束方程；
第一求解模块，用于求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
第三方面，本文提供一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法，包括：
获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
对同步推拼模式下的处于推进模式的油缸进行分组，使得每个分组中均至少包括一个油缸；
基于各个分组，构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各组油缸的第三推进力合力和第三合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得各组油缸推进力变化最小的推进力约束方程；
求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
具体地，所述第三推进力合力的计算公式为：
其中，SUM3为第三推进力合力，FTj为同步推拼模式下分组后第j组处于推进状态的油缸的推进力，n为分组的数量；
则SUM3＝SUM1；
其中，SUM1为第一推进力合力，Fi为交替推拼模式下第i个油缸的推进力，N为油缸总数。
进一步地，同步推拼下各组油缸的推进力为：
或FTj＝k2×fTj,q，q∈[1，k2]；
其中，k2为各个分组中油缸的数量，fTj,q为该分组后第j个分组中第q个油缸的推进力。
具体地，第三合力点坐标为：
其中，X3为第三合力点水平坐标，Y3为第三合力点竖直坐标；θTj为同步推拼模式下第j组油缸与坐标系X轴的夹角，所述坐标系的原点与盾构机的中心相重合；
则X3＝X1；
Y3＝Y1；
其中，X1为第一合力点水平坐标，Y1为第一合力点竖直坐标，θi为交替推拼模式下第i个油缸与坐标原点的夹角。
具体地，使得各组油缸的推进力变化最小为：
其中，Jj为同步推拼模式下分组后第j个分组中各油缸的集合。
第四方面，本文还提供一种盾构机同步推拼系统推进力分配装置，包括：
第二获取模块，用于获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
分组模块，用于对同步推拼模式下的处于推进模式的油缸进行分组，使得每个分组中均至少包括一个油缸；
第二构建模块，用于基于各个分组，构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各组油缸的第三推进力合力和第三合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得各组油缸推进力变化最小的推进力约束方程；
第二求解模块，用于求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
第五方面，本文提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述技术方案提供的方法。
第六方面，本文还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述技术方案提供的方法。
采用上述技术方案，本文所述一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法、装置、设备和介质，能够基于力学和数学的理论，构建使得在确保管片拼装过程中推进系统产生的总推进力合力和合力点不变这一关键的基础上使得控制同步推拼模式下处于推进状态的各油缸与交替推拼模式下各油缸的推进力变化尽可能小的推进力约束方程，减小由于油缸推进力调整幅度大带来的动力损耗，也使得求解得到的各油缸推进力的调节更加精确，使得盾构姿态和推进力速度得到保障。
为让本文的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本文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文的一些实施例，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示出了本文实施例中盾构机推拼系统的局部的结构示意图；
图2示出了一种油缸的分布示意图；
图3示出了本文实施例提供的一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法的步骤流程图；
图4示出了本文实施例中求解推进力约束方程的步骤流程图；
图5示出了本文实施例提供的一种盾构机同步推拼系统推进力分配装置的结构示意图；
图6示出了本文实施例提供的另一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法的步骤流程图；
图7示出了本文实施例提供的另一种盾构机同步推拼系统推进力分配装置的结构示意图；
图8示出了本文实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。
附图符号说明：
11、刀盘；
12、油缸；
13、管片；
14、输送机；
51、第一获取模块；
52、第一构建模块；
53、第一求解模块；
71、第二获取模块；
72、分组模块；
73、第二构建模块；
74、第二求解模块；
802、计算机设备；
804、处理器；
806、存储器；
808、驱动机构；
810、输入/输出模块；
812、输入设备；
