-
Anwendungsgebiet und Stand
der Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Bohrvorrichtung
für geologische Strukturen, insbesondere zum Betrieb einer
Tunnelbohrmaschine, die wenigstens einen drehbar gelagerten Bohrkopf
mit Bohrwerkzeugen, wenigstens ein Sensorelement, wenigstens einen
Signalerzeuger sowie wenigstens eine Auswerteeinheit aufweist. Der
wenigstens eine Signalerzeuger ist vorzugsweise von dem wenigstens
einen Sensorelement räumlich getrennt angeordnet. Das Verfahren
umfasst wenigstens die Schritte des Erzeugens eines Ausgangssignals
mittels des Signalerzeugers, des Erfassens des Ausgangssignals und/oder
eines Antwortsignals mittels des Sensorelements, des Auswertens
wenigstens des erfassten Ausgangssignals und oder des Antwortsignals
mittels der Auswerteinheit sowie des Ausgebens eines Statussignals
mittels der Auswerteeinheit in Abhängigkeit des erfassten
Ausgangssignals und/oder Antwortsignals. Die Erfindung betrifft auch
ein Verfahren zum Erkennen von geologischen Strukturen sowie eine
Bohrvorrichtung für geologische Strukturen.
-
Derartige
Verfahren sind beispielsweise aus der
DE 35 05 408 A1 bekannt. Darin ist eine so
genannte Teilschnittvortriebsmaschine mit einer Schrämwalze
beschrieben, wobei die Schrämwalze mit mehreren Schrämmeißeln
versehen ist. Es ist vorgesehen, die von den Schrämmeißeln
beim Abtragen des Abraumgutes erzeugten Schallwellen und Vibrationen
zu erfassen. Das erwartete Spektrum ist zyklisch, so dass also jede
Stelle der Walze bei jeder Umdrehung der Walze im Wesentlichen das
gleiche Geräusch beim Kontakt mit dem abzuräumenden Untergrund
erzeugt. Das tatsächlich erfasste Spektrum wird auf Abweichungen
untersucht, die sich bis in einen Bereich außerhalb vorbestimmter
Toleranzen erstrecken. Daraus werden Rückschlüsse
auf die Funktionsfähigkeit der Schrämmeißel
gezogen. Das System bedarf einer Programmierung, die auf das jeweilige
bearbeitete Gestein und die jeweiligen verwendeten Schrämmeißel
abgestellt ist. Rückschlüsse auf das abgetragene
Gestein beziehungsweise Mineral sind nur sehr bedingt möglich.
-
Aufgabe und Lösung
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher ein Verfahren zum Betrieb einer Bohrvorrichtung
für geologische Strukturen, ein Verfahren zum Erkennen
von geologischen Strukturen sowie eine Bohrvorrichtung für
geologische Strukturen der Eingangs genannten Art zu schaffen, mittels
denen ein Betriebszustand der Bohrvorrichtung überwacht
sowie das gebohrte beziehungsweise zu bohrende Material nach Art
und Beschaffenheit erkannt werden kann.
-
Gelöst
wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte
sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher
erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch
ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Manche der nachfolgenden, jedoch nicht erschöpfend aufgezählten
Merkmale und Eigenschaften treffen sowohl auf die Verfahren als auch
auf die Vorrichtung zu. Sie werden teilweise nur einmal beschrieben,
gelten jedoch unabhängig voneinander und in beliebiger
Kombination sowohl für die Verfahren als auch für
die Vorrichtung. Weiterhin ist die Reihenfolge der aufgelisteten
Merkmale nicht bindend sondern kann vielmehr entsprechend optimierter
Verfahren beziehungsweise einer Vorrichtung für die optimierten
Verfahren geändert werden.
-
Erfindungsgemäß ist
die Auswerteeinheit trainierbar und weist eine trainierbare Entscheidungsfähigkeit
auf. Die Auswerteeinheit erkennt anhand des erfassten Ausgangssignals
und/oder Antwortsignals, die das aus Sicht des oder der Sensorelemente
Eingangssignale sind, wenigstens einen Betriebszustand eines Elements
und/oder einer Gruppe von Elementen der Bohrvorrichtung beziehungsweise
Art und/oder Beschaffenheit des Materials wenigstens in einem Bereich
vor dem Bohrkopf. Als Bohrvorrichtung im Sinne der Erfindung wird
jede Bohrvorrichtung verstanden, insbesondere jede Tunnelvortriebsmaschine,
die dazu geeignet ist, Tunnel, Stollen und/oder Schächte
zu bohren. Diese Bohrvorrichtungen lösen beispielsweise
mittels schneiden, zertrümmern, drücken und/oder
vibrieren die zu bohrende geologische Struktur und ermöglichen
so einen Vortrieb der Bohrvorrichtung. Im Allgemeinen sind dies
Großgeräte, beispielsweise Tunnelbohrmaschinen,
mittels derer geologische Strukturen, nämlich Gestein,
beispielsweise Hartgestein und/oder Weichgestein, Schlamm, Ton,
Lehm, Sand, Kies oder dergleichen, gebohrt werden kann. Die Tunnelbohrmaschinen
können ohne, mit einem oder mit mehreren so genannter Schilde
ausgebildet sein. Die Erfindung kann jedoch auch bei entsprechenden
Kleingeräten angewendet werden, die sich für den
Einsatz der Erfindung eignen.
