CN117967338A - 盾构机全智能体系化控制系统、方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构机全智能体系化控制系统、方法及存储介质，该方法包括如下步骤：判断盾构管片和同步浆液是否到位；若判断结果为不到位，则获取隧道段电机车的位置，控制隧道段电机车运行至盾构机的后部，再控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片至设定位置；若判断结果为到位，则控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行，实现盾构机向前掘进；在盾构机向前掘进至推进油缸行程满足盾构管片同步拼装要求时，控制盾构机的管片智能拼装系统运行，以实现盾构管片的智能拼装；在切削排渣智控系统、盾构推进智控系统以及管片智能拼装系统运行的过程中，判断推进油缸的行程是否达到最大限值，若是，则控制切削排渣智控系统和盾构推进智控系统停止运行，管片智能拼装系统继续运行；在当前环的盾构管片拼装完成时，控制管片智能拼装系统停止运行；重复上述步骤，直至完成隧道的施工。本发明的盾构机全智能体系化控制方法用于提升盾构整机的智能化程度，减少人工介入，解决人工操控存在的问题，保证隧道成型质量的前提下，确保施工安全，提高施工效率。

Description

盾构机全智能体系化控制系统、方法及存储介质

技术领域

本发明涉及盾构施工工程领域，特指一种盾构机全智能体系化控制系统、方法及存储介质。

背景技术

盾构法由法国工程师布鲁诺尔由1818年提出，发展至今已有超200年的技术研发和工程应用历史，是一种集切削系统、推进系统、拼装系统、注浆系统和运输系统等在内多个子系统集成的复杂大型掘进装备。当前，盾构法隧道朝着大断面、大埋深、长距离的趋势发展，复杂的施工环境和日益紧迫的施工进度向传统手动操作模式发起了巨大挑战。然而，受限于成熟盾构操作施工人员的稀缺以及不断涌现的特殊工况等现实问题，隧道工程潜在施工风险不断提高。经验不足的工人和盲目的加速施工对工程质量和安全构成了极大的威胁，是近年来事故频发的重要原因。随着国家数字化、智能化政策引导推动，以及大数据、云计算、物联网等信息技术的发展，人工智能已经被引入盾构制造与施工领域。当初依赖进口的盾构掘进装备在中国经历了第三代(电气化)和第四代(信息化)的技术积累，已经逐步迈向了第五代(智能化)自主研发的道路。然而，目前的盾构智能化技术只是针对单一系统或某几个参数进行主动控制，尚未形成体系化融合运作以提升盾构整机智能化程度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构机全智能体系化控制系统、方法及存储介质，解决人工操控盾构机进行隧道建造时面临的施工作业效率低、隧道成型质量不稳定、施工安全风险不受控、周围环境扰动大等难题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种盾构机全智能体系化控制方法，包括如下步骤：

判断盾构管片和同步浆液是否到位；

若判断结果为不到位，则获取隧道段电机车的位置，控制隧道段电机车运行至盾构机的后部，再控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片至设定位置；

若判断结果为到位，则控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行，实现盾构机向前掘进；

在盾构机向前掘进至推进油缸行程满足盾构管片同步拼装要求时，控制盾构机的管片智能拼装系统运行，以实现盾构管片的智能拼装；

在所述切削排渣智控系统、所述盾构推进智控系统以及所述管片智能拼装系统运行的过程中，判断推进油缸的行程是否达到最大限值，若是，则控制所述切削排渣智控系统和所述盾构推进智控系统停止运行，所述管片智能拼装系统继续运行；

在当前环的盾构管片拼装完成时，控制所述管片智能拼装系统停止运行；

重复上述步骤，直至完成隧道的施工。

本发明的盾构机全智能体系化控制方法用于提升盾构整机的智能化程度，减少人工介入，解决人工操控存在的问题，保证隧道成型质量的前提下，提高施工安全。

本发明盾构机全智能体系化控制方法的进一步改进在于，在控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片块时，获取吸盘与盾构管片块间的位置关系，根据获取的位置关系给出车架段管片自动运输机构的运动参数，利用所述运动参数控制所述车架段管片自动运输机构进行运动：

识别所述车架段管片自动运输机构上的吸盘的两个角部，记为1′和2′，识别管片块上对应的两个角部，记为1和2，根据1和1′、2和2′的位置关系，计算得到所述车架段管片自动运输机构上各个部件的运动量：

纵向位移机构在X轴方向的运动量：

平移机构在Y轴方向上的运动量：

第一吊绳和第二吊绳在Z轴方向上的相同伸缩量：

第一吊绳和第二吊绳的差异伸缩量：

平面回转机构的回转角度：

其中，d₁为1和1’点在X轴向方向的距离，d₂为2和2’点在X轴方向上的距离，h₁为1和1’点在Z轴方向上的距离，h₂为2和2’点在Z轴方向上的距离，l₁为1和1’点在Y轴方向上的距离，l₂为2和2’点在Y轴方向上的距离，L_1-2为1和2点之间的距离。

本发明盾构机全智能体系化控制方法的进一步改进在于，在控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行时，获取盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据；

基于获取的盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据给出盾构运动路径规划导航和盾构机推进设定距离后的目标转向角度值：

