JP2648436B2

JP2648436B2 - シールド掘進機の方向制御装置

Info

Publication number: JP2648436B2
Application number: JP11638893A
Authority: JP
Inventors: 利博奥村; 清一松下; 匡剛安本; 耕一伊藤; 忠樋口; 毅柳楽
Original assignee: Toda Corp
Current assignee: Toda Corp
Priority date: 1993-04-19
Filing date: 1993-04-19
Publication date: 1997-08-27
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: JPH06307185A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はシールド掘進機の方向制
御装置、特にシールド掘進機の計画線に対するずれ量に
基づき、ジャッキパターンを設定し方向制御を行う方向
制御装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド工事は、挙動把握が容易でない
地盤を対象としており、地盤が変化することも多く、し
かも同一の施工条件が再現されることが少ない。このた
め、工事の自動化が進まず、特にシールド機の方向制御
は、熟練オペレータによる手動運転に頼る場合が多かっ
た。

【０００３】この問題を解決するため、近年ファジー制
御等を適用したシールド掘削が行われている。このよう
なファジー制御を用いることにより、熟練オペレータが
持つ経験ノウハウを取り入れ、設定したトンネルの水
平、上下の掘削計画線に沿ってシールド機を自動的に追
従させることができる。

【０００４】従来のファジー推論を用いた方向制御で
は、シールド掘進機の現在の位置及び推進方向と、掘削
計画線とを比較し、位置ずれ量及び角度ずれ量を求め、
これら各ずれ量から、シールドジャッキ作用点をファジ
ー推論している。そして、推論された作用点に応じたジ
ャッキパターンを設定し、シールド掘進機の方向制御を
行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、シールド掘進
機を目標進路に導くためのシールドジャッキ作用点は、
シールド掘進機のずれ量のみならず、例えばジャッキス
ピード、シールド掘進機の中折れ角、横堀用のコピーカ
ッターストロークの設定値、シールド機のテールクリア
ランス及びその他の掘進環境によって変化する。

【０００６】コピーカッターストロークや、中折れ角な
どの掘進環境項目では、これらの値が大きくなると、シ
ールド掘進機自体が曲がりやすくなる。例えば中折れ角
は大きくなると、その中折れ方向にシールド掘進機が曲
がりやすくなる。また、ジャッキスピードが大きくなる
と、シールド掘進機は曲がりにくくなる。

【０００７】しかし、従来のファジー推論を用いた方向
制御装置では、このような掘進環境項目に何ら考慮が払
われていなかった。このため、推論されたシールドジャ
ッキ作用点が、必ずしも最適な作用点とならないという
問題があった。

【０００８】また、前記掘進環境項目を取り入れたファ
ジー推論を行うことも考えられるが、このようにする
と、ファジー推論そのものが極めて複雑なものとなって
しまうという問題があった。

【０００９】本発明は、このような従来の課題に鑑みて
されたものであり、その目的は、シールド掘進機の掘進
環境項目を考慮したシールドジャッキ作用点を求め、シ
ールド掘進機の方向制御を行うことができるシールド掘
進機の方向制御装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、シールド掘進機の計画線に対するずれ量
に基づき、シールド掘進機の目標進路を演算する目標進
路演算手段と、シールド掘進機を前記目標進路に導くた
めのシールドジャッキ作用点を推論する作用点推論手段
と、シールド掘進機の掘進環境項目のデータに基づき、
推論された前記シールドジャッキ作用点を補正する作用
点補正手段と、補正されたシールドジャッキ作用点に応
じたジャッキパターンを設定するジャッキパターン設定
手段と、を含むことを特徴とする。

【００１１】ここにおいて、前記目標進路演算手段は、
前記シールド掘進機の計画線に対する水平および垂直方
向ずれ量に基づき、シールド掘進機の水平および垂直方
向の目標進路を演算し、前記作用点推論手段は、シール
ド掘進機を前記目標進路に導くためのシールドジャッキ
作用点を水平および垂直方向のモーメント位置として推
論するよう形成することができる。

【００１２】また、前記作用点補正手段は、前記掘進環
境項目として、前記シールド掘進機のジャッキスピード
情報、中折れ角情報、コピーカッターストローク情報、
テールクリアランス情報、土質情報の少なくとも一つを
用いシールドジャッキ作用点を補正するよう形成するこ
とができる。

【００１３】また、前記ジャッキパターン設定手段は、
補正されたシールドジャッキ作用点に応じて推進に寄与
するシールドジャッキのジャッキパターンを設定すると
共に、推進に寄与するシールドジャッキ以外のシールド
ジャッキの伸長を、前記推進に寄与するシールドジャッ
キに同調させて追従させるとともに、前記推進に寄与す
るシールドジャッキの作用点と、補正された作用点との
間に位置ずれがある場合には、両者が一致するよう前記
推進に寄与しないシールドジャッキの油圧を増大させ、
推進に寄与するシールドジャッキによるモーメントに対
する逆モーメントを発生させるよう形成することが望ま
しい。