814、输出设备；
816、呈现设备；
818、图形用户接口；
820、网络接口；
822、通信链路；
824、通信总线。
具体实施方式
下面将结合本文实施例中的附图，对本文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文一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，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，都属于本文保护的范围。
需要说明的是，本文的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本文的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
随着国民经济的快速发展，我国城市化进程不断加快，国内城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程逐渐将盾构工法作为施工的主要选择，盾构机也成为了隧道掘进的主力装备。
常规盾构施工采用交替推拼模式，盾构机的掘进工序需完全停下来才能开始拼装工序，使得管片拼装的循环周期长，施工效率低。因此，能够实现掘进工序与拼装工序同步进行、从而能够从本质上提高盾构施工效率的同步推拼模式应运而生，成为当下盾构装备研发的主流方向。其主要关键技术难题在于如何确保在管片拼装过程中推进系统产生的总推进力合力和合力点不变，从而稳定盾构的掘进姿态和掘进速度。然而，现有的推拼系统推进力控制技术无法实现任意油缸缩回时剩余油缸动力的精准调配，使得各油缸的推进力调节十分被动，对盾构姿态和推进速度产生不利影响。
为了解决上述问题，本文实施例提供了盾构机同步推拼系统推进力分配方法、装置、设备和介质，能够解决在任意油缸缩回以用于管片拼装时，剩余用于掘进的油缸的推进力分配问题，并且提高对各油缸推进力分配的精度，保障掘进姿态和掘进速度。
在对推进力分配方法介绍之前，本说明书实施例中将对盾构机的结构及其工作原理进行简单介绍。如图1所示，为盾构机推拼系统的局部的结构示意图，盾构机主要包括刀盘11和油缸12，油缸12的一端与刀盘11连接以驱动刀盘11向前掘进，刀盘11转动向前掘进时切割下的岩石和土壤通过输送机14输送出；油缸12的另一端通过撑靴顶在已经拼装好的管片13处，管片13给油缸12提供反作用力使得盾构机在掘进方向上向前移动。
如图2所示为油缸的分布示意图。示例性的，图2中示出了设有28个油缸的情况，这28个油缸均匀、圆周布置于盾构机推拼系统。图2中，以No.1至No.28对这些油缸进行了编号并示出了由油缸负责拼装的管片，下文中将以具有28个油缸的推进系统在同步推拼模式下推进力的分配方法进行说明。需要说明的是，本说明书对油缸的数量不作唯一限定，同时对管片的数量和大小不作唯一限定，本领域技术人员可根据需要进行选择。
如图3是本文实施例提供的一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法的步骤流程图，本说明书提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或装置产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。具体的，如图3所示，本说明书实施例提供的盾构机同步推拼系统推进力分配方法可以包括：
S310：获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
S320：构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各油缸的第二推进力合力和第二合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小的推进力约束方程；
S330：求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
本说明书在确保管片拼装过程中推进系统产生的总推进力合力和合力点不变这一关键的基础上使得控制同步推拼模式下处于推进状态的各油缸与交替推拼模式下各油缸相比，推进力变化尽可能小，有利于减少由于油缸推进力调整幅度大带来的动力损耗；并基于力学和数学的理论，根据上述条件建立约束方程并求解，使得各油缸推进力的调节更加精确，使得盾构姿态和推进力速度得到保障。
所述第二推进力合力的计算公式为：
其中，SUM2为第二推进力合力，Foi为同步推拼模式下第i个处于推进状态的油缸的推进力，N为油缸总数；k1为同步推拼模式下处于回缩状态的油缸的数量，k1>1；当i∈[m，m+k1)时，Foi＝0表示处于缩回状态的油缸；m的取值范围为[1，N]；
则SUM2＝SUM1；
其中，SUM1为第一推进力合力，Fi为交替推拼模式下第i个油缸的推进力。
以图1和图2所示的盾构机推进系统为例，即油缸总数N为28，在交替推拼模式下的掘进状态时，其所有的油缸都用于推进，也就是说，第一推进力合力为：
当该盾构机推进系统处于同步推拼模式时，假设此时1号油缸、2号油缸和3号油缸缩回用于管片拼接(处于缩回状态的油缸数量为3，即k1＝3，m取1表示从第1号油缸开始缩回)，由4号至28号油缸提供推进力，则此时第二推进力合力为：
即SUM2＝Fo4+Fo5+······+Fo27+Fo28。
在步骤S320之前，所述方法还包括：
