CN115506801A - 一种智能盾构的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能盾构的控制系统，包括PLC控制系统，边缘计算终端设备以及云服务平台，所述PLC控制系统分别与刀盘系统，推进系统，出渣系统，保压系统以及盾构辅助系统的感知元件之间电连接；所述边缘计算终端设备与所述PLC控制系统之间电连接，所述边缘计算终端设备通过PLC控制系统采集数据并传输至云服务平台中，所述边缘计算终端对从PLC控制系统中采集到的参数进行计算并对PLC控制系统输出指令，使得刀盘系统，推进系统，出渣系统，保压系统以及盾构辅助系统执行动作。

Description

一种智能盾构的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能盾构的控制系统及其控制方法，尤其涉及大直径泥水盾构。

背景技术

盾构以施工速度快、安全性好的显著优势被广泛应用在公路、铁路、地铁的修建中，近来大直径盾构频繁应用在工程中，大直径盾构开挖面复杂、姿态控制难、掘进参数选取难，在进行盾构掘进施工时需要频繁的调整掘进参数才能保证较好的姿态，由于人工操作具有易疲劳性，同时仅依靠经验进行盾构参数调整具有随意性，影响盾构操作的合理性和施工质量；且由于盾构运行中缺少相应的感知元件，盾构主司机操作以经验为主，在盾构操作科学性、预警及时性方面还亟待提升，盾构的智能化水平不高，制约盾构施工效率、质量、安全的提升。

为了解决现有盾构感知元件不足、盾构智能化水平不够，如何在现有盾构基础上配置感知元件、边缘计算终端，提高盾构对地层信息感知能力、提高盾构智能化水平，对于盾构施工质量和效率提升意义重大，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种智能盾构的控制系统及其控制方法，解决现有盾构对地层等信息感知能力差、智能化水平不足、施工中预警不及时的问题。

本发明的一种智能盾构的控制系统，包括PLC控制系统，边缘计算终端设备以及云服务平台，所述PLC控制系统分别与刀盘系统，推进系统，出渣系统，保压系统以及盾构辅助系统的感知元件之间电连接；所述边缘计算终端设备与所述PLC控制系统之间电连接，所述边缘计算终端设备通过PLC控制系统采集数据并传输至云服务平台中，所述边缘计算终端对从PLC控制系统中采集到的参数进行计算并对PLC控制系统输出指令，使得刀盘系统，推进系统，出渣系统，保压系统以及盾构辅助系统执行动作。

进一步，所述刀盘系统包括安装在刀盘面板上的刀盘磨损感知元件以及配置在滚刀或软土刀具上的刀具载荷感知元件；所述刀盘磨损感知元件包括对刀具磨损量进行监测的滚刀磨损电涡流传感器及对刀具旋转状态进行监测的滚刀旋转监测装置；所述刀具载荷感知元件安装在刀盘外侧的刀具上，用于对切削载荷进行监测。

进一步地，所述推进系统包括多个分区的油缸，各油缸的分区压力独立调节，且每个分区的油缸中至少安装1组行程传感器。

进一步地，当采用土压平衡盾构时，以螺旋输送机出渣，所述出渣系统包括渣土称重装置，渣土体积计量装置，以及安装在出渣口位置的视频监控装置；当采用泥水平衡盾构时，所述出渣系统包括流量计、密度计以及安装在泥水处理站的称重装置和视频监控装置。

进一步地，当采用土压平衡盾构时，所述保压系统包括土压力传感器；当采用泥水平衡盾构时，所述保压系统包括压力控制器，PLC控制系统可直接向压力控制器写入压力目标值。

进一步地，所述盾构辅助系统包括导向系统、注浆系统。

进一步地，所述边缘计算终端设备包括GPU、CPU、储存器、显示器、通信模块及计算程序；所述边缘计算终端设备与PLC控制系统通信获取装备运行状态信息，通过通信模块发送至云服务平台，计算程序包含盾构轨迹控制模块、压力控制模块、掘进控制模块，所述边缘计算终端设备通过边缘计算推荐掘进控制参数，并写入PLC控制系统，再由具体的系统执行对应动作。

进一步地，所述云服务平台用于对盾构装备运行数据进行存储、统计和分析，针对盾构总推力、扭矩、掘进速度、支护压力设定预警值，触发预警后可发警告至边缘计算终端设备中并显示，或通过信息、邮件等推送预警消息。