【００１４】また、前記作用点推論手段は、前記ずれ量
に基づき、前記シールドジャッキ作用点をファジー推論
で求めるよう形成できる。

【００１５】また、前記作用点推論手段は、入力層、中
間層、出力層とを有し、前記シールドジャッキ作用点を
推論で求めるニューラルネットワーク回路として形成さ
れ、前記ニューラルネットワーク回路は、そのメンバシ
ップ関数をバックプロパゲーションアルゴリズムに基づ
き修正する学習動作を行うよう形成され、前記学習動作
は、前記掘進環境項目に基づく補正演算時には停止制御
されるよう形成できる。

【００１６】

【作用】本発明の方向制御装置では、目標進路演算手段
が、シールド掘進機の計画線に対するずれ量に基づきシ
ールド掘進機の目標進路を演算設定する。そして、作用
点推論手段が、シールド掘進機を目標進路に導くための
シールドジャッキ作用点を推論する。この推論には、必
要に応じ例えばファジー推論どを用いることができる。

【００１７】そして、作用点補正手段は、推論されたシ
ールドジャッキ作用点を、シールド掘進機の掘進環境項
目のデータに基づき補正する。このよな掘進環境項目と
しては、ジャッキスピード情報、中折れ角情報、コピー
カッターストローク情報、テールクリアランス情報、土
質情報、及びその他の情報があり、このような各環境項
目の少なくとも一つを用いジャッキ作用点を補正する。

【００１８】例えば、コピーカッターが設定された場合
や、シールド掘進機が中折れ状態に設定された場合に
は、シールド掘進機は曲がりやすくなる。この場合に
は、推論された作用点の座標値が小さくなるよう、補正
演算を行う。

【００１９】また、ジャッキスピードが早くなると、シ
ールド掘進機自体が曲がりにくくなる。この場合には、
推論された作用点の座標が大きくなるよう補正演算を行
う。

【００２０】このように、シールドジャッキ作用点の推
論の条件に掘進環境項目を用いるのではなく、推論され
たシールドジャッキ作用点に対する補正演算用として、
掘進環境項目を用いるという構成とした。これにより本
発明によれば、作用点の推論を複雑にすることなく、掘
進環境項目を考慮した適切なシールドジャッキ作用点を
求めることができる。

【００２１】従って、補正された作用点に基づきジャッ
キパターンを設定し、これを駆動することによりシール
ド掘進機を計画線に沿って正確に方向制御することがで
きる。

【実施例】次に、本発明の好適な実施例を図面に基づき
詳細に説明する。

【００２２】第１実施例図３には、本発明に係るシールド掘進機の好適な実施例
が示されている。実施例のシールド掘進機１０は、筒状
のシールド用スキンプレート２２の前面に、回転カッタ
ー１２が設けられ、切羽１００の掘削を行うよう構成さ
れている。掘削された土砂は、回転カッター１２と隔壁
１８の間に形成されたチャンバー２０内に一旦取り込ま
れ、さらにスクリューコンベア１４を用いて搬出される
ようになっている。

【００２３】前記スキンプレート２２の後端側には、中
折れ部２３を介してテールプレート２４が延設されてい
る。このテールプレート２４と、リング状に組み立てら
れたセグメント２６の間には、周知のように止水処理が
施されている。

【００２４】そして、このシールド掘進機１０は、スキ
ンプレート２２の内周面側にリング状に配置された複数
本（実施例では８本）のシールドジャッキ１６を備え
る。そして、これらシールドジャッキ１６を伸張させ、
セグメント２６に当接させることにより、推進用の反力
を得ることができ、これにより切羽１００の土圧に抗し
シールド掘進機１０を前方へ移動させることができる。
なお、２８はチャンバー２０内の土圧を測定する土圧計
である。

【００２５】図４には、前記シールドジャッキ１６の配
列が示されている。本実施例において、各シールドジャ
ッキ１６は左右対称に配置され、しかも上下対称に配置
されている。これにより、例えば、シールド１掘進機１
０を左側に方向変換するためには、右側のシールドジャ
ッキを駆動し、シールド掘進機１０に左回りの旋回モー
メントを与えればよい。シールド掘進機１０を右側に方
向変換するためには、前記とは逆の動作を行えばよい。

【００２６】また、シールド掘進機１０を、上側に方向
変換するためには、下側のシールドジャッキ１６を駆動
し、シールド掘進機１０に上回りの旋回モーメントを与
えればよい。

【００２７】従って、図４に示す複数本のシールドジャ
ッキ１６−１，１６−２，……１６−８から、任意の組
み合わせでジャッキパターンを設定し、設定された各ジ
ャッキの油圧を高圧に制御することにより、任意の位置
にシールドジャッキの作用点Ｐを設定することができ
る。図４には、ジャッキパターンにより設定される作用
点の一例が示され、同図では、ジャッキパターンの設定
の仕方により、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各位置に作用点が設定
できるということを表している。

