CN116161052A - 用于盾构掘进的辅助驾驶系统及方法 - Google Patents

用于盾构掘进的辅助驾驶系统及方法 Download PDF

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tunneling
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王志杰
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Abstract

本发明涉及一种用于盾构掘进的辅助驾驶系统及方法，该方法包括如下步骤：实时获取盾构机的工作参数及环境参数；当盾构机的工作参数及环境参数在预警范围内时，进行报警提醒并进行风险等级划分；当划分的风险等级为最高级时，发送开启智能控制建议提醒；当划分的风险等级非最高级时，将在预警范围内的工作参数及环境参数发送给对应的智控模型以获取对应的控制指令，将所述控制指令进行显示以作为操作建议。本发明的辅助驾驶方法可作为盾构人工驾驶与无人驾驶之间的过渡模式，达到自动分析盾构驾驶质量，为盾构司机提供有效操作辅助，在盾构司机无法决策的情况下允许智控模型进行盾构自主控制，从而降低施工风险，确保盾构隧道建造质量。

Description

用于盾构掘进的辅助驾驶系统及方法
技术领域
本发明涉及盾构隧道装备技术领域，特指一种用于盾构掘进的辅助驾驶系统及方法。
背景技术
盾构法施工虽有对周边环境扰动小、施工安全性较高等优势，但因地层条件极其复杂、施工标准不一、对操作人员素质和经验要求高而时下成熟盾构司机稀缺等客观现实，施工过程因操作不当引发的地面沉降过度、盾构姿态超限、非正常停机等事故层出不穷，造成人员伤害财产损失的同时制约着盾构施工效率和施工质量。随着大数据、云计算、人工智能、物联网、5G、区块链等新一代信息技术的发展，自动化与智能化已成为盾构技术必然的发展趋势，我国虽然从2000年以来就开始对盾构智能化进行研究与工程应用，取得了较多突破，但仍然处于初期探索阶段，还需要大量的人工干预，无法真正意义上实现盾构的自动巡航。因此，亟需提供一种新的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于盾构掘进的辅助驾驶系统及方法，解决现有的盾构人工驾驶存在的盾构司机稀缺、施工过程因操作不当引发的地面沉降过度、盾构姿态超限以及非正常停机事故层出不穷的问题，还用于解决现有盾构智能化还需大量人工干预无法真正意义上实现自动巡航的问题。
实现上述目的的技术方案是：
本发明提供了一种用于盾构掘进的辅助驾驶方法，包括如下步骤：
在盾构机掘进的过程中，实时获取盾构机的工作参数及环境参数；
对所获取的盾构机的工作参数及环境参数进行分析，当所述盾构机的工作参数及环境参数在预警范围内时，进行报警提醒，并对报警提醒进行风险等级划分；
当划分的风险等级为最高级时，发送开启智能控制建议提醒；
若接收到确认开启指令，则连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制；
若未接收到确认开启指令，则开始计时，并监控盾构机的运行情况，当盾构机在设定时间内未做相应的回应，则连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制；
当划分的风险等级非最高级时，将在预警范围内的工作参数及环境参数发送给对应的智控模型以获取对应的控制指令，将所述控制指令进行显示以作为操作建议。
本发明的辅助驾驶方法可作为盾构人工驾驶与无人驾驶之间的过渡模式，达到自动分析盾构驾驶质量，为盾构司机提供有效操作辅助，在盾构司机无法决策的情况下允许智控模型进行盾构自主控制，从而降低施工风险，确保盾构隧道建造质量。
本发明用于盾构掘进的辅助驾驶方法的进一步改进在于，还包括：
接收盾构机PLC发送的配置指令；
显示所连接的智控模型的提供单位以供选择；
接收盾构机PLC发送来的选择指令；
保存所接收的选择指令所对应的智控模型，在需要连接对应的智控模型时，连接所保存的智控模型。
