CN114934805A

CN114934805A - 隧道区间暗挖施工自动降尘方法及系统

Info

Publication number: CN114934805A
Application number: CN202210625192.XA
Authority: CN
Inventors: 吴康; 邱泽刚; 申玉生; 张逸飞; 苟安迪; 高登; 张昕阳; 潘笑海
Original assignee: Southwest Jiaotong University; China Railway 15th Bureau Group Co Ltd
Current assignee: Southwest Jiaotong University; China Railway 15th Bureau Group Co Ltd
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2042-06-02
Also published as: CN114934805B

Abstract

本发明公开了隧道区间暗挖施工自动降尘方法及系统，在接收到开挖触发信号时，形成第一时刻；将第一时刻标记于开挖粉尘曲线的起点；根据开挖粉尘曲线中对应第一时刻和第一时长的粉尘浓度作为第一粉尘浓度；根据第一粉尘浓度获取雾化喷淋参数，并根据雾化喷淋参数对预设喷淋区域进行喷淋降尘。本发明隧道区间暗挖施工自动降尘方法及系统，有效的从源头上降低了掌子面施工的扬尘问题，并且控制过程简单有效，非常有利于应用于施工自动化中，尤其对于暗挖环境中的施工环境有着很强的适用性，有效的降低了暗挖环境中掌子面的粉尘，有利于施工作业的快速开展。

Description

隧道区间暗挖施工自动降尘方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道施工自动化控制技术，具体涉及隧道区间暗挖施工自动降尘方法及系统。

背景技术

随着国家的发展和人民的需求，我国地铁建设进入了加速期。目前在地铁建设项目中，暗挖法施工所占比重逐渐增大，人们也越来越重视由此产生的粉尘问题。

由于区间暗挖施工在以隧道为主的半封闭空间内，大量粉尘碰撞扩散，导致洞内空气污染，洞内能见度下降，施工人员视线受阻，易引发工程安全事故；同时隧道爆破后大量有毒有害气体在掌子面附近堆积，严重损害现场作业人员的健康，易诱发呼吸类疾病。因此，在隧道区间暗挖施工时，采取一定的降尘措施是非常有必要的。

目前，现有隧道区间施工降尘措施大多以通风为主、喷水为辅，造成降尘等待时间较长，且除尘效果不理想。且现有的喷淋降尘装置一般都是另置设备，需要配备专业人员进行操作，占地面积大，不易运输和使用，具有一定的局限性。同时设备往往无法靠近扬尘源头，不仅取得的降尘效果不理想，还会造成大量的水资源浪费。

随着科技的不断发展，越来越多的降尘方案被提出，而“在挖掘机上架设喷淋降尘装置”是众多方案中较为合理的一种。通过在挖掘机上架设降尘设备并形成一套自动降尘系统，能够在不影响开挖的同时从源头上解决掌子面的扬尘问题。但是，目前基于该方案所设计出的降尘系统往往存在装置复杂、耗能严重等问题，亟待提出更有效更节能的降尘系统。

发明内容

为了至少克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供隧道区间暗挖施工自动降尘方法及系统。

第一方面，本申请实施例提供了隧道区间暗挖施工自动降尘方法，包括：

在接收到开挖触发信号时，对所述开挖触发信号对应时刻进行标定形成第一时刻；

调用开挖粉尘曲线，并将所述第一时刻标记于所述开挖粉尘曲线的起点；所述开挖粉尘曲线为粉尘浓度与开挖时刻的对应关系；

记录开挖时长作为第一时长，并根据所述开挖粉尘曲线中对应所述第一时刻和所述第一时长的粉尘浓度作为第一粉尘浓度；

根据所述第一粉尘浓度获取雾化喷淋参数，并根据所述雾化喷淋参数对预设喷淋区域进行喷淋降尘。

现有技术中，对预设喷淋区域进行喷淋降尘时，无论采用手动还是自动的方式进行，对于预设喷淋区域的粉尘动态监控始终是一个重大难题；由于预设喷淋区域随着开挖和喷淋的同步进行，其粉尘变化过程是复杂的，发明人发现在喷淋的影响下，只通过对预设喷淋区域的粉尘浓度进行监测难以准确确定喷淋参数，并且预设喷淋区域的粉尘浓度随着喷淋参数的变化也在实时变化，其受到开挖影响的变化无法准确判断，施工人员只能根据相关经验进行喷淋作业。

