JP2821039B2

JP2821039B2 - シールド掘進機の姿勢制御方法およびその装置

Info

Publication number: JP2821039B2
Application number: JP6594991A
Authority: JP
Inventors: 修満八木下; 俊実藤谷; 均高橋; 鉄也西田; 文哉 ▲高▼野
Original assignee: Taisei Corp; Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Taisei Corp; Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JPH04302697A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールド掘進機の姿勢
制御（方向制御）に必要なシールドジャッキ使用パター
ンの決定をファジィ推論により行う方法および装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】シールド掘進機の姿勢制御にファジィ理
論を適用した例としては、計測と制御、第２７巻、第１
１号、Ｐ．７０〜７７「シールドトンネル掘削機械への
ファジィ理論の適用」に記載されたものがある。この例
では、ファジィ推論の入力変数および出力変数を次のよ
うに定め、その推論結果に基づいてシールドジャッキの
使用パターンの選択を行っている。

【０００３】（１）入力変数蛇行量（水平・上下）；ＤH （Ｎ）、ＤV （Ｎ）方向ずれ角（水平・上下）；θH （Ｎ）、θV （Ｎ）蛇行変化量；ΔＤ（Ｎ）＝Ｄ（Ｎ）−Ｄ（Ｎ−１）方向ずれ角の変化量；Δθ（Ｎ）＝θ（Ｎ）−θ（Ｎ−
１）（ただし、これからＮ＋１リングを掘進しようとす
る場合）（２）出力変数水平方向片押し度調節量；ΔＥH 上下方向片押し度調節量；ΔＥＶ

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、熟練
オペレータがもつノウハウをファジィ理論を用いて制御
に取り入れ、施工条件の変化や外乱に強い方向制御用コ
ントローラの実現を図ったものであるが、下記のような
問題点を有している。

【０００５】（１）シールド掘進機の中折状態に対す
る考慮がなされていないため、中折状態が掘進方向に大
きな影響を及ぼす曲線施工においては、適応できないこ
とが考えられる。

【０００６】（２）ファジィ入力変数として１リング
ごとに蛇行量、蛇行変化量を入力するため、常時シール
ド位置の絶対測量を行うレーザ測量などの自動測量装置
とファジィコントローラとをオンラインでつなぐ必要が
あり、大規模で高価なシステムとなる。

【０００７】本発明の目的は、直線、亜曲線（半径５０
０ｍ等）、曲線（半径１２０〜３００ｍ程度）、急曲線
（半径１２０ｍ以下）の全てのトンネル線形に対応した
姿勢制御が可能であり、かつ常時シールド位置の絶対測
量を行うための自動測量装置を必要とせず、シールド機
内に搭載された計測装置（ジャイロコンパス、ピッチン
グ計、シールドジャッキストローク計、中折ストローク
計等）の計測値のみを制御パラメータとして、ファジィ
理論の適用によりシールド掘進機の外径や仕様の相違に
かかわらず、自動姿勢制御ができる汎用的なシールド掘
進機の姿勢制御方法およびその装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、中折機構を有するシールド掘進機の１リン
グ掘進における目標方位角θｈ、目標ピッチング角θ
v 、目標中折率（左右）φh 、目標中折率（上下）φv
と、計測された現在の方位角θh ′、ピッチング角θv
′、中折角（左右）φh ′、中折角（上下）φv ′か
ら、目標制御角（水平）Δθh ＝θh −θh ′、目標制
御角（鉛直）Δθv ＝θv −θv ′、中折達成率（左
右）ηh ＝（φh ′／φh ）×１００、中折達成率（上
下）ηv ＝（φh ′／φv ）×１００の少なくとも４変
数の値を求め、この４変数の値を入力変数とするファジ
ィ推論により必要な片押し度を左右、上下の各方向に分
けて算出し、得られた左右片押し度および上下片押し度
に相当するシールドジャッキの使用パターンを１リング
掘進開始時のジャッキパターンとして決定することを主
要な特徴とするものである。

【０００９】必要片押し度をより精度良く求めるため、
さらに計測された現在のシールドジャッキストロークか
ら、セグメント端面の法線がシールドジャッキ支持胴中
心線となすセグメント面角度（水平・鉛直）ωh ・ωv
を算出し、これをファジィ推論の入力変数に追加しても
よい。

【００１０】また、１リング掘進の途中において、シー
ルドジャッキストロークがあらかじめ定めたチェックス
トローク値に達したとき、計測されたシールド掘進機の
現在の方位角、ピッチング角およびシールドジャッキス
トロークから、１リング掘進終了ストロークに対する現
在のシールドジャッキストロークの割合を表わす掘進率
α、１リング掘進開始時からの水平・鉛直各方向の制御
量Δθhi、Δθvi、現在のシールドジャッキパターンを
１リング掘進終了まで維持した場合に得られる制御量の
予測値を表わす制御予測量θhi、θviの５変数の値を求
め、この５変数の値を入力変数とするファジィ推論によ
り修正すべき片押し度を左右、上下の各方向に分けて算
出し、その左右修正片押し度および上下修正片押し度に
基づき選択したシールドジャッキを現行パターンに追加
もしくは現行パターンから削除することにより、制御量
に対応したジャッキパターンの修正が可能である。