本发明的一种智能盾构的控制方法，基于上述的盾构智能控制系统，具体包括以下步骤：

a、按隧道设计的线路，输入拟定的隧道线路；

b、按隧道地勘资料，录入隧道线路各位置地勘资料；

c、对刀盘面板磨损、刀具磨损及旋转情况进行检查，确认刀盘、刀具无异常，方可进入掘进；

d、根据盾构当前线路位置地勘资料，判断盾构所处地层，利用掘进控制程序推荐刀盘的初始转速、推进速度，随后根据载荷感知元件获取的载荷数据，渣口位置视频监控装置或泥水处理站处视频监控经过边缘计算终端设备使用CNN图像识别算法进一步对地层进行识别，调整刀盘转速和油缸推进速度推荐值，推荐值写入PLC后刀盘系统和推进系统调整动作；

e、盾构导向系统数据经PLC控制系统传至边缘计算终端设备，当前位置与拟定线路位置比较，经盾构轨迹控制算法计算，边缘计算终端给出各油缸分区压力推荐值，推荐值写入PLC后推进系统执行相应动作；

f、边缘计算终端设备根据当前位置信息结合录入的地勘资料，计算当前位置支护压力，推荐值写入PLC后，PLC控制系统修改保压系统压力目标值进行压力调整；

压力目标值＝p_w+p_s＝γ_w×H_w+K₀×[(γ-γ_w)×H_w+(H-H_w)×γ]；

压力目标值为开挖面前方某一深处水土压力，单位kPa；P_w为地下水压力，kPa；P_s为土体静止侧压力，kPa；γ_w为水的重度；H_w为地下水高度；K₀为静止土压力系数；γ为土的重度；H为计算点位高度；

g、PLC控制系统中装备运行状态信息经过边缘计算终端设备的通信模块传输至云服务平台，云服务平台对装备运行状态信息进行大数据分析，输出工程的进度信息、工程报表、相关参数的统计，同时盾构工程人员针对盾构运行参数设定预警，相关参数达到触发条件可推送信息。

本发明的技术方案与现有技术相比具有下列优点：

本发明针对现有盾构对地层感知能力差、智能化水平低、操作依靠经验的行业问题，提出了一种智能盾构的控制系统，通过在现有盾构基础上进行改进，增加感知元件、测量装置及边缘计算终端，并借助云服务平台进行工程管理和预警，提高了盾构操作的智能化、科学性和施工的安全性的目的；本发明的一种智能盾构的控制系统，能够一定程度感知岩土变化，同时配置边缘终端计算设备，一方面对盾构关键掘进参数本地计算、延迟低并通过PLC控制系统实现对盾构关键系统的控制，同时可以借助边缘计算终端实现PLC中盾构装备运行参数到云平台的传输，依靠云平台进行工程管理和预警等功能，对现有盾构装备的改动小、费用低，能实现一定程度的智能化，对于未来盾构的智能化掘进、无人化掘进具有积极的意义。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下列的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为本发明的控制原理图；

图2为本发明的控制流程图；

具体实施方式

以下结合附图1-2对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明的一种智能盾构的控制系统，包括PLC控制系统，边缘计算终端设备以及云服务平台，所述PLC控制系统分别与刀盘系统，推进系统，出渣系统，保压系统以及盾构辅助系统的感知元件之间电连接；所述边缘计算终端设备与所述PLC控制系统之间电连接，所述边缘计算终端设备通过PLC控制系统采集数据并传输至云服务平台中，所述边缘计算终端对从PLC控制系统中采集到的参数进行计算并对PLC控制系统输出指令，使得刀盘系统，推进系统，出渣系统，保压系统以及盾构辅助系统执行动作。

所述刀盘系统包括安装在刀盘面板上的刀盘磨损感知元件以及配置在滚刀或软土刀具上的刀具载荷感知元件；所述刀盘磨损感知元件包括对刀具磨损量进行监测的滚刀磨损电涡流传感器及对刀具旋转状态进行监测的滚刀旋转监测装置；所述刀具载荷感知元件安装在刀盘外侧的刀具上，用于对切削载荷进行监测。

所述推进系统包括多个分区的油缸，各油缸的分区压力独立调节，且每个分区的油缸中至少安装1组行程传感器。

当采用土压平衡盾构时，以螺旋输送机出渣，所述出渣系统包括渣土称重装置，渣土体积计量装置，以及安装在出渣口位置的视频监控装置；当采用泥水平衡盾构时，所述出渣系统包括流量计、密度计以及安装在泥水处理站的称重装置和视频监控装置。

