JPH02115492A - 掘進機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、トンネル掘削においてシールド工法。

掘進工法などで用いられる掘進機の制御装置の改善に関
する。

〈従来の技術〉 トンネル掘進は、基準点からの決められた垂直方向、水
平方向の複雑な計画線に対して高精度の施工精度を要求
され、特に上下水道の場合は垂直方向施工精度の要求が
きびしい。

近年は、旧来の光学的測量方式等の後追い測定方式に変
わり、水平方向測定ははジャイロコンパスにより、垂直
方向レベル測定は液体の圧力差測定によるリアルタイム
測定方式となり、精度のよいｍｉ機自己位置情報のリア
ルタイム演算によって長距離で複雑に曲がるトンネル掘
削工事における＃＆ｇ進機の自動制御が＝ｒ能となって
きた。

掘進機の自己位置を各種のセンサーに基づいて演算し、
計画線に対する偏差を操作ガイドとしてオペレータに表
示する、コンピュータ用いた総合システムの考えは、例
えば特開昭５７−６６２９４．５９−１５４２９１．６
０−４４８１８．６１−１０４２１９．６１−１２４８
１８号等で開示されている技術により公知のものである
。

第１４図に基づいてこのような考え方によるトンネル掘
進の具体的な禍成例を説明する。１は地表、２は立坑、
３は掘削されたトンネル、４は掘削先端部の掘進機、５
は立坑基準位置Ｐより一定距離トンネル内に進んだ地点
にに固定設置された基準タンク架台、６は地表のコント
ロールルーム、７は地表から掘進機側に供給される作業
用の水Ｗの給水管路である。

８はトンネル坑内に敷設された軌道であり、掘削作業に
必要な機材を乗せた台車が走行する。９は掘進機近傍に
配置される運転台車、１０．１１は後方に配置される後
方台車である。

掘進機４側において、１２はレベルセンサーの一部を構
成する第２液圧センサーであり、Ｐ■１□、はその測定
値である。１３はこの液圧センサーに給水管路７より開
閉弁１４を介して給水するための導圧管路、１５は第２
液圧センサーと基準タンク架台５内の基準タンク１６を
結合する導圧管路である。

１７は水平方向の方位センサーを構成するジャイロコン
パスでおり、ＰＶ２はその測定値である。

１８は掘進機のローリングによるレベル補正のための傾
斜計で構成されるローリングセンサーであり、Ｐ　Ｖ　
３はその測定値である。

１９は同様に掘進機のピッチングによるレベル補正のた
めの傾斜計で構成されるピッチングセンサーであり、Ｐ
Ｖ４はその測定値である。

２０は掘進ｌ１４を操作するジヤツキ、２１は油圧Ｑの
ジヤツキへの供給量を制御する制御弁である。２２はジ
ヤツキストロークセンサーであり、ＰＶ５はその測定値
である。

これら各センサーの測定値は、後方台車１０内に設けら
れた中継箱２３で中継され、通信線２４を介して基準タ
ンク架台５内の端子箱２５で更に中継され、通信線２６
及びモデム２７を介してコントロールルーム６内に設置
されたコンピュータ２８に伝送される。

２９は基準タンク１６の液圧を測定する第２液圧センサ
ーである。ＰＶｚｌｔｌ、その圧力測定値であり、端子
箱３０を介して通信線２６によりコンピュータ２８に伝
送される。３０はもりかえ指令スイッチ手段であり、そ
の指令ｓ＃Ｊ端子箱３０を介して通信線２６によりコン
ピュータ２８に伝送される。

次にレベル測定の原理につき簡単に説明する。

基準タンク１６は、導圧管路１５を介して供給される水
Ｗがオーバーフローしており、オーバーフローレベルに
おいて基準液面レベルＮが形成される。

いま、レベル２ｆ−準焦をＮ、基準点Ｎから測定点の第
２液圧センサー１２までのレベルを８１、基準点Ｎから
基準タンクの液面までのレベルを８２、両センサー１８
１１の圧力測定値をｐｖｌ、、　ｐ■　の値をＰ　　、
　Ｐ２　、液の密度をρとするとき、Ｐ　＝ρ（Ｓ１＋
８２） Ｐ１＝ρＳ２ 従って、 Ｓ　　＝（Ｐ２／ρ）−（Ｐ１／ρ） のように、液圧Ｐｖ　、ＰＶ１２を測定することにり簡
単な演算の実行により算出することが可能である。