本发明用于盾构掘进的辅助驾驶方法的进一步改进在于，还包括：
对所连接的各个提供单位提供的智控模型进行评分，将评分结果予以显示以作为选择建议。
本发明用于盾构掘进的辅助驾驶方法的进一步改进在于，还包括：
获取盾构施工区间的地层信息和管片排布信息；
根据所获取的盾构施工区间的地层信息和管片排布信息生成盾构掘进地质导航图；
实时获取盾构机当前施工管片环序号，并在所生成的盾构掘进地质导航图中标记当前施工管片环位置；
将标记有当前施工管片环位置的盾构掘进地质导航图予以显示。
本发明用于盾构掘进的辅助驾驶方法的进一步改进在于，还包括：
获取盾构施工区间隧道平面地理图；
在所获取的隧道平面地理图上配置盾构隧道沿线建筑的信息数据；
实时获取盾构机当前施工位置，并在所述隧道平面地理图上标记盾构机的当前施工位置，将标记有盾构机当前施工位置的隧道平面地理图予以显示。
本发明还提供了一种用于盾构掘进的辅助驾驶系统，包括：
参数获取单元，用于在盾构机掘进的过程中，实时获取盾构机的工作参数及环境参数；
参数分析单元，与所述参数获取单元连接，用于对所述参数获取单元获取的盾构机的工作参数及环境参数进行分析并得到分析结果，所述分析结果中包括风险等级；
处理单元，与所述参数分析单元连接，用于在所述参数分析单元的分析结果为盾构机的工作参数及环境参数在预警范围内时，形成报警指令以进行报警提醒；还用于对风险等级进行判断，当所述风险等级为最高级时，发送开启智能控制建议提醒，当风险等级非最高级时，连接对应的智控模型以获取对应的控制指令，并将控制指令进行显示以作为操作建议；所述处理单元在接收到确认开启指令时，连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制；在未接收到确认开启指令时，开始计时，当盾构机在设定时间内未做相应的回应时，连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制。
本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统的进一步改进在于，还包括配置单元，用于选择智控模型的提供单位，并对所选择的智控模型进行保存。
本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统的进一步改进在于，还包括评分单元，用于对智控模型的各个提供单位进行评分。
本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统的进一步改进在于，还包括地质导航单元，与所述参数获取单元连接；
所述参数获取单元用于获取盾构施工区间的地层信息和管片排布信息，还用于实时获取盾构机当前施工管片环序号；
所述地质导航单元用于根据所获取的盾构施工区间的地层信息和管片排布信息生成盾构掘进地质导航图，还用于在生成的盾构掘进地质导航图中标记当前施工管片环位置并予以显示。
本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统的进一步改进在于，还包括地图导航单元，与所述参数获取单元连接；
所述参数获取单元用于获取盾构施工区间隧道平面地理图，还用实时获取盾构机当前施工位置；
所述地图导航单元用于在所获取的隧道平面地理图上配置盾构隧道沿线建筑的信息数据，还用于在所述隧道平面地理图上标记盾构机的当前施工位置并予以显示。
附图说明
图1为本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统的系统图。
图2为本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统中配置单元的逻辑图。
图3为本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统中地质导航单元显示的盾构掘进地质导航图。
