JP2834393B2 - Automatic detection of abnormal objects ahead in tunnel construction - Google Patents

Automatic detection of abnormal objects ahead in tunnel construction

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JP2834393B2
JP2834393B2 JP25738993A JP25738993A JP2834393B2 JP 2834393 B2 JP2834393 B2 JP 2834393B2 JP 25738993 A JP25738993 A JP 25738993A JP 25738993 A JP25738993 A JP 25738993A JP 2834393 B2 JP2834393 B2 JP 2834393B2
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  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル工法における
前方異常物体の自動検知方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for automatically detecting an abnormal front object in a tunnel construction method.

【0002】[0002]

【従来の技術】地下鉄工事、電力ケーブルなどの埋設工
事を行う際のトンネル工法においては、トンネル掘削機
により地下トンネルが掘削される。このとき、掘削機前
方に掘削不可能な寸法の岩石、地下構造物、地上建築物
の基礎杭、建築後に地中に残された鋼材、コンクリート
塊などが存在し、それに気づかずに掘削を続けると、掘
削機が破損するだけでなく、それらの除去や掘削機の修
理のために工期の大幅な遅れが生じる。
2. Description of the Related Art In a tunnel construction method for performing a subway work or a burial work such as a power cable, an underground tunnel is excavated by a tunnel excavator. At this time, there are rocks, underground structures, foundation piles of above-ground buildings, steel materials left behind in the ground after construction, concrete blocks, etc. in front of the excavator, and digging continues without noticing Not only does the excavator break, but there is a significant delay in construction due to their removal and repair of the excavator.

【0003】このため、従来、掘削機前方に埋設する異
常物体の位置を検知するために、例えば超音波センサが
使用されており、掘削機の前面に設けられた音波発振器
から超音波が発射され、そして異常物体で反射された反
射波を検出することにより、異常物体の検知が行われて
いた。
For this reason, conventionally, for example, an ultrasonic sensor has been used to detect the position of an abnormal object buried in front of the excavator, and an ultrasonic wave is emitted from a sonic oscillator provided on the front of the excavator. An abnormal object is detected by detecting a reflected wave reflected by the abnormal object.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常、地中
には、破砕が困難な除去すべき異常物体の他に、破砕可
能な大小の石が散在しており、上記の超音波センサによ
ると、このような、大小の石まで検知してしまうととも
に、従来におけるような反射波の受波時刻だけを包絡線
形状により検出する方式では、雑音のため誤差が大きく
なったり、または複数の異常物体がある場合には、1つ
の異常物体だけしか認識できなかったりして、実際に除
去すべき異常物体の位置を正確に検知することができな
いという問題があった。
By the way, in general, large and small crushable stones are scattered in the ground in addition to abnormal objects which are difficult to crush and need to be removed. However, in such a system that detects even large and small stones and detects only the reception time of the reflected wave by the envelope shape as in the related art, an error increases due to noise, or a plurality of abnormal objects are detected. In some cases, there is a problem that only one abnormal object can be recognized, and the position of the abnormal object to be actually removed cannot be accurately detected.

【0005】そこで、本発明は上記問題を解消し得るト
ンネル工法における前方異常物体の自動検知方法を提供
することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for automatically detecting an abnormal front object in a tunnel construction method capable of solving the above problem.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のトンネル工法における前方異常物体の自動
検知方法は、トンネルの掘削に際して、前方の地中内に
埋設されている除去すべき異常物体を、送波器から音波
を発射するとともにその反射波を受波器で受信すること
により自動的に検知する方法であって、まず予測し得る
異常物体の受波信号波形を、上記送波器および受波器に
おける減衰係数および固有角周波数のパラメータを有す
る二次減衰振動系モデルにてモデル化し、このモデル化
された予測受波信号波形と実際の受波信号波形とのパタ
ーン・マッチングを行い通常埋設物体と異常物体とを区
別する際に、各観測点で得られる受波信号波形を所定時
間毎に所定の時間ウインドウで切り取り、この切り取っ
た受波信号波形の時間波形ベクトルと予測受波信号波形
の時間波形ベクトル同士の角度が最小となるような最適
マッチング角度を求め、この最適マッチング角度が所定
のしきい値より小さくなった時の受波信号波形を異常物
体からのものと判断し、かつ上記最適マッチング角度を
得る際に、最適マッチング角度がさらに最小となるよう
に、減衰係数および固有角周波数の値を調整する方法で
ある。
In order to solve the above problems, the present invention provides a method for automatically detecting an abnormal front object in a tunnel construction method. The object is sent from the transmitter
And the reflected wave is received by the receiver.
Is a method of automatic detection by
The received signal waveform of the abnormal object is sent to the transmitter and receiver.
With parameters of attenuation coefficient and natural angular frequency
Model with a secondary damping vibration system model
Between the predicted received signal waveform and the actual received signal waveform
And perform normal matching to distinguish normal buried objects from abnormal objects.
At the time of separation, the received signal waveform obtained at each observation point
Cut out a predetermined time window every time, and cut out
Time vector of received signal waveform and predicted received signal waveform
Optimal to minimize the angle between time waveform vectors
Find the matching angle and determine the optimal matching angle
The received signal waveform when it becomes smaller than the threshold of
Judging from the body, and the above optimal matching angle
So that the optimal matching angle is further minimized when obtaining
Another method is to adjust the values of the attenuation coefficient and the natural angular frequency .

【0007】[0007]

【作用】上記の構成によると、実際の受波信号波形を、
モデル化された異常物体の予測受波信号波形とパターン
・マッチングすることにより、異常物体を判断するた
め、異常物体であることを確実に検知することができ
る。
According to the above configuration, the actual received signal waveform is
By performing pattern matching with the modeled predicted received signal waveform of the abnormal object, the abnormal object is determined, so that the abnormal object can be reliably detected.

【0008】[0008]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図1〜図11に基
づき説明する。本発明の要旨は、トンネル掘削機により
トンネルを掘削するに際して、前方地中内に埋設されて
いる除去すべき異常物体(例えば、掘削不可能または掘
削が困難なな岩石、地下構造物、地上建築物の基礎杭、
建築後に地中に残された鋼材、コンクリート塊など)
を、超音波を使用して、地中に散在する破砕可能な石な
どの通常埋設物体と自動的に区別する方法である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. The gist of the present invention is that when excavating a tunnel with a tunnel excavator, an abnormal object to be removed buried underground in the front (for example, a rock that is not excavable or difficult to excavate, an underground structure, an underground structure, Foundation pile of objects,
Steel and concrete blocks left underground after construction)
Is a method that uses ultrasonic waves to automatically distinguish from buried stones and other commonly buried objects scattered underground.

【0009】通常、観測点(xj ,yj ,zj )と異常
物体までの距離sj を知るには、異常物体に当たり反射
してきた波が、観測点にある受波器に受波される時刻、
つまり受波時刻を知ればよい。このとき、送波時刻と受
波時刻の時間差の半分(1/2)に、土中の音速を乗じ
れば異常物体までの距離が算出される。なお、このとき
の異常物体までの距離の算出に当たり、最小二乗法が用
いられる。
Normally, in order to know the distance s j between the observation point (x j , y j , z j ) and the abnormal object, the wave reflected from the abnormal object is received by the receiver at the observation point. Time,
That is, it is only necessary to know the reception time. At this time, the distance to the abnormal object is calculated by multiplying half (1/2) of the time difference between the transmission time and the reception time by the sound speed in the soil. In calculating the distance to the abnormal object at this time, the least squares method is used.

【0010】ここで、異常物体までの距離の算出の仕方
について説明する。まず、前方の異常物体までの距離に
ついて複数個のデータがあるときの、異常物体の位置を
求める場合について考える。
Here, a method of calculating the distance to the abnormal object will be described. First, consider the case of finding the position of an abnormal object when there are a plurality of data items for the distance to the abnormal object in front.