当前盾构切口和盾尾相较于CTA的姿态偏差分别为x_切和x_尾，盾构机长度为L₀，故盾构中轴线与CTA的夹角为：

此时盾构控制点P与CTA之间的偏差值为M，设定盾构圆曲线沿CTA推进距离以及圆曲线末端控制点P与CTA之间的偏差值分别为L和N，

由三角关系可知：

进而该段圆曲线的圆心角中的可表示为：

对应的圆曲线半径为R可表示为：

圆曲线圆心o₀坐标可表示为：

(Rsinα,-Rcosα+M)，

故圆曲线方程可表示为：

(X-Rsinα)²+(Y+Rcosα-M)²＝R²(0≤X≤L)，

圆曲线上每一点对应的斜率为：

每分段推进距离盾构目标转向角度可表示为：

式中，Y′₁和Y′₀分别代表分段推进距离范围对应圆弧段始末对应斜率值，上述的圆曲线即为盾构运行路径，控制盾构机沿着该圆曲线进行掘进。

本发明盾构机全智能体系化控制方法的进一步改进在于，获取隧道段电机车的位置的步骤包括：

在隧道段电机车的侧部安装视觉传感器；

在成型隧道的每环管片上设置标识号；

利用所述视觉传感器识别对应管片上的标识号，进而实现获得隧道段电机车的位置。

本发明盾构机全智能体系化控制方法的进一步改进在于，所述管片智能拼装系统通过控制管片拼装机实现盾构管片的智能拼装：

建立拼装机全局坐标系和吸盘末端局部坐标系，完成拼装机运动学正逆解算法；

在吸盘上安装深度视觉传感器，完成各深度视觉传感器在局部坐标系下的精确定位；

根据视觉传感器与吸盘之间的空间位置关系，计算吸盘在局部坐标系下的位姿；

管片块抓取包括如下步骤：

获取待抓管片块点云数据，并完成与管片块三维模型的精准匹配；

计算待抓管片块在局部坐标系下的目标位姿；

根据拼装机当前各自由度行程数据，计算吸盘在全局坐标系下的位姿；

根据吸盘在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；

根据转换矩阵，计算待抓管片块在全局坐标系下的位姿；

根据待抓管片块在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；

自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对待抓管片块的抓取；

管片块拼装包括如下步骤：

获取管片块安装位置附近关联管片块的点云数据，并完成与三维模型的精准匹配；

计算管片块安装位置附近关联管片块在局部坐标系下的目标位姿；

根据管片块安装位置与附近关联管片块的间隙、高差要求，计算管片块安装位置的目标位姿；

根据吸盘末端在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；

根据转换矩阵，计算管片块拼装位置全局坐标系下的位姿；

根据管片块拼装位置在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；

自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对管片块的定位安装。

本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有盾构机全智能体系化控制方法的程序，所述盾构机全智能体系化控制方法的程序被处理器执行时实现所述的盾构机全智能体系化控制方法的步骤。

本发明又提供了一种盾构机全智能体系化控制系统，其特征在于，包括：

判断单元，用于判断盾构管片块和同步浆液是否到位，得到判断结果；

与所述判断单元连接的处理单元，用于在所述判断结果为不到位时，获取隧道段电机车的位置，控制隧道段电机车运行至盾构机的后部，再控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片块至设定位置；还用于在所述判断结果为到位时，控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行，实现盾构机向前掘进；所述处理单元还用于在盾构机向前掘进至推进油缸行程满足盾构管片同步拼装要求时，控制盾构机的管片智能拼装系统运行，以实现盾构管片的智能拼装；所述处理单元还用于在判断推进油缸的行程达到最大限值时，控制所述切削排渣智控系统和所述盾构推进智控系统停止运行，所述管片智能拼装系统继续运行；在当前环的盾构管片拼装完成时，控制所述管片智能拼装系统停止运行。

本发明盾构机全智能体系化控制系统的进一步改进在于，所述处理单元在控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片时，获取吸盘与盾构管片块间的位置关系，根据获取的位置关系给出车架段管片自动运输机构的运动参数，利用所述运动参数控制所述车架段管片自动运输机构进行运动：

所述处理单元识别所述车架段管片自动运输机构上的吸盘的两个角部，记为1′和2′，所述处理单元还识别管片块上对应的两个角部，记为1和2，根据1和1′、2和2′的位置关系，计算得到所述车架段管片自动运输机构上各个部件的运动量：

纵向位移机构在X轴方向的运动量：

平移机构在Y轴方向上的运动量：

第一吊绳和第二吊绳在Z轴方向上的相同伸缩量：

第一吊绳和第二吊绳的差异伸缩量：

平面回转机构的回转角度：

其中，d₁为1和1’点在X轴向方向的距离，d₂为2和2’点在X轴方向上的距离，h₁为1和1’点在Z轴方向上的距离，h₂为2和2’点在Z轴方向上的距离，l₁为1和1’点在Y轴方向上的距离，l₂为2和2’点在Y轴方向上的距离，L_1-2为1和2点之间的距离。

本发明盾构机全智能体系化控制系统的进一步改进在于，所述处理单元在控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行时，获取盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据；

基于获取的盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据给出盾构运动路径规划导航和盾构机推进设定距离后的目标转向角度值：

