JPH02183087A - トンネル掘進機の制御方法 - 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、方向制御を必要とするトンネル掘進機の制御
方法に関するものである。

〔従来の技術〕

最近、産業界において、作業環境の多様化あるいは熟練
オペレータの不足等の理由から、従来人間が行なってき
た制御をコンピュータにより自動化しようとする動きが
高まっている。ところが、人間による制御は経験やカン
に基づいた主観的なものであるため、それを自動化する
には、人間のもつあいまいな間隔を計算機に取り入れる
ことが必要となり、従来の制御手法では適用しきれない
面があった。このような問題に対応するための１手法と
して、１９６４年にり、Ａ、Ｚａｄｅｎにより提案され
たファジィ理論を応用するものがある。

ファジィ理論は人間のもつあいまいさを数量化して取り
扱うもので、このファジィ理論をトンネル掘削機の制御
方法に応用したものが東京電力株式会社、技術研究所か
らシールド掘進における切羽制御と方向制御（１９８８
，９，３第１１回関東地区例会資料）として提案されて
いる。

上記従来のファジィ理論を用いたトンネル掘削機の制御
方法は、第１１図において、施工計画線ａに対するシー
ルド掘進機すの姿勢をターゲットＣにより検出し、上記
施工計画線ａに対する偏差（水平方向）をＤ　Ｈｓその
変化量を△Ｄ）１、方位角をθ□、その変化量を△θＨ
としてこれを入力変数とする。そして上記変数のＤ□と
△ＤＨ２θ□とΔθ□から各々アクチュエータの制御量
を決定するファジィ理論による制御規則及びメンバシッ
プ関数を設定する。また上記２つの制御量を調節し、最
終的に１つの制御量に結合する制御規則及びメンバシッ
プ関数を設定する。

上記のように、４つの入力変数を２段階に別けてファジ
ィ理論を行なうことで制御規則を大幅に減らすことがで
きるようになった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来のトンネル掘進機の制御方法では、そのアルゴ
リズムにおいて、土質に対応した入力変数や推進データ
に対応した入力変数が取り込まれていない。よって土質
や推力データによって制御方法を変える熟練したオペレ
ータのノウハウが織り込められておらず、上記従来の制
御方法では、他の土質で同様のファジィ理論における制
御規則やメンバシップ関数で計画通りの施工ができる保
証はなかった。

本発明は上記のことにかんがみなされたもので、土質情
報や推力データをも織り込んだファジィ理論による制御
量決定の演算によって、より熟練したオペレータの操作
法に近いトンネル掘進機の制御を行なうことができ、ま
た施工場所が代って土質が異なった場合でも容易に対応
することができるようにしたトンネル掘進機の制御方法
を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係るトンネル掘進
機の制御方法は、トンネル掘進機の施工計画線に対する
位置のずれ量や方向のずれ量を計測し、この計測値に基
づいて方向制御用のアクチュエータにて掘進方向を制御
するようにしたトンネル掘進機の制御方法において、上
記アクチュエータの制御量を人間に代ってファジィ理論
を用いて計算、決定するプログラムを、上記位置及び方
向のずれ二を入力し、最適な制御量を決定するためのフ
ァジィ理論の制御規則及びメンバシップ関数をあらかじ
め土質やＮ値等の土質条件に応じて複数個設定し、施工
時において、その施工現場の土質条件によりこのプログ
ラムを施工者が選択して制御出力を得るようにした。

また上記アクチュエータの制御量を人間に代ってファジ
ィ理論を用いて計算し、決定するプログラムを、上記位
置及び方向のずれ量を入力し、最適な制御量を決定する
ためのファジィ理論の制御規則及びメンバシップ関数を
あらかじめ掘進時に計測されるトンネル掘進機の推力の
範囲に応じて複数個設定し、施工時において、その推力
に応じてこのプログラムを施工者が選択して制御出力を
得るようにした。

〔作　用〕

土質情報あるいは推力データの入力により、ファジィ理
論の制御規則及びメンバシップ関数が１組選択され、こ
の選択された制御規則及びメンバシップ関数に対してト
ンネル掘進機の計画線に対する方向のずれを入力して最
適な制御量を出力する。