【００１１】

【作用】シールド掘進機の姿勢制御は、通常、計画路線
に対するシールド掘進機の位置・姿勢に関する情報に基
づき、使用するシールドジャッキをオペレータが選択す
ることにより行っている。本発明は、ファジィ理論の適
用により、この姿勢制御に関する熟練オペレータの操作
ノウハウをより忠実に再現することを基本とするもので
ある。以下、本発明において、１リング掘進開始時の初
期ジャッキパターンを決定するための必要片押し度の推
論に用いる入力変数の選定理由を述べる。

【００１２】シールド掘進機の蛇行量を求める絶対測量
は、通常数リング間隔で行い、掘進中は蛇行量を求めた
地点を基準にしてシールドの向き、掘進距離、テールク
リアランス等からシールドの位置を推定している。最近
では、坑内後方から投射したレーザビームをシールド機
内に設置したターゲットで受光するレーザ測量等により
掘進中の蛇行量をリアルタイムに求めることも行われて
いるが、急曲線部では、ターゲットがレーザビームから
隠れて測量不能になる等の問題がある。本発明では、急
曲線施工にも対応できる汎用的なシステムを実現するた
め、蛇行量は制御パラメータとして扱わず、通常のよう
に数リング間隔で絶対測量を行って蛇行量を求め、その
時点で蛇行量をなくすための計画路線を作成する。ファ
ジィ推論の入力変数の１つである水平方向および鉛直方
向の目標制御角は、この計画路線に基づいて決定された
１リング先の目標方位角、目標ピッチング角と計測され
た現在の方位角、ピッチング角のそれぞれの差に相当す
る。

【００１３】次に、中折達成率を入力変数の１つに加え
る理由を図７により説明する。曲線施工において、図７
の（ａ）に示すように、シールド本体１を前胴２と後胴
３の間で中折れさせて掘進する場合、前胴２の側面に働
く地山反力ｆによりカーブ内側に向う分力ｆx が生じ
る。この分力ｆx によりシールド本体にもモーメントＭ
₁が発生し、シールドジャッキの片押しによるモーメン
トＭ₂に加わって曲進を容易にする。また、余堀量Ｓが
小さくてすむため、地山のゆるみも最小限に抑えられ
る。一方、中折を行わない場合には、図７の（ｂ）に示
すように、シールド本体１を曲進させるためのモーメン
トは、シールドジャッキの片押しによるモーメントＭ₂
のみとなり、余堀量Ｓもより大きくする必要がある。こ
のように、曲線施工ではシールドの中折が必要であり、
その中折状態はシールド姿勢の大きな制御要因となる。
ここで、必要とされる中折角は施工条件や使用する機械
によって異なり、またシールド機内外の状況により必要
とされる中折角が得られない場合もあるので、中折状態
を表わす指数として、計算上必要とされる中折角（目標
中折角）に対して何％の中折がなされているかを表わす
中折達成率を入力変数の１つに加える。なお、中析機構
を持たないシールド機においては、中析達成率を０％と
して本システムを用いることができる。

【００１４】さらに、セグメント面角度を入力変数の１
つに加える理由を図８により説明する。図８の（ａ）に
おいて、シールドジャッキ７のスプレッダ押付面である
セグメント８の端面の法線がシールドジャッキ支持胴
（本図では前胴２）の中心線となす角度をセグメント面
角度と定義する。このセグメント面角度は、図８の
（ｂ）に示す上、左、右の３位置に配置されたシールド
ジャッキストローク計の空押し終了時のストローク計測
値から次式により算出される。

【００１５】 ωh ＝ａｒｃｔａｎ（ＳＴ₂−ＳＴ₃）／Ｌh ωv ＝ａｒｃｔａｎ｛ＳＴ₁−（ＳＴ₂−ＳＴ₃）／
２｝／Ｌv ただし、ωh は水平方向セグメント面角度、ωv は鉛直
方向セグメント面角度、ＳＴ₁〜ＳＴ₃はストローク計
測値、Ｌh 、Ｌv はストローク計測位置距離である。

【００１６】ここで、ΔＳＴ＝ＳＴ₂−ＳＴ₃とおき、
図８の（ａ）を上から見た状態とすると、ΔＳＴ＞０な
らば、シールドは右方向へ動く傾向があり、ΔＳＴ＜０
ならば、シールドは左方向へ動く傾向がある。また、Δ
ＳＴ＝ＳＴ₁−（ＳＴ₂＋ＳＴ₃）／２とおき、図８の
（ａ）を横から見た状態とすると、ΔＳＴ＞０ならば、
シールドは上方向へ動く傾向があり、ΔＳＴ＜０なら
ば、シールドは下方向へ動く傾向がある。このようにセ
グメント面角度もシールド姿勢に影響を及ぼす要因の１
つとなる。