当前盾构切口和盾尾相较于CTA的姿态偏差分别为x_切和x_尾，盾构机长度为L₀，故盾构中轴线与CTA的夹角为：

此时盾构控制点P与CTA之间的偏差值为M，设定盾构圆曲线沿CTA推进距离以及圆曲线末端控制点P与CTA之间的偏差值分别为L和N，

由三角关系可知：

进而该段圆曲线的圆心角中的可表示为：

对应的圆曲线半径为R可表示为：

圆曲线圆心o₀坐标可表示为：

(Rsinα,-Rcosα+M)，

故圆曲线方程可表示为：

(X-Rsinα)²+(Y+Rcosα-M)²＝R²(0≤X≤L)，

圆曲线上每一点对应的斜率为：

每分段推进距离盾构目标转向角度可表示为：

式中，Y′₁和Y′₀分别代表分段推进距离范围对应圆弧段始末对应斜率值，上述的圆曲线即为盾构运行路径，控制盾构机沿着该圆曲线进行掘进。

本发明盾构机全智能体系化控制系统的进一步改进在于，所述管片智能拼装系统通过控制管片拼装机实现盾构管片的智能拼装：

建立拼装机全局坐标系和吸盘末端局部坐标系，完成拼装机运动学正逆解算法；

在吸盘上安装深度视觉传感器，完成各深度视觉传感器在局部坐标系下的精确定位；

根据视觉传感器与吸盘之间的空间位置关系，计算吸盘在局部坐标系下的位姿；

控制管片拼装机抓取管片块包括：

获取待抓管片块点云数据，并完成与管片块三维模型的精准匹配；

计算待抓管片块在局部坐标系下的目标位姿；

根据拼装机当前各自由度行程数据，计算吸盘在全局坐标系下的位姿；

根据吸盘在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；

根据转换矩阵，计算待抓管片块在全局坐标系下的位姿；

根据待抓管片块在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；

自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对待抓管片块的抓取；

控制管片拼装机拼装管片块包括：

获取管片块安装位置附近关联管片块的点云数据，并完成与三维模型的精准匹配；

计算管片块安装位置附近关联管片块在局部坐标系下的目标位姿；

根据管片块安装位置与附近关联管片块的间隙、高差要求，计算管片块安装位置的目标位姿；

根据吸盘末端在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；

根据转换矩阵，计算管片块拼装位置全局坐标系下的位姿；

根据管片块拼装位置在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；

自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对管片块的定位安装。

附图说明

图1为本发明盾构机全智能体系化控制系统的整体架构图。

图2为本发明盾构机全智能体系化控制方法的流程图。

图3为本发明盾构机全智能体系化控制系统及方法中隧道段电机车的结构示意图。

图4为本发明盾构机全智能体系化控制系统及方法中车架段管片自动运输机构的结构示意图。

图5为本发明盾构机全智能体系化控制系统及方法给出相应运动参数的计算原理图。

图6为本发明盾构机全智能体系化控制系统及方法中盾构运动路径计算示意图。

图7为本发明盾构机全智能体系化控制系统及方法控制的盾构智能拼装系统的示意图。

图8为本发明盾构机全智能体系化控制系统及方法控制的盾构智能拼装系统的拼装流程图。

图9为本发明盾构机全智能体系化控制系统及方法中盾构自动导向系统的结构示意图。

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，本发明提供了一种盾构机全智能体系化控制系统、方法及存储介质，用于解决人工操控盾构机进行隧道建造时面临的施工作业效率低、隧道成型质量不稳定、施工安全风险不受控以及周围环境扰动大等的难题。本发明的盾构机全智能体系化控制系统及方法旨在实现全面的智能化控制，节省人工介入，保证隧道成型质量的前提下，提高施工安全。下面结合附图对本发明盾构机全智能体系化控制系统、方法及存储介质进行说明。

本发明的盾构机全智能体系化控制系统包括判断单元和处理单元，该判断单元与处理单元连接，判断单元用于判断盾构管片和同步浆液是否到位，得到判断结果。

处理单元用于在判断结果为不到位时，获取隧道段电机车的位置，控制隧道段电机车运行至盾构机的后部，再控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片至设定位置；还用于在判断结果为到位时，控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行，实现盾构机向前掘进；处理单元还用于在盾构机向前掘进至推进油缸行程满足盾构管片同步拼装要求时，控制盾构机的管片智能拼装系统运行，以实现盾构管片的智能拼装；处理单元还用于在判断推进油缸的行程达到最大限值时，控制切削排渣智控系统和盾构推进智控系统停止运行，管片智能拼装系统继续运行；在当前环的盾构管片拼装完成时，控制管片智能拼装系统停止运行。

如图1所示，本发明的盾构机全智能体系化控制系统分为感知层、决策层和执行层，在决策层与执行层和感知层之间设置有数据层，该数据层统一采用数据采集平台，实现数据的储存、共享与传输。本发明的判断单元和处理单元属于决策层，用于实现决策层的相应功能。

其中执行层包括切削排渣智控系统、盾构推进智控系统、管片智能拼装系统和物料智能运输系统。切削排渣智控系统主要涉及刀盘转速、切口压力、泡沫系统、膨润土系统、推进速度、螺旋机闸门开度、进排浆流量等参数的自动控制，完成盾构前方土体的顺利切削和排出。盾构推进智控系统的每个推进油缸单元的目标压力均由决策层提供，实现盾构机的巡航掘进，当油缸行程满足推拼同步要求时，开始盾构智能掘进和管片智能拼装的同步作业，管片智能拼装系统主要涉及拼装机各自由度关节运动量的自主控制，使得拼装机能够完成管片的自动抓取、回转递送和定位安装。物流智能运输系统分为隧道段的电机车自动运输和盾构车架段管片自动运输机构，实现管片、浆液等物资从始发井到盾构机这段范围内的接力输送。

感知层除了通过各类传感器形成盾构设备参数采集系统，获取盾构机全部设备工作状态数据以外，还通过地面沉降自动监测系统、刀具磨损检测系统、盾尾间隙自动测量系统、盾构自动导向系统、超前地质探测系统、螺旋机出土识别系统、同步浆液和盾尾油脂称重系统等全方位感知整个盾构施工过程。其中，地面沉降自动监测系统的技术原理为使用旋翼无人机搭载量测摄影机，配合专用的沉降点定向反光靶标，快速拍摄沉降监测区域的图像，经过图像处理和三维重建后得到沉降点三维坐标，一键生成沉降观测报表，实现高速度、高精度的地面点沉降监测；刀具磨损检测系统是在刀盘刀具上安装磨损、转动、温升、载荷等传感器，获取刀具工作状态参数，通过设定报警阈值给出故障诊断警示，并结合算法模型进行刀具使用寿命预测，给出提前换刀建议；如图9所示，盾构自动导向系统是将观测台安装到盾构车架上，同时在观测台底部加装自动安平装置，并基于多个后视棱镜和移动测站坐标动态解算模型实现测站的自我快速定位，通过观测安装在盾构主机固定位置的激光靶，计算盾构机实时姿态；螺旋机出土识别系统是采用深度图像立体视觉传感器对渣土进行点云数据采集与处理，计算渣土体积与质量，并基于机器学习的方法对渣土土体进行特征识别。