-
Der
Bohrkopf der Bohrvorrichtung ist vorzugsweise im Bereich der Mittellängsachse
der Bohrvorrichtung drehbar gelagert, wobei der Bohrkopf zum Erzeugen
der Drehbewegung angetrieben wird, insbesondere mittels beliebiger
Motoren. Die Bohrwerkzeuge des Bohrkopfes können erfindungsgemäß ebenfalls
beliebig ausgebildet sein, so dass sie der jeweiligen Anwendung
der Bohrvorrichtung angepasst werden können. Vorstellbar
sind beispielsweise Drehmeißel, Schrämmeißel,
schabende und/oder zertrümmernde Bohrwerkzeuge oder dergleichen. Generell
dienen die Bohrwerkzeuge dazu, Material aus dem zu bohrenden Bereich
zu entfernen.
-
Ein
für das erfindungsgemäße Verfahren verwendetes
Sensorelement kann beispielsweise optische, akustische, mechanische,
magnetische und/oder elektrische Signale erfassen. Im Rahmen der
Erfindung ist jede Art von Sensorelement vorstellbar, das einen
Zustand der Bohrvorrichtung und/oder des die Bohrvorrichtung umgebenden
Materials erkennen kann. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn
hierzu ein weiteres Element notwendig ist, das ein durch die Bohrvorrichtung
und/oder ein durch das die Bohrvorrichtung umgebende Material veränderbares
Ausgangssignal erst erzeugen muss, das beispielsweise durch die
Veränderung zum Antwortsignal wird. Es sei aber ausdrücklich
angemerkt, dass das Antwortsignal nicht das veränderte
Ausgangssignal sein muss, um erfindungsgemäß als
Antwortsignal erachtet zu werden. Ein Geräusch, das beispielsweise
durch eine Senkung, Sackung, Setzung oder dergleichen in der die
Bohrvorrichtung umgebenden Geologie erzeugt wurde, kann gleichsam
ein Antwortsignal gemäß der Erfindung sein. Unter
einer Senkung ist erfindungsgemäß beispielsweise
eine lotrechte Verschiebung des anstehenden Bodens infolge von Materialentzug
verstanden, das sich beispielsweise in einem Einstürzen
von Hohl räumen äußert. Als Sackung wird
hier beispielsweise eine lotrechte Verschiebung des anstehenden
Bodens infolge lastunabhängiger Umlagerung des Korngerüsts bei
starker Durchnässung oder Austrocknung nichtbindiger Böden
verstanden. Eine Setzung im Sinne der Erfindung ist beispielsweise
eine lotrechte Verschiebung des anstehenden Bodens infolge einer Spannungszunahme
oder von Erschütterungen, beispielsweise durch zusätzliche
Belastung. Ein Signalerzeuger kann beispielsweise eine Lichtquelle, eine
Geräuschquelle, eine Quelle eines elektrischen und/oder
magnetischen Feldes, ein Vibrationserzeuger oder dergleichen sein.
Vorzugsweise sind das Sensorelement und der Signalerzeuger räumlich voneinander
getrennt, insbesondere über einige Meter voneinander, wobei
die räumliche Trennung nicht zwingend notwendig ist. Sie
kann aber die Genauigkeit der Erfassung des Sensorsignals erhöhen.
-
Die
für das erfindungsgemäße Verfahren herangezogene
Auswerteeinheit kann insbesondere ein Computer beziehungsweise eine
Software für den Computer sein. Für die Erfindung
ist es jedoch nur von Bedeutung, dass die der Auswerteeinheit zugedachten
Aufgaben von der Auswerteeinheit bewältigt werden können.
Die Auswerteeinheit kann beispielsweise auch mit einer Steuereinheit
der Bohrvorrichtung gekoppelt sein und so auf die Steuereinheit
Einfluss nehmen oder von der Steuereinheit beeinflusst werden. Die
Auswerteeinheit ist vorgesehen, um in Abhängigkeit des
Antwortsignals und/oder des Ausgangssignals ein Statussignal auszugeben. Als
Statussignal wird im Rahmen der Erfindung jedes von der Auswerteeinheit
erzeugte Signal verstanden, das eine weitere Auswerteeinheit, eine
Steuereinheit und/oder eine Bedienperson dazu befähigt,
Rückschlüsse über die Bohrvorrichtung,
das zu bohrende Material, einen Bereich, in dem bereits zu bohrendes Material
entfernt wurde und/oder ein diesen Bereich großräumig
umgebendes Gebiet zu ziehen. Hierzu können die Verfahrensschritte
einmalig, mehr malig in variierenden oder gleichbleibenden Zeitabständen und/oder
kontinuierlich abgearbeitet werden.
-
Die
Auswerteeinheit ist für das erfindungsgemäße
Verfahren trainierbar. Hierzu kann die Auswerteinheit beispielsweise
eine so genannte künstliche Intelligenz aufweisen, insbesondere
ein so genanntes neuronales Netz. Die Trainierbarkeit kann sich beispielsweise
so darstellen, dass der Auswerteeinheit Daten zugeführt
werden, beispielsweise in Form der erfassten Sensorsignale, die
in beliebiger Weise kommentiert werden, beispielsweise durch Bedienpersonal.
So kann beispielsweise ein Sensorsignal, dass im Augenblick der
Zerstörung eines Elements der Bohrvorrichtung erfasst wurde,
um einen entsprechenden Kommentar ergänzt werden. Tritt
das Signal später erneut auf, kann die Auswerteeinheit dann
selbstständig das Signal dem eingetretenen Zustand zuordnen.
Gleiches gilt auch für das zu erkennende Material. Ein
weiteres Trainieren kann dann beispielsweise ebenfalls manuell erfolgen.