图4为本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统中地图导航单元显示的隧道平面地理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1，本发明提供了一种用于盾构掘进的辅助驾驶系统及方法，以实现盾构驾驶过程中辅助盾构司机操作决策的作用，并在盾构司机无法决策的情况下允许智控模型进行盾构自主控制，从而极大的降低施工风险，确保盾构隧道建造质量。本发明的辅助驾驶系统及方法作为盾构人工驾驶与无人驾驶之间的过渡模式，通过装配多类传感器与辅助测试系统，使得盾构机具有一定的环境状态与自身状态感知能力，达到能够自动分析盾构驾驶质量，为盾构司机提供有效操作辅助，最终实现替代人来操作的目的。下面结合附图对本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统及方法进行说明。
参阅图1，显示了本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统的系统图。下面结合图1，对本发明用于盾构掘进的辅助驾驶系统进行说明。
如图1所示，本发明的用于盾构掘进的辅助驾驶系统包括参数获取单元、参数分析单元以及处理单元，其中的参数获取单元用于在盾构机掘进的过程中，实时获取盾构机的工作参数及环境参数；参数分析单元与参数获取单元连接，该参数分析单元用于对参数获取单元获取的盾构机的工作参数及环境参数进行分析并得到分析结果，所得到分析结果中包括风险等级；处理单元与参数分析单元连接，该处理单元用于在参数分析单元的分析结果为盾构机的工作参数及环境参数在预警范围内时，形成报警指令以进行报警提醒；还用于对风险等级进行判断，当风险等级为最高级时，发送开启智能控制建议提醒，当风险等级非最高级时，连接对应的智控模型以获取对应的控制指令，并将控制指令进行显示以作为操作建议；处理单元在接收到确认开启指令时，连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制；在未接收到确认开启指令时，开始计时，当盾构机在设定时间内未做相应的回应时，连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制。
进一步地，预警范围包括盾构机的工作参数及环境参数超出安全范围和通过预测方法预测工作参数及环境参数将超出安全范围。也即当盾构机的工作参数和环境参数已经超出安全范围或者将要超出安全范围时，进行报警提醒。报警提醒的方式包括将报警信息在输出界面进行显示，还包括用语音播报报警信息。
在本发明的一种具体实施方式中，本发明的处理单元与多个智控模型连接，该智控模型为对应的算法模型，用于实现盾构机的自动控制，可为盾构机生成相应的控制指令，该智控模型可由多个单位提供。
进一步地，本发明的辅助驾驶系统还包括配置单元，该配置单元用于选择智控模型的提供单位，并对所选择的智控模型进行保存。
具体地，如图2所示，显示了五种类型的智控模型，当然适用于盾构机的智控模型并不以此为限，还可为本发明的辅助驾驶系统连接其他种类的智控模型。配置单元在操作界面上显示触发配置按钮，盾构司机在使用时可通过点选触发配置按钮启动配置单元进行智控模型的单位配置。配置单元在接收到点选触发配置按钮形成的启动指令后，显示配置选择界面，在每一种类型的智控模型的后面提供单位选项，以供盾构司机进行选择，当盾构司机选择某一单位后，则将所选择的智控模型进行保存，在后续需要使用该种类的智控模型时，处理单元直接访问所保存的智控模型。
再进一步地，本发明的辅助驾驶系统还包括评分单元，用于对智控模型的各个提供单位进行评分。
具体地，评分单元通过实测数据与目标指令进行对比来判断智控模型提供的指令的有效性，进而判断该智控模型的可靠度，并为智控模型进行评分。
在盾构司机选择配置智控模型的单位时，评分单元可将评分结果进行显示以便于给盾构司机提供建议。
本发明多个智控模型经过验证使用以及对比评价后，便于盾构司机最终获取一个较优的选项，提高盾构自主控制的可靠性。另外，辅助驾驶系统作为智控模型的孵化平台，通过应用后的数据反演分析，可逐步优化智控模型的算法，提高智控水平。