３１は掘進機の進行に応じて導圧管路を繰り出す巻取装
置、３２は後方台車１１内に設けられた導圧管路の中継
フランジである。

導圧管路１５が伸びきった地点でもりかえ指令Ｓを発信
することにより、その地点での掘進機のレベルが前回の
もつかえ地点のレベルに累積加算され、基準架台を次の
もつかえ地点までトンネル内を進めることができるよう
に構成されている。

上記各センサーによる測定値は、必要に応じてコンピュ
ータ２８内又は中継箱、端子箱内に設けられるコントロ
ーラ内のデータ処理機能により１次遅れ、移動平均処理
が実行されてコンピュータに入力され、位置解析システ
ムにより自己位置情報が演算される。

更に位置解析システムは、コンピュータ２８に予め人力
されている計画線データと自己位置データとの偏差に応
じた掘進機のジヤツキストローク操作のために必要な管
理及び操作支援情報を算出し、コンピュータ２８ｆｌＩ
Ｉのマンマシン機能であるＣＲＴデイスプレィ、プリン
タへ出力すると共に、通信線２６．２４を介して先頭台
車９のデイスプレィ３３に出力し、オペレータに表示す
る。

オペレータの操作信号ＭＣは、後方台車１０内のコント
ローラ３４に伝送され、このコントローラからの操作出
力ＭＶによりジヤツキ２０への油圧Ｑを制御する制御弁
２１が制御される。

このような位置解析システムにより提供される情報は、
例えば、 ■掘進機の基準線に対する水平偏差を、直線ゾーン、曲
線ゾーンに対応してシールド１リング単位で演算する。

■掘進機の計画線に対する垂直偏差を、シールド１リン
グ単位で演算する。

■掘進機の目標方位偏差を、シールド１リング単位で演
算する。

■例えば過去１０リングのストローク差とピッチングデ
ータに基づいて演算される目標ストローク。

目標ピッチングの基準線との差により目標ストローク差
、目標ピッチング差を土質情報として演算する。

第１５図は、以上説明した掘進機と各種センサー、コン
トローラ、コンピュータなどよりなる第１４図の制御装
置の実際のイメージを表す、一部所面で示した斜視図で
ある。

〈発明が解決しようとする課題〉 この様な構成の掘進機の制御装置の問題点は、計画線か
らの偏差が大きい時、土質変化が激しい場合、急曲線、
急勾配の変換点では掘進機の動向をオペレータが正しく
判断することがむずかしい。

従って、運転台車のオペレータが位置解析システムの結
果をモニターし、偏差に対してジヤツキストロークの修
正を行う手動操作による運転では、的確な制御を実行す
るためには相当の経験を要し、オペレータにより制御結
果が大きく変化する。

本発明はこの様な問題点を解消できる掘進機制御装置の
提供を目的とする。

く課題を解決するための手段〉 本発明の構成上の特徴は、掘進機の少なくとも方位、基
準点からのレベル、ジヤツキストロークの測定信号に基
づいて掘進機自身の自己位置を演算すると共に、計画線
に対する偏差を演算する位置解析システムと、上記偏差
情報に基づいて上記ジヤツキストロークの修正値の操作
量を制御ルール並びにメンバーシップ関数に基づいて推
論するファジィ推論コントローラ部と、上記操作量に基
づいて上記ジヤツキを操作するコントローラ部と、上記
ファジィ推論コントローラ部に対して制御ルール並びに
メンバーシップ関数をタウンｔ７−ドする支ｔＸシステ
ムとを具備せしめた点にある。

く作用〉 位置解析システムは、掘進機の少なくとも方位。

基準点からのレベル、ジヤツキストロークの測定信号を
入力して、掘進機自身の自己位置を演算すると共に、計
画線に対する偏差を演算する。

ファジィ推論コントローラ部は、偏差情報に基づいてジ
ヤツキストロークの修正値の操作量を制御ルール並びに
メンバーシップ関数に基づいて推論する。

コントローラ部は、操作量に基づいてジヤツキのストロ
ークを操作する。

支援システＪ−は、ファジィ推論コントローラ部に対し
て制御ルール並びにメンバーシップ関数をダウンロード
する。

〈実施例〉 以下第１図に基づいて本発明の詳細な説明する。第１４
図で説明した要素と同一要素には同一符号を付す、ハー
ドウェア構成上は第１４図の構成とほぼ同様な構成であ
り、特徴部はコンピュータ２８内のソフトウェアで実現
される機能構成とジヤツキストロークの自動制御構成に
ある。