【００１７】以上の理由により、初期ジャッキパターン
の決定に当っては、目標制御角（水平・鉛直）と中折達
成率（左右・上下）、さらに必要に応じてセグメント面
角度（水平・鉛直）を加えた制御パラメータを入力変数
とするファジィ推論により、必要な片押し度を左右、上
下の各方向に分けて算出し、得られた左右片押し度およ
び上下片押し度に相当するシールドジャッキの使用パタ
ーンをパターンデータベースから検索し、１リング掘進
開始時のジャッキパターンとして決定する。

【００１８】次に、ジャッキパターンの修正について述
べる。ジャッキパターンの修正は１リング掘進の途中で
シールドの姿勢修正のために行う操作である。通常、オ
ペレータは操作量を確認しながら必要に応じてパターン
修正を行っているが、本発明では、あらかじめ定めたチ
ェックストロークごとに、計測されたシールド掘進機の
現在の方位角、ピッチング角、シールドジャッキストロ
ークから掘進率、制御量（水平・鉛直）および制御予測
量（水平・鉛直）を求め、これらの制御パラメータを入
力変数とするファジィ推論により修正すべき片押し度
（左右・上下）を算出し、得られた左右修正片押し度お
よび上下修正片押し度に基づき選択したシールドジャッ
キを現行パターンに追加もしくは現行パターンから削除
することにより、熟練オペレータのノウハウを取り入れ
てジャッキパターンの修正をシステム的に行うようにし
た。この初期ジャッキパターンをベースにしたジャッキ
パターン修正は、１リング掘進終了時の制御量を目標値
に収束させることを可能にする。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。

【００２０】図２および図３に本発明を適用するシール
ド掘進機の一例を示す。シールド本体１は、中折可能な
ように前胴２と後胴３に分割して構成されている。前胴
２には、カッタヘッド４、カッタ駆動モータ５、排土用
スクリュコンベア６、シールドジャッキ７が装備されて
おり、掘進時には、カッタヘッド４の回転により地山を
掘削し、掘削土砂をスクリュコンベア６により後方へ搬
出しながら、シールドジャッキ７を伸ばし、セグメント
８を反力受としてシールド掘進機全体を推進する。ここ
でシールドジャッキは、中析角度の大小によって後胴に
装備される場合もある。また、前胴２と後胴３の間に取
り付けられた中折ジャッキ９のストロークを上下、左右
で変えることにより、シールド本体１を中折れさせて曲
線施工を容易にすることができる。カッタヘッド４に
は、曲線施工時に余堀を行うためのコピーカッタ１０が
設けられている。セグメント８の組立は、１リング掘進
終了後、後胴３に装備されたエレクタ（図示省略）を用
いて行われる。

【００２１】図２は、１リング分のセグメント組立が終
って、次リング掘進に入ろうとする状態を示している。
このとき、シールドジャッキ７のロッド端に設けられた
スプレッダ１１とセグメント８の間にはクリアランス
（余裕代）ｘが存在し、これが掘進開始前の空押しスト
ロークになる。

【００２２】図４はシールドジャッキの油圧回路図で、
７−１、７−ｎはシールドジャッキ１２−１〜１２−ｎ
は使用ジャッキ選択用電磁弁、１３はジャッキ押引動作
選択用電磁弁であり、これら電磁弁の操作により選択さ
れた使用ジャッキに圧力油を供給し、押引動作させるこ
とができる。

【００２３】図５に本発明による姿勢制御装置の一実施
例のシステム構成を示す。姿勢制御用コントローラ１４
は、シールド機内に搭載されたジャイロコンパス１５、
ピッチング計１６、中折ストローク計１７、シールドジ
ャッキストローク計１８と目標値ファイル１９、パター
ンデータベース２０およびジャッキデータベース２１か
らの入力データに基づき、１リング掘進における初期ジ
ャッキパターンの決定および掘進途中でのジャッキパタ
ーン修正を行い、ジャッキパターン制御信号をシーケン
スコントローラ２２へ出力する。シーケンスコントロー
ラ２２は、姿勢制御用コントローラ１４からのジャッキ
パターン制御信号および図示しない操作盤からのマニュ
アル操作信号に対応してアクチュエータ制御信号を出力
し、図２に示すカッタ駆動モータ５、スクリュコンベア
６、シールドジャッキ７、中折ジャッキ９等の各種アク
チュエータを制御する。図４に示すシールドジャッキ油
圧回路の使用ジャッキ選択用電磁弁１２−１〜１２−
ｎ、ジャッキ押引動作選択用電磁弁１３は、このアクチ
ュエータ制御信号によって操作される。また姿勢制御用
コントローラ１４は、シーケンスコントローラ２２から
カッタ回転の有無、使用ジャッキ本数、ジャッキ押引状
態等を表わすアクチュエータ動作状態信号を受け、この
信号とシールドジャッキストローク計１８の計測データ
から掘進準備終了および１リング掘進終了の判断を行
う。