【0011】すなわち、トンネル掘削機前面のカッター
面に、1個の送波器といくつかの受波器を取り付け、さ
らに適当な距離(1m程度)を掘削して進む毎に何回か
観測を行う場合を考える。このとき、観測数だけ前方の
異常物体に関して、距離データが得られる。具体的な距
離に関しては、送波してから、異常物体からの反射波を
受波するまでの時間の半分(1/2)に土中の音速を乗
じることにより求められる。
That is, one transmitter and several receivers are mounted on the cutter surface in front of the tunnel excavator, and observation is performed several times each time the vehicle excavates an appropriate distance (about 1 m). Think about doing it. At this time, distance data is obtained for an abnormal object ahead by the number of observations. The specific distance can be obtained by multiplying a half (1/2) of the time from the transmission of the wave to the reception of the reflected wave from the abnormal object by the speed of sound in the soil.

【0012】いま、掘削機の進行方向をx軸、これに垂
直なカッター面の方向をy軸およびz軸とし、原点をx
軸上の適当な点におく。このとき、異常物体からの反射
波がM個の地点(以後、観測点と呼ぶ)(xj ,yj
j )(1≦j≦M)で受信され、上述した方法で異常
物体までの距離sj (1≦j≦M)が求められたとす
る。
Now, the traveling direction of the excavator is x-axis, the directions of the cutter surface perpendicular to the x-axis are y-axis and z-axis, and the origin is x-axis.
Place at an appropriate point on the axis. At this time, points reflected by the abnormal object at M points (hereinafter referred to as observation points) (x j , y j ,
z j ) (1 ≦ j ≦ M), and the distance s j (1 ≦ j ≦ M) to the abnormal object is determined by the above-described method.

【0013】このとき、異常物体の位置を(x,y,
z)と表せば、次式が成り立つ。
At this time, the position of the abnormal object is set to (x, y,
z), the following equation holds.

【0014】[0014]

【数1】 (Equation 1)

【0015】ところで、sj (1≦j≦M)には測定誤
差が含まれているので、一般的には上式を満たす解
(x,y,z)は求まらない。したがって、上述したよ
うに、最小二乗法により算出することが合理的である。
By the way, since s j (1 ≦ j ≦ M) includes a measurement error, a solution (x, y, z) that satisfies the above equation cannot be generally obtained. Therefore, as described above, it is reasonable to calculate by the least squares method.

【0016】このためには、適当な最適化手法により、
下記(2) 式を(x,y,z)について最小化すればよ
い。
For this purpose, by using an appropriate optimization method,
The following equation (2) may be minimized for (x, y, z).

【0017】[0017]

【数2】 (Equation 2)

【0018】上記(1) 式の3個の方定式を用いて、
(x,y,z)の近似解を得、これを初期値に最適化手
法を用いると、最適解が容易に求まる。このようにし
て、異常物体までの距離が得られるが、このとき受波信
号中、いずれの箇所が異常物体からの反射波であるか、
正確に検出することが重要である。しかし、遠方の異常
物体を検出するためには、使用する音波の周波数を非常
に低く(例えば数kHz程度)する必要があることか
ら、他の異常物体からの反射波と重なり合うこと、およ
び散在する大小の石などによる散乱波の影響などによ
り、異常物体からの正確な受波時刻を検出することが困
難となる。
Using the three formulas of the above formula (1),
When an approximate solution of (x, y, z) is obtained, and the approximate solution is used as an initial value, the optimum solution can be easily obtained. In this way, the distance to the abnormal object is obtained, and at this time, in the received signal, which part is the reflected wave from the abnormal object,
It is important to detect accurately. However, in order to detect a distant abnormal object, the frequency of a sound wave to be used needs to be extremely low (for example, about several kHz), and therefore, it overlaps with a reflected wave from another abnormal object and is scattered. Due to the influence of scattered waves due to large and small stones and the like, it is difficult to accurately detect the reception time from an abnormal object.

【0019】そこで、本実施例においては、異常物体か
らの反射波のモデル化を考えることにより、外乱に影響
されにくい反射波の高精度な受波時刻の検出方法を提案
するものである。
In view of this, the present embodiment proposes a method for detecting the reception time of a reflected wave which is hardly affected by disturbance by considering modeling of a reflected wave from an abnormal object.

【0020】この反射波の予測モデル作成に当たって
は、まず送波器および受波器の特性を考慮する必要があ
る。つまり、送信器は電気信号を音圧信号に、受信器は
音圧信号を電気信号に変換する変換器(transducer)であ
り、共に超音波振動子を有している機構は殆ど同一であ
り、これら入出力関係はそれぞれ二次減衰振動系モデル
で表現することができる。
In creating a prediction model of the reflected wave, it is necessary to first consider the characteristics of the transmitter and the receiver. In other words, the transmitter is a transducer that converts an electric signal into a sound pressure signal, and the receiver is a transducer that converts a sound pressure signal into an electric signal, and the mechanism having both ultrasonic transducers is almost the same, These input / output relationships can be expressed by secondary damped vibration system models.

【0021】また、送波器より送られた音圧信号が地中
を伝播して受波器に戻ってくる迄に時間がかかるので、
上記2つの二次減衰振動系に、この伝播時間を考慮した
無駄時間要素も直列に入れる必要がある。
Also, since it takes time for the sound pressure signal sent from the transmitter to propagate through the ground and return to the receiver,
It is necessary to include a dead time element in consideration of the propagation time in series with the two secondary damping vibration systems.

【0022】すなわち、図1のブロック図に示すよう
に、直接観測できる送波器電気信号、受波器電気信号を
音波伝播系の入出力と見なせば、これら入出力間には、
下記のような伝達関数が介在すると考えることができ
る。なお、図1中、[G0 (s)]は音波と外乱との相
互作用を表す。
That is, as shown in the block diagram of FIG. 1, if the transmitter electrical signal and the receiver electrical signal that can be directly observed are regarded as the input and output of the sound wave propagation system, there is a
It can be considered that the following transfer function exists. In FIG. 1, [G 0 (s)] represents the interaction between a sound wave and a disturbance.

【0023】[0023]

【数3】 (Equation 3)

【0024】ここで、ζi j,ωi j((1≦i≦2)がそ
れぞれ二次減衰振動系の減衰係数、固有角振動数であ
る。これら減衰係数や固有角振動数は、音響振動子の形
状、材質およびこれにつながる電気回路の特性だけでな
く、振動子が接している土面の状況や質にも影響される
ことになり、これらは観測点毎に値の変わり得る未知パ
ラメータとみなす必要がある。
[0024] Here, it is ζ i j, ω i j ( (1 ≦ i ≦ 2) is the attenuation coefficient of each secondary damping vibration system, natural angular frequency. These damping factor and natural angular frequency is acoustically In addition to the shape and material of the vibrator and the characteristics of the electric circuit connected to it, it is affected by the condition and quality of the soil surface with which the vibrator is in contact. Must be considered as a parameter.

【0025】さらに、無駄時間要素の無駄時間Tj は、
異常物体からの反射波の受波時刻であり、これら未知パ
ラメータは一括して、以下に述べる二つの波形ベクトル
のマッチングをみることにより、各観測点毎に求められ
るものである。なお、(5) 式のゲインKj は波形のマッ
チングにおいては意味を持たないので、考慮しない。ま
た、本モデル化においては、検知システムのオンライン
化をも考慮するため、地中での波形歪は無視して取り扱
うようにしている。
Further, the dead time T j of the dead time element is:
This is the reception time of the reflected wave from the abnormal object, and these unknown parameters are collectively obtained for each observation point by checking the matching of two waveform vectors described below. The gain K j in equation (5) has no meaning in waveform matching, and is not considered. Also, in this modeling, in order to consider the on-line of the detection system, the underground waveform distortion is ignored and handled.

【0026】よって、送波器に入力する電気信号をu
(t) とすると、受波器に出力される電気信号は次式で求
められる。
Therefore, the electric signal input to the transmitter is u
Assuming (t), the electric signal output to the receiver is obtained by the following equation.