数据采集平台主要负责储存、共享感知层获取的所有数据。由于数据来源不同，需要对这些多源异构数据进行标准化编码。决策层信息输入至数据采集平台后，由数据采集平台再发放至盾构PLC控制器，实现对执行机构的命令控制。

决策层能够对感知层的各传感系统发出工作指令，获取感知结果后，对执行层涉及的多个子系统的执行目标进行针对性分析、计算、推送，包括：盾构运动路径导航规划；盾构推进系统推力矢量设定；管片自动拼装路径规划；管片拼装机各自由度行程量设定；物料运输电机车启停指令给定；盾构机故障预警与自诊断。

在本发明的一种具体实施方式中，盾构机在正常掘进施工时，需要向管片外和盾构机外注入同步浆液。如图3所示，隧道段电机车22上设置有同步浆液车，其上存储有同步浆液，在盾构机掘进施工时，隧道段电机车22跟随在盾构机的后部，通过注浆管将同步浆液车上载有的同步浆液注入到所需的位置。本发明的控制系统在启动时，判断单元获取注浆管的连接情况，若注浆管与同步浆液车上的注浆泵连接完好，则表明同步浆液已到位，判断单元形成判断结果为到位；若注浆管未与同步浆液车上的注浆泵连接，则表明同步浆液未到位，判断单元形成判断结果为不到位。

在隧道段电机车22上还设有管片平板车，在该管片平板车上装载有待拼装的管片块，盾构机在正常掘进时，在盾构机后部连接的车架段设有管片自动运输机构，该车架段管片自动运输机构能够将管片平板车上的管片块运送至车架段的设定位置，以便于拼装机进行抓取进行管片块的拼装。本发明的判断单元在判断管片是否到位时，获取车架段的设定位置处是否有管片块存在，若有，则判断结果为到位，若没有，则判断结果为不到位。

处理单元获取判断单元的判断结果，在同步浆液和盾构管片均到位时，处理单元控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行。在同步浆液和盾构管片有一个不到位，或者两个都不到位时，处理单元获取隧道段电机车的位置，判断该隧道段电机车的位置是否运输到位，该隧道段电机车用于在始发井和盾构机之间运输管片块和同步浆液等物资，在隧道段电机车上的同步浆液用完或达到一低限值时，和/或管片块卸载完时，该隧道段电机车需移动到始发井处进行同步浆液的添加和管片块的装载，装载和添加完成后，该隧道段电机车再移动到盾构机的后部处，为盾构机的掘进提供相应的物资。

隧道段电机车22在盾构机掘进时，其位于盾构机后部设定位置处，也即与盾构机的尾部有一设定距离，处理单元在获得到隧道段电机车的位置后，根据该隧道段电机车的实际位置与盾构机的尾部间的距离来判断该隧道段电机车是否运输到位。

如图3所示，在隧道段电机侧的侧部安装有视觉传感器221，该视觉传感器221能够获取一定范围内的视频数据；在成型隧道的每环管片21上设置标识号，利用标识号为每环管片21进行编号标识，处理单元与视觉传感器221连接，通过视觉传感器221识别对应管片21上的标识号，进而实现获得隧道段电机车22的位置。较佳地，处理单元通过视觉传感器221识别隧道段电机车22侧部的至少三个连续的管片编号，实现隧道段电机车22在隧道内的空间定位。

进一步地，处理单元在获得隧道段电机车的实际位置后，通过该实际位置与隧道段电机车的目标位置进行比较，就能够判断得到该隧道段电机车是否到位，在不到位时，发送控制指令让隧道段电机车移动到目标位置。

再进一步地，如图3所示，在隧道段电机车22的前部，也即车头处安装超声波测距仪222，在盾构机后部的车架段上设置禁行牌224，通过车头处的超声波测距仪222检测其与禁行牌224间的距离，根据检测距离来控制隧道段电机车22减速停车。又进一步地，在始发井处也设置一禁行牌，在隧道段电机车22的后部，也即车尾处设置另一个超声波测距仪222，利用该禁行牌控制隧道段电机车22在始发井处的停止位置。通过设置禁行牌和超声波测距仪，能够方便的对隧道段电机车22的停车位置进行确定。车头和车尾处设置的超声波测距仪还能够检测是否有异物入侵，以保障行车安全。

又进一步地，在隧道段电机车22的车身两侧设置有超声波测距仪222，利用超声波测距仪222判断车身两侧一定宽度范围内是否有异物入侵，利用超声波测距仪222的实时检测来保证隧道段电机车22的行车安全。

又进一步地，在隧道段电机车22的车头和车尾还安装有180°鱼眼相机223，用于视频采集与安全监控。在隧道段电机车22上安装有双轴倾斜仪，用于检测电机车的滚动角和俯仰角，实现对电机车姿态的监控。

在本发明的一种具体实施方式中，本发明的处理单元在控制隧道段电机车22移动到位后，控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片块。具体地，处理单元在控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片块时，如图4所示，获取吸盘238与盾构管片块211间的位置关系，根据获取的位置关系给出车架段管片自动运输机构的运动参数，利用运动参数控制车架段管片自动运输机构进行运动。