Es ist aber auch möglich, dass die Auswerteeinheit aufgrund
der bereits erlernten Erfahrungen aus neuen, bis zum Eintritt unbekannten
Signalen, eigene Rückschlüsse zieht und entsprechende
Statussignale erzeugt. Jede neu erlernte Sequenz, wobei diese wenigstens
die Art des erfassten Signals und dessen Bedeutung umfasst, bereichert
den Wissensschatz der Auswerteeinheit, so dass sie in fortgeschrittenem Stadium
ihrer Anwendung mit immer weniger neuen Situationen konfrontiert
wird. Als Element und/oder eine Gruppe von Elementen der Baugruppe
wird erfindungsgemäß jedes Bauteil beziehungsweise
jede Menge von Bauteilen der Bohrvorrichtung angesehen. Die erkannten
Betriebszustände können beispielsweise „fehlerfreie
Funktion", „Defekt eingetreten, Reparatur nötig"
und/oder „Fehler/Defekt im Bauteil aufgetreten, Funktion
aber noch gegeben". Ein Defekt eines Elements und/oder einer Gruppe von
Elementen, der dazu führt, dass das Element und/oder die
Gruppe von Elementen unbrauchbar werden, tritt häufig nicht
spontan auf, son dern kündigt sich über einen vergleichsweise
langen Zeitraum an. So können beispielsweise Ermüdungsbrüche ausgehend
von einem Ermüdungsanriss, der typischerweise im Verlauf
Schwingungsstreifen ausbildet, über geraume Zeit entstehen.
Daher kann bereits auf einen möglichen Defekt und/oder
Ausfall eines Elements oder einer Gruppe von Elementen reagiert
werden, wenn dieser noch nicht so weit fortgeschritten ist, dass
mit dem Ausfall des betroffenen Element und/oder der Gruppe von
Elementen zu rechnen ist, also davor beziehungsweise in einem sehr
frühen Stadium. Aber auch das Herabfallen von Gegenständen
auf die Bohrvorrichtung oder beispielsweise eine Bedienperson, die
sich verletzt hat oder in Gefahr gerät, sich zu verletzen,
könnten mittels der Auswerteeinheit erkannt werden.
-
Der
Auswerteeinheit werden hierzu insbesondere bereits vorverarbeitete
Sensorsignale zugeführt, beispielsweise in digitalisierter
Form oder zerlegt in ein Frequenzspektrum. Die Bearbeitung des Sensorsignals
durch die Auswerteeinheit erfolgt in beliebiger Weise, wobei jede
analoge und/oder digitale, hardware- und/oder softwaregestützte
Bearbeitung möglich ist.
-
Vorteilhaft
wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine
dauerhafte Überwachung von Bereichen der Bohrvorrichtung
oder die Bohrvorrichtung umgebend realisiert. Dies ist insbesondere
in Bereichen von Bedeutung, die vom Bedienpersonal nicht ohne Weiteres
einsehbar sind. Ein solcher Bereich kann beispielsweise bei einer
Tunnelbohrmaschine vor dem Bohrkopf liegen, der während
des Vortriebs nicht zugänglich ist. Aber auch Elemente
der Bohrvorrichtungen im Inneren eines weiteren Elements können überwacht
werden.
-
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, dass das die Bohrvorrichtung umgebende Material und dessen
Zustand, insbesondere auch in einem Bereich vor dem Bohrkopf, erkannt werden
kann. Eine Vorerkundung eines Bereichs, der deutlich vor dem augenblicklich
gebohrten Bereich angeordnet ist mittels der Erfindung ebenfalls
möglich. So kann auf eine Materialänderung oder
eine Änderungen seiner Beschaffenheit reagiert werden, ohne
dass erst eine detaillierte insbesondere wissenschaftliche und dadurch
teure Untersuchung des zu bohrenden Materials vorgenommen werden
muss.
-
Durch
die Trainierbarkeit der Auswerteeinheit wird vorteilhaft erreicht,
dass keine Datensätze erhoben werden müssen, die
der Auswerteeinheit erst zugeführt werden müssen,
so dass die Auswerteeinheit, und somit auch die Erfindung, in höchstem Maße
flexibel einsetzbar sind.
-
In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Teil des erfassten
Antwortsignals zumindest ein Teil des Ausgangssignals, das von den
geologischen Strukturen beziehungsweise von dem Material in einem
Bereich vor dem Bohrkopf auf unterschiedliche Weise reflektiert
und gegebenenfalls verändert wird. Die Veränderung
kann beispielsweise die Frequenz des Ausgangssignals, die Amplitude und/oder
dessen Spektrum betreffen. Die Veränderung kann auch aufgrund
von Streuung und/oder Absorption von Teilen des Ausgangssignals
durch die geologischen Strukturen beziehungsweise das zu erkennende
Material erfolgen. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch ausreichend,
wenn lediglich ein Teil des Ausgangssignals durch die geologische
Struktur beziehungsweise das zu erkennende Material verändert
wird. Ein weiterer Teil des Ausgangssignals kann beispielsweise
durch die Bohrvorrichtung selbst verändert werden, so dass
Rückschlüsse auf die Bohrvorrichtung beziehungsweise
deren Zustand gezogen werden können. Schließlich
kann ein Teil des Antwortsignals auch identisch mit dem Ausgangssignal
sein. Die Auswerteeinheit und/oder die Sensorelemente sind vorzugsweise
so ausgebildet, dass die verschiedenen Anteile des Antwortsignals
erkannt und entsprechend bewertet werden. Das Antwortsignal kann
der Auswerteeinheit als beliebiges Signal zugeführt werden,
insbesondere als periodisches Signal oder als diskretes Signal,
beispielsweise als digitales beziehungsweise digitalisiertes Signal.
Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ausgebildet, um zumindest dieses
Signal zu verarbeiten, beispielsweise zu analysieren, zu digitalisieren
oder dergleichen.