【００２４】本発明による姿勢制御のシステムフローの
うち、初期ジャッキパターン決定までのフローを図１に
示す。姿勢制御のシステムフローは、シールド施工にお
いて、前リングのセグメント組立が終了した時点から始
まる。その「掘進準備」の段階で、次リング掘進におけ
る目標値を目標値ファイル１９からコントローラ１４に
入力し、コントローラ１４内のメモリに記憶させる（ス
テップ１０１）。ここで、コントローラ１４に入力され
る目標値は次の通りである。

【００２５】・目標方位角；θh ・目標ピッチング角；θv ・目標中折角（左右）；φh ・目標中折角（上下）；φv ・次リングセグメント幅；Ｗ本例では、計画路線に基づいて決定された数リング分の
目標値を目標値ファイル１９に格納し、リング番号順に
コントローラ１４に取り込むようにしているが、１リン
グごとに目標値をキー操作で入力してもよい。

【００２６】「掘進準備」の中で、シールド中折状態の
セット、シールドジャッキ空押し、カッタ回転、土砂搬
出準備等がオペレータの指示によって行われる。さらに
シールドジャッキ空押し（ステップ１０２）では、セグ
メント組立や運転休止中に自重により前下がり（ノーズ
ダウン）となったシールドをジャッキ推力により前リン
グ掘進終了時に近い状態に戻す。カッタヘッドが回転を
開始し、シールドジャッキストロークが前リング掘進ス
トロークと前リングセグメント幅から求められた空押し
ストローク（図２のクリアランスｘ）以上になると、コ
ントローラ１４は掘進準備終了と判断し、シーケンスコ
ントローラ２２に空押し停止を指令する（ステップ１０
３）。この掘進準備終了した段階で初期ジャッキパター
ン決定に必要な計測データを図５に示すジャイロコンパ
ス１５、ピッチング計１６、中折ストローク計１７、シ
ールドジャッキストローク計１８からコントローラ１４
に取り込む（ステップ１０４）。ここで、入力される計
測データは次の通りである。

【００２７】・方位角；θh ′ ・ピッチング角；θv ′ ・中折角（左右）；φh ′ ・中折角（上下）；φv ′ ・シールドジャッキストローク；ＳＴ₁〜ＳＴ₃ （中折角φh ′、φv ′は上下、左右の中折ストローク
計測値Ｎst₁〜Ｎst₄ から算出する）図６に水平方向制
御における計測値と目標値の関係を示す。図６の（ａ）
は掘進開始前の状態で、シールドは真北Ｎに対し方位角
θh ′に向いており、中折角はφh ′である。図６の
（ｂ）はＷ幅のセグメント１リング分の掘進終了時にお
けるシールドのあるべき状態を示している。すなわち、
中折角はφh ′に固定したまま、現在の方位角θh ′か
らθh にシールドを向けることがこのリングでの水平方
向の制御目標である。そこで、目標制御角を次式により
求め、ファジィ推論の入力変数の１つとする。

【００２８】目標制御角（水平）；Δθh ＝θh −θh
′ また、曲線施工においては、シールドの中折状態が大き
な制御要因となることから、ここでは計算上必要とされ
る中折角（目標中折角φh ）に対して現在何％中折がな
されているかを表わす中折達成率を求め、入力変数の１
つに加える。

【００２９】中折達成率（左右）；ηh ＝（φh ′／φ
h ）×１００（％）ただし、目標中折角が０の場合は中折達成率を０とす
る。

【００３０】さらに本実施例では、図８に示すセグメン
ト面角度の姿勢制御に対する影響を考慮し、次式により
求めたセグメント面角度を入力変数の１つに加える。

【００３１】セグメント面角度（水平）；ωh ＝ａｒｃ
ｔａｎ（ＳＴ₂−ＳＴ₃）／Ｌh鉛直方向についても同
様の考え方で、次のように入力変数を定める。

【００３２】・目標制御角；Δθv ＝θv −θv ′ ・中折達成率（上下）；ηv ＝（φv ′／φv ）×１０
０（％）・セグメント面角度（鉛直）； ωv ＝ａｒｃｔａｎ｛ＳＴ₁−（ＳＴ₂＋ＳＴ₃）／
２｝／Ｌv 以上により水平方向、鉛直方向それぞれの入力変数の値
を算出し（ステップ１０５）、得られた入力変数の値か
ら必要な片押し度をファジィ推論により求める（ステッ
プ１０６）。コントローラ１４では、熟練オペレータの
操作ノウハウをルール化したファジィルールと、入出力
変数を関数化したメンバーシップ関数に基づいて推論処
理を行う。

【００３３】ここでは、ファジィルールの形式を次のよ
うに定める。オペレータは、初期ジャッキパターンを決
定する際、目標制御角に対する中折状態とセグメント面
角度の関係を個々にとらえていると考えられることか
ら、ファジィルールとしては、下記２種類のルール
（１）、（２）を水平方向、鉛直方向それぞれについて
作成する。