该车架段管片自动运输机构包括一对轨道231、纵向位移机构232、平移机构233、深度视觉传感器234、第一吊绳235、第二吊绳236、平面回转机构237和吸盘238，一对轨道231沿X轴方向设置，纵向位移机构232滑设在轨道231上，可沿着轨道231在X轴方向进行位置调节，纵向位移机构232沿着Y轴方向设置，平移机构233滑设在纵向位移机构232上，该平移机构233可沿着纵向位移机构232在Y轴方向进行位置调节，第一吊绳235和第二吊绳236沿Z轴方向设置，第一吊绳235和第二吊绳236的顶端连接在平移机构233上，第一吊绳235和第二吊绳236的底端连接在平面回转机构237上，该平面回转机构237与吸盘238连接，通过第一吊绳235和第二吊绳236在Z轴方向的伸缩实现调节吸盘238在Z轴方向上的位置。

深度视觉传感器234能够拍摄到吸盘238的位置，在吸盘238吸取管片块211时，该深度视觉传感器234能够拍摄吸盘238和对应的管片块211的位置。处理单元与该深度视觉传感器234连接，获取吸盘238和对应的管片块211的空间位置关系，根据空间位置关系给出纵向位移机构232在X轴方向的运动量L_X，平移机构233在Y轴方向上的运动量L_Y，第一吊绳235和第二吊绳236在Z轴方向上的相同伸缩量L_Z，第一吊绳235和第二吊绳236的差异伸缩量Δh以实现吸盘238在竖直面上的回转，平面回转机构237的回转角度α以实现吸盘238在水平面上的回转；各部件根据计算的运动量进行动作执行，实现吸盘238对管片块211的抓取；纵向位移机构232在轨道231上运动，将管片块211运输至盾构机机头位置摆放到位。

进一步地，吸盘238的顶部为平面，该平面与平面回转机构237连接，吸盘238的底部为弧形面，该弧形面与管片块211的内弧面相适配。

如图4和图5所示，处理单元识别吸盘238的两个角部，记为1′和2′，识别管片块211上对应的两个角部，记为1和2，根据1和1′、2和2′的位置关系，计算得到各个部件的运动量。

纵向位移机构在X轴方向的运动量：

平移机构在Y轴方向上的运动量：

第一吊绳和第二吊绳在Z轴方向上的相同伸缩量：

第一吊绳和第二吊绳的差异伸缩量：

平面回转机构的回转角度：

其中，d₁为1和1’点在X轴向方向的距离，d₂为2和2’点在X轴方向上的距离，h₁为1和1’点在Z轴方向上的距离，h₂为2和2’点在Z轴方向上的距离，l₁为1和1’点在Y轴方向上的距离，l₂为2和2’点在Y轴方向上的距离，L_1-2为1和2点之间的距离。

处理单元根据上述计算的运动量控制对应的部件进行运动，可使得吸盘能够与管片块间实现对位，实现了精确的抓取管片块，进而提高了管片块的取放精度。

在本发明的一种具体实施方式中，在确认盾构管片和同步浆液均已到位后，处理单元向切削排渣智控系统和盾构推进智控系统发送工作指令，让两个系统开始运行。

地面沉降自动监测系统获取数据后，发送至数据层，处理单元读取数据后给出刀盘转速、螺旋机闸门开度、同步浆液单环用量、盾构推进速度、进排浆流量差等目标值。

处理单元向数据层读取盾尾间隙、盾构导向数据、隧道设计轴线数据等后给出盾构运动路径规划导航，以及每推进一段距离后盾构机要求的目标转向角度值，推进系统目标总推力矢量可根据盾构转向要求自动生成。

具体地，处理单元通过如下方式计算盾构运动路径：

如图6所示，当前盾构切口和盾尾相较于CTA的姿态偏差分别为x_切和x_尾，盾构机长度为L₀，故盾构中轴线与CTA的夹角为：

此时盾构控制点P与CTA之间的偏差值为M，设定盾构圆曲线沿CTA推进距离以及圆曲线末端控制点P与CTA之间的偏差值分别为L和N。

由三角关系可知：

进而该段圆曲线的圆心角中的可表示为：

对应的圆曲线半径为R可表示为：

圆曲线圆心o₀坐标可表示为：

(Rsinα,-Rcosα+M)，

故圆曲线方程可表示为：

(X-Rsinα)²+(Y+Rcosα-M)²＝R²(0≤X≤L)

圆曲线上每一点对应的斜率为：

最终，每分段推进距离盾构目标转向角度可表示为：

式中，Y′₁和Y′₀分别代表分段推进距离范围对应圆弧段始末对应斜率值。上述的圆曲线即为盾构运行路径，控制盾构机沿着该圆曲线进行掘进。

在本发明的一种具体实施方式中，处理单元在盾构机推进距离满足盾构管片拼装要求时，也即油缸的当前行程大于管片的宽度，处理单元向盾构管片智能拼装系统发送工作指令，让盾构管片智能拼装系统开始管片块的拼装。

管片拼装机包括大平移油缸242、回转盘241、提升油缸243和244、真空吸盘俯仰与偏转功能油缸。在回转盘241圆心向大平移油缸242底部所在竖直平面的投影点为O0全局坐标系X0Y0Z0，在真空吸盘245平面中心为原点O1建立局部坐标系X1Y1Z1，建立拼装机运动学正逆解算法，通过各自由度行程可正解吸盘末端在全局坐标系中位姿，以及通过吸盘的目标位姿逆解各自由度的目标行程。

