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Anwendungsgebiet und Stand
der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren 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.
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Aus
der
DE 199 60 824
C2 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Untersuchung
und Identifizierung der Art eines Untergrundes beschrieben. Hierzu
wird im Bereich eines Bohrers, der in eine Bohrmaschine eingespannt
ist, ein Sensor angebracht. Der Sensor registriert Schwingungen,
die im Bohrer entstehen, sobald dieser in den Untergrund eindringt.
Die registrierten Schwingungen sind charakteristisch für die Art
dieses Untergrunds.
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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.
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Aufgabe und Lösung
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher ein Verfahren zum Betrieb einer Tunnelbohrmaschine,
ein Verfahren zum Erkennen von geologischen Strukturen sowie eine
Tunnelbohrmaschine für
geologische Strukturen der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels
denen ein Betriebszu stand der Tunnelbohrmaschine überwacht
sowie das gebohrte beziehungsweise zu bohrende Material nach Art
und Beschaffenheit erkannt werden kann.
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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.
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Erfindungsgemäß ist die
Auswerteeinheit trainierbar und weist eine trainierbare Entscheidungsfähigkeit
auf. Die Auswerteeinheit erkennt anhand des erfassten Ausgangssignals
und/oder Antwortsignals, die aus Sicht des oder der Sensorelemente
Eingangssignale sind, wenigstens einen Betriebszustand eines Elements
und/oder einer Gruppe von Elementen der Tunnelbohrmaschine beziehungsweise
Art und/oder Beschaffenheit des Materials wenigstens in einem Bereich
vor dem Bohrkopf. Als Tunnelbohrmaschine m Sinne der Erfindung wird jede
Tunnelvortriebsmaschine verstanden, die dazu geeignet ist, Tunnel,
Stollen und/oder Schächte
zu bohren. Diese Tunnelbohrmaschine lösen beispielsweise mittels
schneiden, zertrümmern,
drücken und/oder
vibrieren die zu bohrende geologische Struktur und ermöglichen
so einen Vortrieb der Tunnelbohrmaschine. Im Allgemeinen sind dies
Großgeräte, 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.
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Der
Bohrkopf der Tunnelbohrmaschine ist vorzugsweise im Bereich der
Mittellängsachse
der Tunnelbohrmaschine 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 Tunnelbohrmaschine 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.
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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 Tunnelbohrmaschine und/oder des die Tunnelbohrmaschine
umgebenden Materials erkennen kann. Dies gilt insbesondere auch
dann, wenn hierzu ein weiteres Element notwendig ist, das ein durch
die Tunnelbohrmaschine und/oder ein durch das die Tunnelbohrmaschine
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 Tunnelbohrma schine 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
Hohlräumen 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.
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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 Tunnelbohrmaschine 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
Tunnelbohrmaschine, 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, mehrmalig in variierenden oder
gleichbleibenden Zeitabständen
und/oder kontinuierlich abgearbeitet werden.
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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 Tunnelbohrmaschine 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.
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Als
Element und/oder eine Gruppe von Elementen der Baugruppe wird erfindungsgemäß jedes Bauteil
beziehungsweise jede Menge von Bauteilen der Tunnelbohrmaschine
angesehen. Die erkannten Betriebszustände können beispielsweise „fehlerfreie Funktion”, „Defekt
eingetreten, Reparatur nötig” und/oder „Fehler/Defekt
im Bauteil aufgetreten, Funkti on 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, sondern 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 Tunnelbohrmaschine oder beispielsweise eine Bedienperson,
die sich verletzt hat oder in Gefahr gerät, sich zu verletzen, könnten mittels
der Auswerteeinheit erkannt werden.
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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.
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Vorteilhaft
wird durch das erfindungsgemäße Verfahren
eine dauerhafte Überwachung
von Bereichen der Tunnelbohrmaschine oder die Tunnelbohrmaschine
umgebend realisiert. Dies ist insbesondere in Bereichen von Bedeutung,
die vom Bedienpersonal nicht ohne Weiteres einsehbar sind. Ein solcher Bereich
kann beispielsweise bei der Tunnelbohrmaschine vor dem Bohrkopf
liegen, der während
des Vortriebs nicht zugänglich
ist. Aber auch Elemente der Tunnelbohrmaschine im Inneren eines
weiteren Elements können überwacht
werden.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass das
die Tunnelbohrmaschine 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.