３５は、コントローラ３４内に設けられた測定値のデー
タ処理部であり、各センサーからの測定値を１次遅れ、
移動平均処理して通信ｉ２４．２６を介してコンピュー
タ２８内の位置解析システム３６に発信する。

この情報に基づいて位置解析システム３６は自己位置の
！ｌ１Ｉ４３１Ｌを実行すると共に、キーボード３７゜
データ入力手段３８を介して入力される計画線データと
の偏差Ｅ、偏差の変化率Δ１＜を演算してファジィ推論
コントローラ３９に出力する。

ファジィ推論コントローラ３９は、制御ルールに従い、
偏差Ｅ、幅偏差変化率ΔＥの大きさの組み合わせに基づ
いて与えられる与えられる操作量出力の関係を定義する
メンバーシップ関数に入力偏差Ｅ、Ｉ差の変化率ΔＥを
照らし合わせて各メンバーシップ関数からの出力を加重
平均するファジィ推論を実行して操作出力ΔＵを算出し
て発信する。

この操作出力は通信線２４．２６を介してコントローラ
３４内のＰＩＤコントローラ４０に設定値修正信号とし
て入力され、前回の制御周期の設定値を修正する。

ＰＴＤコントローラ４０は、この様にして周期的に修正
されるに設定値とジヤツキストローク測定ｆＩＭＰｖ５
の偏差をＰＩＤ制御演算した操作出力ＭＶにより制御弁
２１を操作し、油圧の供給量によりジヤツキを操作する
。

４１はファジィ推論コントローラ３９に制御ルール並び
にメンバーシップ関数をダウンロードする支援システム
であり、ルール、メンバーシップ関数登録／修正部４２
によりその支援内容が管理される。

ベテランオペレータの操作情報は、キーボード４３を介
してこの登録／修正部に保存され、メンバーシップ関数
のパラメータを、このベテランオペレータの操作内容に
最も近い最適値となるように、最小自乗法等の公知の手
法により決定する機能を持たせることが可能である。

４３はシミュレーション機能であり、過去プロセスデー
タの保存手段４４のデータを参照して、現在演算された
ファジィ推論コントローラ出力を発信したときの掘進機
の状態変化をシミュレートし、推論出力の適性度をチエ
ツクする機能を付加することも容易である。

４５．４６はマンマシン機能を構成するＣＲ’ｌ’ティ
スプレィ及びプリンタであり、位置解析システムの演算
結果、ファジィメンバーシップ関数の登録／修正、ファ
ジィ推論コントローラの操作出力、掘進の履歴データ、
計画線路の表示と登録などあらゆる管理、制御データの
指示、表示、記録が実行される。

この実施例では、ファジィ推論によりジヤツキストロー
ク制御の設定値の修正址をその操作出力としているが、
ファジィ推論により制御弁２１への操作ｉＭＶの修正値
ΔＭＶを直接出力するように構成することも容易であり
、場合によっては、ＰＩＤコントローラの制御パラメー
タである比例帯、積分時間、微分時間の最適値をファジ
ィ推論で導くことも可能である。

第２図は、ファジィ推論コントローラの基本構成図であ
り、位置解析システム３６からの偏差Ｅに対してメンバ
ーシップ関数によりＭＷした゛結果Ｅ′を、同様にジヤ
ツキストロ−を５バーシツプ関数による推論部により演
算してストローク操作量ΔＵを発信する。

各メンバーシップ関数には支援システムよりメンバーシ
ップ関数を定義するためのパラメータがダウンロードさ
れる。

第３図は、位置解析システム３６内の偏差演算が上述の
ように■〜■の４種類である場合のファジィ推論コント
ローラの基本構成であり、■〜■の演算による偏差Ｅ　
〜Ｅ２に対応するメンバーシップ関数により演算した結
果Ｅ　′〜Ｅ４′を、同様に対応するシャツキスドロー
クンバーシップ関数による推論部により演算してこれを
荷重平均したストローク操作量ΔＵを発信する。