当采用土压平衡盾构时，所述保压系统包括土压力传感器；当采用泥水平衡盾构时，所述保压系统包括压力控制器，PLC控制系统可直接向压力控制器写入压力目标值。

所述盾构辅助系统包括导向系统、注浆系统等盾构其他系统，该类系统为现有盾构上的系统。

所述边缘计算终端设备包括GPU、CPU、储存器、显示器、通信模块(含5G通信模块)及计算程序；所述边缘计算终端设备与PLC控制系统通信获取装备运行状态信息，通过通信模块发送至云服务平台，计算程序包含盾构轨迹控制模块、压力控制模块、掘进控制模块，所述边缘计算终端设备通过边缘计算推荐掘进控制参数，并写入PLC控制系统，再由具体的系统执行对应动作。

所述云服务平台用于对盾构装备运行数据进行存储、统计和分析，针对盾构总推力、扭矩、掘进速度、支护压力设定预警值，触发预警后可发警告至边缘计算终端设备中并显示，或通过信息、邮件等推送预警消息。

一种智能盾构的控制方法，基于上述的盾构智能控制系统，在现有盾构的基础上，按照上述智能盾构的控制系统，对刀盘系统、推进系统、出渣系统、保压系统增加相应的感知元件、配置对应的称重装置等。PLC控制系统与增加的感知元件等电连接，改进保压系统压力目标值手动调整为压力目标值通过PLC控制系统直接写入。

本实施例中的智能盾构的控制方法，具体包括以下步骤：

a、按隧道设计的线路，输入拟定的隧道线路；

b、按隧道地勘资料，录入隧道线路各位置地勘资料；

c、对刀盘面板磨损、刀具磨损及旋转情况进行检查，确认刀盘、刀具无异常，方可进入掘进；

d、根据盾构当前线路位置地勘资料，判断盾构所处地层，利用掘进控制程序推荐刀盘的初始转速、推进速度，随后根据载荷感知元件获取的载荷数据，渣口位置视频监控装置或泥水处理站处视频监控经过边缘计算终端设备使用CNN图像识别算法进一步对地层进行识别，调整刀盘转速和油缸推进速度推荐值，推荐值写入PLC后刀盘系统和推进系统调整动作；

e、盾构导向系统数据经PLC控制系统传至边缘计算终端设备，当前位置与拟定线路位置比较，经盾构轨迹控制算法计算，边缘计算终端给出各油缸分区压力推荐值，推荐值写入PLC后推进系统执行相应动作；

f、边缘计算终端设备根据当前位置信息结合录入的地勘资料，计算当前位置支护压力，推荐值写入PLC后，PLC控制系统修改保压系统压力目标值进行压力调整；

压力目标值＝p_w+p_s＝γ_w×H_w+K₀×[(γ-γ_w)×H_w+(H-H_w)×γ]；

压力目标值为开挖面前方某一深处水土压力，单位kPa；P_w为地下水压力，kPa；P_s为土体静止侧压力，kPa；γ_w为水的重度；H_w为地下水高度；K₀为静止土压力系数；γ为土的重度；H为计算点位高度；

g、PLC控制系统中装备运行状态信息经过边缘计算终端设备的通信模块传输至云服务平台，云服务平台对装备运行状态信息进行大数据分析，输出工程的进度信息、工程报表、相关参数的统计，同时盾构工程人员针对盾构运行参数设定预警，相关参数达到触发条件可推送信息，提高施工的安全性。

以上对本发明所提供的一种智能盾构及其控制系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种智能盾构的控制系统，包括PLC控制系统，边缘计算终端设备以及云服务平台，其特征在于：所述PLC控制系统分别与刀盘系统，推进系统，出渣系统，保压系统以及盾构辅助系统的感知元件之间电连接；所述边缘计算终端设备与所述PLC控制系统之间电连接，所述边缘计算终端设备通过PLC控制系统采集数据并传输至云服务平台中，所述边缘计算终端对从PLC控制系统中采集到的参数进行计算并对PLC控制系统输出指令，使得刀盘系统，推进系统，出渣系统，保压系统以及盾构辅助系统执行动作。