-
In
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind die erzeugten Ausgangssignale Wellen, insbesondere Schallwellen
und/oder Vibrationen. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Material vor dem Bohrkopf mittels des erzeugten
Ausgangssignals seismisch vermessen. Die Wellen, insbesondere Schallwellen
und/oder Vibrationen, breiten sich, sofern sie nicht mittels dem
Fachmann bekannter Dämpfungsglieder gezielt gedämpft
werden, als so genannte Körperschallwellen über
die gesamte Bohrvorrichtung aus. Auch das zu erkennende Material wird
von den Wellen durchsetzt, wobei Hohlräume, Strukturveränderungen
und/oder unterschiedliche Materialien auf verschiedene Weisen auf
die Wellen reagieren und die Wellen wie vorstehend beschrieben verändern.
Die Wellen können beispielsweise von der Bohrvorrichtung
direkt und/oder indirekt auf das zu erkennende Material sowie von
dem zu erkennenden Material direkt und/oder indirekt auf die Bohrvorrichtung übertragen
werden. Unter direkter Übertragung wird hier die Übertragung
der Wellen oder dergleichen mittels körperlichem Kontakt
zwischen dem Material und der Bohrvorrichtung verstanden. Indirekt
ist hier entsprechend die Übertragung der Wellen über
wenigstens ein Übertragungsmedium, beispielsweise Luft,
Wasser, Schlamm oder dergleichen.
-
Die
Wellen können beispielsweise mittels so genannter Vibratoren
und/oder Schallquellen oder dergleichen erzeugt werden. Die Positionierung
der Punkte und/oder Bereiche, von denen die Wellen ausgehen, ist
erfindungsgemäß im Wesentlichen beliebig wählbar
und kann der jeweiligen Situation angepasst werden.
-
In
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind die Signalerzeuger die Bohrwerkzeuge, wobei die Bohrwerkzeuge
vorzugsweise so genannte Schneidrollen beziehungsweise Rollenmeißel
sind. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die Ausgangssignale bei einer Relativbewegung
der Bohrwerkzeuge zum zu erkennenden Material erzeugt, wobei die Bohrwerkzeuge
bei der Relativbewegung in Kontakt mit wenigstens einem Teil des
zu erkennenden Materials stehen, insbesondere mit einer Oberfläche
des zu erkennenden Materials in einem Bereich vor dem Bohrkopf.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Signal beim Reiben, Gleiten, Kratzen, Abrollen
oder dergleichen der Bohrwerkzeuge an dem zu erkennenden Material erzeugt,
insbesondere in einem Bereich vor dem Bohrkopf.
-
Durch
die Verwendung der Bohrwerkzeuge als Signalerzeuger wird vorteilhaft
erreicht, dass keine zusätzlichen Bauteile als Signalerzeuger
für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehen
werden müssen. Auch ist vorteilhaft, dass die Bohrwerkzeuge
dadurch ebenfalls mittels des Verfahrens überwachbar sind.
Die Ausgangssignale für das Verfahren sind also erfindungsgemäß die
normalen Betriebsgeräusche der Bohrvorrichtung.
-
Weiterhin
vorteilhaft ist, dass das Verfahren auf einfache Weise in einer
bestehenden Bohrvorrichtung angewendet werden kann, ohne dass eine tiefgreifende
konstruktive Änderung beziehungsweise eine aufwändige
Installation einer umfangreichen Vorrichtung für das Verfahren
nötig wäre. Lediglich die Auswerteeinheit und
das wenigstens eine Sensorelement müssen angebracht werden,
die restliche Bohrvorrichtung bleibt im Wesentlichen unverändert.
-
Zusätzlich
und/oder alternativ zu dieser Ausgestaltung ist es aber ebenfalls
möglich, ein separates Bauteil vorzusehen, das dann in
beschriebener Weise das Signal erzeugt, wobei dieses Bauteil dann kein
Bohrwerkzeug ist.
-
In
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist jedes der Bohrwerkzeuge mit einer einmaligen Signalcharakteristik
versehen, insbesondere einschließlich einer jeweiligen
dem Bohrwerkzeug zugeordneten Bohrwerkzeug-Anordnung. Auf diese
Weise lassen sich alle Bohrwerkzeuge der Bohrvorrichtung zumindest
mittels der Auswerteeinheit voneinander unterscheiden, insbesondere
mittels des von dem jeweiligen Bohrwerkzeug erzeugten Frequenzspektrums.
Besonders können vorteilhaft auch weitere Bauteile der
Bohrvorrichtung mittels einer einmaligen Signalcharakteristik erkannt
werden, beispielsweise eine dem Bohrwerkzeug zugeordnete Bohrwerkzeug-Anordnung.
Diese Anordnungen können beispielsweise Achsanordnungen
umfassen, an denen die Bohrwerkzeuge drehbar gelagert sind, aber
auch Antriebe, Pumpen, Schläuche, Kühlungen oder
dergleichen. Es ist hierbei lediglich relevant, dass die überwachten
Elemente Signale der beschriebenen Art erzeugen oder erzeugen können, beispielsweise
im Defektfall.
-
Die
einmalige Signalcharakteristik der Bohrwerkzeuge kann beispielsweise
dadurch erzeugt werden, dass die Masse der einzelnen Bohrwerkzeuge
unterschiedlich gewählt wird. Weitere Möglichkeiten
sind beispielsweise Unterschiede in der Materialzusammenstellung
und/oder in der Härte des Materials der Bohrwerkzeuge.
Auch kann jedes Bohrwerkzeug einzeln auf eine bestimmte Signalcharakteristik eingestellt
werden, beispielsweise mittels Erzeugens kleiner Ausnehmungen, die
unter Umständen mit unterschiedlichen Mengen von unterschiedlichem
Verfüllmaterial gefüllt werden können.