【００３４】ルール（１）；目標制御角がＡであり、か
つ中折達成率がＢであるならば、片押し度（１）はＸで
ある。

【００３５】ルール（２）；目標制御角がＣであり、か
つセグメント面角度がＤであるならば、片押し度（２）
はＹである。

【００３６】上記のルール（１）、（２）より得られた
片押し度（１）、片押し度（２）の算術和をとり、左
右、上下それぞれの片押し度とする（セグメント面角度
を入力変数としない場合は、片押し度（１）がそのまま
左右、上下の片押し度となる）。

【００３７】熟練オペレータのノウハウを取り入れて作
成した水平方向、鉛直方向それぞれのファジィルールの
一例を次の表１〜表４に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】また、入出力変数に対して設定したメンバ
ーシップ関数の一例を図１０〜図１３に示す。

【００４３】ファジィ推論法としては、種々の手法が提
案されており、特定する必要はないが、ここでは現在最
も多く使われている推論法１（マムダニ法）を用いた。

【００４４】出力変数である片押し度はシールドの姿勢
制御に必要なモーメントに相当するものであり、ここで
は次のように定義する。

【００４５】片押し度＝（使用ジャッキの腕の長さの
和）／（使用ジャッキ本数）ただし、シールドジャッキ取付半径（使用ジャッキの腕
の長さの最大値）を１とする。

【００４６】図９は片押し度の説明図である。本図はシ
ールドジャッキ装備本数を１０本とした場合で、Ｌ₁〜
Ｌ₁₀は上下方向のジャッキの腕の長さ、ｌ₁〜ｌ₁₀は左
右方向のジャッキの腕の長さを示す。例えばＮＯ．１ジ
ャッキの左右、上下の腕の長さはｌ₁＝ｓｉｎθ₁、Ｌ
₁＝ｃｏｓθ₁で表わされ、ＮＯ．１ジャッキを使用し
ない場合の片押し度は次のようになる。

【００４７】左右片押し度＝（ｌ₂＋ｌ₃＋ｌ₄＋……
−ｌ₁₀）／９＝−ｌ₁／９上下片押し度＝（Ｌ₂−Ｌ₄−Ｌ₅−……＋Ｌ₁₀）／９
＝−Ｌ₁／９推論により得られた片押し度からジャッキパターンを選
択する方法を次に述べる。あらかじめ考えられるジャッ
キパターンを網羅し、各パターンの左右、上下片押し度
を計算、登録したパターンデータベースを左右、上下に
分けて作成する。コントローラ１４は、プログラム化し
た選択ルールに基づき、推論により得られた片押し度と
データベースに登録された片押し度との偏差を左右、上
下それぞれについて計算し、左右、上下の偏差を合成し
た偏差値が最も小さいパターンを選択する（ステップ１
０７）。以上により初期ジャッキパターンが決定され、
使用ジャッキの選択およびジャッキ押し動作を指令する
制御信号がパターン出力としてシーケンスコントローラ
２２へ送られる（ステップ１０８）。

【００４８】図１において、ステップ１０１、１０４、
１０５は前記第１の処理手段に、ステップ１０６は前記
第２の処理手段に、ステップ１０７、１０８は前記第３
の処理手段にそれぞれ対応している。また、図４の使用
ジャッキ選択用電磁弁１２−１〜１２−ｎおよびジャッ
キ押引動作選択用電磁弁１３、図５のシーケンスコント
ローラ２２は前記ジャッキ操作手段に対応している。

【００４９】掘進開始時の初期ジャッキパターンは、以
上のように熟練オペレータのノウハウをルール化したフ
ァジィ推論により決定することができる。しかし、実施
工においては、地山の状態変化等により、初期ジャッキ
パターンを維持したまま１リング掘進し、目標通りにシ
ールドを操作できることは少なく、通常オペレータは、
初期ジャッキパターンをベースにして少しずつ使用ジャ
ッキを追加、削除するパターン修正を行っている。

【００５０】次に、本発明による姿勢制御のシステムフ
ローの中でジャッキパターン修正のルーチンを図１４に
より説明する。ジャッキパターン修正は、１リング掘進
の途中で中折角の変更がないことを前提に行われる（も
し中折角が変更された場合は初期ジャッキパターン決定
のルーチンに戻り、パターン選択を行う）。中折角の変
更がなければ、一定ストローク（チェックストローク）
ごとに、現在のジャッキストローク、シールド方位角お
よびピッチング角の計測データをコントローラ１４に取
り込み（ステップ２０１）、計測データより下記入力変
数の値を算出する（ステップ２０２）。

【００５１】・掘進率；α ・制御量（水平・鉛直）；Δθhi、Δθvi ・制御予測量（水平・鉛直）；θhi、θvi ここで、掘進率は１リング掘進終了ストロークに対し何
％掘進したかを表わし、ストローク計測値には上、左、
右３位置のストローク計の中の最大計測値を用いる。

【００５２】掘進率＝（現在ストローク／１リング掘進
終了ストローク）×１００（％）１リング掘進終了ストローク＝（次リングセグメント幅
Ｗ）＋（余裕代ｘ）制御量は、１リング掘進開始時からシールドが水平・鉛
直各方向に何度制御されたかを表わす。