本申请实施例实施时，采用了基于预设开挖粉尘曲线进行降尘的方式进行，其中开挖粉尘曲线为未降尘条件下进行开挖时，预设喷淋区域的粉尘浓度随时间的变化曲线。示例的，预设喷淋区域采用掌子面区域。在本申请实施例中，为了简化施工中的计算流程，通过开挖触发信号开启喷淋判断过程，其中开挖触发信号可以通过在掌子面上开挖的设备进行触发，这些设备包括但不限于挖掘机、悬臂掘进机、开挖台车等设备。

在接收到开挖触发信号时，基于开挖触发信号进行时刻标定，并调用开挖粉尘曲线完成开挖粉尘曲线和实际开挖过程的时间轴对齐。其中开挖粉尘曲线可以为预先录制的一个循环进尺未喷淋的粉尘浓度变化。由于开挖粉尘曲线中记录的粉尘浓度为未喷淋的粉尘浓度变化，所以该变化不会受到喷淋过程的影响，是一个相对准确的数据，在经历了第一时长开挖后，可以开始根据第一粉尘浓度进行降尘，应当理解的是，作为一个持续的开挖过程，第一时长可以是持续增长的，同时对应的第一粉尘浓度也是变化的，对应的雾化喷淋参数也是变化的，第一时长最长覆盖一个循环进尺的时长。由于已经获得了当前开挖应当对应的第一粉尘浓度，就可以根据第一粉尘浓度选取对应的喷淋参数，如喷头数量、喷淋压力、喷淋流量等。本申请实施例通过上述控制过程，有效的从源头上降低了掌子面施工的扬尘问题，并且控制过程简单有效，非常有利于应用于施工自动化中，尤其对于暗挖环境中的施工环境有着很强的适用性，有效的降低了暗挖环境中掌子面的粉尘，有利于施工作业的快速开展。

在一种可能的实现方式中，还包括：

喷淋降尘时，通过粉尘监测装置获取所述预设喷淋区域在第二时刻的粉尘浓度作为第二粉尘浓度，并获取所述预设喷淋区域在第三时刻的粉尘浓度作为第三粉尘浓度；

根据所述第二粉尘浓度、所述第三粉尘浓度、所述第二时刻和所述第三时刻计算粉尘浓度梯度；

根据所述粉尘浓度梯度修正所述雾化喷淋参数，并根据修正后的所述雾化喷淋参数对预设喷淋区域进行喷淋降尘。

在一种可能的实现方式中，还包括：

获取所述第二时刻对应的雾化喷淋参数作为第一预选参数，并获取所述第三时刻对应的雾化喷淋参数作为第二预选参数；

根据所述第一预选参数对所述预设喷淋区域未喷淋状态下的粉尘浓度进行反演计算生成第一反演浓度数据；

根据所述第二预选参数对所述预设喷淋区域未喷淋状态下的粉尘浓度进行反演计算生成第二反演浓度数据；

根据所述第一反演浓度数据、所述第二反演浓度数据、所述第二时刻和所述第三时刻对所述开挖粉尘曲线进行修正，并在下一开挖进尺中根据修正后的所述开挖粉尘曲线进行喷淋降尘。