Das Einstellen der unterschiedlichen Signalcharakteristika ist im
Wesentlichen vergleichbar mit dem Stimmen eines Musikinstruments.
-
In
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Entscheidungsfähigkeit der Auswerteeinheit wenigstens
bei einer ersten Durchführung des Verfahrens trainiert.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens fällt die Auswerteeinheit Entscheidungen aufgrund des
mittels des Trainings Erlernten. Das Training erfolgt vorzugsweise
so, dass eine Bedienperson bestimmte Ereignisse als Normalzustand
und/oder Ausnahmezustand oder dergleichen kennzeichnet beziehungsweise
bestimmte Antwortsignale mit bestimmten Gesteinsarten und/oder anderen
geologischen Strukturen verknüpft. Ein Ausnahmezustand
ist beispielsweise ein Defekt beispielsweise an einem Bohrwerkzeug
oder dergleichen. Mittels des Verfahrens können so alle
Betriebszustände der gesamten Bohrvorrichtung überwacht
sowie alle geologischen Strukturen und/oder Veränderungen
im Bereich der Bohrvorrichtung erkannt werden.
-
In
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden das Ausgangssignal, das Antwortsignal, das Statussignal und/oder
die Ergebnisse der Auswertung mittels einer Speichervorrichtung
gespeichert, insbesondere zur Dokumentation. Eine Dokumentation
des Bohrvorgangs ist insbesondere im Tunnelbau oder dergleichen
im Wesentlichen unabdingbar. Mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens erübrigt sich eine nachträgliche Erstellung
einer entsprechenden Dokumentation, beispielsweise durch eine gesonderte
geologische Untersuchung. Die Dokumentation kann außerdem
dazu verwendet werden, bei weiteren Bohrvorrichtungen die zur Verfügung
stehenden und unter anderem als Entscheidungsgrundlage dienenden
Datenbanken zu erweitern, so dass der Erfahrungsschatz an Erlerntem
jeder einzelnen Auswerteeinheiten an andere Auswerteeinheiten weitergegeben
werden kann.
-
Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren
zum Erkennen von geologischen Strukturen gelöst, wobei
dieses Verfahren ebenfalls wenigstens die vorstehend beschriebenen
Merkmale des Verfahrens zum Betrieb einer Bohrvorrichtung für
geologische Strukturen aufweist.
-
Weiterhin
wird die Aufgabe durch eine Bohrvorrichtung für geologische
Strukturen gelöst, insbesondere durch eine Tunnelbohrmaschine,
die wenigstens einen drehbar gelagerten Bohrkopf mit Bohrwerkzeugen,
wenigstens ein Sensorelement, wenigstens einen Signalerzeuger sowie
wenigstens eine Auswerteeinheit aufweist. Der wenigstens eine Signalerzeuger
ist vorzugsweise räumlich getrennt von dem wenigstens einen
Sensorelement angeordnet. Die Auswerteeinheit ist trainierbar und
weist eine trainierbare Entscheidungsfähigkeit auf. In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung bilden
das wenigstens eine Sensorelement, der wenigstens eine Signalerzeuger
und die wenigstens eine Auswerteeinheit eine seismologische Untersuchungsvorrichtung.
Die Untersuchungsvorrichtung kann aber darüber hinaus auch
noch weitere Elemente aufweisen, beispielsweise um weitere Daten zu
erheben und/oder einzugeben.
-
In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung
ist das wenigstens eine Sensorelement an einem während
eines Bohrvorgangs nicht rotierenden Bereich der Bohrvorrichtung
angeordnet, insbesondere nicht in einem um eine Mittellängsachse
der Bohrvorrichtung rotierenden Bereich. Die Mittellängsachse
der Bohrvorrichtung entspricht im Wesentlichen der Mittellängsachse
des gebohrten Tunnels, Schachts oder dergleichen, wobei im Tunnelbau
ein gewisser Versatz dieser Mittellängsachsen zueinander
zweckmäßig ist und durch die Kräfte, die
auf den gebohrten beziehungsweise zu bohrenden Schacht oder dergleichen
und die Bohrvorrichtung wirken, ausgeglichen wird.
-
Dadurch,
dass die Sensorelemente nur an Bereichen vorgesehen werden, die
nicht um die Mittellängsachse der Bohrvorrichtung gedreht
wer den, sind beispielsweise keine vergleichsweise komplizierten
Signalübertragungswege zwischen einem Sensorelement und
der Auswerteeinheit nötig. Es ist jedoch erfindungsgemäß nicht
ausgeschlossen, wenigstens ein Sensorelement im rotierenden Bohrkopf vorzusehen.
Eine Signalübertragung kann beispielsweise mittels Schleifkontakten
erfolgen, um die sich Kontaktbürsten drehen, mit denen
die Auswerteeinheit verbunden ist. Eine weitere Möglichkeit
der Verbindung wäre beispielsweise eine Funkverbindung, insbesondere
mittels RFID-Technologie oder dergleichen.
-
In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung
weist sie wenigstens einen Array aus wenigstens zwei Sensorelementen
auf. In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung
sind die wenigstens zwei Sensorelemente so an der Bohrvorrichtung
verteilt angeordnet, dass eine räumliche Ortung einer Quelle
des Antwortsignals ermöglicht ist. Die zwei Sensorelemente sind
dann so angeordnet, dass ein Stereo-Effekt ausgenutzt werden kann.