【００２８】このように高油圧が加えられた推進に寄与
するシールドジャッキのパターン設定により、任意の作
用点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを選択設定できることは前述した。
しかし、このような推進に寄与するジャッキパターンの
設定だけでは、極めてラフな作用点の設定しかできず、
例えば図４においてＰに示すような作用点の設定はでき
ない。この問題を解決するため、推進に寄与しないシー
ルドジャッキの伸張を、前記推進に寄与するシールドジ
ャッキに同調させて追従させるとともに、前記推進に寄
与するシールドジャッキの作用点（例えば、Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄ）と、希望する作用点Ｐとの間に位置ずれがある
場合には、両者が一致するよう前記推進に寄与しないシ
ールドジャッキの油圧を増大させ、推進に寄与するシー
ルドジャッキによるモーメントに対する逆モーメントを
発生させるよう構成されている。

【００２９】このようなジャッキパターンの選択設定の
仕方としては、例えば本件特許出願人等の提案にかかる
特願平４−３２５１４９にかかる技術を採用することが
できる。

【００３０】また、これ以外にも、次のようなジャッキ
パターンの選択設定の仕方を採用してもよい。すなわ
ち、シールド掘進機の推進に寄与するシールドジャッキ
に高油圧を供給すると共に、シールド掘進機の推進に寄
与しないシールドジャッキに低圧油を低圧同調圧として
供給して当該シールドジャッキの伸長を、前記推進に寄
与すシールドジャッキに同調して追従させる。このと
き、前記推進に寄与するシールドジャッキの作用点（例
えば、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）と、希望する作用点Ｐとの間に
位置ずれがある場合には、両者が一致するよう、前記推
進に寄与するシールドジャッキに供給する高油圧を前記
低圧同調圧より高い圧力に減圧し、これを高圧同調圧と
して前記推進に寄与しないシールドジャッキの一部又は
全部に供給して当該シールドジャッキに推進力を発揮さ
せ、もってシールド掘進機のモーメントの中心を変更
し、シールド掘進機の方向制御を行うよう構成する。

【００３１】このようなジャッキパターンの選択設定の
仕方としては、例えば本件特許出願人等の提案に係る特
開平４−３２５１５０に係る技術を採用できる。

【００３２】図５には、ジャッキパターンの設定によ
り、シールド掘進機１０が計画線２００に沿って移動す
るよう方向制御する場合の一例が示されている。シール
ド掘進機１０を、トンネルの計画線２００に沿って前進
させるためには、シールド掘進機１０の基準点が前記計
画線２００上にあることと、その掘進経路３００の方向
を計画線２００の方向と一致させる必要とがある。

【００３３】このため、現在のシールド掘進機１０ｂの
基準点位置を検出し、シールド掘進機１０の計画線２０
０からの水平および垂直方向位置ずれ量Δδと、計画線
２００に対する掘進方向の水平，垂直ずれ角Δθをずれ
量として求める。

【００３４】そしてこのようにして求めたずれ量に基づ
き、シールド掘進機１０の目標進路を演算し、シールド
掘進機１０を目標進路に導くためのシールドジャッキ作
用点を設定する。

【００３５】そして、設定されたシールドジャッキ作用
点に応じて、シールドジャッキ１６の組み合わせパター
ンを設定し駆動させる。これによってシールド掘進機１
０を目標進路に向け方向制御し、シールド掘進機１０を
計画線２００に沿って進めることができる。

【００３６】図１には、本実施例のシールド掘進機１０
に用いられる方向制御装置のブロック図が示されてい
る。

【００３７】実施例の方向制御装置は、シールド掘進機
１０の現在位置および掘進方向を検出する位置データ検
出部４０と、シールド掘進機１０の計画線２００のデー
タが記憶されたメモリ４２と、前記位置データと計画線
２００のデータとに基づき、シールド掘進機１０の目標
進路を演算する目標進路演算部４４とを含む。

【００３８】前記位置データ検出部４０としては、ジャ
イロコンパスや、本出願人の特願平４−３２６１３７の
提案に係る進行状態検出装置を用いることができる。ま
た、位置データ検出部４０に替え、シールド掘進機１０
の位置データを測量等により求めてもよい。

【００３９】前記目標進路演算部４４は、メモリ４２に
記憶された計画線２００のデータと位置データ検出部４
０から入力される位置データとに基づき、シールド掘進
機１０の計画線２００に対する水平および垂直方向への
ずれ量（位置ずれ量，角度ずれ量）を演算する。そし
て、求められたずれ量に基づき、シールド掘進機１０の
目標進路を演算する。

【００４０】本実施例では、シールド掘進機１０の急激
な方向制御を避けるため、図６に示すよう計画線２００
に対する位置ずれ量が小さい場合には、２００ｍｍ先に
おいて計画線２００と一致するよう目標点Ｔを設定す
る。また図７に示すよう位置ずれ量が大きい場合には、
１リング先（１０００ｍｍ）において計画線２００と一
致するように目標進路４００の設定を行うよう形成され
ている。