次に位置解析システムによる演算内容について説明する
。

■第４図は、掘進機の計画線に対する水”Ｆ−１ｍ差を
直線ゾーンで演算する場合の説明図であり、現在の掘進
機位置と計画線との単純な水平方向距＃偏差Ｅ１がシー
ルド１リング単位で演算される。

第５図は掘進機の計画線に対する水平偏差を曲線ゾーン
で演算する場合の説明図であり、一定半径の円弧状計画
線の円弧の中心から現在掘進機までの距離と円弧の半径
との距ＭＱ差Ｅ１がシールド１リング単位で演算される
。

■第６図は、掘進機の計画線に対する、垂直偏差演算の
説明図であり、掘進のスタートポイントから一定距離１
進んだ時の計画線上のレベル（計画レベル）掘進機の現
在位置レベルとの差が垂直偏差Ｅ２としてシールド１リ
ング単位で演算される。

■掘進機の目標方と、ジャイロ包囲測定値の偏差、が、 Δθ＝Ｅ３＝目標方位−ジャイロ方位 によりシールド１リング単位で演算される。

■第７図は、例えば過去１０リングの方位偏差とストロ
ーク差のデータを回帰データとして最少自乗法により演
算される近似直線関数による水平面の目標ストローク差
と、基準線による基準ストローク差の同一目標方位偏差
におけるストローク偏差がＢ４として演算され、水平方
向の土質情報とされる。

この場合、基準線は、掘進機のストローク左右間の距離
とその差による掘進機の理論方位で決定される。

第８図は、例えば過去１０リングのレベル変位量とＸピ
ッチングのデータを回帰データとして最少自乗法により
演算される近似直線関数による垂直面の目標ピッチング
と、基準線による基準ピッチングの同一目標変位量にお
けるピッチング偏差がＢ４として演算され、垂直方向の
土質情報とされる。

この場合、基準線は、Ｘリングのセグメント長とレベル
変位量により決定される。

これら土質情報は必要に応じてどちらか一方又は両方が
参照され、土質による偏差が少ない場合には参照されな
い場合もある。

ファジィ推論コントローラによる制御については、種々
の文献により公知の手法となっているが、その−例を簡
単に説明する。

Ｅ＝偏差　ΔＥ＝前回値との差　Ｕ＝操作量ΔＵ＝前回
値との差 とし、Ｅ、ΔＥ、ΔＵの夫々につきその大きさの生るに
より区分される第９図のようなＯ〜ルベルの台形状のメ
ンバーシップ関数を定義する。

ここで、ＮＢ：Ｎｅｇａｔｉｖｅ　　ＢｉｇＮＳ：Ｎｅ
ｇａｔｉｖｅ　　ＳｍａｌｌＺＥ：Ｚｅｒ。

ＰＳ：Ｐｏ５ｉｔｉｖｅ　　　ＳｍａｌｌＰＢ：Ｐｏ５
ｉｔｉｖｅ　　　Ｂｉｇ を表し、関数の形状を決定するパラメータはＰ１〜Ｐ４
で与えられる。Ｎ）３とＺＥ間にＮＭを、ＰＢとＺＥ間
にＰＭのメンバーシップ関数を更に定義することも可能
である。

第１０図は、制御ルールの一例を表すテーブルであり、 ａ　１　）　　ｉｆ　Ｅ＝ＮＢ　ａｎｄ　Ａｔ＝ｚＥｔ
ｈｅｎΔＵ＝ＰＢｂ　１　）　　ｉｆ　Ｆ＝ＺＥ　ａｎ
ｄΔＥ＝ＰＢ　ｔｈａｎ　ＡＵ＝ＮＢｃ　１　）　　ｉ
ｆ　Ｅ＝ＰＢ　ａｎｄΔＥ＝ＮＢ　ｔｈｅｎΔ１１　＝
　Ｎ　Ｂｄ　１　）　　ｉｆ　Ｅ＝ｌＥ　ａｎｄΔＥ＝
ＮＢ　ｔｈｅｎΔｕ＝ＰＢのように定義される。