【0027】[0027]

【数4】 (Equation 4)

【0028】ここで、L-1はラプラス逆変換を、またU
(s) はu(t) のラプラス変換を表す。本実施例では、送
波電気信号として、
Where L -1 is the inverse Laplace transform and U
(s) represents the Laplace transform of u (t). In this embodiment, as the transmitted electric signal,

【0029】[0029]

【数5】 (Equation 5)

【0030】を考える。ここで、pは波数で、本実施例
では2≦p≦5の範囲とする。(6) 式により、受波器で
得られる異常物体からの反射波がモデル化されたので、
次に各観測点でモデル波形と受波器に実際に受波される
受波信号(電気信号)波形とのマッチング度を調べるこ
とが必要になる。
Consider: Here, p is a wave number, and in this embodiment, it is in a range of 2 ≦ p ≦ 5. (6), the reflected wave from the abnormal object obtained by the receiver was modeled.
Next, it is necessary to examine the degree of matching between the model waveform and the received signal (electric signal) waveform actually received by the receiver at each observation point.

【0031】これを行うには、各観測点で得られる受波
信号(電気信号)を、開始時刻をT j =kΔTとするウ
インドウ[kΔT,(k+N−1)ΔT]で切り取り、
これと(6) 式で与えられる(同一ウインドウ内での)予
測受波信号波形とのパターンマッチング度を、受波時刻
j =kΔTをパラメータとして変えつつ評価すればよ
い。
In order to do this, the received wave obtained at each observation point is
Signal (electric signal), start time T j = KΔT
Cut at Indian [kΔT, (k + N-1) ΔT]
This and the prediction (in the same window) given by Eq. (6)
The degree of pattern matching with the measured signal waveform
Tj = Evaluate while changing kΔT as a parameter
No.

【0032】ここで、ΔTはデータを収録するときのサ
ンプリングタイムである。ところで、減衰係数、固有角
振動数ζi j,ωi j(1≦i≦2)は未知なので、各Tj
に対しパターン・マッチングが最適に行われるよう、こ
れらのパラメータを最適調整する必要がある。
Here, ΔT is a sampling time when data is recorded. Incidentally, the attenuation coefficient, natural angular frequency ζ i j, ω i j ( 1 ≦ i ≦ 2) Since it is unknown, each T j
It is necessary to optimally adjust these parameters so that pattern matching is optimally performed.

【0033】このパターン・マッチング度については、
幾何学的に理解しやすい二つの波形ベクトル間の角度を
採用することができ、この角度を最小化するには、計算
時間を節約するためPowell法を用いる。
As for the degree of pattern matching,
An angle between two waveform vectors that are easy to understand geometrically can be adopted. To minimize this angle, the Powell method is used to save computation time.

【0034】この二つの波形ベクトル間の角度である
が、まず当該受波器から得られる実際
The angle between these two waveform vectors is firstly the actual angle obtained from the receiver.

【0035】[0035]

【外1】 [Outside 1]

【0036】(k+N−1)ΔT]で切り取ったものを
次のような数ベクトルで表示する。
[K + N-1] ΔT] is displayed by the following number vector.

【0037】[0037]

【数6】 (Equation 6)

【0038】これはN次元ベクトルであり、時刻kΔT
から(k+N−1)ΔTまでの実際の受波信号波形に対
応する。勿論、ウインドウ幅としては、異常物体からの
反射波波形の全容が把握できる程度の幅を考える。
This is an N-dimensional vector, and the time kΔT
To (k + N-1) ΔT. Of course, the width of the window is considered to be such that the entire waveform of the reflected wave from the abnormal object can be grasped.

【0039】次に、(6) 式のモデルに基づいて計算され
る波形に対しても、同一ウインドウ幅の波形ベクトル
Next, the waveform vector having the same window width is calculated for the waveform calculated based on the model of the equation (6).

【0040】[0040]

【数7】 (Equation 7)

【0041】を考える。このとき(8) および(9) 式で定
義される二つの時間波形ベクトルの角度は次式で与えら
れる。
Consider: At this time, the angles of the two time waveform vectors defined by the equations (8) and (9) are given by the following equations.

【0042】[0042]

【数8】 (Equation 8)

【0043】よって、各Tj =kΔTに対し、(9) 式を
最大化するようPowell法により、パラメータωi j,ζi j
(1≦i≦2)を調整すれば、各Tj における最適マッ
チング角度θj # ,kが得られる。
Thus, for each T j = kΔT, the parameters ω i j , ζ i j are determined by the Powell method so as to maximize equation (9).
By adjusting (1 ≦ i ≦ 2), the optimum matching angle θ j # , k at each T j can be obtained.

【0044】そして、異常物体からの反射波であるか否
かの判定には、この最適マッチング角度をある適当に定
められたしきい値ρと比較し、θj # ,k≦ρが満足される
か否かを考えればよい。
In order to determine whether or not the reflected wave is from an abnormal object, the optimum matching angle is compared with an appropriately determined threshold value ρ, and θ j # , k ≦ ρ is satisfied. It is only necessary to consider whether or not.

【0045】この条件を満たすkをk# とすれば、k#
ΔTが異常物体からの反射波の受波時刻であると判定で
きる。したがって、この操作を、各観測点で得られる受
波信号波形に対して行えば、各観測点から異常物体まで
の音波の往復時間が求まる。そして、この往復時間の半
分(1/2)の時間に音速を乗じることにより、各観測
点から異常物体までの距離が得られる。
Assuming that k satisfying this condition is k # , k #
It can be determined that ΔT is the reception time of the reflected wave from the abnormal object. Therefore, if this operation is performed on the received signal waveform obtained at each observation point, the round trip time of the sound wave from each observation point to the abnormal object can be obtained. Then, the distance from each observation point to the abnormal object can be obtained by multiplying a half (1/2) of the round trip time by the speed of sound.

【0046】このように、予測し得る異常物体の受波信
号波形をモデル化するとともに、このモデル化された予
測受波信号波形と、実際に埋設されている異常物体から
の受波信号波形とのパターン・マッチングを行うように
なし、しかもこのパターン・マッチングはPowell法の最
適マツチング角度に基づいて行うようにしたので、石な
どの通常埋設物体と異常物体とを、簡単にかつ確実に区
別することができる。
As described above, the received signal waveform of the abnormal object which can be predicted is modeled, and the modeled predicted received signal waveform and the received signal waveform from the actually embedded abnormal object are compared with each other. Pattern matching, and because this pattern matching is performed based on the optimal matching angle of the Powell method, it is possible to easily and reliably distinguish normal buried objects such as stones from abnormal objects. be able to.

【0047】上記の説明では、一つの異常物体からの反
射波のモデル化を行ったが、複数個の異常物体からの反
射波のモデル化も重要である。また、掘削機に近い異常
物体をまず検出することが重要であり、遠距離にある異
常物体については、近距離の異常物体が検出された後で
検出すればよい。
In the above description, modeling of reflected waves from one abnormal object has been performed, but modeling of reflected waves from a plurality of abnormal objects is also important. It is important to detect an abnormal object near the excavator first, and it is sufficient to detect an abnormal object at a long distance after an abnormal object at a short distance is detected.

【0048】次に、二つの異常物体がある場合について
説明する。このような場合のモデル化が行われていれ
ば、掘削機に極めて近い異常物体(勿論、一個と仮定し
てもよい)の検出が可能となる。
Next, the case where there are two abnormal objects will be described. If modeling in such a case is performed, it becomes possible to detect an abnormal object very close to the excavator (of course, it may be assumed to be one).

【0049】これは、カッタ面に取り付けられている送
波器より、掘削機の胴体部分の共振またはカッタ面直前
の土中を迂回して、受波器に直接送波信号が伝播してく
るためである。
[0049] This is because the transmission signal is directly transmitted to the receiver by bypassing the resonance of the body portion of the excavator or the soil immediately before the cutter surface from the transmitter mounted on the cutter surface. That's why.

【0050】この二つの異常物体からの反射波(6) 式
を、下記(11)および(12)式に示す二つのウインドウ
The equations (6) reflected from the two abnormal objects are expressed by two windows shown in the following equations (11) and (12).