盾构管片智能拼装方法如图8所示，建立拼装机全局坐标系和吸盘末端局部坐标系，完成拼装机运动学正逆解算法；在吸盘上安装深度视觉传感器，完成各深度视觉传感器在局部坐标系下的精确定位；根据视觉传感器与吸盘之间的空间位置关系，计算吸盘在局部坐标系下的位姿。

管片块抓取的步骤如下：获取待抓管片块点云数据，并完成与管片块三维模型的精准匹配；计算待抓管片块在局部坐标系下的目标位姿；根据拼装机当前各自由度行程数据，计算吸盘在全局坐标系下的位姿；根据吸盘在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；根据转换矩阵，计算待抓管片块在全局坐标系下的位姿；根据待抓管片块在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对待抓管片块的抓取。

管片块安装的步骤如下：获取管片块安装位置附近关联管片块的点云数据，并完成与三维模型的精准匹配；计算管片块安装位置附近关联管片块在局部坐标系下的目标位姿；根据管片块安装位置与附近关联管片块的间隙、高差等要求，计算管片块安装位置的目标位姿；根据吸盘末端在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；根据转换矩阵，计算管片块拼装位置全局坐标系下的位姿；根据管片块拼装位置在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对管片块的定位安装。

在本发明的一种具体实施方式中，处理单元在推进系统油缸行程达到最大限值时，也即推进油缸的伸出量达到最大限值，处理单元向切削排渣智控系统和盾构推进智控系统发出停止工作指令，切削排渣智控系统和盾构推进智控系统停止工作，管片智能拼装系统继续运行，直至当前环的管片拼装完成。

在当前环的管片拼装完成后，处理单元向管片智能拼装系统发出停止工作指令，管片智能拼装系统停止工作。然后判断单元重新对盾构管片块和同步浆液是否到位进行判断，进行下一环管片的掘进和拼装工作，直至隧道建造完成。

本发明的盾构机全智能体系化控制系统可在盾构机从始发井进洞掘进一段距离后开启，在开启前可由人工明确盾构机全系统、各部件工作状态良好，无机械、液压、电控、通讯等方面的故障。人工一键启动盾构机辅助系统，包括集中润滑、空压机、皮带机、冷却系统和刀盘转动等。开启本发明的盾构机全智能体系化控制系统后，由本发明的盾构机全智能体系化控制系统控制盾构机的掘进和管片的拼装，节省了人工操控，形成了体系化融合运作的控制系统，提升了盾构机整机的智能化。

本发明还提供了一种盾构机全智能体系化控制方法，下面对该控制方法进行说明。

如图2所示，本发明的控制方法包括如下步骤：

判断盾构管片块和同步浆液是否到位；

若判断结果为不到位，则获取隧道段电机车的位置，控制隧道段电机车运行至盾构机的后部，再控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片块至设定位置；

若判断结果为到位，则控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行，实现盾构机向前掘进；

在盾构机向前掘进至推进油缸行程满足盾构管片同步拼装要求时，控制盾构机的管片智能拼装系统运行，以实现盾构管片的智能拼装；

在切削排渣智控系统、盾构推进智控系统以及管片智能拼装系统运行的过程中，判断推进油缸的行程是否达到最大限值，若是，则控制切削排渣智控系统和盾构推进智控系统停止运行，管片智能拼装系统继续运行；

在当前环的盾构管片拼装完成时，控制管片智能拼装系统停止运行；

重复上述步骤，直至完成隧道的施工。

本发明的控制方法在启动前先确保盾构全系统整备完成，盾构机辅助系统一键启动，该辅助系统包括集中润滑、空压机、皮带机、冷却系统、刀盘转动等。

在本发明的一种具体实施方式中，在控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片时，获取吸盘与盾构管片块间的位置关系，根据获取的位置关系给出车架段管片自动运输机构的运动参数，利用运动参数控制车架段管片自动运输机构进行运动：

识别所述车架段管片自动运输机构上的吸盘的两个角部，记为1′和2′，识别管片块上对应的两个角部，记为1和2，根据1和1′、2和2′的位置关系，计算得到所述车架段管片自动运输机构上各个部件的运动量：

纵向位移机构在X轴方向的运动量：

平移机构在Y轴方向上的运动量：

第一吊绳和第二吊绳在Z轴方向上的相同伸缩量：

第一吊绳和第二吊绳的差异伸缩量：

平面回转机构的回转角度：

其中，d₁为1和1’点在X轴向方向的距离，d₂为2和2’点在X轴方向上的距离，h₁为1和1’点在Z轴方向上的距离，h₂为2和2’点在Z轴方向上的距离，l₁为1和1’点在Y轴方向上的距离，l₂为2和2’点在Y轴方向上的距离，L_1-2为1和2点之间的距离。

在本发明的一种具体实施方式中，在控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行时，获取盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据；

基于获取的盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据给出盾构运动路径规划导航和盾构机推进设定距离后的目标转向角度值：