【００４１】すなわち、図６に示す場合には、２００ｍ
ｍのピッチ間隔で、目標点Ｔ0,Ｔ1,Ｔ2 ……を計画線２
００上に設定する。

【００４２】そして、水平方向および垂直方向の制御変
位Δδh ，Δδv を計画線２００に対するずれ量として
演算出力する。さらに、水平および垂直方向の制御角度
Δθh ，Δθv を計画線２００とシールド機の掘進方向
との角度差として演算出力する。

【００４３】また、図７に示す場合には、１リング分の
セグメント終了時にシールド掘進機が計画線２００上に
乗るよう目標進路４００を設定する。このとき、１００
０ｍｍ幅のセグメントを用いる場合には、２００ｍｍピ
ッチ間隔で目標点Ｔ1 ……Ｔ4 が目標進路４００上に設
定される。

【００４４】そして、制御変位は、各目標点とのずれ量
として演算出力され、制御角度は、目標進路４００とシ
ールド機の掘進方向との角度差として演算出力される。

【００４５】そして、目標進路演算部４４により演算さ
れた水平方向および垂直方向への制御量（Δδh ，Δθ
h ），（Δδv ，Δθｖ）は、作用点推論部４６に入力
される。

【００４６】この作用点推論部４６は、このように入力
される制御量、すなわちシールド掘進機１０を目標進路
に導くための水平および垂直方向への制御量に基づき、
シールドジャッキ作用点を推論するよう構成されてい
る。実施例ではファジー推論を用いて、シールドジャッ
キ作用点の推論を行っている。

【００４７】図８には、前記作用点推論部４６例におい
て行われるファジー推論の手法が示され、図９にはこの
ファジー推論に用いられる制御ルールの一例が示されて
いる。

【００４８】実施例では、図８（Ａ）に示すよう、角度
ずれ量および位置ずれ量に対応した入力用メンバーシッ
プ関数と、同図（Ｂ）に示す出力用のメンバーシップ関
数とが予め設定されている。ここにおいて、ＮＢはネガ
ティブビック，ＮＳはネガティブスモール，ＺＥはゼ
ロ，ＰＳはポジティブスモール，ＰＢはポジティブビッ
クを表す。

【００４９】例えば、水平方向の角度ずれ量、位置ずれ
量がそれぞれａ0 、ｂ0 である場合には、水平方向への
シールドジャッキ作用点ｃ0 （ｘ0 ）は次のようにして
推論される。

【００５０】まず、角度ずれ量ａ0 に対応した入力用メ
ンバーシップ関数は、ＰＳと、ＺＥである。そして、図
８（Ａ）から、ＰＳ，ＺＥのメンバーシップ関数の適合
度は０．６，０．４となる。

【００５１】また、位置ずれ量ｂ0 に対応した入力用メ
ンバーシップ関数は、ＮＳと、ＺＥであり、それらの適
合度はそれぞれ０．７，０．３である。

【００５２】従って、角度すれ量ａ0 と、位置ずれ量ｂ
0 に対応したメンバーシップ関数の組み合わせは、図８
（Ａ）に示す、（１）〜（４）の４パターンとなる。

【００５３】この４つの入力パターンを、図９に示す制
御ルールと照合し、図８（Ｂ）に示すよう各入力パター
ンに対応した出力パターンを得る。

【００５４】例えば、入力パターン（１）では、角度ず
れ量、位置ずれ量がＰＳ、ＮＳであるため、これを図９
に示す制御ルールに照合すると出力パターンはＺＥとな
る。また入力パターン２では、角度ずれ量、位置ずれ量
がそれぞれＰＳ、ＺＥであるため、その出力パターンは
ＰＳとなる。

【００５５】このようにして４つの出力パターンが得ら
れるが、この時、出力用メンバーシップ関数のとる適合
度は、２つの入力メンバーシップ関数の適合度のうち小
さな値をとる。例えば、パターン１では、２つの入力メ
ンバーシップ関数の適合度０．６、０．７のうち小さい
値０．６をとる。またパターン２では、０．６、０．３
のうち小さいほう値０．３となる。

【００５６】このようにして、４つの出力パターンが得
られると、次に図８（Ｃ）に示すよう、これら各パター
ンを統合化し、出力用メンバーシップ関数の重心位置ｃ
０の値を求める。この時、２つのパターンの重複部分の
とる適合度は、大きな値が選択される。例えば、ＮＳと
ＺＥの重複する部分は、ＺＥの方が大きいため、この値
が採用される。

【００５７】このようにして、図８（Ｃ）に示すような
出力パターンの組み合わせが得られると、この組み合わ
せパターンの重心位置ｃ０が、水平方向へのシールドジ
ャッキ作用点となる。

【００５８】以上のようにして、実施例の作用点推論部
４６は、まず目標進路演算部４４から入力される水平方
向への制御量、すなわち角度ずれ量、位置ずれ量に基づ
き水平方向へのシールドジャッキ作用点ｘ0 を推定す
る。