建立原点与盾构机的中心相重合的坐标系；即建立如图2所示的坐标系，其原点与盾构机中心相重合，示例性的，本说明书实施例中，从X轴正方向开始并沿逆时针对各个油缸进行编号。
基于所述坐标系，获取盾构机各油缸的位置。
需要说明的是，建立了坐标系后，各油缸的位置均不会发生变化(不论是在交替推拼模式下还是在同步推拼模式下)，变化的仅仅是各油缸的状态，有时处于推进状态，有时处于拼装状态。各油缸的位置可由各油缸在该坐标系中的横、纵坐标表示。由于各油缸呈圆周分布，距坐标系原点的距离均相等，因此，各油缸的位置还可用X轴正方向与油缸和原点间的连线的夹角进行简便表示。如图2中所示，同步推拼模式下的4号油缸的位置可用θo4表示。
则本说明书实施例中所述第二合力点坐标为：
其中，X2为第二合力点水平坐标，Y2为第二合力点竖直坐标；θoi为同步推拼模式下处于推进状态的第i个油缸与坐标系原点的连线和坐标系X轴的夹角；
则X2＝X1；
Y2＝Y1；
其中，X1为第一合力点水平坐标，Y1为第一合力点竖直坐标，θi为交替推拼模式下第i个油缸与坐标原点的夹角。
具体地，当总油缸数为28，且1号油缸、2号油缸和3号油缸处于缩回状态时，第二合力点水平坐标为：
写成矩阵形式，则有：
同理，第二合力点竖直坐标为：
其中，
以及
进一步地，本说明书实施例中，使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小为：
即min＝(Fo4-F4)2+(Fo5-F5)2+······+(Fo27-F27)2+(Fo28-F28)2。
综上，本说明书实施例构建的推进力约束方程为：
上述推进力约束方程中包含有Fo4、Fo5……Fo27、Fo28这25个未知参数，求解上述推进力约束方程则可得同步推拼模式下各处于推进状态的油缸的推进力。
具体地，如图4所示，本说明书实施例中，步骤S330：求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力，可采用如下方式：
S410：根据所述推进力约束方程，建立拉格朗日乘子法计算公式；
S420：将所述推进力约束方程与解析所述拉格朗日乘子法公式得到的偏导方程联立，得到关于同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力的满秩矩阵；
S430：求解所述满秩矩阵，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
具体地，建立的拉格朗日乘子法计算公式为：
其中，为求偏导，γ、δ和μ均为待计算的常系数。
对上述拉格朗日乘子法计算公式进行求偏导，得到：
……
将这些求偏导得到的式子与第一推进力合力等于第二推进力合力、第一合力点坐标等于第二合力点坐标这两个约束条件联立，即可解得Fo4、Fo5……Fo27、Fo28这些未知参数。
当然，对推进力约束方程还可以有其他的求解方法，本文不做详细展开。
如图2所示，当1号油缸、2号油缸和3号油缸对管片的拼装工序完成后将回归至推进状态，继而由4号至7号油缸缩回进行下一块管片的拼装，此时，由1号至3号和8号至28号油缸共同提供推进力，继续采用上述推进力分配方法对这些油缸进行推进力调节控制。当4号至7号油缸推拼工序完成后又回归至推进状态，继而由8号至10号油缸进行下一块管片的拼装，依次类推，直至完成这一环管片的拼装。
在这一环管片拼装完成后，盾构机也完成了向前掘进一段距离的工序，从而便于进行下一环管片的拼装。在进行下一环管片拼装时，每块管片可与前一环中的各个管片进行错位拼装：例如，由2号至4号油缸进行第一块管片的拼装，由5号至8号油缸进行第二块管片的拼装，由9号至11号油缸进行第三块管片的拼装等等。这样，可避免在沿隧道的掘进方向管片的接缝连成一条直线，起到保障隧道管壁的支撑强度的作用。
综上所述，本说明书实施例提供的盾构机同步推拼系统推进力分配方法，可应用于对任意位置、任意数量的油缸缩回后剩余油缸推进力的分配问题，不会受限于油缸的总数、管片的数量和管片的大小(即每次需要缩回的油缸的数量)等因素，可满足于诸如各环管片错位拼装等场景的推进力分配需求。本说明书实施例与需要需要提前计算出各油缸推进力与缩回油缸位置分布的对照表的现有技术相比，应用更加广泛，且更加灵活。
在一些优选的实施例中，所述推进力约束方程还包括：使得各油缸的推进力小于等于推进力阈值；
即优选地，推进力约束方程除：
还包括：Foi≤Fmax。
其中，Fmax为各油缸的推进力阈值。
从而，能够避免计算得到的同步推拼模式下处于推进状态的油缸推进力大于推进力阈值，导致技术上无法实现的问题。
如图5所示，本说明书实施例还提供一种盾构机同步推拼系统推进力分配装置，包括：
第一获取模块51，用于获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
第一构建模块52，用于构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各油缸的第二推进力合力和第二合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小推进力约束方程；
第一求解模块53，用于求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
通过本说明书实施例提供的装置所取得的有益效果和上述方法所取得的有益效果相一致，此处不再赘述。