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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.
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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 Tunnelbohrmaschine selbst verändert werden, so dass Rückschlüsse auf
die Tunnelbohrmaschine 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.
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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 Tunnelbohrmaschine 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 Tunnelbohrmaschine direkt und/oder indirekt
auf das zu erkennende Material sowie von dem zu erkennenden Material
direkt und/oder indirekt auf die Tunnelbohrmaschine übertragen
werden. Unter direkter Übertragung
wird hier die Übertragung der
Wellen oder dergleichen mittels körperlichem Kontakt zwischen
dem Material und der Tunnelbohrmaschine verstanden. Indirekt ist
hier entsprechend die Übertragung
der Wellen über
wenigstens ein Übertragungsmedium,
beispielsweise Luft, Wasser, Schlamm oder dergleichen.
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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.
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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.
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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
Tunnelbohrmaschine.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, dass das Verfahren auf einfache Weise in einer
bestehenden Tunnelbohrmaschine 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 Tunnelbohrmaschine bleibt im Wesentlichen
unverändert.
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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.
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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 Tunnelbohrmaschine
zumindest mittels der Auswerteeinheit voneinander unterscheiden,
insbesondere mittels des von dem jeweiligen Bohrwerkzeug erzeugten
Frequenzspektrums. Besonders können vorteilhaft
auch weitere Bauteile der Tunnelbohrmaschine 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.
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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.
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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 Tunnelbohrmaschine überwacht
sowie alle geologischen Strukturen und/oder Veränderungen im Bereich der Tunnelbohrmaschine
erkannt werden.
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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 Tunnelbohrmaschinen 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.
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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 Tunnelbohrmaschine für geologische Strukturen aufweist.
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Weiterhin
wird die Aufgabe durch eine Tunnelbohrmaschine 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 Tunnelbohrmaschine 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.
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In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tunnelbohrmaschine ist
das wenigstens eine Sensorelement an einem während eines Bohrvorgangs nicht
rotierenden Bereich der Tunnelbohrmaschine angeordnet, insbesondere
nicht in einem um eine Mittellängsachse
der Tunnelbohrmaschine rotierenden Bereich. Die Mittellängsachse
der Tunnelbohrmaschine 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 Tunnelbohrmaschine wirken, ausgeglichen wird.
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Dadurch,
dass die Sensorelemente nur an Bereichen vorgesehen werden, die
nicht um die Mittellängsachse
der Tunnelbohrmaschine gedreht werden, 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.
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In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tunnelbohrmaschine weist
sie wenigstens einen Array aus wenigstens zwei Sensorelementen auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tunnelbohrmaschine
sind die wenigstens zwei Sensorelemente so an der Tunnelbohrmaschine
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.
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In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tunnelbohrmaschine 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.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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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:
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1 eine
seitliche Schnittansicht einer Tunnelbohrmaschine, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben wird und
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2 ein
beispielhaftes Blockschaltbild der an dem Verfahren beteiligten
Bauteile und Elemente im Zusammenwirken.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnungen
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In 1 ist
beispielhaft eine Tunnelbohrmaschine 10 für geologische
Strukturen 12 dargestellt, wobei die Strukturen 12 in 1 die
Tunnelbohrmaschine 10 umgeben. Die Tunnelbohrmaschine 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 Tunnelbohrmaschine 10,
des gebohrten Tunnels, Schachts oder dergleichen sowie des Bohrkopfes 16,
dargestellt, wobei diese drei Mittellängsachsen zweckmäßigerweise
geringfügig
voneinander beabstandet sind.
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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 Tunnelbohrmaschine 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.
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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 Tunnelbohrmaschine 10 fortpflanzen.
Die Bohrwerkzeuge 22 sind also gleichzeitig auch die Signalerzeuger 28.