【００５９】次に、同様な手法を用い、作用点推論部４
６は、目標進路演算部４４から入力される垂直方向への
制御量に基づき、垂直方向へのシールドジャッキ作用点
ｙ0を推定する。

【００６０】図１０には、このようなファジー推論によ
り求められたシールドジャッキ作用点、すなわちシール
ドジャッキの水平および垂直方向へのモーメント位置Ｐ
が示されている。ここにおいてＸ，Ｙは、図８に示す手
法により求められた水平方向への重心位置、垂直方向へ
の重心位置をそれぞれ表す。

【００６１】ところで、シールド掘進機１０の掘進環境
が一定の場合には、前記作用点Ｐの値は変化しないが、
シールド掘進環境が変化すると、前記作用点Ｐの値も変
化する。このような掘進環境の変化項目を、ファジー推
論に組み入れると、ファジー推論自体が複雑になってし
まい、実用的ではない。

【００６２】本実施例では、ファジー推論で求めた前記
シールドジャッキ作用点Ｐ0 の位置を、作用点補正部４
８へ入力している。

【００６３】そして、作用点補正部４８では、入力され
たシールドジャッキ作用点Ｐを、シールド掘進機１０の
掘進環境項目のデータに基づき補正演算するように形成
されている。このような補正演算に用いる掘進環境項目
としては、シールド掘進機のコピーカッターストロー
ク、中折れ角、ジャッキスピード、テールクリアラン
ス，カッター等や、含水比、粒径、土圧等の土質条件等
が挙げられる。

【００６４】実施例では、コピーカッターストローク、
中折れ角、ジャッキスピード、テイルクリアランス等を
前記掘進環境項目として採用し、補正演算を行ってい
る。

【００６５】図２には実施例の作用点推論部４６の具体
的な構成が示され、この作用点推論部４６は、コピーカ
ッターストローク、中折れ角、ジャキスピードに基づき
作用点Ｐ0 の補正演算を行う第１の補正部４８と、テー
ルクリアランスに基づき補正演算を行う第２の補正部４
８ｂとを含む。

【００６６】図１１には、コピーカッターストローク、
中折れ角、ジャッキスピードに対応した調整パラメータ
ｎ１、ｎ２、ｎ３が示されている。例えば、コピーカッ
ターストロークが大きくなると、回転カッター１２の周
囲の余掘分だけシールド機１０が曲がりやすくなる。ま
た、シールド掘進機１０の中折れ角、すなわちスキンプ
レート１２とテールプレート２４との間に中折れ角度が
設定されると、その分、シールド掘進機自体が曲がりや
すくなる。従って、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すよう、
コピーカッターストロークや、中折れ角が大きくなる
と、調整パラメータｎ１、ｎ２の値は小さく設定され
る。これとは逆に、ジャキスピードが速くなると、シー
ルド機１０自体は曲がりにくくなる。従って、図１１
（Ｃ）に示すよう、調整パラメータｎ３はジャッキスピ
ードが早くなるに従って大きくなるように設定される。

【００６７】前記第１の補正部４８は、入力されるコピ
ーカッター情報、中折れ角情報、ジャッキスピード情報
に基づき、図１１に示す各調整パラメータｎ１、ｎ２、
ｎ３を求め、これを入力されるシールドジャキ作用点Ｐ
0 のｘ0,ｙ0 座標に乗算する演算を行う。そして、この
乗算により得られた値ｘ´，ｙ´は、第２の補正部４８
ｂへ入力される。

【００６８】また、シールド掘進機１０のテールプレイ
ト２４の内周面の複数箇所には、当該テールプレート２
４の内側において組み立てられるセグメント２６の外周
面を検出する近接スイッチ３０が設けられている。この
近接スイッチ３０は、感度の異なる複数のスイッチ部を
含み、テールプレート２４とセグメント２６外周面との
距離、すなわちテールクリアランスの計測を行う。そし
て、その計測値は、第２の補正部４８ｂへ入力される。

【００６９】第２の補正部４８ｂでは、テールクリアラ
ンスとその調整パラメータｎ4 との対応関係が予めデー
タとして記憶され、入力されるテールクリアランスの値
に応じた調整パラメータｎ4 を求める。そして、この調
整パラメータｎ4 を、第１の補正部４８ａから入力され
る作用点のｘ´，ｙ´座標に乗算し、これを補正された
シールドジャッキ作用点ＰのＸ，Ｙ座標としてジャキパ
ターン設定部５０へ向け出力する。

【００７０】このようにして、実施例の作用点補正部４
８では、入力されるコピーカッターストローク、中折れ
角、ジャッキスピード、テールクリアランス等の掘進環
境項目に基づき、作用点推論部４６でファジー推論され
たシールドジャッキ作用点Ｐ0 のｘ0,ｙ0 座標を補正演
算し、掘進環境項目に応じた新たなシールドジャッキ作
用点Ｐとしてジャッキパターン設定部５０へ向け出力す
る。

【００７１】ジャッキパターン設定部５０では、このよ
うにして入力される補正されたシールドジャッキ作用点
ＰのＸ，Ｙ座標に基づき、当該作用点を得るための最適
なジャッキパターンを選択設定する。