Aus den erfassten Signalen, die aufgrund von Laufzeitunterschieden
zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Sensorelemente erreichen, kann
dann beispielsweise die Auswerteeinheit die Position der Quelle
des Antwortsignals ermitteln. Es versteht sich jedoch, dass die
Ortung einer Geräuschquelle genauer wird, je mehr Sensorelemente vorgesehen
werden. Weiterhin kann die Genauigkeit der Ortung erhöht
werden, wenn die Sensorelemente Filtereigenschaften aufweisen, die
insbesondere einstellbar sind, beispielsweise mittels eines von
der Auswerteeinheit ausgegebenen Signals.
-
In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung
sind die Signalerzeuger die Bohrwerkzeuge und die Bohrwerkzeuge
sind so genannte Schneidrollen beziehungsweise Rollenmeißel.
Die Signalerzeuger erzeugen als Ausgangssignale Wellen, insbesondere
Schallwellen und/oder Vibrationen. Diese werden bei einer Relativbewegung des Bohrwerkzeugs
zum zu erkennenden Material von dem Bohrwerkzeug erzeugt, wobei
das Bohrwerkzeug bei der Relativbewegung in Kontakt mit wenigstens
einem Teil des zu erkennenden Materials steht, insbesondere mit
einer Oberfläche des zu erkennenden Material in einem Bereich
vor dem Bohrkopf. Das Ausgangssignal wird beim Reiben, Gleiten, Kratzen
und/oder Abrollen der Bohrwerkzeuge an der zu erkennenden Substanz
erzeugt, insbesondere in einem Bereich vor dem Bohrkopf. Insbesondere weist
jedes der Bohrwerkzeuge eine einmalige Signalcharakteristik auf,
vorzugsweise einschließlich einer jeweiligen dem Bohrwerkzeug
zugeordneten Bohrwerkzeug-Anordnung.
-
Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren
in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für sich schutzfähige Ausführungen
darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte und
Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten
Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Eine
Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch
dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
Die einzelnen, in der jeweiligen Figur gezeigten Merkmale können,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, beliebig miteinander
kombiniert werden. In den schematischen Zeichnungen zeigen:
-
1 eine
seitliche Schnittansicht einer Bohrvorrichtung, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben wird und
-
2 ein
beispielhaftes Blockschaltbild der an dem Verfahren beteiligten
Bauteile und Elemente im Zusammenwirken.
-
Detaillierte Beschreibung
der Zeichnungen
-
In 1 ist
beispielhaft eine Bohrvorrichtung 10 für geologische
Strukturen 12 dargestellt, wobei die Strukturen 12 in 1 die
Bohrvorrichtung 10 umgeben und die Bohrvorrichtung 10 eine
Tunnelbohrmaschine ist. Die Bohrvorrichtung 10 weist einen Rahmen 14 auf,
an dem ein Bohrkopf 16 drehbar gelagert ist, so dass der
Bohrkopf 16 mittels Antrieben 18 um eine Mittellängsachse 20 gedreht
werden kann. Die Mittellängsachse 20 ist hier
stellvertretend als die Mittellängsachsen der Bohrvorrichtung 10, des
gebohrten Tunnels, Schachts oder dergleichen sowie des Bohrkopfes 16,
dargestellt, wobei diese drei Mittellängsachsen zweckmäßigerweise
geringfügig voneinander beabstandet sind.
-
Am
Bohrkopf 16 sind als Bohrwerkzeuge 22 in bekannter
Weise so genannte Schneidrollen vorgesehen, die mittels nicht dargestellter
Bohrwerkzeug-Anordnungen, also Schneidrollen-Anordnungen, an dem
Bohrkopf 16 befestigt sind. Die Bohrwerkzeuge 22 stehen
bei einer Vortriebsbewegung der Bohrvorrichtung 10 mit
dem zu bohrenden Material 24 in einem Bereich 26 vor
dem Bohrkopf 16 in Kontakt, wobei das zu bohrende Material 24 einen Teil
der geologischen Struktur 12 darstellt.
-
Die
Bohrwerkzeuge 22 erzeugen beim Entfernen von abzutragendem
Material 24 im Bereich 26 ein Signal, nämlich
ein Ausgangsignal in Form von Wellen, die zumindest teilweise als
Geräusch wahrnehmbar sein können, und die sich
durch die geologische Struktur 12, aber auch durch die
Bohrwerkzeuge 22, die Bohrwerkzeug-Anordnungen und somit
durch die gesamte Bohrvorrichtung 10 fortpflanzen. Die
Bohrwerkzeuge 22 sind also gleichzeitig auch die Signalerzeuger 28.
Durch die Fortpflanzung, und die damit verbundenen Veränderungen des
Signals, so wie weitere Signale, die beispielsweise im Bereich der
Bohrvorrichtung erzeugt werden, erhält ein Gesamtsignal
ein charakteristisches Spektrum. Aus dem Spektrum lassen sich alle
Bereiche und Gegenstände in der Bohrvorrichtung 10 beziehungsweise
alle die Bohrvorrichtung 10 umgebenden Bereiche 12, 24 analysieren.