第１１図は、各メンバーシップ関数の形状を定義するた
めのパラメータ入力テーブルであり、キーボード４３か
らメンテナンスが可能となっている。

第１２図は実際の入力Ｅ、ΔＥが与えられたときの各メ
ンバーシップ関数の出力に基づいて操作量を与えるメン
バーシップ関数から制御ルール毎に操作ｊｌＢ１　、Ｂ
２を算出する過程を示す説明図である。

第１３図は、各制御ルール毎の操作量出力Ｂ１゜Ｂ２の
加重平均によるファジィ推論により操作出力ΔＵを算出
する過程を示す説明図である。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によればベテランオペレー
タの操作を参考として定義される制御ルール並びにメン
バーシップ関数に基づくファジィ推論によりジヤツキス
トロークの操作量を決定し、これによりベテランオペレ
ータなしで複雑な計画線に沿っての掘進機の操作を自動
化することが可能となり、従来の工法に比較して次のよ
うな効果が期待できる。

１）掘進制御中、常時掘進機の動向が監視できる。

しかもｌ１ｌｊ値のみでなく、掘進機の方向と基線並び
に計画線との位置、方向関係の制御状態がリアルタイム
に画面上で確認できる。

２）蛇行修正が基線に対して常に収束、すり付けられる
方向で制御されるので、ｒ上がり過ぎ」。

「下り過ぎ」といった制御不良を生ずることが極めて少
ない。

３）掘進機制御のための位置解析データが、常にこれか
ら掘進しようとする位置に最も近いリアルタイムデータ
であり、土１１Ｍ報に関しては過去１０リングのデータ
であること、また、掘進中にも状況に応じてこの情報が
修正されるので、土質変化、土庄、掘進機の特性のバラ
ツキなどにもかかわらず、最も適切なジヤツキストロー
ク操作量を与えることができる。

４）外部の状況変化に対して操作量が常に適切に供給さ
れるので、掘進機は計画線に対して大きな変位を生ずる
ことがないので、省エネと工期短縮に貢献できる。

５）作業条件の悪いトンネル内に作業員がいなくても外
部にてＣＲＴの監視のみで操業でき、安全面でも貢献で
きる。

６）本制御装置における位置解析システムの測定値と別
途実施された実測値にずれが生じた場合でも容易に修正
が可能であり、修正値により以後の掘進制御が実行でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す機能ブロック線図、第２
図、第３図はファジィ推論コントローラの基本構成図、
第４図、第５図は直線ゾーン、曲線−ゾーンにおける水
平偏差演算の説明図、第６図は垂直偏差演算の説明図、
第７図は水平面の目標ストローク差の演算説明図、第８
図は垂直面の目標ピッチング演算の説明図、第９図乃至
第１３図はファジィ推論による制御の概要説明図、第１
４図は従来のトンネル掘進装置に関する機器の構成図、
第１５図はこの装置の一部断面斜視図である。 ４・・・掘進機、１２．２９・・・レベルセンサー　１
７・・・方位センサー　１８・・・ローリングセンサー
　１９・・・ピッチングセンサー　２１・・・制御弁、
２２・・・ジヤツキストロークセンサー、２４．２６・
・・通信線、２８・・・コンピュータ、３５・・・デー
タ処理部、３６・・・位置解析システム、３７．４３・
・・キーボード、３８・・・データ入力部、３９・・・
ファジィ推論コントローラ、４０・・・ＰＩＤコントロ
ーラ、４１・・・ルール、メンバーシップ関数支援シス
テム、４２・・・ルール、メンバーシップ関数登録／修
正機能、４３・・・シミュレーション機能、４４・・・
過去プロセスデータ保存手段、４５・・・ＣＲ’Ｉ’テ
ィスプレィ、４６・・・プリンタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 掘進機の少なくとも方位、基準点からのレベル、ジャッ
   キストロークの測定信号に基づいて掘進機自身の自己位
   置を演算すると共に、計画線に対する偏差を演算する位
   置解析システムと、上記偏差情報に基づいて上記ジャッ
   キストロークの修正値の操作量を制御ルール並びにメン
   バーシップ関数に基づいて推論するファジィ推論コント
   ローラ部と、上記操作量に基づいて上記ジャッキを操作
   するコントローラ部と、上記ファジィ推論コントローラ
   部に対して制御ルール並びにメンバーシップ関数をダウ
   ンロードする支援システムとから構成された掘進機制御
   装置。