【００５３】制御量（水平）＝（方位角計測値）−（空
押し終了時の方位角）制御量（鉛直）＝（ピッチング角計測値）−（空押し終
了時のピッチング角）制御予測量は、現在のジャッキパターンを１リング掘進
終了時まで維持した場合、何度の制御量が得られるかを
表わす予測値である。

【００５４】制御予測量（水平・鉛直）＝（変化率）×
（残りストローク量）＋（現在制御量）ここで、変化率は次のように表わされる。

【００５５】変化率＝｛（現在制御量）−（前回推論時
の制御量）｝／｛（現在ストローク）−（前回推論時の
ストローク）｝図１５にジャッキパターン修正時におけるシールドの状
態をグラフ化して示す。ここで、チェックストローク
は、制御間隔を事前に決めておき、初期ジャッキパター
ン決定時のストローク（制御開始ストローク）を起点と
して算出する。

【００５６】第ｉ回目チェックストローク＝（制御開始
ストローク）＋（制御間隔）×ｉ制御予測量は現在の制御状態を基に線形もしくは非線形
の予測を行った結果、得られる制御量であり、図１５に
は、第１回目のジャッキパターン修正において、その時
点での制御量と初期ジャッキパターン決定時のシールド
の状態とから線形予測を行った例を示す。

【００５７】以上により求めた掘進率、制御量、制御予
測量の各々の値を入力変数とし、修正すべき片押し度を
出力変数とするファジィ推論を水平方向、鉛直方向それ
ぞれに分けて行う（ステップ２０３）。修正片押し度を
求めるためのファジィルールは次のような形式で表現さ
れる。

【００５８】（水平方向）制御量（水平）がａであり、
かつ制御予測量（水平）がｂであり、かつ掘進率がｃで
あるならば、修正片押し度（左右）はｘである。

【００５９】（鉛直方向）制御量（鉛直）がｄであり、
かつ制御予測量（鉛直）がｅであり、かつ掘進率がｆで
あるならば、修正片押し度（上下）はｙである。

【００６０】熟練オペレータのノウハウを取り入れて作
成したパターン修正のファジィルールの一例を表５にル
ール（３）として示す。

【００６１】

【表５】

【００６２】また、入出力変数に対して設定したメンバ
ーシップ関数の一例を図１６〜図１９に示す。

【００６３】以上の推論結果として得られた左右修正片
押し度および上下修正片押し度から修正ジャッキを選択
する（ステップ２０４）。修正ジャッキ選択の方法を次
に述べる。パターン修正のファジィ推論では、現行パタ
ーン（第１回目の修正では初期パターン）をベースにし
て修正すべき片押し度を求めている。この修正片押し度
に相当するジャッキを事前に各ジャッキごとに左右片押
し度、上下片押し度を計算、登録したジャッキデータベ
ースから検索し、選択した修正ジャッキを現行パターン
に追加もしくは現行パターンから削除する。その際、熟
練オペレータのノウハウに基づいて事前に修正ジャッキ
の選択ルールをプログラム化しておき、そのルールに従
って選択を行うようにする。選択ルールの主な項目は次
の通りである。

【００６４】（１）修正ジャッキの選択は、左右方
向、上下方向それぞれの制御用ジャッキのグループの中
から１本ずつ行う。

【００６５】（２）左右修正片押し度に最も近いジャ
ッキでオンできるものを選ぶ。

【００６６】（３）（２）でオンできるジャッキがな
い場合は、オフできるジャッキを選ぶ。

【００６７】（４）上下修正片押し度に（２）、
（３）で選択したジャッキの上下片押し度分を加味し、
その値に最も近いジャッキでオンできるものを選ぶ。

【００６８】以上により修正したジャッキパターンをシ
ーケンスコントローラ２２に出力する（ステップ２０
５）。

【００６９】図１４において、ステップ２０１、２０２
は前記第４の処理手段に、ステップ２０３は前記第５の
処理手段に、ステップ２０４、２０５は前記第６の処理
手段にそれぞれ対応している。

【００７０】図２０に１リング掘進における姿勢制御の
概略フローを示す。コントローラへの目標値入力、シー
ルドの中折セット、ジャッキ空押し、カッタ回転、土砂
搬出準備等の掘進準備（ステップ３０１）が終了した段
階で初期ジャッキパターン決定を行い（ステップ３０
２）、パターン出力後、掘進開始する（ステップ３０
３）。掘進開始後、ジャッキパターン制御およびデータ
計測（ステップ３０４）、掘進終了判断（ステップ３０
５）、チェックストローク判断（ステップ３０６）、チ
ェックストロークごとのジャッキパターン修正（ステッ
プ３０７）を繰り返し実行し、ジャッキストロークが掘
進終了ストロークに達したこと、カッタ回転が停止した
ことなどから１リング掘進終了と判断した場合、コント
ローラ１４は制御を停止し、目標値ファイル１９内のリ
ング番号の更新、１リングごとのデータ処理等の掘進終
了処理に移る。