〔実　施　例〕

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

なおこの実施例では、圧密式小口径のトンネル掘進機に
ついて説明する。

第３図において、１は立坑であり、この立坑１内に推進
機２があり、この推進機２の力はパイロット管３を介し
てパイロットヘッド４へ伝えられる。パイロットヘッド
４にはターゲット５が備えてあり、立坑１からトランシ
ット６でターゲット５をのぞくことによりパイロットヘ
ッド４の施工計画線に対する偏差や方位角がわかるよう
になっている。パイロットヘッド４にはパイロットジヤ
ツキ７が揺動可能に設けである。

第４図は上記パイロットヘッド４の揺動機構を示すもの
で、８は水平方向用の揺動ジヤツキ、９は水平方向用の
ポテンショメータであり、このほかに図示しないが垂直
方向用の揺動ジヤツキとポテンショメータが備えられて
いる。１０゜１１は揺動ジヤツキ７を制御するソレノイ
ドバルブである。

今水平方向についてみると、揺動ジヤツキ７によりパイ
ロットヘッド４の揺動部を揺動させる。その量をポテン
ショメータ９にてチエツクする。

上記パイロットヘッド４の施工計画線に対する水平方向
姿勢において、水平方向の揺動ジヤツキ回を△ＥＨ％水
平偏差をＤＨｓ方位角をθ□としたときに、ファジィ理
論による制御規則式（水平方向）は ＩＦ　　ＤＨ−Ａ　　ＡＮＤ　　θ）ｌ−８ＴＨＥＮ　
　ΔＥｕ−Ｃ・・・（１） にした。そして、ＡＳＢ、Ｃはメンバシップ関数のＮＢ
ＳＮＭ、２０、ＰＭ、ＰＢのいずれかである。

なお、上記メンバシップ関数のＮＢは正（左）で大、Ｎ
　Ｍは負（右）で中位、ＺＯはゼロ、ＰＭは正（左）中
位、ＰＢは負（右）で大を表わす。

また披掘進部における土質を粘土ローム、シルト、砂、
砂と礫の４種類を想定し、それぞれをＮｆｉａで区分し
たときのメンバシップ関数を決定するときの信号は第１
表に示すようになる。

第１表 メンバシップ関数の形状は第５図に示すようになり、人
力変数のメンバシップ関数のパラメータは第３表に示す
ようにした。

第３表 また、制御規則は第２表に示すように一定とした。

第２表 次に一例として、土質はシルト、Ｎ値は８、Ｄｕ＝１０
１、θＨ−０，４度のときの八Ｅ　１１を求める演算方
法について述べる。

まず第１表より、このときのメンバシップ関数を決める
信号はく３〉であることを知る。これにより、上記（１
）式は、 ＩＦ　　ＤＨ−ＮＭ　　ＡＮＤ　　θＨ−ＰｋｉＴＨＥ
Ｎ　　ΔＥＨ−ＺＯ（１ａ） ＩＦ　　Ｄ）ｌ−ＮＭ　　ＡＮＤ　　θＨ−ＰＢＴＨＥ
Ｎ　　ΔＥ）Ｉ−ＺＯ、（ｌｂ）ＩＦ　　Ｄ、−ＺＯＡ
ＮＤ　　θ、　−ＰＭＴＨＥＮ　　△Ｅ　Ｈ−Ｎ　Ｍ　
　　−−−−（１ｃ　）ＩＦ　　ＤＨ−ＺＯＡＮＤ　　
ｆ９Ｈ−ＰＢＴＨＥＮ　　△Ｅ）Ｉ−ＮＭ　　　　　　
（１ｅ）の４式が成り立つ。

これをファジィ理論のｍｉｎ−ｍａｘ法で表わし、最終
出力を重心法で求めると第６図から第９図の各図に示す
ようになる。

すなわち、このときのメンパンツブ関数を決定する信号
はく３〉であるから、第３表中の信号３の欄を用い、こ
れにより、（１ａ）の式は第６図の（Ａ）、（Ｂ）、（
Ｃ）に示すようになり、ＤＨのグレードは０，５、θ８
のグレードは０．６７となり、これの小さい方（ｍｉｎ
）の０．５をとり、ΔＥＨは０．５と−１，０と１．０
で囲まれる面積の出力となる。