【００７２】そして、ジャッキ制御駆動部５２は、図４
に示す各シールジャッキ１６−１，１６−２，……１６
−８を、入力されたジャッキパターンに従って駆動制御
し、シールド掘進機１０を目標地点Ｔへ向け方向制御を
する。

【００７３】本実施例の方向制御装置は以上の構成から
なり、次にその作用を説明する。

【００７４】図１２には、実施例の方向制御装置によっ
てシールドジャッキ作用点を求める手順のフローチャト
が示されている。

【００７５】実施例のシールド掘進機の方向制御装置
は、図６、図７に示すよう、２００ｍｍのピッチ間隔で
目標点Ｔを設定する。そして、設定された目標点Ｔへ向
けシールド掘進機１０を移動させるようシールドジャッ
キの作用点Ｐの水平方向モーメントＸと、垂直方向モー
メントＹを求め、この作用点Ｐに合わせたジャッキパタ
ーンを設定する。そして、設定されたジャッキパターン
に基づき、シールドジャッキ１６を制御することによ
り、シールド掘進機１０の方向制御を行うものである。

【００７６】このとき、まず目標進路演算部４４と作用
点推論部４６は、ステップＳ１０，Ｓ２０で示すよう、
シールドジャッキ１６の作用点Ｐ0 の水平および垂直方
向の座標（ｘ0 ，ｙ0 ）を求めるファジー推論を行う。

【００７７】このファジー推論は、まず目標進路演算部
４４が図６，図７に示すようシールド掘進機１０の位置
ずれ量，角ずれ量に基づき２００ｍｍ先の目標点Ｔを設
定し、この目標点Ｔへシールド掘進機１０を導くための
水平および垂直方向への制御量を演算し、作用点推論部
４６へ向け出力する。

【００７８】作用点推論部４６は、このようにして入力
される水平および垂直方向の制御量に基づき、シールド
ジャッキ作用点Ｐ0 の水平および垂直方向のモーメント
量ｘ0 ，ｙ0 をファジー推論する。ここでは、ファジー
推論により得られたシールドジャッキ作用点Ｐ0 のｘ0
，ｙ0 座標は、Ｐ0 ＝（−０．２，０．４）であると
する。

【００７９】次に、ステップＳ１１，Ｓ２１に示すよ
う、第１の補正部４８ａは、推論により得られた作用点
Ｐ0 のｘ0 ，ｙ0 座標に対し、コピーカッターストロー
クデータ，中折れ量データ，ジャッキスピードデータ等
から得られた調整パラメータｎ1,ｎ2,ｎ3 を乗算し、作
用点の補正演算を行う。ここでは、ｎ1,ｎ2,ｎ3 の調整
パラメータを掛け合わせた値は、１１０％となるものと
する。これにより、補正された作用点の値は、（−０．
２２，０．４４）となる。

【００８０】次に、ステップＳ１２，Ｓ２２に示すよ
う、第２の補正部４８ｂは入力されるテールクリアラン
スデータに基づき調整パラメータｎ4 を求め、これを第
１補正部４８ａから出力される作用点データに乗算する
演算を行う。例えば、調整パラメータｎ4 が９０％であ
る場合には、作用点のＸＹ座標は（−０．１９８，０．
３９６）となる。

【００８１】このようにして求められた作用点ＰのＸ，
Ｙ座標は、ファジー推論されたシールドジャッキ作用点
Ｐ0 のｘ0,ｙ0 の値に対し、コピーカッターストロー
ク，中折れ角，ジャッキスピード，テールクリアランス
等の各掘進環境項目の値に基づく補正演算が行われたも
のとなる。

【００８２】従って、ステップＳ３０において、補正演
算された水平および垂直方向のモーメント値Ｘ，Ｙを組
み合わせ、シールドジャッキ作用点Ｐの位置（Ｘ，Ｙ）
を求める。

【００８３】このようにして、本発明によれば、ファジ
ー推論を複雑化することなく、シールド掘進機１０の掘
進環境項目を考慮したシールドジャッキ作用点Ｐを求め
ることができ、この結果、各種掘進環境下においてもシ
ールド掘進機１０の方向制御を良好に行うことができ
る。

【００８４】第２実施例次に本発明の好適な第２実施例を説明する。なお、前記
第１実施例に対応する部材には、同一符号を節その説明
は省略する。

【００８５】本実施例の特徴は、図１に示す作用点推論
部４６を、図１３（Ｃ）に示すニューラルネットワーク
回路として形成したことにある。ここにおいて、図１３
（Ａ）は、ニューラルネットワーク回路の前件部のメン
バーシップ関数（入力用メンバーシップ関数）であり、
図１３（Ｂ）は後件部のメンバーシップ関数（出力用メ
ンバーシップ関数）である。また、このニューラルネッ
トワーク回路における、前件部と後件部との間の制御ル
ールは、図１４に示すように定められている。