如图6所示，本说明书实施例中还提供另一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法，可以包括如下步骤：
S610：获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
S620：对同步推拼模式下的处于推进模式的油缸进行分组，使得每个分组中均至少包括一个油缸；
S630：基于各个分组，构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各组油缸的第三推进力合力和第三合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得各组油缸推进力变化最小的推进力约束方程；
S640：求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
本说明书实施例提供的盾构机同步推拼系统推进力分配方法，对同步推拼模式下处于推进状态的油缸分组，进而以各个分组为单位构获取第三推进力合力以及第三合力点坐标以建推进力约束方程，从而待求解的变量数量减少，有利于减轻计算压力，提高计算效率；并且基于力学和数学理论构建并求解的推进力约束方程，能够减小由于油缸推进力大幅度调整带来的动力损耗，也使得求解得到的各油缸推进力的调节更加精确，使得盾构姿态和推进力速度得到保障。
第三推进力合力为：
其中，SUM3为第三推进力合力，FTj为同步推拼模式下分组后的第j组处于推进状态的油缸的推进力，T代表分组，n为分组的总数；
则SUM3＝SUM1；
其中，SUM1为第一推进力合力，Fi为交替推拼模式下第i个油缸的推进力，N为油缸总数。
示例性的，本说明书实施例中的盾构机推进系统包括28个油缸(如图2所示)，则交替推拼模式下的第一推进力合力为：
当盾构机推进系统处于同步推拼模式时，1号至3号油缸处于缩回状态以用于管片拼装，4号至28号油缸处于推进状态以用于提供掘进所需的推进力。此时假设分组为：将4号至7号油缸分成一组，其余各个油缸各自为一组(即总共得到22个分组，n为22)。当然了，本领域技术人员可以理解的是，这仅仅是一种可行的分组方式，在实际应用时，可根据具体需要自定义分组。
则在这种分组方式下，第三推进力合力为：
即SUM3＝FT1+FT2+······+FT21+FT22。
且其中，
或FTj＝k2fTj,q，q∈[1，k2]；
其中，k2为各个分组中油缸的数量，fTj,q为分组后第j个分组中第q个油缸的推进力。本说明书中，fTj,q下标中Tj与q之间用逗号分隔开，以避免组别号与该组中油缸的编号混淆。
对应于上述分组方式，则4号至7号油缸构成的第一个分组FT1为：
在一些可行的实施例中，可设置每个分组中的各油缸的推进力大小相等，则各组油缸的推进力等于该组油缸中单个油缸的推进力与该分组中油缸数量的乘积，即：
FT1＝4×fT1，1＝4×fT1，2＝4×fT1，3＝4×fT1，4。
第三合力点坐标为：
其中，X3为第三合力点水平坐标，Y3为第三合力点竖直坐标；θTj为同步推拼模式下第j组油缸与坐标系X轴的夹角，所述坐标系的原点与盾构机的中心相重合；
则X3＝X1；
Y3＝Y1；
其中，X1为第一合力点水平坐标，Y1为第一合力点竖直坐标，θi为交替推拼模式下第i个油缸与坐标原点的夹角。
具体地，第一合力点水平坐标和第一合力点竖直坐标分别为：
在采用前述分组方式的前提下，第三合力点水平坐标和第三合力点竖直坐标分别为：
需要说明的是，分组后，各分组油缸推进力对应的夹角θTj应位于该组所在扇形区段的中线处。
由于FT1＝4×fT1，1＝4×fT1，2＝4×fT1，3＝4×fT1，4；
因此，第三合力点水平坐标可进一步表示为：
同理，第三合力点竖直坐标可表示为：
进一步地，使得各组油缸的推进力变化最小为：
其中，Jj为同步推拼模式下分组后第j个分组中各油缸的集合。对应于上述分组方式，具体为：
从而，构建的推进力约束方程为：
上述推进力约束方程中包含有fT1,q、FT2……FT21、FT22这22个未知参数，与未分组的油缸推进力分配方法相比，未知参数的数量减少了，在此基础上，还可以设置其他分组具有两个或两个以上数量个油缸，从而起到显著地减小计算量、提高计算效率的作用。
具体地，求解上述推进力约束方程的方法与未对油缸进行分组时构建的推进力约束方程的求解方法相同或相似，此处不再赘述。
本说明书实施例提供的盾构机同步推拼系统推进力分配方法，能够实现对同步推拼模式下处于推进状态的油缸进行任意分组，在减轻计算压力、提高计算效率的同时提高推进力分配方法的适用范围(例如，可简便适用于各环管片中各管片大小不一的情况、相邻两环管片错位拼装的情况等等)；并且基于力学和数学理论构建并求解的推进力约束方程，能够减小动力损耗，也使得对各油缸推进力的调节更加精确，使得盾构姿态和推进力速度得到保障，避免在掘进过程中发生偏载等不利现象。
如图7所示，本说明书实施例还提供一种盾构机同步推拼系统推进力分配装置，包括：
第二获取模块71，用于获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
分组模块72，用于对同步推拼模式下的处于推进模式的油缸进行分组，使得每个分组中均至少包括一个油缸；
第二构建模块73，用于基于各个分组，构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各组油缸的第三推进力合力和第三合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得各组油缸推进力变化最小的推进力约束方程；