-
Für
die Analyse weist die Bohrvorrichtung 10 zwei Sensorelemente 30 auf,
die in 1 lediglich beispielhaft angeordnet sind. Tatsächlich
sind die Anzahl und die Position der Sensorelemente 30 im
Wesentlichen beliebig. Die Sensorelemente 30 sind mit einer
Auswerteeinheit 32 verbunden, die die erfassten Signale
auswertet, wobei die erfassten Signale auch als Antwortsignale bezeichnet
werden. Die Auswerteeinheit 32 kann anhand der Antwortsignale
beziehungsweise aller erfassten Signale Rückschlüsse auf
die geologische Struktur 12 beziehungsweise auf Betriebszustände
von Elementen der Bohrvorrichtung 10 ziehen, insbesondere
auf Zustände der Bohrwerkzeuge 22. Hierzu ist
die Auswerteeinheit mit einer so genannten künstlichen
Intelligenz (KI) ausgestattet, beispielsweise mit einem neuronalen
Netz. Diese KI ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie trainierbar
ist und aufgrund des Antrainierten selbstständig Entscheidungen
treffen kann. Die Entscheidungen können sich hier beispielsweise
auf die Art des Materials 24 und/oder auf die Zustände
der Elemente der Bohrvorrichtung 10 beziehen, nämlich „Defekt
eingetreten", „in Ordnung", „Defekt zu erwarten"
oder dergleichen.
-
Die 2 zeigt
beispielhaft ein Blockschaltbild von möglichen Bauteilen
und Elementen in deren Zusammenwirken, die an dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betrieb einer Bohrvorrichtung beziehungsweise zum Erkennen von
geologischen Strukturen beteiligt sein können. Gemäß 2 sind
dies beispielsweise Sensorelemente 30.1 ... 30.n und
Signalerzeuger 28.1 ... 28.m, die direkt oder
indirekt mit einer Auswerteeinheit 32.1 verbunden sind.
Die Sensorelemente können beispielsweise Mikrophone und/oder
Beschleunigungsmesser und die Signalerzeuger beispielsweise die
Bohrwerkzeuge aber auch Lautsprecher oder dergleichen gemäß vorstehender Beschreibung
sein. Die vorstehend und nachfolgend beschriebenen Verbindungen
und somit auch Signal- und Datenpfade sind mittels der Pfeile dargestellt.
Indirekt bedeutet hier, dass zwischen der Auswerteeinheit 32 und
dem Signalerzeuger 28 beziehungsweise dem Sensorelement 30 ein
weiteres Bauteil angeordnet sein kann, beispielsweise ein Filter
und/oder ein Verstärker. Die Auswerteeinheit 32.1 ist
ihrerseits mit einer Steuereinheit 34 der Bohrvorrichtung
verbunden. Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit 32.1 mit
einer oder mehreren weiteren Auswerteeinheiten 32.x verbunden
sein. Die Steuereinheit 34 und die Auswerteeinheit 32.1 können
mittels einer Eingabevorrichtung 36 eingestellt oder programmiert
werden, wobei die Eingabevorrichtung 36 beispielsweise
eine Tastatur, ein Touchscreen oder ein Laufwerk für einen Datenträger
sein kann. Mittels einer Ausgabevorrichtung 38 können
die Steuereinheit 34 beziehungsweise die Auswerteeinheit 32.1 Informationen
ausgeben, wobei die Ausgabevorrichtung 38 beispielsweise
ein Monitor oder ein Drucker oder ein beliebiger Signalgeber wie
eine Leuchte (optisch) und/oder ein Horn (akustisch) sein kann.
Sowohl die Auswertevorrichtung 32 als auch die Steuereinheit 34 können
Zugriff auf eine Speichereinheit 40 haben, die beispielsweise
als Festplatte oder beliebiges anderes Speichermedium ausgebildet
sein kann. Jedes der hier Verwendung findenden Elemente kann jeweils
mit noch wenigstens einem weiteren Element verbunden sein, was mit
den frei endenden Pfeilen gezeigt ist. Es ist für die Erfindung
nicht zwingend notwendig, dass die beschriebenen Elemente der Erfindung räumlich
nahe beieinander angeordnet sind. Die räumliche Anordnung
ergibt sich vielmehr aus der für die jeweilige Anwendung
praktikabelsten Lösung.
-
Erfindungsgemäß kann
die in 2 schematisch als Blockschaltbild dargestellte
Bohrvorrichtung mehrere Funktionen aufweisen, von denen die erfindungsgemäß relevantesten
im Folgenden beschrieben werden.
-
Eine
Funktionsweise gleicht im Wesentlichen derjenigen von bekannten
Bohrvorrichtungen. Gemäß dieser Funktionsweise
kann beispielsweise eine Bedienperson mittels der Eingabevorrichtung 36 Eingaben
an die Steuereinheit 34 übermitteln, die dann
ihrerseits mittels Steuersignalen den Bohrkopf mit den Signalerzeugern 28,
nämlich den Bohrwerkzeugen, für einen Vortrieb
der Bohrvorrichtung in Rotation versetzt. Durch die Rotation der
Bohrwerkzeuge entstehen wellenförmige Ausgangssignale 42,
die beispielsweise als Geräusch und/oder Vibration erfassbar
sind und bei bekannten Bohrvorrichtungen beispielsweise von einer
Bedienperson hör- und fühlbar sind. Es setzt jedoch
viel Erfahrung voraus, um daraus entsprechende Schlussfolgerungen
ziehen zu können und ist dennoch ungenau, beziehungsweise
nicht reproduzierbar möglich.
-
An
dieser Stelle setzt nun die Erfindung an und nutzt mehrere Effekte
aus. Zum Einen pflanzen sich die Ausgangssignale 42 in
der Bohrvorrichtung selbst fort, beispielsweise den Bohrwerkzeugen,
dem Rahmen der Bohrvorrichtung und weiteren Elementen der Bohrvorrichtung.
Diese Elemente verändern die Charakteristik des Ausgangssignals 42 zumindest
teilweise, so dass aufgrund der Veränderung Rückschlüsse
auf den Zustand der Bohrvorrichtung gezogen werden können.