【0051】[0051]

【数9】 (Equation 9)

【0052】に対して求め、これらを足し合わせた合成
ウインドウWj =Wj 1∪Wj 2上での予測波形と、同一ウ
インドウWj 上での実波形とのパターン・マッチングを
評価する。勿論、各ウインドウ上で予測波形を作成する
ときのパラメータはそれぞれ未知であるため、上述した
ように、合成予測波形ベクトルと実波形ベクトル間の角
度が最小になるように、各Tj 1,Tj 2に対して未知パラ
メータが求められる。
Then, the pattern matching between the predicted waveform on the synthetic window W j = W j 1 ∪W j 2 obtained by adding these and the actual waveform on the same window W j is evaluated. Needless to say, parameters for creating a predicted waveform on each window are unknown, and therefore, as described above, each T j 1 , T j , T j is set so that the angle between the synthesized predicted waveform vector and the actual waveform vector is minimized. unknown parameter is determined for j 2.

【0053】こうして求まった最適マッチング角度が適
当なしきい値を超したときに、当該Tj 1,Tj 2で二つの
受波信号を得たと判定する。ここで、本実施例で説明し
たモデル波形により、実際の異常物体からの反射波がど
の程度良好にパターン・マッチングできるか、媒質が地
中に比べ均一である無響水槽にて実験を行った結果につ
いて述べる。なお。実験に用いた水槽は、図2に示すよ
うに、縦、横、深さが4m、5m、4mの無響水槽であ
る。
[0053] Thus when Motoma' optimum matching angle has exceeded the appropriate threshold, and determines in the T j 1, T j 2 and give the two received signals. Here, an experiment was conducted in an anechoic tank in which the medium was more uniform than underground to see how well the reflected wave from the actual abnormal object could be subjected to pattern matching using the model waveform described in this embodiment. The results will be described. In addition. The aquarium used in the experiment is an anechoic aquarium having a length, width and depth of 4 m, 5 m and 4 m as shown in FIG.

【0054】図2に示すように、この水槽1の一方の端
に、送波器(送波用音響センサ)2および受波器(受波
用音響センサ)3を1個ずつ、他方の端に、送受波器
2,3から3m離して、異常物体として厚さが9mm、
縦、横が2mの鋼板4を配置した。
As shown in FIG. 2, one end of the water tank 1 is provided with a transmitter (acoustic sensor for transmitting wave) 2 and a receiver (acoustic sensor for receiving wave) 3 one by one, and the other end. At a distance of 3 m from the transducers 2 and 3, the thickness is 9 mm as an abnormal object.
A steel plate 4 having a length and a width of 2 m was arranged.

【0055】そして、送波信号と受波信号が重なり合わ
ないように、送波器2に入力する電気信号の周波数は6
kHzとした。勿論、送波信号は正弦波であり、波数p
は1から5まで変化させた。受波データの収録に際して
は、サンプリング周波数を100kHz、つまりサンプ
リング・タイムをΔT=10μsとした。なお、参考の
ために、波数pが3の場合の受波信号(電気信号)波形
を図3に示す。
The frequency of the electric signal input to the transmitter 2 is 6 so that the transmission signal and the reception signal do not overlap.
kHz. Of course, the transmitted signal is a sine wave, and the wave number p
Was changed from 1 to 5. When recording the received data, the sampling frequency was 100 kHz, that is, the sampling time was ΔT = 10 μs. FIG. 3 shows a received signal (electric signal) waveform when the wave number p is 3 for reference.

【0056】上述した伝播モデルおよび異常物体の位置
検出方法の有効性を確認するために、各波数の場合に対
し、それぞれウインドウをずらし実際の時系列データと
モデルによる予測時系列データとのパターン・マッチン
グを考えてみる。但し、ウインドウ幅Nとして、送波信
号の波数1から5までに応じ、それぞれ120,15
0,180,180,180を採用した。
In order to confirm the effectiveness of the above-described propagation model and the method of detecting the position of an abnormal object, the window is shifted for each wave number, and the pattern of actual time-series data and the time-series data predicted by the model are compared. Consider matching. However, the window width N is 120, 15 according to the wave number of the transmitted signal from 1 to 5, respectively.
0, 180, 180, 180 were employed.

【0057】各々の波数の場合に対し、それぞれウイン
ドウをシフトしたときの最小の最適マッチング角θ1 #
,k# およびそのときの受波時刻T1 #=k# ΔT、さら
に、20℃における水中での標準音速1480m/sを
用いて計算した異常物体までの距離を[表1]に示す。
但し、送波時刻を0とした。
For each wave number, the minimum optimum matching angle θ 1 # when the window is shifted.
, k # and the reception time T 1 # = k # ΔT at that time, and the distance to the abnormal object calculated using the standard sound velocity in water at 20 ° C. of 1480 m / s is shown in [Table 1].
However, the transmission time was set to 0.

【0058】[0058]

【表1】 [Table 1]

【0059】[表1]より、波数が特に3以上の場合に
対してはマッチングが良くとれていることがわかる。ま
た、いずれの波数の場合にも、異常物体である鋼板4ま
での距離はほぼ3mとなり、鋼板4までの距離が非常に
正確に求められていることが分かる。
From Table 1, it can be seen that good matching is obtained particularly when the wave number is 3 or more. In addition, in each case of the wave numbers, the distance to the steel plate 4, which is an abnormal object, was approximately 3 m, and it can be seen that the distance to the steel plate 4 was found very accurately.

【0060】参考のために、図4および図5に、波数が
3の場合の最適マッチング角θ1 # ,kの推移および最小の
最適マッチング角を与える時刻k# ΔTでの推定パラメ
ータ(ω1 1=32.9,ζ1 1=7.26×10-2,ω2 1
=43.8,ζ2 1=1.22×10-1)に基づく受波電
気信号の予測波形を示す。上記角周波数ω1 1,ω2 1に対
応する周波数はそれぞれ5.24kHz,6.97kH
zであり、(水中で周波数特性を求めたときの)送波
器、受波器の共振周波数5.5〜5.7kHzに非常に
近く、上述した物理的考察の妥当性を裏付けるととも
に、図3および図5より、予測受波波形は実際の受波波
形(図3の4〜6msの範囲の波形)を正確に表現でき
ている様子がわかる。
For reference, FIGS. 4 and 5 show the transition of the optimum matching angle θ 1 # , k when the wave number is 3 and the estimation parameter (ω 1) at the time k # ΔT that gives the minimum optimum matching angle. 1 = 32.9, ζ 1 1 = 7.26 × 10 -2, ω 2 1
= 43.8, shows the predicted waveform of zeta 2 1 = 1.22 × reception electric signals based on the 10 -1). The angular frequency omega 1 1, a frequency corresponding to omega 2 1 Each 5.24kHz, 6.97kH
z, which is very close to the resonance frequency of the transmitter and receiver (when frequency characteristics are obtained in water) of 5.5 to 5.7 kHz, supporting the validity of the above physical considerations and 3 and FIG. 5 show that the predicted received waveform can accurately represent the actual received waveform (the waveform in the range of 4 to 6 ms in FIG. 3).