当前盾构切口和盾尾相较于CTA的姿态偏差分别为x_切和x_尾，盾构机长度为L₀，故盾构中轴线与CTA的夹角为：

此时盾构控制点P与CTA之间的偏差值为M，设定盾构圆曲线沿CTA推进距离以及圆曲线末端控制点P与CTA之间的偏差值分别为L和N，

由三角关系可知：

进而该段圆曲线的圆心角中的可表示为：

对应的圆曲线半径为R可表示为：

圆曲线圆心o₀坐标可表示为：

(Rsinα,-Rcosα+M)，

故圆曲线方程可表示为：

(X-Rsinα)²+(Y+Rcosα-M)²＝R²(0≤X≤L)，

圆曲线上每一点对应的斜率为：

每分段推进距离盾构目标转向角度可表示为：

式中，Y′₁和Y′₀分别代表分段推进距离范围对应圆弧段始末对应斜率值，上述的圆曲线即为盾构运行路径，控制盾构机沿着该圆曲线进行掘进。

在本发明的一种具体实施方式中，获取隧道段电机车的位置的步骤包括：

在隧道段电机车的侧部安装视觉传感器；

在成型隧道的每环管片上设置标识号；

利用视觉传感器识别对应管片上的标识号，进而实现获得隧道段电机车的位置。

在本发明的一种具体实施方式中，在盾构机的尾部设置禁行牌；

在隧道段电机车的前部设置超声波测距仪，利用设置的超声波测距仪检测其距禁行牌的距离，根据检测得到的距离控制隧道段电机车运行或停止。

本发明又提供了一种存储介质，该存储介质上存储有盾构机全智能体系化控制方法的程序，盾构机全智能体系化控制方法的程序被处理器执行时实现盾构机全智能体系化控制方法的步骤。

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)

1.一种盾构机全智能体系化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

判断盾构管片块和同步浆液是否到位；

若判断结果为不到位，则获取隧道段电机车的位置，控制隧道段电机车运行至盾构机的后部，再控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片块至设定位置；

若判断结果为到位，则控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行，实现盾构机向前掘进；

在盾构机向前掘进至推进油缸行程满足盾构管片同步拼装要求时，控制盾构机的管片智能拼装系统运行，以实现盾构管片的智能拼装；

在所述切削排渣智控系统、所述盾构推进智控系统以及所述管片智能拼装系统运行的过程中，判断推进油缸的行程是否达到最大限值，若是，则控制所述切削排渣智控系统和所述盾构推进智控系统停止运行，所述管片智能拼装系统继续运行；

在当前环的盾构管片拼装完成时，控制所述管片智能拼装系统停止运行；

重复上述步骤，直至完成隧道的施工。

2.如权利要求1所述的盾构机全智能体系化控制方法，其特征在于，在控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片块时，获取吸盘与盾构管片块间的位置关系，根据获取的位置关系给出车架段管片自动运输机构的运动参数，利用所述运动参数控制所述车架段管片自动运输机构进行运动：

识别所述车架段管片自动运输机构上的吸盘的两个角部，记为1′和2′，识别管片块上对应的两个角部，记为1和2，根据1和1′、2和2′的位置关系，计算得到所述车架段管片自动运输机构上各个部件的运动量：

纵向位移机构在X轴方向的运动量：

平移机构在Y轴方向上的运动量：

第一吊绳和第二吊绳在Z轴方向上的相同伸缩量：

第一吊绳和第二吊绳的差异伸缩量：

平面回转机构的回转角度：

其中，d₁为1和1’点在X轴向方向的距离，d₂为2和2’点在X轴方向上的距离，h₁为1和1’点在Z轴方向上的距离，h₂为2和2’点在Z轴方向上的距离，l₁为1和1’点在Y轴方向上的距离，l₂为2和2’点在Y轴方向上的距离，L_1-2为1和2点之间的距离。

3.如权利要求1所述的盾构机全智能体系化控制方法，其特征在于，在控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行时，获取盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据；

基于获取的盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据给出盾构运动路径规划导航和盾构机推进设定距离后的目标转向角度值：

当前盾构切口和盾尾相较于CTA的姿态偏差分别为x_切和x_尾，盾构机长度为L₀，故盾构中轴线与CTA的夹角为：

此时盾构控制点P与CTA之间的偏差值为M，设定盾构圆曲线沿CTA推进距离以及圆曲线末端控制点P与CTA之间的偏差值分别为L和N，

由三角关系可知：

进而该段圆曲线的圆心角中的可表示为：

对应的圆曲线半径为R可表示为：

圆曲线圆心o₀坐标可表示为：

(Rsinα,-Rcosα+M)，

故圆曲线方程可表示为：

(X-Rsinα)²+(Y+Rcosα-M)²＝R²(0≤X≤L)，

圆曲线上每一点对应的斜率为：

每分段推进距离盾构目标转向角度可表示为：

式中，Y′₁和Y′₀分别代表分段推进距离范围对应圆弧段始末对应斜率值，上述的圆曲线即为盾构运行路径，控制盾构机沿着该圆曲线进行掘进。

4.如权利要求1所述的盾构机全智能体系化控制方法，其特征在于，获取隧道段电机车的位置的步骤包括：

在隧道段电机车的侧部安装视觉传感器；

在成型隧道的每环管片上设置标识号；

利用所述视觉传感器识别对应管片上的标识号，进而实现获得隧道段电机车的位置。

5.如权利要求1所述的盾构机全智能体系化控制方法，其特征在于，所述管片智能拼装系统通过控制管片拼装机实现盾构管片的智能拼装：

建立拼装机全局坐标系和吸盘末端局部坐标系，完成拼装机运动学正逆解算法；

在吸盘上安装深度视觉传感器，完成各深度视觉传感器在局部坐标系下的精确定位；

根据视觉传感器与吸盘之间的空间位置关系，计算吸盘在局部坐标系下的位姿；

管片块抓取包括如下步骤：

获取待抓管片块点云数据，并完成与管片块三维模型的精准匹配；

计算待抓管片块在局部坐标系下的目标位姿；

根据拼装机当前各自由度行程数据，计算吸盘在全局坐标系下的位姿；

根据吸盘在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；

根据转换矩阵，计算待抓管片块在全局坐标系下的位姿；

根据待抓管片块在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；

自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对待抓管片块的抓取；

管片块拼装包括如下步骤：

获取管片块安装位置附近关联管片块的点云数据，并完成与三维模型的精准匹配；

计算管片块安装位置附近关联管片块在局部坐标系下的目标位姿；

根据管片块安装位置与附近关联管片块的间隙、高差要求，计算管片块安装位置的目标位姿；

根据吸盘末端在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；

根据转换矩阵，计算管片块拼装位置全局坐标系下的位姿；

根据管片块拼装位置在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；

自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对管片块的定位安装。

6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有盾构机全智能体系化控制方法的程序，所述盾构机全智能体系化控制方法的程序被处理器执行时实现权利要求1至权利要求5中任一项所述的盾构机全智能体系化控制方法的步骤。