【００７１】図２１は、以上述べた初期ジャッキパター
ン決定およびジャッキパターン修正の機能をブロック線
図で示したものである。

【００７２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば下記の効果が得られる。

【００７３】（１）１リング掘進における目標制御角
とシールドの中折状態を表わす中折達成率を入力変数と
し、必要片押し度を出力変数として、熟練オペレータの
操作ノウハウを取り入れたファジィ推論を行い、その推
論結果を基に選択されたシールドジャッキパターンを掘
進開始時の初期パターンとしているため、直線から急曲
線までの全てのトンネル線形に対応した姿勢制御がで
き、また常時シールド位置の絶対測量を行うための自動
測量装置を必要とせず、シールド機内に搭載された計測
装置の計測データのみを制御パラメータとして姿勢制御
が行えるので、シールドの外径や仕様の相違にかかわら
ず適用できる汎用的な姿勢制御システムを実現すること
ができる。

【００７４】（２）初期ジャッキパターン決定時に、
ジャッキストロークから算出したセグメント面角度を入
力変数の１つに加えることで、シールド姿勢に対するセ
グメント面角度の影響を制御に反映させることができ、
必要片押し度の推論精度がさらに向上する。

【００７５】（３）１リング掘進途中のチェックスト
ロークごとに、計測データから求めた掘進率、制御量、
制御予測量を入力変数とし、修正すべき片押し度を出力
変数とするファジィ推論を行い、その推論結果を基にジ
ャッキパターンの修正を行うとにより、熟練オペレータ
の操作ノウハウをより忠実に再現し、１リング掘進終了
時の制御量を目標値に収束させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における初期ジャッキパター
ン決定までの制御アルゴリズムを示すフローチャート。

【図２】本発明を適用するシールド掘進機の一例を示す
縦断面図。

【図３】図２のIII −III 断面図。

【図４】シールドジャッキの油圧回路図。

【図５】本発明の一実施例のシステム構成図。

【図６】水平方向制御における制御目標の説明図で、
（ａ）は掘進開始時の状態図、（ｂ）は掘進終了時の状
態図である。

【図７】中折の効果を示す説明図で、（ａ）は中折時の
状態図、（ｂ）は中折を行わない場合の状態図である。

【図８】セグメント面角度の説明図で、（ａ）は縦断面
図、（ｂ）は横断面図である。

【図９】片押し度の説明図。

【図１０】目標制御角のメンバーシップ関数の一例図。

【図１１】中折達成率のメンバーシップ関数の一例図。

【図１２】セグメント面角度のメンバーシップ関数の一
例図。

【図１３】必要片押し度のメンバーシップ関数の一例
図。

【図１４】本発明の一実施例におけるジャッキパターン
修正のアルゴリズムを示すフローチャート。

【図１５】ジャッキパターン修正時のシールドの状態を
グラフ化して示す図。

【図１６】掘進率の麺メンバーシップ関数の一例図。

【図１７】制御量のメンバーシップ関数の一例図。

【図１８】制御予測量のメンバーシップ関数の一例図。

【図１９】修正片押し度のメンバーシップ関数の一例
図。

【図２０】１リング掘進における姿勢制御のシステムフ
ローチャート。

【図２１】初期ジャッキパターン決定およびジャッキパ
ターン修正機能を示すブロック線図。

【符号の説明】

１シールド本体２前胴３後胴７シールドジャッキ８セグメント９中折ジャッキ１２−１〜１２−ｎ使用ジャッキ選択用電磁弁１３ジャッキ押引動作選択用電磁弁１４姿勢制御用コントローラ１５ジャイロコンパス１６ピッチング計１７中折ストローク計１８シールドジャッキストローク計１９目標値ファイル２０パターンデータベース２１ジャッキデータベース２２シーケンスコントローラ１０１、１０４、１０５第１の処理手段に対応するス
テップ１０６第２のの処理手段に対応するステップ１０７、１０８第３の処理手段に対応するステップ２０１、２０２第４の処理手段に対応するステップ２０３第５の処理手段に対応するステップ２０４、２０５第６の処理手段に対応するステップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋均茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者西田鉄也茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者 ▲高▼野文哉茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (56)参考文献特開平２−115492（ＪＰ，Ａ) 特開平１−263385（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/06 301 E21D 9/06 302