【0061】しかし図3では、異常物体からの反射波ら
しきものが0.4ms前後にも受波されていることがわ
かる。これは、後述するトンネル工事現場での受波信号
にも見られるように、送波器から媒質を通して受波器に
直接伝播してきたものに起因するものであり、異常物体
の検知時には予め反射波受波時刻の候補から除外でき
る。実際、本実験の場合の送波器と受波器の間の距離
(振動子の中心間距離)は0.6mで、0.4msは伝
播時間として妥当なものである。この直接伝播波にも当
然提案されたモデルは有効であり、実際、図4を見る
と、4.12ms以外に0.40ms付近でも、一箇所
だけ最適マッチング角が特に小さくなっている。さら
に、これらの極値付近ではマッチング角度が急峻に変化
しており、異常物体からの反射波受波時刻が高感度に、
しかも正確に検出されることがわかる。なお、図4の描
き方であるが、受波信号、予測信号波形とも紡錘形の正
弦波状関数なので、予測信号波形のウインドウをシフト
すると、半周期毎にマッチングが良好になり、またその
途中ではマッチングが悪化する。これを詳細に描くと見
にくくなるとともに、重要なことは小さい最適マッチン
グ角を見い出すことであるから、図4では最適マッチン
グ角が小さくなる箇所を滑らかに結んで描いている。こ
れは後述の土中実験での図9および図11の描き方でも
同様であるが、特に図11では、極値が1個しか現れな
いため最適マッチング角度が最小になる時刻付近の形状
を正確に描いている。これらの図から、最小値を与える
時刻が高感度に求まることが改めて理解できる。なお、
これに関連し、Powell法によりマッチング角度の最小化
を図る際の未知パラメータωi j,ζi j(1<i<2)の
最適値近傍での振る舞いであるが、データ分析によると
最小化すべき評価関数はパラメータについて凸関数的で
あり、最小値が容易に求まり、他の極小値に収束し受波
時刻の誤差になることが無いことが判明した。
However, in FIG. 3, it can be seen that the reflected wave from the abnormal object is received in about 0.4 ms. This is due to the direct propagation from the transmitter to the receiver through the medium, as seen in the received signal at the tunnel construction site described later. It can be excluded from reception time candidates. In fact, in this experiment, the distance between the transmitter and the receiver (distance between the centers of the transducers) is 0.6 m, and 0.4 ms is appropriate as the propagation time. Naturally, the model proposed for this directly propagating wave is also effective. In fact, as shown in FIG. 4, the optimum matching angle is particularly small only at one point in the vicinity of 0.40 ms in addition to 4.12 ms. Furthermore, near these extreme values, the matching angle changes sharply, and the time of reception of the reflected wave from the abnormal object becomes highly sensitive.
Moreover, it can be seen that it is detected accurately. As shown in FIG. 4, the received signal and the predicted signal waveform are both spindle-shaped sinusoidal functions. Therefore, if the window of the predicted signal waveform is shifted, the matching becomes good every half cycle, and the matching is performed in the middle. Worsens. Drawing this in detail makes it difficult to see, and it is important to find a small optimum matching angle. Therefore, in FIG. 4, portions where the optimum matching angle is small are smoothly connected. This is the same in the drawing of FIG. 9 and FIG. 11 in the below-mentioned soil experiment, but in FIG. 11 in particular, since only one extremum appears, the shape near the time when the optimal matching angle becomes the minimum is accurately determined. It is drawn in. From these figures, it can be understood once again that the time at which the minimum value is given is determined with high sensitivity. In addition,
In this connection, unknown parameters omega i j when work to minimize the matching angle by Powell method, a behavior at the optimal value near the ζ i j (1 <i < 2), to minimize According to data analysis It has been found that the power evaluation function is a convex function with respect to the parameters, the minimum value can be easily obtained, and it does not converge to another minimum value to cause an error in the reception time.

【0062】次に、実際にトンネル工事現場で採取した
地中(土中)のデータを用いて、上述した伝播モデルの
有効性を調べた。図6にこのときの地中データの採取状
況を、また図7に掘削機11のカッター面12での送波
器13、受波器14の配置状態を示す。なお、工事現場
の土質は洪積世の砂質土である。
Next, the effectiveness of the above-described propagation model was examined using underground (soil) data actually collected at the tunnel construction site. FIG. 6 shows the state of underground data collection at this time, and FIG. 7 shows the arrangement of the transmitter 13 and the receiver 14 on the cutter surface 12 of the excavator 11. The soil at the construction site is sandy soil from the Diluvial World.

【0063】データ採取に際しては、送波器13に入力
する電気信号の周波数は、比較的遠方までの異常物体が
検知できるように、2.4kHzを選び、また波数pは
5とした。異常物体としては、掘削機の最初の位置から
12.3m前方に垂直なコンクリート壁15を設け、
9.3mまで、1m掘り進む毎に3個の受波器14によ
り受波データを得た。このときのサンプリング周波数は
25kHz、つまりサンプリング周期はΔT=40μs
とした。さらに、マッチング度を調べるときのウインド
ウ幅Nは、水槽のときとほぼ同様な時間幅に相当するN
=300を採用した。そのときの、NO.1受波器14A,
NO.3受波器14C(それぞれS1 ,S3 と記す)による
最小の最適マッチング角θj # ,k# およびそれを与える時
刻k# ΔT、並びに水中での標準音速1480m/sを
用いたときの各受波器14からの異常物体であるコンク
リート壁15までの距離を[表2]に示す。但し、掘削
機11のカッター面12に取り付けた3個の受波器14
A,14B,14Cの中、NO.2受波器14Bは送波器1
3の近くに配置したため、その影響が現れないよう他の
二つの受波器14A,14Cに比べ増幅器のゲインを小
さくした。そのため、NO.2受波器14Bで得られたデー
タは使用しなかった。
At the time of data collection, the frequency of the electric signal input to the transmitter 13 was selected to be 2.4 kHz and the wave number p was set to 5 so that an abnormal object at a relatively long distance could be detected. As an abnormal object, a vertical concrete wall 15 is provided 12.3 m in front of the excavator's initial position,
Receiving data was obtained by three receivers 14 every time one meter was excavated up to 9.3 m. The sampling frequency at this time is 25 kHz, that is, the sampling cycle is ΔT = 40 μs
And Further, the window width N when checking the matching degree is N which corresponds to a time width substantially similar to that of the water tank.
= 300 was adopted. At that time, the NO.1 receiver 14A,
The minimum optimum matching angles θ j # , k # by the NO. 3 receiver 14C (denoted as S 1 and S 3 ) and the time k # ΔT at which they are given, and the standard sound velocity of 1480 m / s in water were used. The distance from each receiver 14 to the concrete wall 15, which is an abnormal object, at this time is shown in [Table 2]. However, three receivers 14 attached to the cutter surface 12 of the excavator 11
A, 14B and 14C, the No. 2 receiver 14B is the transmitter 1
3, the gain of the amplifier was made smaller than that of the other two receivers 14A and 14C so that the influence would not appear. Therefore, the data obtained by the NO.2 receiver 14B was not used.

【0064】[0064]

【表2】 [Table 2]

【0065】[表2]に示すように、最小の最適マッチ
ング角度は無響水槽中での実験と比較して、若干大き目
の値となっている。これは、実際の地中では、水中とは
異なり、媒質が一般に不均一であるからである。音速を
水中の標準音速として算出したコンクリート壁15まで
の距離をみると、掘削後の空洞におけるレーザ測距など
により求められた距離と同程度の値を示していることが
分かった。
As shown in [Table 2], the minimum optimum matching angle is slightly larger than the experiment in the anechoic tank. This is because, in actual earth, unlike underwater, the medium is generally non-uniform. Looking at the distance to the concrete wall 15 where the sound speed was calculated as the standard sound speed in water, it was found that the distance was approximately the same as the distance obtained by laser ranging in the cavity after excavation.

【0066】参考のため、図8に、掘削機11からコン
クリート壁15までの距離が10.3mのときのNO.1受
波器14Aで得られた受波信号波形(電気信号波形)
を、また図9に、ウインドウ[kΔT,(k+N−1)
ΔT]内の受波波形とモデル波形とに対して求めた最適
マッチング角度θj # ,kの時間変化を予想受波時刻t=k
ΔTに対して描いたグラフを示す。
For reference, FIG. 8 shows a received signal waveform (electric signal waveform) obtained by the No. 1 receiver 14A when the distance from the excavator 11 to the concrete wall 15 is 10.3 m.
FIG. 9 shows a window [kΔT, (k + N−1)].
ΔT] is a time change of the optimum matching angle θ j # , k obtained for the received waveform and the model waveform within the estimated received time t = k
4 shows a graph drawn against ΔT.

【0067】水槽実験のときと同様、異常物体の反射波
の受波を示す時刻(13.36ms)以前にも、最適マ
ッチング角度が小さくなっている箇所(4.40ms)
がみられる。これは、実験により、受波器および測定地
点によらず、常に同様な時間帯に現れることから、カッ
ター面後方の泥水チャンバー内での多重反射などに起因
するものと考えられる。
As in the water tank experiment, a point (4.40 ms) where the optimum matching angle is reduced before the time (13.36 ms) indicating the reception of the reflected wave of the abnormal object.
Is seen. This is considered to be caused by multiple reflections in the muddy water chamber behind the cutter surface, because the error always appears in the same time zone regardless of the receiver and the measurement point.