在一种可能的实现方式中，根据所述第一粉尘浓度获取雾化喷淋参数，并根据所述雾化喷淋参数对预设喷淋区域进行喷淋降尘包括：

当所述第一粉尘浓度大于或等于第一预设浓度时，开启第一数量的雾化喷头装置，并控制无极增压水泵以第一水压向所述预设喷淋区域进行喷淋降尘；

当所述第一粉尘浓度小于第一预设浓度并大于或等于第二预设浓度时，开启第二数量的雾化喷头装置，并控制无极增压水泵以第二水压向所述预设喷淋区域进行喷淋降尘；

当所述第一粉尘浓度小于第二预设浓度并大于或等于第三预设浓度时，开启第三数量的雾化喷头装置，并控制无极增压水泵以第三水压向所述预设喷淋区域进行喷淋降尘；

当所述第一粉尘浓度小于第三预设浓度时，关闭所述雾化喷头装置和所述无极增压水泵。

在一种可能的实现方式中，还包括：

监测向所述无极增压水泵供水的供水箱的水位；

在所述水位低于预设值时，发出低水位警告。

在第二个方面，本申请实施例还提供了隧道区间暗挖施工自动降尘系统，包括：

触发模块，被配置为在接收到开挖触发信号时，对所述开挖触发信号对应时刻进行标定形成第一时刻；

标记模块，被配置为调用开挖粉尘曲线，并将所述第一时刻标记于所述开挖粉尘曲线的起点；所述开挖粉尘曲线为粉尘浓度与开挖时刻的对应关系；

记录模块，被配置为记录开挖时长作为第一时长，并根据所述开挖粉尘曲线中对应所述第一时刻和所述第一时长的粉尘浓度作为第一粉尘浓度；

喷淋控制模块，被配置为根据所述第一粉尘浓度获取雾化喷淋参数，并根据所述雾化喷淋参数对预设喷淋区域进行喷淋降尘。

在一种可能的实现方式中，还包括：

第一获取模块，被配置为喷淋降尘时，通过粉尘监测装置获取所述预设喷淋区域在第二时刻的粉尘浓度作为第二粉尘浓度，并获取所述预设喷淋区域在第三时刻的粉尘浓度作为第三粉尘浓度；

计算模块，被配置为根据所述第二粉尘浓度、所述第三粉尘浓度、所述第二时刻和所述第三时刻计算粉尘浓度梯度；

修正模块，被配置为根据所述粉尘浓度梯度修正所述雾化喷淋参数，并根据修正后的所述雾化喷淋参数对预设喷淋区域进行喷淋降尘。

在一种可能的实现方式中，还包括：

第二获取模块，被配置为获取所述第二时刻对应的雾化喷淋参数作为第一预选参数，并获取所述第三时刻对应的雾化喷淋参数作为第二预选参数；

反演模块，被配置为根据所述第一预选参数对所述预设喷淋区域未喷淋状态下的粉尘浓度进行反演计算生成第一反演浓度数据；并根据所述第二预选参数对所述预设喷淋区域未喷淋状态下的粉尘浓度进行反演计算生成第二反演浓度数据；

曲线修正模块，被配置为根据所述第一反演浓度数据、所述第二反演浓度数据、所述第二时刻和所述第三时刻对所述开挖粉尘曲线进行修正，并在下一开挖进尺中根据修正后的所述开挖粉尘曲线进行喷淋降尘。

在一种可能的实现方式中，所述喷淋控制模块还被配置为：

在一种可能的实现方式中，还包括水位监测模块，被配置为监测向所述无极增压水泵供水的供水箱的水位；在所述水位低于预设值时，发出低水位警告。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明隧道区间暗挖施工自动降尘方法及系统，有效的从源头上降低了掌子面施工的扬尘问题，并且控制过程简单有效，非常有利于应用于施工自动化中，尤其对于暗挖环境中的施工环境有着很强的适用性，有效的降低了暗挖环境中掌子面的粉尘，有利于施工作业的快速开展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本申请实施例的系统架构图；

图2为本申请实施例的自动降尘系统与挖掘机的关系示意图；

图3为本申请实施例的方法步骤示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1.雾化喷头装置；2.无极增压水泵；201.高压水管；202.常压水管；3.供水箱；301.水位传感器；4.控制系统；401.显示器；402.主控制器；403.电磁阀；5.粉尘监测装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请实施例的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其它操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

请结合参阅图3，为本发明实施例所提供的隧道区间暗挖施工自动降尘方法的流程示意图，所述隧道区间暗挖施工自动降尘方法可以应用于图1中的隧道区间暗挖施工自动降尘系统中，进一步地，所述隧道区间暗挖施工自动降尘方法具体可以包括以下步骤S1-步骤S4所描述的内容。