7.一种盾构机全智能体系化控制系统，其特征在于，包括：

判断单元，用于判断盾构管片块和同步浆液是否到位，得到判断结果；

与所述判断单元连接的处理单元，用于在所述判断结果为不到位时，获取隧道段电机车的位置，控制隧道段电机车运行至盾构机的后部，再控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片块至设定位置；还用于在所述判断结果为到位时，控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行，实现盾构机向前掘进；所述处理单元还用于在盾构机向前掘进至推进油缸行程满足盾构管片同步拼装要求时，控制盾构机的管片智能拼装系统运行，以实现盾构管片的智能拼装；所述处理单元还用于在判断推进油缸的行程达到最大限值时，控制所述切削排渣智控系统和所述盾构推进智控系统停止运行，所述管片智能拼装系统继续运行；在当前环的盾构管片拼装完成时，控制所述管片智能拼装系统停止运行。

8.如权利要求7所述的盾构机全智能体系化控制系统，其特征在于，所述处理单元在控制车架段管片自动运输机构运输盾构管片时，获取吸盘与盾构管片块间的位置关系，根据获取的位置关系给出车架段管片自动运输机构的运动参数，利用所述运动参数控制所述车架段管片自动运输机构进行运动：

所述处理单元识别所述车架段管片自动运输机构上的吸盘的两个角部，记为1′和2′，所述处理单元还识别管片块上对应的两个角部，记为1和2，根据1和1′、2和2′的位置关系，计算得到所述车架段管片自动运输机构上各个部件的运动量：

纵向位移机构在X轴方向的运动量：

平移机构在Y轴方向上的运动量：

第一吊绳和第二吊绳在Z轴方向上的相同伸缩量：

第一吊绳和第二吊绳的差异伸缩量：

平面回转机构的回转角度：

其中，d₁为1和1’点在X轴向方向的距离，d₂为2和2’点在X轴方向上的距离，h₁为1和1’点在Z轴方向上的距离，h₂为2和2’点在Z轴方向上的距离，l₁为1和1’点在Y轴方向上的距离，l₂为2和2’点在Y轴方向上的距离，L_1-2为1和2点之间的距离。

9.如权利要求7所述的盾构机全智能体系化控制系统，其特征在于，所述处理单元在控制盾构机的切削排渣智控系统和盾构推进智控系统运行时，获取盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据；

基于获取的盾尾间隙数据、盾构导向数据和隧道设计轴线数据给出盾构运动路径规划导航和盾构机推进设定距离后的目标转向角度值：

当前盾构切口和盾尾相较于CTA的姿态偏差分别为x_切和x_尾，盾构机长度为L₀，故盾构中轴线与CTA的夹角为：

此时盾构控制点P与CTA之间的偏差值为M，设定盾构圆曲线沿CTA推进距离以及圆曲线末端控制点P与CTA之间的偏差值分别为L和N，

由三角关系可知：

进而该段圆曲线的圆心角中的可表示为：

对应的圆曲线半径为R可表示为：

圆曲线圆心o₀坐标可表示为：

(Rsinα,-Rcosα+M)，

故圆曲线方程可表示为：

(X-Rsinα)²+(Y+Rcosα-M)²＝R²(0≤X≤L)，

圆曲线上每一点对应的斜率为：

每分段推进距离盾构目标转向角度可表示为：

式中，Y′₁和Y′₀分别代表分段推进距离范围对应圆弧段始末对应斜率值，上述的圆曲线即为盾构运行路径，控制盾构机沿着该圆曲线进行掘进。

10.如权利要求7所述的盾构机全智能体系化控制系统，其特征在于，所述管片智能拼装系统通过控制管片拼装机实现盾构管片的智能拼装：

建立拼装机全局坐标系和吸盘末端局部坐标系，完成拼装机运动学正逆解算法；

在吸盘上安装深度视觉传感器，完成各深度视觉传感器在局部坐标系下的精确定位；

根据视觉传感器与吸盘之间的空间位置关系，计算吸盘在局部坐标系下的位姿；

控制管片拼装机抓取管片块包括：

获取待抓管片块点云数据，并完成与管片块三维模型的精准匹配；

计算待抓管片块在局部坐标系下的目标位姿；

根据拼装机当前各自由度行程数据，计算吸盘在全局坐标系下的位姿；

根据吸盘在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；

根据转换矩阵，计算待抓管片块在全局坐标系下的位姿；

根据待抓管片块在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；

自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对待抓管片块的抓取；

控制管片拼装机拼装管片块包括：

获取管片块安装位置附近关联管片块的点云数据，并完成与三维模型的精准匹配；

计算管片块安装位置附近关联管片块在局部坐标系下的目标位姿；

根据管片块安装位置与附近关联管片块的间隙、高差要求，计算管片块安装位置的目标位姿；

根据吸盘末端在全局坐标系下和局部坐标系下的位姿，计算两者的转换矩阵；

根据转换矩阵，计算管片块拼装位置全局坐标系下的位姿；

根据管片块拼装位置在全局坐标系下的位姿，逆解拼装机各自由度的目标行程；

自动执行拼装机各自由度的目标行程，完成对管片块的定位安装。