第二求解模块74，用于求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
通过本说明书实施例提供的装置所取得的有益效果和上述方法所取得的有益效果相一致，此处不再赘述。
如图8所示，为本文实施例提供的一种计算机设备，所述计算机设备802可以包括一个或多个处理器804，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)，每个处理单元可以实现一个或多个硬件线程。计算机设备802还可以包括任何存储器806，其用于存储诸如代码、设置、数据等之类的任何种类的信息。非限制性的，比如，存储器806可以包括以下任一项或多种组合：任何类型的RAM，任何类型的ROM，闪存设备，硬盘，光盘等。更一般地，任何存储器都可以使用任何技术来存储信息。进一步地，任何存储器可以提供信息的易失性或非易失性保留。进一步地，任何存储器可以表示计算机设备802的固定或可移除部件。在一种情况下，当处理器804执行被存储在任何存储器或存储器的组合中的相关联的指令时，计算机设备802可以执行相关联指令的任一操作。计算机设备802还包括用于与任何存储器交互的一个或多个驱动机构808，诸如硬盘驱动机构、光盘驱动机构等。
计算机设备802还可以包括输入/输出模块810(I/O)，其用于接收各种输入(经由输入设备812)和用于提供各种输出(经由输出设备814)。一个具体输出机构可以包括呈现设备816和相关联的图形用户接口818(GUI)。在其他实施例中，还可以不包括输入/输出模块810(I/O)、输入设备812以及输出设备814，仅作为网络中的一台计算机设备。计算机设备802还可以包括一个或多个网络接口820，其用于经由一个或多个通信链路822与其他设备交换数据。一个或多个通信总线824将上文所描述的部件耦合在一起。
通信链路822可以以任何方式实现，例如，通过局域网、广域网(例如，因特网)、点对点连接等、或其任何组合。通信链路822可以包括由任何协议或协议组合支配的硬连线链路、无线链路、路由器、网关功能、名称服务器等的任何组合。
对应于图3-图4和图6中的方法，本文实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。
本文实施例还提供一种计算机可读指令，其中当处理器执行所述指令时，其中的程序使得处理器执行如图3-图4和图6中的方法。
应理解，在本文的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本文实施例的实施过程构成任何限定。
还应理解，在本文实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以意识到，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文的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本文所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本文实施例方案的目的。
另外，在本文各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本文的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本文各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本文中应用了具体实施例对本文的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本文的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本文的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本文的限制。
Claims (17)
1.一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法，其特征在于，包括：
获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各油缸的第二推进力合力和第二合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小的推进力约束方程；
求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二推进力合力的计算公式为：
其中，SUM2为第二推进力合力，Foi为同步推拼模式下第i个处于推进状态的油缸的推进力，N为油缸总数；k1为同步推拼模式下处于回缩状态的油缸的数量，k1>1；当i∈[m，m+k1)时，Foi＝0为处于缩回状态的油缸；m的取值范围为[1，N]；
则SUM2＝SUM1；
其中，SUM1为第一推进力合力，Fi为交替推拼模式下第i个油缸的推进力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各油缸的第二推进力合力和第二合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小的推进力约束方程之前，所述方法还包括：