在本发明的一种具体实施方式中，如图3所示，本发明的辅助驾驶系统还包括地质导航单元，该地质导航单元与参数获取单元连接，其中参数获取单元还用于获取盾构施工区间的地层信息和管片排布信息，还用于实时获取盾构机当前施工管片环序号；
地质导航单元用于根据所获取的盾构施工区间的地层信息和管片排布信息生成盾构掘进地质导航图，还用于在生成的盾构掘进地质导航图中标记当前施工管片环位置并予以显示。
具体地，在盾构施工前，将整个盾构隧道施工区间地层信息、根据施工里程进行排布的管片信息进行导入，所导入的地层信息包括地层名称和地层特性，所导入的管片信息包括管片环号和管片覆土厚度，导入的信息由参数获取单元获取并存储；地质导航单元读取参数获取单元获取并存储的地层信息和管片信息并自动生成盾构掘进地质导航图。在盾构施工过程中，实时获取当前施工管片环序号，自动跟踪当前盾构机所在位置，较为直观地反馈盾构机和管片所在地层的详细信息，辅助盾构施工人员进行现场特殊情况的排障分析。
在本发明的一种具体实施方式中，如图4所示，本发明的辅助驾驶系统还包括地图导航单元，该地图导航单元与参数获取单元连接；
参数获取单元用于获取盾构施工区间隧道平面地理图，还用实时获取盾构机当前施工位置；
地图导航单元用于在所获取的隧道平面地理图上配置盾构隧道沿线建筑的信息数据，还用于在隧道平面地理图上标记盾构机的当前施工位置并予以显示。
具体地，通过对盾构区间隧道平面地理图进行处理后，在盾构隧道沿线关键建筑物上配置对应的信息数据，包括建筑信息及该建筑与隧道的空间位置关系信息，盾构掘进过程中通过读取盾构机的实时位置，并锁定盾构机在平面地图中的实时位置，便于盾构司机快速掌握盾构机周围环境状况。
如图1所示，本发明的辅助驾驶系统还包括盾构驾驶数据平台，该盾构驾驶数据平台用于存储盾构机掘进过程中的实时的工作参数和环境参数。
盾构机在正常工作状态下由盾构司机向盾构PLC写入控制指令，实现盾构机的正常掘进。
如图1所示，本发明的辅助驾驶系统可为应用程序，安装在盾构机的操控室的控制器上，该辅助驾驶系统可与盾构机操控室的盾构驾驶数据平台连接，从该盾构驾驶数据平台上获取盾构机的工作参数及环境参数。具体地，在盾构机上安装有自身工作参数感知模块和周围环境参数感知模块，用于采集盾构机的工作参数和周围环境参数，环境参数包括导向数据、地表沉降和有害气体等，工作参数和环境参数可通过盾构PLC控制器读取并存储到盾构驾驶数据平台。盾构驾驶数据平台中关键的核心参数如刀盘转速、刀盘扭矩和注浆量可在输出界面进行展示，具体地，可显示在盾构机操控室的显示器上。辅助驾驶系统与盾构驾驶数据平台连接，并实时监测分析盾构驾驶数据平台上的所有数据，进而实现报警功能、操作建议功能和智控模型控制功能。具体地，当有数据已经超出安全范围或者通过预测方法预测结果将超出安全范围时，产生报警信息，由输出界面进行信息呈现，以提示盾构司机。在产生报警信息后，对报警信息进行风险等级划分，并给出对应的操作建议，实现以风险规避为原则的决策辅助。当风险等级为最高级时，触发对应的智控模型，盾构司机可接受智控模型开启建议，具体可在控制界面确认是否需要进行开启，若确认开启，则对应的智控模型将操作指令写入盾构驾驶数据平台，进一步将指令数据推送至盾构机PLC控制器，从而完成对盾构机操作的智能控制。若不确认开启，则继续进行人工操作，辅助驾驶系统判断盾构司机在规定时间范围内未做出回应时，则默认开启智控模型。
本发明的辅助驾驶系统连接的智控模型包括盾构姿态智能控制算法模型、地表沉降智能控制算法模型、同步注浆智能控制算法模型、盾尾油脂智能控制算法模型和集中润滑智能控制算法模型，该辅助驾驶系统连接的智控模型并不以此为限，还可与其他智控模型连接，且该辅助驾驶系统设有扩展接口，能够与新的智控模型连接，当有新的智控模型上线时，该辅助驾驶系统可与其连接，并用于对盾构机进行智能控制。其中的盾构姿态智能控制算法模型用于实现对盾构姿态进行智能控制，地表沉降智能控制算法模型用于对地表沉降进行智能控制，同步注浆智控控制算法模型用于对同步注浆进行智能控制，盾尾油脂智能控制算法模型用于对盾尾油脂进行智能控制，集中润滑智能控制算法模型用于对润滑油进行智能控制。
本发明还提供了一种用于盾构掘进的辅助驾驶方法，下面对该方法进行说明。
本发明的辅助驾驶方法包括如下步骤：