-
Zum
Anderen werden die Ausgangssignale 42 von dem zu bohrenden
Material aufgenommen und pflanzen sich auch in diesem Material fort,
bis die Ausgangssignale, wie aus der Seismik bekannt, in ihrer Charakteristik
verändert im Wesentlichen auf die Bohrvorrichtung zurückreflektiert
werden. Diese reflektierten Teile der Ausgangssignale 42 und
die von den Elementen der Bohrvorrichtung veränderten Teile
der Ausgangssignale 42 bilden zusammen ein Antwortsignal 44.
Das Antwortsignal 44 hat je nach Position der Erfassung
eine geringfügig andere Signalcharakteristik.
-
Mittels
der Sensorelemente 30.1 ... 20.n, die vorzugsweise
räumlich voneinander und von den Signalerzeugern 28 getrennt
sind, werden die Antwortsignale 44 erfasst. Die Sensorelemente 30 führen
die erfassten Antwortsignale 44 direkt und/oder indirekt der
Auswerteeinheit 32.1 zu, wobei sich hier „direkt" und/oder „indirekt"
darauf bezieht, ob die Antwortsignale 44 beispielsweise
aufbereitet, das heißt gefiltert und/oder digitalisiert
werden, oder ob dies mittels der Auswertevorrichtung 32 vorgenommen
wird. Die in der Auswertevorrichtung 32 vorgesehene künstliche Intelligenz
kann die Signalcharakteristik des Antwortsignals 44 unter
anderem anhand einer Signalspektrum-Analyse erkennen und lässt
die Auswertevorrichtung 32 dementsprechend ein Statussignal
mittels der Ausgabevorrichtung 38 ausgeben. Auch kann die
künstliche Intelligenz die Auswertevorrichtung 32 dazu
veranlassen, ähnlich einer Reglung, das Auswerteergebnis
der Steuereinheit 34 zukommen zu lassen, die dann entsprechend
reagieren kann, beispielsweise die Bohrvorrichtung stoppen oder
dergleichen.
-
Ausgehend
von den Antwortsignalen kann die Auswerteeinheit 32 beziehungsweise
die künstliche Intelligenz der Auswerteeinheit 32 dann
Entscheidungen darüber treffen, welcher Art und welche Beschaffenheit
die geologische Struktur aufweist, die die Bohrvorrichtung umgibt.
Diese Entscheidungsfähigkeit kann beispielsweise einmalig,
mehrmalig und/oder dauerhaft trainiert werden.
-
Das
Training der künstlichen Intelligenz kann vorgenommen werden,
indem eine Bedienperson im Betrieb der Bohrvorrichtung die Antwortsignale 44 mit
Kommentaren versieht. Dies kann beispielsweise geschehen, indem
eine Eingabevorrichtung oder dergleichen betätigt wird,
so lange keine Fehlerzustände zu erkennen sind. Tritt ein
Fehler ein, beispielsweise wenn ein Bohrwerkzeug kaputt geht, kann
die Bedienperson dann eine andere Eingabevorrichtung betätigen,
mittels der der künstlichen Intelligenz mitgeteilt wird,
dass ein Fehlerfall eingetreten ist.
-
Die
Art und der Zustand der geologischen Struktur können beispielsweise
im Nachhinein, wenn die Bohrung abgeschlossen ist und Daten über
die vorgefundene Geologie und deren Zustand vorliegen, der künstlichen
Intelligenz zugeführt und mit den vorliegenden Antwortsignalen
verknüpft werden. Das Trainieren einer künstliche
Intelligenz ist beispielsweise in der
DE 196 52 925 A1 oder der
WO 03/017 252 A1 beschrieben,
deren Inhalt zumindest in Bezug auf die Trainierbarkeit der künstlichen
Intelligenz und deren Entscheidungsfindung hier ausdrücklich
zum Gegenstand der Anmeldung gemacht wird.
-
Mittels
der künstlichen Intelligenz beziehungsweise der Erfindung
ist es nicht nur möglich, Fehler und Defekte beziehungsweise
Art und Beschaffenheit des abzuräumenden Materials im Bereich
vor dem Bohrkopf zu erkennen. Es ist vielmehr allgemein möglich,
drohende Fehler und Defekte vorausschauend zu entdecken beziehungsweise
Art und Beschaffenheit des abzuräumenden Materials vorerkundend
zu erkennen, das sich in Vortriebsrichtung nach dem Material befindet,
das gerade abgeräumt wird. Das vorausschauende Entdecken
ist dadurch ermöglicht, dass sich die Signalcharakteristik der
Bauteile bereits schon dann verändert, wenn vergleichsweise
kleine, harmlose Defekte auftreten, die sich erst noch ausweiten
würden. Die Vorerkundung des Materials beziehungsweise
der geologischen Struktur ist dadurch ermöglicht, dass
die erfindungsgemäße Auswertevorrichtung 32 die
geologische Struktur mittels der Signale seismisch untersucht.
-
Die
antrainierte Erfahrung der künstlichen Intelligenz kann,
wenn sie ausreichend trainiert ist, auch mit anderen künstlichen
Intelligenzen anderer Bohrvorrichtungen ausgetauscht werden. Dies
kann vorgenommen werden, indem man die in der Speichereinheit 40 gespeicherten
Daten zwischen mehreren Bohrvorrichtungen austauscht. So kann auch Zeit
eingespart werden, da mit einer künstliche Intelligenz
nicht erst alle möglichen Gesteinsformationen aktiv erlernt
werden müssen. Einen wei tern Vorteil zeigt die Speichervorrichtung 40 bei
der Dokumentation des Bohrvorgangs, die bei den meisten Bohrvorhaben
vorgeschrieben ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3505408
A1 [0002]
- - DE 19652925 A1 [0047]
- - WO 03/017252 A1 [0047]