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】中折機構を有するシールド掘進機の１リ
ング掘進における目標方位角θh 、目標ピッチング角θ
v 、目標中折角（左右）φh 、目標中折角（上下）φv
と、計測された現在の方位角θh ′、ピッチング角θv
′、中折角（左右）φh ′、中折角（上下）φv′か
ら、目標制御角（水平）Δθh ＝θh −θh ′、目標制
御角（鉛直）Δθv ＝θv −θv ′、中折達成率（左
右）ηh ＝（φh ′／φh ）×１００、中折達成率（上
下）ηv ＝（φh ′／φv ）×１００の少なくとも４変
数の値を求め、この４変数を目標制御角（水平）Δθh
と中折達成率（左右）ηh 、目標制御角（鉛直）Δθv
と中折達成率（上下）ηv の２つの組合せとし、各々の
値を入力変数とするファジィ推論により必要な片押し度
を左右、上下の各方向に分けて算出し、得られた左右片
押し度および上下片押し度に相当するシールドジャッキ
の使用パターンを１リング掘進開始時のジャッキパター
ンとして決定することを特徴とするシールド掘進機の姿
勢制御方法。
【請求項２】中折機構を有するシールド掘進機の１リ
ング掘進における目標方位角θh 、目標ピッチング角θ
v 、目標中折角（左右）φh 、目標中折角（上下）φv
と計測された現在の方位角θh ′、ピッチング角θv
′、中折角（左右）φh ′、中折角（上下）φv ′を
取り込み、目標制御角（水平）Δθh ＝θh −θh ′、
目標制御角（鉛直）Δθv ＝θv −θv ′、中折達成率
（左右）ηh ＝（φh ′／φh ）×１００、中折達成率
（上下）ηv ＝（φv ′／φv ）×１００の少なくとも
４変数の値を算出する第１の処理手段と、上記４変数を
目標制御角（水平）Δθh と中折達成率（左右）ηh 、
目標制御角（鉛角）Δθv と中折達成率（上下）ηv の
２つの組合せとし、各々の値を入力変数とするファジィ
推論により必要な片押し度を左右、上下の各方向に分け
て算出する第２の処理手段と、得られた左右片押し度お
よび上下片押し度に相当するシールドジャッキの使用パ
ターンをあらかじめ作成された左右パターンデータベー
スおよび上下パターンデータベースより検索し、１リン
グ掘進開始時のジャッキパターンとして出力する第３の
処理手段と、そのジャッキパターン出力を受けてシール
ドジャッキをオン、オフ操作するジャッキ操作手段とを
備えたことを特徴とするシールド掘進機の姿勢制御装
置。
【請求項３】中折機構を有するシールド掘進機の１リ
ング掘進における目標方位角θh 、目標ピッチング角θ
v 、目標中折角（左右）φh 、目標中折角（上下）φv
と、計測された現在の方位角θh ′、ピッチング角θv
′、中折角（左右）φh ′、中折角（上下）φv′、シ
ールドジャッキストロークＳＴを取り込み、目標制御角
（水平）Δθh ＝θh −θh ′、目標制御角（鉛直）Δ
θv ＝θv −θv ′、中折達成率（左右）ηh ＝（φh
′／φh）×１００、中折達成率（上下）ηv ＝（φv
′／φv ）×１００および計測時点でセグメント端面
の法線がシールドジャッキ支持胴中心線となすセグメン
ト面角度（水平・鉛直）ωh 、ωv の６変数の値を算出
する第１の処理手段と、上記６変数を目標制御角（水
平）Δθh と中折達成率（左右）ηh とセグメント面角
度（水平）ωh 、目標制御角（鉛直）Δθv と中折達成
率（上下）ηv とセグメント面角度（鉛直）ωv の２つ
の組合せとし、各々の値を入力変数とするファジィ推論
により必要な片押し度を左右、上下の各方向に分けて算
出する第２の処理手段と、得られた左右片押し度および
上下片押し度に相当するシールドジャッキの使用パター
ンをあらかじめ作成された左右パターンデータベース及
び上下パターンデータベースより検索し、１リング掘進
開始時のジャッキパターンとして出力する第３の処理手
段と、そのジャッキパターン出力を受けてシールドジャ
ッキをオン、オフ操作するジャッキ操作手段とを備えた
ことを特徴とするシールド掘進機の姿勢制御装置。
【請求項４】１リング掘進の途中において、シールド
ジャッキストロークがあらかじめ定めたチェックストロ
ーク値に達したとき、計測されたシールド掘進機の現在
の方位角、ピッチング角およびシールドジャッキストロ
ークを取り込み、１リング掘進終了ストロークに対する
現在のシールドジャッキストロークの割合を表わす掘進
率α、１リング掘進開始時からの水平・鉛直各方向の制
御量Δθhi、Δθvi、現在のシールドジャッキパターン
を１リング掘進終了まで維持した場合に得られる制御量
の予測値を表わす制御予測量θhi、θviの５変数の値を
算出する第４の処理手段と、上記５変数を掘進率αと制
御量（水平）Δθhiと制御予測量（水平）θhi、掘進率
αと制御量（鉛直）Δθviと制御予測量（鉛直）θviの
２つの組合せとし、各々の値を入力変数とするファジィ
推論により修正すべき片押し度を左右、上下の各方向に
分けて算出する第５の処理手段と、得られた左右修正片
押し度および上下修正片押し度に相当するシールドジャ
ッキを選択し、現行パターンに追加もしくは現行パター
ンから削除するようにジャッキ操作手段に対して指令す
る第６の処理手段とを付加したことを特徴とする請求項
２または請求項３記載のシールド掘進機の姿勢制御装
置。