在盾构机掘进的过程中，实时获取盾构机的工作参数及环境参数；
对所获取的盾构机的工作参数及环境参数进行分析，当盾构机的工作参数及环境参数在预警范围内时，进行报警提醒，并对报警提醒进行风险等级划分；
当划分的风险等级为最高级时，发送开启智能控制建议提醒；
若接收到确认开启指令，则连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制；
若未接收到确认开启指令，则开始计时，并监控盾构机的运行情况，当盾构机在设定时间内未做相应的回应，则连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制；
当划分的风险等级非最高级时，将在预警范围内的工作参数及环境参数发送给对应的智控模型以获取对应的控制指令，将控制指令进行显示以作为操作建议。
本发明的预警范围包括盾构机的工作参数及环境参数超出安全范围和通过预测方法预测工作参数及环境参数将超出安全范围。
进一步地，报警提醒的方式包括将报警信息在输出界面进行显示，还包括用语音播报报警信息。
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
接收盾构机PLC发送的配置指令；
显示所连接的智控模型的提供单位以供选择；
接收盾构机PLC发送来的选择指令；
保存所接收的选择指令所对应的智控模型，在需要连接对应的智控模型时，连接所保存的智控模型。
具体地，在操作界面显示配置界面，用于为盾构司机提供选择选项，当盾构司机选择某一单位后，则将所选择的智控模型进行保存，在后续需要使用该种类的智控模型时，直接访问所保存的智控模型。
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
对所连接的各个提供单位提供的智控模型进行评分，将评分结果予以显示以作为选择建议。
通过实测数据与目标指令进行对比来判断智控模型提供的指令的有效性，进而判断该智控模型的可靠度，并为智控模型进行评分。为盾构司机的选择提供建议。
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
获取盾构施工区间的地层信息和管片排布信息；
根据所获取的盾构施工区间的地层信息和管片排布信息生成盾构掘进地质导航图；
实时获取盾构机当前施工管片环序号，并在所生成的盾构掘进地质导航图中标记当前施工管片环位置；
将标记有当前施工管片环位置的盾构掘进地质导航图予以显示。
具体地，在盾构施工前，将整个盾构隧道施工区间地层信息、根据施工里程进行排布的管片信息进行导入，所导入的地层信息包括地层名称和地层特性，所导入的管片信息包括管片环号和管片覆土厚度，基于导入的信息自动生成盾构掘进地质导航图。在盾构施工过程中，实时获取当前施工管片环序号，自动跟踪当前盾构机所在位置，较为直观地反馈盾构机和管片所在地层的详细信息，辅助盾构施工人员进行现场特殊情况的排障分析。
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
获取盾构施工区间隧道平面地理图；
在所获取的隧道平面地理图上配置盾构隧道沿线建筑的信息数据；
实时获取盾构机当前施工位置，并在隧道平面地理图上标记盾构机的当前施工位置，将标记有盾构机当前施工位置的隧道平面地理图予以显示。
具体地，对盾构区间隧道平面地理图进行处理后，在盾构隧道沿线关键建筑物上配置对应的信息数据，包括建筑信息及该建筑与隧道的空间位置关系信息，盾构掘进过程中通过读取盾构机的实时位置，并锁定盾构机在平面地图中的实时位置，便于盾构司机快速掌握盾构机周围环境状况。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于盾构掘进的辅助驾驶方法，其特征在于，包括如下步骤：
在盾构机掘进的过程中，实时获取盾构机的工作参数及环境参数；
对所获取的盾构机的工作参数及环境参数进行分析，当所述盾构机的工作参数及环境参数在预警范围内时，进行报警提醒，并对报警提醒进行风险等级划分；
当划分的风险等级为最高级时，发送开启智能控制建议提醒；