【0068】したがって、実際の異常物体の検知に当た
っては、4ms前後に受波された受波信号は除去できる
ことになる。[表2]に示した結果は、この紡錘形の伝
播信号を除いた受波信号に基づく結果である。なお、図
8には、送波直後と26ms付近の2箇所にも小さな反
射波らしき信号が現れているが、前者はカッター面を直
線伝播して来たもの、後者はカッター面と異常物体との
間を2往復して受波された反射波信号だと考えられる。
これらはいずれも除去可能なものである。ただ図9で
は、前者の場合はマッチング角は小となっていないが、
これは小さな伝播信号が4.40msに始まる上述の大
きな伝播波信号に埋もれ、単一ウインドウだけでは効果
的なマッチングがとれないからである。ところが後者に
対しては、マッチング角は小さくなっており、しかもそ
の受波時刻(約26ms)が最初の反射波受波時刻1
3.36msのほぼ2倍になっている。更に受波信号も
小さく、反射と土中伝播を2回繰り返すという上述の考
えを裏付けるものとなっている。
Therefore, when actually detecting an abnormal object, it is possible to remove the received signal received around 4 ms. The results shown in Table 2 are based on the received signals excluding the spindle-shaped propagation signals. In FIG. 8, small reflected wave-like signals appear at two places immediately after the transmission and at about 26 ms. The former is a signal that has propagated linearly on the cutter surface, and the latter is a signal having a cutter surface and an abnormal object. It is considered that the signal is a reflected wave signal that has been received by making two round trips between.
These are all removable. However, in FIG. 9, the matching angle is not small in the former case,
This is because the small propagating signal is buried in the above-mentioned large propagating wave signal starting at 4.40 ms, and effective matching cannot be obtained only with a single window. However, for the latter, the matching angle is smaller, and the reception time (about 26 ms) is the first reflected wave reception time 1
It is almost twice as long as 3.36 ms. Furthermore, the received signal is small, which supports the above-mentioned idea of repeating reflection and propagation through the ground twice.

【0069】また、本実験によれば、異常物体からの反
射波と判定するための最適マッチング角度のしきい値
は、15〜17(度)程度にとればよいこともわかっ
た。つまり、(10)式で定義される角度でマッチングの程
度を考える場合、このレベルの値が異常物体の検知に意
味があることがわかる。勿論、θj,k の代わりにcos
θ j,k なる量(相関係数)を考えることもできるが、こ
のときも、θとcosθとの関数関係から値の増減傾向
は異なるけれども、15〜17(度)の余弦値に相当す
る値がしきい値として意味を持つことがわかる。なお上
記の余弦値を採用すると、マッチングの程度を表す評価
関数は、極値の付近は滑らかさが増すが、その他の箇所
では逆に傾斜が増すことになる。したがって、極値付近
がより鮮明となる利点はあるが、極値付近の値の増減傾
向が弱まり、人間が見た目には極値探索が困難となるよ
うに思われる。しかしながら、これまで述べてきたよう
に、意味のある極値付近には別の極値は存在せず、計算
機による最適化には全く問題がないと思われる。
Also, according to the present experiment, the
Optimal matching angle threshold for judging a launch wave
Is about 15 to 17 degrees.
Was. In other words, the degree of matching at the angle defined by equation (10)
When considering the degree, the value of this level is significant for detecting abnormal objects.
You can see the taste. Of course, θj, k Instead of cos
θ j, k It is possible to consider a certain amount (correlation coefficient).
Also, the value tends to increase or decrease from the functional relationship between θ and cos θ.
Are different but correspond to cosine values of 15 to 17 (degrees)
It can be seen that the value that has a significance as a threshold value. Above
Using the cosine value described above, an evaluation that indicates the degree of matching
The function is smoother near the extremes, but elsewhere
Then, on the contrary, the inclination increases. Therefore, near the extremum
Has the advantage that it becomes sharper,
The direction is weakened, making it difficult for humans to search for extreme values
Seems like. However, as we have mentioned
In the meantime, there is no other extremum near the meaningful extremum,
There seems to be no problem with machine optimization.

【0070】次に、掘削機が異常物体から12.3mか
ら9.3mまでの4箇所でのNO.1およびNO.3受波器14
A,14Cによる計8個の実測データを用いて、異常物
体を点(x,y,z)とみなし、最小二乗法により異常
物体の位置および音速を求めてみると、最初の掘削機位
置を原点にとれば、異常物体の位置は(x,y,z)=
(12.13 ,-0.218,-0.004)、音速は1510.8m/
sであった。
Next, the excavator is operated to receive the NO. 1 and NO. 3 receivers 14 from 12.3 m to 9.3 m from the abnormal object.
Using the total of eight measured data by A and 14C, the abnormal object is regarded as a point (x, y, z), and the position of the abnormal object and the sound velocity are obtained by the least square method. Taking the origin, the position of the abnormal object is (x, y, z) =
(12.13, -0.218, -0.004), sound velocity is 1510.8m /
s.

【0071】これより、異常物体は掘削機の進行方向
に、最初の位置から12.13mの距離にあることにな
り、レーザ測距による実測値12.3mに非常に近いこ
とが分かる。また、工事現場での地中の音速は、標準の
水中音速1480m/sより若干速いことも分かった。
このように、標準水中音速1480m/sを用いても差
し支えないが、最小二乗法により音速も変数として取り
扱えば、土質に関して余り情報が得られていない場合で
も、信頼度の高い異常物体の位置決定が可能である。
From this, it can be seen that the abnormal object is located at a distance of 12.13 m from the initial position in the traveling direction of the excavator, and is very close to the actually measured value of 12.3 m by the laser ranging. It was also found that the sound speed underground at the construction site was slightly higher than the standard underwater sound speed of 1480 m / s.
As described above, the standard underwater sound speed of 1480 m / s may be used, but if the sound speed is also treated as a variable by the least square method, the position of an abnormal object with high reliability can be determined even when little information is obtained on soil properties. Is possible.

【0072】参考のため、水中での標準音速を用いれ
ば、異常物体までの距離は11.90mとなり、若干測
定精度が劣化することがわかる。なお、さらに2m堀り
進み、異常物体に幾分近くなった所のデータ、つまり異
常物体から10.3mおよび9.3mの箇所の観測デー
タ4個を用いて、上記の方法で地中の音速も含め異常物
体の位置を決定すると、異常物体から10.3m前方の
位置を原点として音速1504.3m/s、異常物体の
位置(x,y,z)=(10.23 ,-0.084,0.00)が求ま
った。
For reference, if the standard sound velocity in water is used, the distance to the abnormal object is 11.90 m, and it can be seen that the measurement accuracy is slightly deteriorated. The sound velocity in the ground was calculated using the data at a place slightly closer to the abnormal object, that is, four observation data points at 10.3 m and 9.3 m from the abnormal object. When the position of the abnormal object is determined, including the position 10.3 m ahead of the abnormal object, the sound velocity is 1504.3 m / s, and the position of the abnormal object (x, y, z) = (10.23, -0.084, 0.00) I was asked.

【0073】今度は、異常物体までの距離が幾分近くな
ったため、より信頼度の高い観測データが得られたもの
と思われ、異常物体の位置に関する測定誤差はわずか−
0.07(=10.23-10.3 )mとなった。また、土質の変
化に伴う若干の音速の変化も見られる。
In this case, since the distance to the abnormal object has become somewhat shorter, it is considered that more reliable observation data was obtained, and the measurement error related to the position of the abnormal object was only-
0.07 (= 10.23-10.3) m. In addition, a slight change in the speed of sound due to the change in soil quality is also observed.