建立原点与盾构机的中心相重合的坐标系；
基于所述坐标系，获取盾构机各油缸的位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二合力点坐标为：
其中，X2为第二合力点水平坐标，Y2为第二合力点竖直坐标；θoi为同步推拼模式下处于推进状态的第i个油缸与坐标系X轴的夹角；
则X2＝X1；
Y2＝Y1；
其中，X1为第一合力点水平坐标，Y1为第一合力点竖直坐标，θi为交替推拼模式下第i个油缸与坐标系X轴的夹角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小为：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述求解所述推进力约束方程，包括：
根据所述推进力约束方程，建立拉格朗日乘子法计算公式；
将所述推进力约束方程与解析所述拉格朗日乘子法公式得到的偏导方程联立，得到关于同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力的满秩矩阵；
求解所述满秩矩阵，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，建立的拉格朗日乘子法计算公式为：
其中，为求偏导，γ、δ和μ均为常系数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述推进力约束方程还包括：使得各油缸的推进力小于等于推进力阈值。
9.一种盾构机同步推拼系统推进力分配装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
第一构建模块，用于构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各油缸的第二推进力合力和第二合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得处于推进状态的各油缸的推进力变化最小推进力约束方程；
第一求解模块，用于求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
10.一种盾构机同步推拼系统推进力分配方法，其特征在于，包括：
获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
对同步推拼模式下的处于推进模式的油缸进行分组，使得每个分组中均至少包括一个油缸；
基于各个分组，构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各组油缸的第三推进力合力和第三合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得各组油缸推进力变化最小的推进力约束方程；
求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第三推进力合力的计算公式为：
其中，SUM3为第三推进力合力，FTj为同步推拼模式下分组后第j组处于推进状态的油缸的推进力，n为分组的数量；
则SUM3＝SUM1；
其中，SUM1为第一推进力合力，Fi为交替推拼模式下第i个油缸的推进力，N为油缸总数。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，同步推拼下各组油缸的推进力为：
或FTj＝k2×fTj,q，q∈[1，k2]；
其中，k2为各个分组中油缸的数量，fTj,q为该分组后第j个分组中第q个油缸的推进力。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，第三合力点坐标为：
其中，X3为第三合力点水平坐标，Y3为第三合力点竖直坐标；θTj为同步推拼模式下第j组油缸与坐标系X轴的夹角，所述坐标系的原点与盾构机的中心相重合；
则X3＝X1；
Y3＝Y1；
其中，X1为第一合力点水平坐标，Y1为第一合力点竖直坐标，θi为交替推拼模式下第i个油缸与坐标原点的夹角。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使得各组油缸的推进力变化最小为：
其中，Jj为同步推拼模式下分组后第j个分组中各油缸的集合。
15.一种盾构机同步推拼系统推进力分配装置，其特征在于，包括：
第二获取模块，用于获取在交替推拼模式下各油缸的第一推进力合力和第一合力点坐标；
分组模块，用于对同步推拼模式下的处于推进模式的油缸进行分组，使得每个分组中均至少包括一个油缸；
第二构建模块，用于基于各个分组，构建使得同步推拼模式下处于推进状态的各组油缸的第三推进力合力和第三合力点坐标分别与第一推进力合力和第一合力点坐标相等、且使得各组油缸推进力变化最小的推进力约束方程；
第二求解模块，用于求解所述推进力约束方程，得到同步推拼模式下处于推进状态的各油缸推进力。
16.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任意一项所述的方法或如权利要求10至14任意一项所述的方法。
17.一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8任意一项所述的方法或如权利要求10至14任意一项所述的方法。
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