若接收到确认开启指令，则连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制；
若未接收到确认开启指令，则开始计时，并监控盾构机的运行情况，当盾构机在设定时间内未做相应的回应，则连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制；
当划分的风险等级非最高级时，将在预警范围内的工作参数及环境参数发送给对应的智控模型以获取对应的控制指令，将所述控制指令进行显示以作为操作建议。
2.如权利要求1所述的用于盾构掘进的辅助驾驶方法，其特征在于，还包括：
接收盾构机PLC发送的配置指令；
显示所连接的智控模型的提供单位以供选择；
接收盾构机PLC发送来的选择指令；
保存所接收的选择指令所对应的智控模型，在需要连接对应的智控模型时，连接所保存的智控模型。
3.如权利要求2所述的用于盾构掘进的辅助驾驶方法，其特征在于，还包括：
对所连接的各个提供单位提供的智控模型进行评分，将评分结果予以显示以作为选择建议。
4.如权利要求1所述的用于盾构掘进的辅助驾驶方法，其特征在于，还包括：
获取盾构施工区间的地层信息和管片排布信息；
根据所获取的盾构施工区间的地层信息和管片排布信息生成盾构掘进地质导航图；
实时获取盾构机当前施工管片环序号，并在所生成的盾构掘进地质导航图中标记当前施工管片环位置；
将标记有当前施工管片环位置的盾构掘进地质导航图予以显示。
5.如权利要求1所述的用于盾构掘进的辅助驾驶方法，其特征在于，还包括：
获取盾构施工区间隧道平面地理图；
在所获取的隧道平面地理图上配置盾构隧道沿线建筑的信息数据；
实时获取盾构机当前施工位置，并在所述隧道平面地理图上标记盾构机的当前施工位置，将标记有盾构机当前施工位置的隧道平面地理图予以显示。
6.一种用于盾构掘进的辅助驾驶系统，其特征在于，包括：
参数获取单元，用于在盾构机掘进的过程中，实时获取盾构机的工作参数及环境参数；
参数分析单元，与所述参数获取单元连接，用于对所述参数获取单元获取的盾构机的工作参数及环境参数进行分析并得到分析结果，所述分析结果中包括风险等级；
处理单元，与所述参数分析单元连接，用于在所述参数分析单元的分析结果为盾构机的工作参数及环境参数在预警范围内时，形成报警指令以进行报警提醒；还用于对风险等级进行判断，当所述风险等级为最高级时，发送开启智能控制建议提醒，当风险等级非最高级时，连接对应的智控模型以获取对应的控制指令，并将控制指令进行显示以作为操作建议；所述处理单元在接收到确认开启指令时，连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制；在未接收到确认开启指令时，开始计时，当盾构机在设定时间内未做相应的回应时，连接对应的智控模型，让所连接的智控模型对盾构机进行智能控制。
7.如权利要求6所述的用于盾构掘进的辅助驾驶系统，其特征在于，还包括配置单元，用于选择智控模型的提供单位，并对所选择的智控模型进行保存。
8.如权利要求7所述的用于盾构掘进的辅助驾驶系统，其特征在于，还包括评分单元，用于对智控模型的各个提供单位进行评分。
9.如权利要求6所述的用于盾构掘进的辅助驾驶系统，其特征在于，还包括地质导航单元，与所述参数获取单元连接；
所述参数获取单元用于获取盾构施工区间的地层信息和管片排布信息，还用于实时获取盾构机当前施工管片环序号；
所述地质导航单元用于根据所获取的盾构施工区间的地层信息和管片排布信息生成盾构掘进地质导航图，还用于在生成的盾构掘进地质导航图中标记当前施工管片环位置并予以显示。
10.如权利要求6所述的用于盾构掘进的辅助驾驶系统，其特征在于，还包括地图导航单元，与所述参数获取单元连接；
所述参数获取单元用于获取盾构施工区间隧道平面地理图，还用实时获取盾构机当前施工位置；
所述地图导航单元用于在所获取的隧道平面地理图上配置盾构隧道沿线建筑的信息数据，还用于在所述隧道平面地理图上标记盾构机的当前施工位置并予以显示。
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