【００８６】このように構成することにより、本実施例
の方向制御装置においても、目標進路演算部４４から入
力される水平および垂直方向の制御量に基づき、シール
ドジャッキ作用点Ｐ0 のｘ0 ，ｙ0 座標を推論すること
ができる。なお、図１３（Ｃ）では水平方向に対するず
れ量およびずれ角等のデータに基づき、シールドジャッ
キ作用点Ｐ0 の水平方向位置のｘ0 を求める場合が示さ
れている。

【００８７】ここにおいて、例えば入力される制御量に
対応した後件部の出力が、ＰＳの適合度が０．４５で、
ＺＥの適合度が０．７である場合を想定すると、重心位
置計算部ではこのＰＳ，ＺＥを統合化し、図１５（Ａ）
に示すようなデータを作成し、その重心位置を水平方向
作用点ｘ0 の値として求める。

【００８８】ここまでは、前記第１実施例と同様である
が、本実施例は、このようにして求めた作用点Ｐ0 の値
と、実際の方向制御の結果とを比較し、バックプロパゲ
ーションの手法を用い、メンバーシップ関数を学習によ
り修正する機能を付加したことを特徴とするものであ
る。

【００８９】例えば、図１５（Ｂ）に示すよう、ファジ
ー推論により得られたシールドジャッキ作用点Ｐ0 に基
づきシールド掘進機１０を方向制御した結果、目標点Ｔ
に対し実際に移動した位置がＱであった場合を想定す
る。このとき、位置および角度の不足量は、Ｄ2 ，θ2
である。従って、制御開始する元の位置と目標点Ｔとの
位置ずれ量Ｄ1 ，角ずれ量θ1 と、実際の移動位置Ｑと
目標点Ｔとのずれ量Ｄ2，角度ずれ量θ2 とに基づき、
ずれ量不足率と、ずれ角不足率を演算し、教師信号を作
成する。

【００９０】そして、重心位置計算部から出力される統
合化されたデータが、図１５（Ｃ）に示すようになるよ
う（すなわちこの組み合わせデータの重心位置が教師信
号ｌt となるよう）に、ＺＥ，ＰＳの値を調整する。す
なわち、ＺＥ，ＰＳの値が、例えば０．５５，０．５０
となるよう、学習を行う。この学習に際し、ニューラル
ネットワーク回路の後件部のＰＳ，ＺＥから教師信号と
して０．５０，０．５５を入力する。このようにしてバ
ックプロパゲーションの手法を用い、メンバーシップ関
数の値を学習により調整することにより、入力データに
基づき最適な出力データが得られるよう回路全体を構成
することができる。

【００９１】図１６には、学習後の前件部メンバーシッ
プ関数（入力用メンバーシップ関数）の一例が示されて
いる。

【００９２】このようなバックプロパゲーションの手法
は、ニューラルネットワーク回路においては一般的に行
われるものであるが、ここにおいて特徴的なことは、作
用点補正部４８において、掘進環境項目に基づく補正演
算を行っている場合には、ニューラルネットワーク回路
が学習を行わないように構成したことにある。

【００９３】図１７には、その一例が示されている。

【００９４】例えばコピーカッターストローク，中折れ
角，ジャッキスピード等の値が所定の設定値を上回った
場合には、作用点推論部４６を構成するニューラルネッ
トワーク回路は学習を行わないように形成されている。
これにより、ニューラルネットワーク回路は常に一定の
条件の下で学習を行い、最適なメンバーシップ関数を設
定することができるようになる。

【００９５】なお、本発明は前記実施例に限定されるこ
となく、本発明の要旨の範囲で各種の変形実施が可能で
ある。

【００９６】例えば、前記実施例では、ファジー推論に
よりシールドジャッキ作用点を推論する場合を例にとり
説明したが、必要に応じ、これ以外の推論の手法を採用
することもできる。

【００９７】また、前記実施例では、油圧式シールド掘
進機の方向制御を行う場合を例にとり説明したが、本発
明はこれに限らず、これ以外の各種タイプのシールド掘
進機の方向制御を行う場合にも適用することができる。

【００９８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シールド掘進機の掘進環境項目を考慮した正確なシール
ドジャッキ作用点を求め、シールド掘進機が計画線に沿
って移動するようその方向制御を行うことができる。

【００９９】また、本発明によれば、ファジー推論等の
手法を用い、シールド掘進機の方向制御を自動化するこ
とができ、特に従来のファジー推論等を用いた方向制御
装置とは異なり、シールド掘進機の計画線に対するずれ
量のみならず、例えばシールド掘進機のジャッキスピー
ド，中折れ角，コピーカッター，テールクリアランス，
土質等の各種掘進環境項目に基づく補正演算を行い、シ
ールド掘進機の掘進環境に合わせた最適なシールドジャ
ッキ作用点を求めることができるため、シールド掘進機
を計画線に沿って移動させる方向制御を、より良好に行
うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシールド掘進機の方向制御装置の
好適な一例を示すブロック図である。