S1：在接收到开挖触发信号时，对所述开挖触发信号对应时刻进行标定形成第一时刻；

S2：调用开挖粉尘曲线，并将所述第一时刻标记于所述开挖粉尘曲线的起点；所述开挖粉尘曲线为粉尘浓度与开挖时刻的对应关系；

S3：记录开挖时长作为第一时长，并根据所述开挖粉尘曲线中对应所述第一时刻和所述第一时长的粉尘浓度作为第一粉尘浓度；

S4：根据所述第一粉尘浓度获取雾化喷淋参数，并根据所述雾化喷淋参数对预设喷淋区域进行喷淋降尘。

在一种可能的实现方式中，还包括：

本申请实施例实施，发明人发现隧道暗挖施工由于地质环境的变化和施工作业操作的差异，会造成粉尘浓度具有一定的随机性，为了克服这种随机性累计产生的负面效果，本申请实施例通过实时监控的方式对这种随机性进行控制。其中主要是通过粉尘浓度变化的梯度进行控制。在一定时长内，即第二时刻和第三时刻之间，如果第三粉尘浓度大于第二粉尘浓度，则粉尘浓度梯度为正，此时需要根据粉尘浓度梯度增大雾化喷淋参数，示例的，可以将粉尘浓度梯度作为梯度比例增大雾化喷淋参数。同样的，在一定时长内，即第二时刻和第三时刻之间，如果第三粉尘浓度小于第二粉尘浓度，则粉尘浓度梯度为负，此时需要根据粉尘浓度梯度降低雾化喷淋参数，示例的，可以将粉尘浓度梯度作为梯度比例减小雾化喷淋参数。以此实现对粉尘浓度随机性的控制。

在一种可能的实现方式中，还包括：

本申请实施例实施时，发明人发现，由于隧道开挖环境随着掘进很可能会发生变化，即当前进尺的粉尘情况和之前进尺的粉尘情况都会有些差异，但是相邻的两个循环进尺，由于地层环境较为相似，所以粉尘情况会更为接近，为了让开挖粉尘曲线更加准确，本申请实施例采用了适时采集雾化喷淋参数，再通过雾化喷淋参数和检测到的粉尘浓度进行未喷淋时的粉尘浓度进行反演计算，可以计算出当前更为准确的未喷淋的粉尘浓度，从而对开挖粉尘曲线进行修正。具体的，通过已有降尘规范中的计算方式，计算第一预选参数可以实现的降尘效果，再将该降尘效果反演叠加到第二粉尘浓度上形成第一反演浓度数据，将第一反演浓度数据赋值到开挖粉尘曲线的对应时刻上，完成修正。同样的，第二反演浓度数据的应用与第一反演浓度数据相同，在多次完成了赋值之后，通过曲线拟合或者差值计算可以完成开挖粉尘曲线的修正。

本申请实施例实施时，基于不同的粉尘浓度情况，进行了区间设定，其中第一数量应当大于第二数量，第二数量应当大于第三数量，第一水压应当大于第二水压，第二水压应当大于第三水压。

在一种可能的实现方式中，还包括：

监测向所述无极增压水泵供水的供水箱的水位；

在所述水位低于预设值时，发出低水位警告。

为了便于对上述的隧道区间暗挖施工自动降尘系统进行阐述，请结合参考图1，提供了本发明实施例所公开的隧道区间暗挖施工自动降尘系统的架构示意图，其中控制系统4包括主控制器402，主控制器402包括：

在一种可能的实现方式中，主控制器402还包括：

在一种可能的实现方式中，所述喷淋控制模块还被配置为：

在一种可能的实现方式中，主控制器402还包括水位监测模块，被配置为监测向所述无极增压水泵供水的供水箱的水位；在所述水位低于预设值时，发出低水位警告。

下面结合图1和图2所示的应用场景对本申请实施例提供的隧道区间暗挖施工自动降尘方法进行示例性说明。首先，请参阅图1和图2，本申请实施例提供的视频图像处理方法可以由前述的主控制器执行，在其它实施例中，本申请实施例的隧道区间暗挖施工自动降尘方法其中部分步骤的顺序可以根据实际需要相互交换，或者其中的部分步骤也可以省略或删除。