Durch die Fortpflanzung, und die damit verbundenen Veränderungen des
Signals, sowie weitere Signale, die beispielsweise im Bereich der
Tunnelbohrmaschine erzeugt werden, erhält ein Gesamtsignal ein charakteristisches Spektrum.
Aus dem Spektrum lassen sich alle Bereiche und Gegenstände in der
Tunnelbohrmaschine 10 beziehungsweise alle die Tunnelbohrmaschine 10 umgebenden
Bereiche 12, 24 analysieren.
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Für die Analyse
weist die Tunnelbohrmaschine 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 Tunnelbohrmaschine 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 Tunnelbohrmaschine 10 beziehen, nämlich „Defekt
eingetreten”, „in Ordnung”, „Defekt
zu erwarten” oder
dergleichen.
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Die 2 zeigt
beispielhaft ein Blockschaltbild von möglichen Bauteilen und Elementen
in deren Zusammenwirken, die an dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betrieb einer Tunnelbohrmaschine 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
Tunnelbohrmaschine 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 Erfin dung
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.
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Erfindungsgemäß kann die
in 2 schematisch als Blockschaltbild dargestellte
Tunnelbohrmaschine mehrere Funktionen aufweisen, von denen die erfindungsgemäß relevantesten
im Folgenden beschrieben werden.
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Eine
Funktionsweise gleicht im Wesentlichen derjenigen von bekannten
Tunnelbohrmaschinen. 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 Tunnelbohrmaschine in Rotation versetzt. Durch
die Rotation der Bohrwerkzeuge entstehen wellenförmige Ausgangssignale 42,
die beispielsweise als Geräusch
und/oder Vibration erfassbar sind und bei bekannten Tunnelbohrmaschinen
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.
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An
dieser Stelle setzt nun die Erfindung an und nutzt mehrere Effekte
aus. Zum Einen pflanzen sich die Ausgangssignale 42 in
der Tunnelbohrmaschine selbst fort, beispielsweise den Bohrwerkzeugen,
dem Rahmen der Tunnelbohrmaschine und weiteren Elementen der Tunnelbohrmaschine.
Diese Elemente verändern
die Charakteristik des Ausgangssignals 42 zumindest teilweise,
so dass aufgrund der Veränderung
Rückschlüsse auf
den Zustand der Tunnelbohrmaschine gezogen werden können.
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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 Tunnelbohrmaschine zurückreflektiert werden. Diese reflektierten
Teile der Ausgangssignale 42 und die von den Elementen
der Tunnelbohrmaschine veränderten
Teile der Ausgangssignale 42 bilden zusammen ein Antwortsignal 44.
Das Antwortsignal 44 hat je nach Position der Erfassung
eine geringfügig
andere Signalcharakteristik.
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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 Tunnelbohrmaschine stoppen oder dergleichen.
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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 Tunnelbohrmaschine umgibt.
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Diese
Entscheidungsfähigkeit
kann beispielsweise einmalig, mehrmalig und/oder dauerhaft trainiert
werden.
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Das
Training der künstlichen
Intelligenz kann vorgenommen werden, indem eine Bedienperson im Betrieb
der Tunnelbohrmaschine 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.
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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 Materi als beziehungsweise der geologischen Struktur
ist dadurch ermöglicht,
dass die erfindungsgemäße Auswertevorrichtung 32 die
geologische Struktur mittels der Signale seismisch untersucht.
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Die
antrainierte Erfahrung der künstlichen
Intelligenz kann, wenn sie ausreichend trainiert ist, auch mit anderen
künstlichen
Intelligenzen anderer Tunnelbohrmaschinen ausgetauscht werden. Dies kann
vorgenommen werden, indem man die in der Speichereinheit 40 gespeicherten
Daten zwischen mehreren Tunnelbohrmaschinen austauscht. So kann
auch Zeit eingespart werden, da mit einer künstliche Intelligenz nicht
erst alle möglichen
Gesteinsformationen aktiv erlernt werden müssen. Einen weitern Vorteil
zeigt die Speichervorrichtung 40 bei der Dokumentation
des Bohrvorgangs, die bei den meisten Bohrvorhaben vorgeschrieben
ist.