【図２】図１に示す方向制御装置の作用点推論部の詳細
なブロック図である。

【図３】本実施例において用いられるシールド掘進機の
概略説明図である。

【図４】図３に示すシールド掘進機のシールドジャッキ
の配列を示す説明図である。

【図５】計画線に対し位置ずれした状態で移動するシー
ルド掘進機の様子を示す説明図である。

【図６】計画線に対するシールド掘進機の位置ずれ量が
所定のしきい値以下の場合に、目標点を設定する場合の
説明図である。

【図７】計画線に対する位置ずれ量が所定のしきい値以
上の場合に、目標点を設定する場合の説明図である。

【図８】ファジー推論の手法を用いてシールドジャッキ
作用点を演算する場合の一例を示す説明図である。

【図９】図８に示すファジー推論において用いる制御ル
ールの説明図である。

【図１０】図８に示すファジー推論を用いてシールドジ
ャッキ作用点のＸおよびＹ座用を求める場合の説明図で
る。

【図１１】ファジー推論により求めた作用点座用に対す
る調整パラメータの説明図である。

【図１２】実施例の方向制御装置の動作を示すフローチ
ャート図である。

【図１３】図１に示す方向制御装置の作用点推論部をニ
ューラルネットワーク回路で構成した場合の説明図であ
る。

【図１４】図１３に示すニューラルネットワーク回路の
制御ルールの説明図である。

【図１５】図１３に示すニューラルネットワーク回路の
学習動作の一例を示す説明図である。

【図１６】図１３に示すニューラルネットワーク回路の
学習後のメンバーシップ関数の説明図である。

【図１７】図１３に示すニューラルネットワーク回路の
学習タイミングを示す説明図である。

【符号の説明】

１０シールド掘進機４４目標進路演算部４６作用点推論部４８ジャッキパターン設定部５０ジャッキ制御駆動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤耕一東京都中央区京橋１丁目７番１号戸田建設株式会社内 (72)発明者樋口忠東京都中央区京橋１丁目７番１号戸田建設株式会社内 (72)発明者柳楽毅東京都中央区京橋１丁目７番１号戸田建設株式会社内 (56)参考文献特開平１−322090（ＪＰ，Ａ) 特開平４−1393（ＪＰ，Ａ) 特開平４−209295（ＪＰ，Ａ) 特開平５−5396（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シールド掘進機の計画線に対するずれ量
に基づき、シールド掘進機の目標進路を演算する目標進
路演算手段と、シールド掘進機を前記目標進路に導くためのシールドジ
ャッキ作用点を推論する作用点推論手段と、シールド掘進機の掘進環境項目のデータに基づき、推論
された前記シールドジャッキ作用点を補正する作用点補
正手段と、補正されたシールドジャッキ作用点に応じたジャッキパ
ターンを設定するジャッキパターン設定手段と、を含むことを特徴とするシールド掘進機の方向制御装
置。
【請求項２】請求項１において、前記目標進路演算手段は、前記シールド掘進機の計画線に対する水平および垂直方
向ずれ量に基づき、シールド掘進機の水平および垂直方
向の目標進路を演算し、前記作用点推論手段は、シールド掘進機を前記目標進路に導くためのシールドジ
ャッキ作用点を水平および垂直方向のモーメント位置と
して推論することを特徴とするシールド掘進機の方向制
御装置。
【請求項３】請求項１，２のいずれかにおいて、前記作用点補正手段は、前記掘進環境項目として、前記シールド掘進機のジャッ
キスピード情報、中折れ角情報、コピーカッターストロ
ーク情報、テールクリアランス情報、土質情報の少なく
とも一つを用いシールドジャッキ作用点を補正すること
を特徴とするシールド掘進機の方向制御装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、前記ジャッキパターン設定手段は、補正されたシールドジャッキ作用点に応じて推進に寄与
するシールドジャッキのジャッキパターンを設定すると
共に、推進に寄与するシールドジャッキ以外のシールド
ジャッキの伸長を、前記推進に寄与するシールドジャッ
キに同調させて追従させるとともに、前記推進に寄与す
るシールドジャッキの作用点と、補正された作用点との
間に位置ずれがある場合には、両者が一致するよう前記
推進に寄与しないシールドジャッキの油圧を増大させ、
推進に寄与するシールドジャッキによるモーメントに対
する逆モーメントを発生させることを特徴とするシール
ド掘進機の方向制御装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記作用点推論手段は、前記ずれ量に基づき、前記シールドジャッキ作用点をフ
ァジー推論で求めることを特徴とするシールド掘進機の
方向制御装置。
【請求項６】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記作用点推論手段は、入力層、中間層、出力層とを有し、前記シールドジャッ
キ作用点を推論で求めるニューラルネットワーク回路と
して形成され、前記ニューラルネットワーク回路は、そのメンバシップ関数をバックプロパゲーションアルゴ
リズムに基づき修正する学習動作を行うよう形成され、前記学習動作は、前記掘進環境項目に基づく補正演算時には停止制御され
ることを特徴とするシールド掘進機の方向制御装置。