在图1和图2中，主要包括雾化喷头装置1、无极增压水泵2、供水箱3、控制系统4、粉尘监测装置5。所述雾化喷头装置1设置在斗杆上，通过增压水管201与无极增压水泵2连接。所述增压水管201设置在斗杆和动臂上，与雾化喷头装置1轴向连接。所述无极增压水泵2通过常压水管202与供水箱3连接，所述供水箱3内设置有水位传感器301。所述控制系统4设置在驾驶室内，通过输入端与粉尘监测装置5和水位传感器301连接，通过输出端与无极增压水泵2连接。

所述雾化喷头装置1由多组雾化喷头组成，固定在挖掘机斗杆上，并联连接增压水管201，能在不干扰挖掘机施工的情况下，进行大范围、多角度降尘，提高降尘效率。所述粉尘监测装置5通过底板固定在驾驶室上方，利用激光和传感器计算和判定当前工作环境中的粉尘，通过信号线路传输到控制系统4。所述控制系统4设置在挖掘机驾驶室内，由显示器401、主控制器402和电磁阀403组成，所述显示器401用来显示粉尘参数，所述电磁阀403分别安装在各雾化喷头装置支管和无极增压水泵上，所述主控制器402根据粉尘参数进行数据处理，通过输入指令手动或自动调节电磁阀403开关及无极增压水泵2水压大小，最终控制雾化喷头装置1的喷淋范围。所述供水箱3通过底板安装在挖掘机本体上，水位传感器301安装在供水箱3内，可用于实时测量供水箱3水位，并通过信号线将水位数据传递至主控制器402。

自动降尘时，根据供水箱3的水位传感器301信号判断供水箱3内部的水位是否达到了警戒位，如果水位低于警戒位，则显示器会出现水位低警告信息，提醒进行补水，且无法进行下一步操作；水位高于警戒位后，可进行下一步操作。所述供水箱3的警戒位为水箱正常水位的10％处。

在主控制器402中预设大、中、小三种强度的降尘档位，分别对应不同数量的雾化喷头装置1和不同工作水压的无极增压水泵2；同时预设三个粉尘浓度阈值S1、S2、S3，粉尘监测装置5实时监测的粉尘浓度为S，其中S1>S2>S3。

当第一粉尘浓度满足S≥S1时，主控制器402驱动电磁阀403开启N1个雾化喷头装置1，并控制无极增压水泵2以P1的水压进行喷淋降尘工作。

当第一粉尘浓度满足S1＞S≥S2时，主控制器402驱动电磁阀403开启N2个雾化喷头装置1，并控制无极增压水泵2以P2的水压进行喷淋降尘工作。

当第一粉尘浓度满足S2＞S≥S3时，主控制器402驱动电磁阀403开启N3个雾化喷头装置1，并控制无极增压水泵2以P3的水压进行喷淋降尘工作。

当第一粉尘浓度满足S＜S3时，主控制器402驱动电磁阀403关闭雾化喷头装置1以及无极增压水泵2，整个自动降尘系统停止工作。

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发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，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，作为单元显然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发明的范围。

另外，在本发明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，本发明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，或者网格设备等)执行本发明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-OnlyMemory)、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。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.隧道区间暗挖施工自动降尘方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的隧道区间暗挖施工自动降尘方法，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的隧道区间暗挖施工自动降尘方法，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求1所述的隧道区间暗挖施工自动降尘方法，其特征在于，根据所述第一粉尘浓度获取雾化喷淋参数，并根据所述雾化喷淋参数对预设喷淋区域进行喷淋降尘包括：

5.根据权利要求4所述的隧道区间暗挖施工自动降尘方法，其特征在于，还包括：

监测向所述无极增压水泵供水的供水箱的水位；

在所述水位低于预设值时，发出低水位警告。

6.隧道区间暗挖施工自动降尘系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的隧道区间暗挖施工自动降尘系统，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求7所述的隧道区间暗挖施工自动降尘系统，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求6所述的隧道区间暗挖施工自动降尘系统，其特征在于，所述喷淋控制模块还被配置为：

10.根据权利要求9所述的隧道区间暗挖施工自动降尘系统，其特征在于，还包括水位监测模块，被配置为监测向所述无极增压水泵供水的供水箱的水位；在所述水位低于预设值时，发出低水位警告。