2.如权利要求1所述的一种智能盾构的控制系统，其特征在于：所述刀盘系统包括安装在刀盘面板上的刀盘磨损感知元件以及配置在滚刀或软土刀具上的刀具载荷感知元件；所述刀盘磨损感知元件包括对刀具磨损量进行监测的滚刀磨损电涡流传感器及对刀具旋转状态进行监测的滚刀旋转监测装置；所述刀具载荷感知元件安装在刀盘外侧的刀具上，用于对切削载荷进行监测。

3.如权利要求1所述的一种智能盾构的控制系统，其特征在于：所述推进系统包括多个分区的油缸，各油缸的分区压力独立调节，且每个分区的油缸中至少安装1组行程传感器。

4.如权利要求1所述的一种智能盾构的控制系统，其特征在于：当采用土压平衡盾构时，以螺旋输送机出渣，所述出渣系统包括渣土称重装置，渣土体积计量装置，以及安装在出渣口位置的视频监控装置；当采用泥水平衡盾构时，所述出渣系统包括流量计、密度计以及安装在泥水处理站的称重装置和视频监控装置。

5.如权利要求1所述的一种智能盾构的控制系统，其特征在于：当采用土压平衡盾构时，所述保压系统包括土压力传感器；当采用泥水平衡盾构时，所述保压系统包括压力控制器，PLC控制系统可直接向压力控制器写入压力目标值。

6.如权利要求1所述的一种盾构智能控制系统，其特征在于：所述盾构辅助系统包括导向系统、注浆系统。

7.如权利要求1所述的一种智能盾构的控制系统，其特征在于：所述边缘计算终端设备包括GPU、CPU、储存器、显示器、通信模块及计算程序；所述边缘计算终端设备与PLC控制系统通信获取装备运行状态信息，通过通信模块发送至云服务平台，计算程序包含盾构轨迹控制模块、压力控制模块、掘进控制模块，所述边缘计算终端设备通过边缘计算推荐掘进控制参数，并写入PLC控制系统，再由具体的系统执行对应动作。

8.如权利要求1所述的一种智能盾构的控制系统，其特征在于：所述云服务平台用于对盾构装备运行数据进行存储、统计和分析，针对盾构总推力、扭矩、掘进速度、支护压力设定预警值，触发预警后可发警告至边缘计算终端设备中并显示，或通过信息、邮件等推送预警消息。

9.一种智能盾构的控制方法，基于权利要求1所述的盾构智能控制系统，其特征在于：具体包括以下步骤：

a、按隧道设计的线路，输入拟定的隧道线路；

b、按隧道地勘资料，录入隧道线路各位置地勘资料；

c、对刀盘面板磨损、刀具磨损及旋转情况进行检查，确认刀盘、刀具无异常，方可进入掘进；

d、根据盾构当前线路位置地勘资料，判断盾构所处地层，利用掘进控制程序推荐刀盘的初始转速、推进速度，随后根据载荷感知元件获取的载荷数据，渣口位置视频监控装置或泥水处理站处视频监控经过边缘计算终端设备使用CNN图像识别算法进一步对地层进行识别，调整刀盘转速和油缸推进速度推荐值，推荐值写入PLC后刀盘系统和推进系统调整动作；

e、盾构导向系统数据经PLC控制系统传至边缘计算终端设备，当前位置与拟定线路位置比较，经盾构轨迹控制算法计算，边缘计算终端给出各油缸分区压力推荐值，推荐值写入PLC后推进系统执行相应动作；

f、边缘计算终端设备根据当前位置信息结合录入的地勘资料，计算当前位置支护压力，推荐值写入PLC后，PLC控制系统修改保压系统压力目标值进行压力调整；

压力目标值＝p_w+p_s＝γ_w×H_w+K₀×[(γ-γ_w)×H_w+(H-H_w)×γ]；

压力目标值为开挖面前方某一深处水土压力，单位kPa；P_w为地下水压力，kPa；P_s为土体静止侧压力，kPa；γ_w为水的重度；H_w为地下水高度；K₀为静止土压力系数；γ为土的重度；H为计算点位高度；

g、PLC控制系统中装备运行状态信息经过边缘计算终端设备的通信模块传输至云服务平台，云服务平台对装备运行状态信息进行大数据分析，输出工程的进度信息、工程报表、相关参数的统计，同时盾构工程人员针对盾构运行参数设定预警，相关参数达到触发条件可推送信息。

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