【0074】なお、上記説明では述べなかったが、実際
の適用に当たってはウインドウをゼロ時刻から1サンプ
リングタイムずつシフトして最適マッチング角を求める
必要はなく、受波信号の包絡線形状を利用し、異常物体
からの反射波らしきものが現れる時刻前後から最適マッ
チング角の計算を始めるようにすればよい。この異常物
体からの反射波の包絡線は紡錘形をしているので、大ま
かな見当は容易である。したがって、Powell法の高速性
と併せて、この方式ではほとんど計算時間を必要とせ
ず、オンライン使用が可能となる。
Although not described in the above description, in actual application, it is not necessary to shift the window by one sampling time from the zero time to obtain the optimum matching angle, and use the envelope shape of the received signal. The calculation of the optimum matching angle may be started before or after the time when a thing like a reflected wave from the abnormal object appears. Since the envelope of the reflected wave from this abnormal object has a spindle shape, rough registration is easy. Therefore, in addition to the high speed of the Powell method, this method requires little calculation time and can be used online.

【0075】上記の説明では、異常物体からの反射波が
他の反射波や直接伝播波と分離される比較的取扱い易い
場合を扱ったが、次に、複数個の異常物体からの反射波
が重なり合う場合の有効性を調べるため、先の土中実験
で掘削機が異常物体に近く、異常物体からの反射波が送
波器からの直接伝播波と重なり合う場合を考えてみる。
In the above description, the case where the reflected wave from the abnormal object is relatively easy to handle, in which the reflected wave is separated from other reflected waves or directly propagated waves, is described next. To examine the effectiveness of the overlap, consider the case where the excavator is close to the abnormal object in the previous underground experiment, and the reflected wave from the abnormal object overlaps with the direct propagation wave from the transmitter.

【0076】直接伝播波も異常物体からの反射波と同様
な波形で表されることは、上述したとおりである。した
がって、この有効性が確認できれば、これまでの説明に
より、近距離異常物体の位置検知が可能になるだけでな
く、複数個の異常物体がある場合の異常物体検知も可能
となる。
As described above, the directly propagated wave is represented by a waveform similar to the reflected wave from the abnormal object. Therefore, if this effectiveness can be confirmed, not only the position detection of a short-range abnormal object can be performed, but also the abnormal object detection when there are a plurality of abnormal objects, as described above.

【0077】すなわち、異常物体からの距離が4.3m
のときのNO.1受波器14Aに現れる受波信号波形と、そ
のときの最適マッチング角の推移を図10および図11
に示す。勿論、このときの反射波受波波形モデルは(6)
式の形の二つの波形(ウインドウを変えた)の一次結合
である。
That is, the distance from the abnormal object is 4.3 m
FIG. 10 and FIG. 11 show the transition of the received signal waveform appearing at the No. 1 receiver 14A at that time and the optimum matching angle at that time.
Shown in Of course, the reflected wave reception waveform model at this time is (6)
It is a linear combination of two waveforms (with different windows) in the form of an equation.

【0078】図10より、単なる包絡線形状による判定
では、異常物体からの反射波は1個あるとだけしか分か
らず、しかも真の異常物体からの反射波受波時刻の決定
も困難である。ところが提案した方式(一次結合モデ
ル)では、図11に見られるように、最小の最適マッチ
ング角度は7.49度となり、これを与える二つの(一
次結合すべき)反射波の開始時刻は3.40ms,5.
92ms、つまり直接伝播波および異常物体からの反射
波の受信がそれぞれ3.40ms,5.92msとな
り、二つの受波信号波形は明確に分離できる。なお、図
11の横軸は、一方のウインドウの開始時刻T1 にとっ
てあり、他のウインドウの開始時刻T2 は他の未知パラ
メータと合わせて最適化を図っている。つまり、最適マ
ッチング角を最小にする一方のウインドウ開始時刻は、
図11より、T1#=3.40msとなり、このときの他
のウインドウの開始時刻は最適化により別途T2#=5.
92ms(詳細は省略)と求まる。
As shown in FIG. 10, in the judgment based on the simple envelope shape, only one reflected wave from the abnormal object is known, and it is difficult to determine the time of receiving the reflected wave from the true abnormal object. However, in the proposed method (primary coupling model), as shown in FIG. 11, the minimum optimal matching angle is 7.49 degrees, and the start time of the two reflected waves (to be linearly coupled) that gives this is 3.49 degrees. 40 ms, 5.
92 ms, that is, reception of the directly propagated wave and the reflected wave from the abnormal object is 3.40 ms and 5.92 ms, respectively, and the two received signal waveforms can be clearly separated. The horizontal axis of FIG. 11, there for the start time T 1 of the one window, start time T 2 of the other windows are is optimized in conjunction with other unknown parameters. That is, one window start time that minimizes the optimal matching angle is
From FIG. 11, T 1 # = 3.40 ms, and the start time of the other window at this time is separately T 2 # = 5.
92 ms (details are omitted).

【0079】よって、水中標準音速を用いて異常物体ま
での距離を算出すれば、1480m/s×(5.92×
10-3/2)s=4.44mとなり、レーザ測距による
実測距離4.3mに非常に近い値となる。一方、3.4
0ms付近から現れる他の受信波は、上述したように送
波に際し初期の時間帯に必ず現れる直接伝播信号であ
り、これについては最初から除外できる。参考のため、
図10の受波信号の最適マッチングを実現する未来パラ
メータを示すと、直接伝播波については、ω1 1=15.
86,ζ1 1=0.418,ω2 1=15.51,ζ2 1
0.01、また異常物体からの反射波については、ω1 2
=14.39,ζ1 2=0.049,ω2 2=15.91,
ζ2 2=0.01が得られた。共に角周波数については
2.3〜2.5kHz程度の値が得られており、これら
は水中での送波器、受波器の共振周波数5.5〜5.7
kHzより小さくなっている。これは、水中より土中の
方が振動子の共振周波数が低下するということであり、
物理的にも妥当である。ちなみに、水槽中で16kHz
の周波数の送波信号を用いた場合にも、最適パターンマ
ッチングを実現する最適角周波数ωは、周波数が6kH
zのときと同様5〜6kHz相当の値となり、水中にお
いては電気信号入力周波数の大きさによらずモデルパラ
メータはほとんど変化がない。
Therefore, if the distance to the abnormal object is calculated using the standard underwater sound speed, 1480 m / s × (5.92 ×
10 −3 /2)s=4.44 m, which is a value very close to the actually measured distance of 4.3 m by laser distance measurement. On the other hand, 3.4
Other received waves appearing from around 0 ms are direct propagation signals that always appear in the initial time zone during transmission as described above, and can be excluded from the beginning. For reference,
When indicating the future parameters to achieve the best match of the received signals of FIG. 10, for the direct propagation wave, ω 1 1 = 15.
86, ζ 1 1 = 0.418, ω 2 1 = 15.51, ζ 2 1 =
0.01, and for the reflected wave from the abnormal object, ω 1 2
= 14.39, ζ 1 2 = 0.049 , ω 2 2 = 15.91,
ζ 2 2 = 0.01 was obtained. In both cases, values of about 2.3 to 2.5 kHz are obtained for the angular frequency, and these are the resonance frequencies of the transmitter and the receiver in water 5.5 to 5.7.
kHz. This means that the resonance frequency of the vibrator is lower in the soil than in the water,
Physically reasonable. By the way, 16kHz in the water tank
The optimal angular frequency ω for realizing the optimal pattern matching is also 6 kHz when the transmission signal of the frequency
The value is equivalent to 5 to 6 kHz as in the case of z, and the model parameter hardly changes in water regardless of the magnitude of the electric signal input frequency.

【0080】実際の適用に際しいずれの波形モデルを適
用するかは、包絡線形状により単一反射波らしきもので
あれば(6) 式のモデルを、また複数個(ここでは2個)
の反射波の合成波らしきものであれば、(6) 式のモデル
を、開始時刻を変えて一次結合したものを用いることに
すればよい。参考のため、異常物体として、球状のもの
や傾斜のある鋼板なども実験してみたが、上とほぼ同様
な結果が得られた。特に、傾斜鋼板の場合には、10度
位の傾斜までは本実験と同様(つまり、垂直鋼板と同
様)なデータが得られたが、それ以上の傾斜では、送波
器からの鋼板への最短距離点に近い点が異常物体の位置
と判定される傾向のあることがわかり、傾斜壁の場合に
も本測定システムが掘削機の事故防止に有用であること
がわかる。これは、使用周波数が低周波数であるため送
波器の指向性が余り高くないことに起因する。
In the actual application, which waveform model is to be applied is determined by the equation (6) if a single reflected wave is considered due to the envelope shape, and a plurality of models (here, two).
If the reflected wave is a synthetic wave, a model obtained by linearly combining the model of Expression (6) with changing the start time may be used. For reference, spherical objects and inclined steel plates were also tested as abnormal objects, and almost the same results as above were obtained. In particular, in the case of the inclined steel plate, data similar to the present experiment (that is, similar to the vertical steel plate) was obtained up to the inclination of about 10 degrees. It can be seen that there is a tendency that a point near the shortest distance point tends to be determined as the position of the abnormal object, and that the present measurement system is also useful for preventing excavator accidents in the case of an inclined wall. This is because the directivity of the transmitter is not so high because the used frequency is low.

【0081】このように、本実施例で説明した異常物体
の位置検知方法は、無響水槽中および地中の実験により
有効であることが確認された。
As described above, the method for detecting the position of an abnormal object described in this embodiment was confirmed to be effective through experiments in an anechoic tank and underground.

【0082】[0082]

【発明の効果】以上のように本発明の異常物体の自動検
知方法によると、予測し得る異常物体の受波信号波形を
モデル化するとともに、このモデル化された予測受波信
号波形と、実際に埋設されている異常物体からの受波信
号波形とのパターン・マッチングを行うようにしたの
で、破砕可能な石などの通常埋設物体と異常物体とを確
実に区別することができる。特に、パターン・マッチン
グする信号波形として、送波器および受波器における減
衰係数および固有角周波数などのパラメータを考慮した
二次減衰振動系モデルにてモデル化したものを使用して
いるため、検知域に大小の石などが散在する土中の異常
物体を検知する際に、破砕可能な石などによる音波の散
乱の影響を排除でき、かつ複数の異常物体からの反射波
の重なりを分離でき、各異常物体の位置決定を行うこと
ができるなどの知的な対応が可能である。
As described above, according to the method for automatically detecting an abnormal object of the present invention, a received signal waveform of an abnormal object which can be predicted is modeled, and the modeled predicted received signal waveform and the actual Since the pattern matching with the received signal waveform from the abnormal object buried in the object is performed, it is possible to reliably distinguish the normal buried object such as a crushable stone from the abnormal object. In particular, pattern match
Signal waveforms to be transmitted are reduced at the transmitter and receiver.
Taking into account parameters such as attenuation coefficient and natural angular frequency
Using the one modeled with the secondary damping vibration system model
Abnormalities in the soil where large and small stones are scattered in the detection area
When detecting an object, the scattering of sound waves due to crushable stones, etc.
Eliminates the effects of disturbance and reflects waves from multiple abnormal objects
To determine the position of each abnormal object
It is possible to respond intelligently, such as the ability to do.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例の自動検知方法における音波
伝播系の入出力間のブロック図を示す。
FIG. 1 is a block diagram showing input and output of a sound wave propagation system in an automatic detection method according to an embodiment of the present invention.

【図2】同実施例の自動検知方法の水槽実験に使用した
水槽の平面図である。
FIG. 2 is a plan view of a water tank used in a water tank experiment of the automatic detection method of the embodiment.

【図3】同水槽実験で得られた受波信号波形を示すグラ
フである。
FIG. 3 is a graph showing a received signal waveform obtained in the water tank experiment.

【図4】同水槽実験で得られた最適マッチング角度の時
間変化を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a temporal change of an optimum matching angle obtained in the water tank experiment.

【図5】同水槽実験で得られる受波予測電気信号波形を
示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a waveform of a received electric wave predicted in the water tank experiment.

【図6】同実施例の自動検知方法の地中実験を示す断面
図である。
FIG. 6 is a sectional view showing an underground experiment of the automatic detection method according to the embodiment.

【図7】同地中実験に使用した掘削機カッター面におけ
る送受波器の配置状態を示す正面図である。
FIG. 7 is a front view showing an arrangement state of the transducer on the cutter surface of the excavator used in the underground experiment.

【図8】同地中実験で得られた受波信号波形を示すグラ
フである。
FIG. 8 is a graph showing a received signal waveform obtained in the underground experiment.

【図9】同地中実験で得られた最適マッチング角度の時
間変化を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing a temporal change of an optimum matching angle obtained in the underground experiment.

【図10】同地中実験における近接異常物体に対する受
波信号波形を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing a waveform of a received signal with respect to an abnormally close object in the underground experiment.

【図11】同地中実験における近接異常物体に対する最
適マッチング角度の時間変化を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing a time change of an optimum matching angle with respect to a proximity abnormal object in the underground experiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 水槽 2 送波器 3 受波器 4 鋼板 11 掘削機 12 カッター面 13 送波器 14 受波器 15 コンクリート壁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Water tank 2 Transmitter 3 Receiver 4 Steel plate 11 Excavator 12 Cutter surface 13 Transmitter 14 Receiver 15 Concrete wall

フロントページの続き (72)発明者 木下 正生 大阪府大阪市此花区西九条5丁目3番28 号 日立造船株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−52949(JP,A) 特開 昭58−223771(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01S 15/88 G01S 13/88 E21D 9/06 301 G01V 1/00Continuation of the front page (72) Inventor Masao Kinoshita 5-28 Nishikujo, Konohana-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Hitachi Zosen Corporation (56) References JP-A-5-52949 (JP, A) JP-A Sho 58-223771 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01S 15/88 G01S 13/88 E21D 9/06 301 G01V 1/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】トンネルの掘削に際して、前方の地中内に
埋設されている除去すべき異常物体を、送波器から音波
を発射するとともにその反射波を受波器で受信すること
により自動的に検知する方法であって、まず予測し得る
異常物体の受波信号波形を、上記送波器および受波器に
おける減衰係数および固有角周波数のパラメータを有す
る二次減衰振動系モデルにてモデル化し、このモデル化
された予測受波信号波形と実際の受波信号波形とのパタ
ーン・マッチングを行い通常埋設物体と異常物体とを区
別する際に、各観測点で得られる受波信号波形を所定時
間毎に所定の時間ウインドウで切り取り、この切り取っ
た受波信号波形の時間波形ベクトルと予測受波信号波形
の時間波形ベクトル同士の角度が最小となるような最適
マッチング角度を求め、この最適マッチング角度が所定
のしきい値より小さくなった時の受波信号波形を異常物
体からのものと判断し、かつ上記最適マッチング角度を
得る際に、最適マッチング角度がさらに最小となるよう
に、減衰係数および固有角周波数の値を調整することを
特徴とするトンネル工法における前方異常物体の自動検
知方法。
When excavating a tunnel, an abnormal object to be removed buried in the ground in front of the tunnel is sonicated from a transmitter.
And the reflected wave is received by the receiver.
Is a method of automatic detection by
The received signal waveform of the abnormal object is sent to the transmitter and receiver.
With parameters of attenuation coefficient and natural angular frequency
Model with a secondary damping vibration system model
Between the predicted received signal waveform and the actual received signal waveform
And perform normal matching to distinguish normal buried objects from abnormal objects.
At the time of separation, the received signal waveform obtained at each observation point
Cut out a predetermined time window every time, and cut out
Time vector of received signal waveform and predicted received signal waveform
Optimal to minimize the angle between time waveform vectors
Find the matching angle and determine the optimal matching angle
The received signal waveform when it becomes smaller than the threshold of
Judging from the body, and the above optimal matching angle
So that the optimal matching angle is further minimized when obtaining
A method for automatically detecting an abnormal front object in a tunneling method, wherein a value of a damping coefficient and a value of a natural angular frequency are adjusted .
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