以下同様に、（１ｂ）の式は第７図（Ａ）、（Ｂ）、（
Ｃ）に示すように、ＤＨは０．５、θ、ｌは０．３３、
従って△Ｅｏはこれの小さい方の０．３３となる。

（１ｃ）の式は第８図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すよ
うに、Ｄ　＋１は０．５、θＨは０，６７従って△ＥＨ
は０゜６７、（１ｄ）の式は第９図（Ａ）、（Ｂ）、（
Ｃ）に示すように、ＤＨは０．５、θ□は０．３３、従
って△ＥＨは０．３３となる。

次に、上記４つのΔＥＨを第１０図に示すように重ね合
わせ（ｍ　ａ　ｘ　）　、これの重心である−０．５が
求める△ＥＨの出力、すなわち、−０，５度方向に制御
する必要がある旨の制御量が出力される。

上記作用は第１図に示す装置にてなされる。

すなわち、入力装置１２に土質及びＮ値等の土質情報を
人力すると、この入力装置１２で第１表に示す判断をし
てその信号を選択信号として演算装置１３へ出力する。

一方ＤＨ％θ□及びこれらの偏差ΔＤＨ１△θ□等掘進
機２の偏差、方位角情報がインタフェース１４を介して
演算装置１２へ入力される。演算装置１３では第２表、
第３表及び第６図から第１０図に示すファジィ理論によ
る最適制御量の演算プログラムに基づいた演算が行なわ
れて制御量を決定し、これを出力装置１５へ出力する。

第２図は上記作用のシステムフローチャートを示すもの
であり、土質情報入力によって複数用意した制御規制メ
ンバシップ関数〈１〉、く２〉、　　　＜ｎ＞のうちの
最適なものが選択され、以下その制御規制メンバシップ
関数に従った演算、出力、実行が繰返される。

上記実施例では、掘進機２の偏差や傾斜角及び方位角を
入力し、最適な制御量を決定するためのプログラムを、
ファジィ理論の制御規則及びメンバシップ関数をあらか
じめ土質やＮ値等の土質条件に応じて複数個設定した例
を示したが、上記土質条件に代えて、制御前に計ρｊさ
れた推進機２の推力（推進管部の摺動摩擦等の抵抗針を
除く）により上記各プログラムを選択するようにしても
よい。

以下にその実施例を説明する。

この実施例ではメンバシップ関数を決定する信号を、第
４表に示すように、推進機２のパイロットジヤツキを伸
張したときにかかる推力（ｔｏｎ）を区分けしたものを
用いる。その他の制御規則及びメンバシップ関数のパラ
メータは第２、第３表に示すものと同じである。

その−例として、上記推力が１５ｔｏｎであるときの作
用を示すと、第４表からメンバシップ関数を決める信号
はく３〉であるから、以下の作用は上記第１の実施例と
全く同じになり、その出力ΔＥ）ｌは−０，５（度）と
なる。

第４表 なお上記各実施例は圧密式小口径掘進機について説明し
たが、回転掘削方式や、泥水加圧方式のトンネル掘進機
においても上記方法による施工が可能であることはいう
までもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、土質情報をも織り込んだファジィ理論
による制御量決定の演算により、またトンネル掘進機先
端での土質の状態を推力として情報を得て、これを織り
込んだファジィ理論による制御量の決定を演算によって
、より熟練な施工者の操作法に近いトンネル掘進機の制
御が可能になる。また施工場所が違って土質が異なった
場合でもその対応が素早く、かつ容易にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施態様を示すブロック図、第２
図はシステムフローチャート、第３図は圧密式掘進機の
掘進状態を示す概略的な構成説明図、第４図はパイロッ
トヘッド部の揺動機構図、第５図はメンパンツブ関数図
、第６図から第９図の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はファジ
ィ理論のｍｉｎ−ｍａｘ法による演算説明図、第１０図
はその結果を示す説明図であり、また第１１図は掘進機
の方向制御系を示す説明図である。 ３はパイロット管、４はパイロットヘッド、５はターゲ
ット、６はトランシット、７はパイロットジヤツキ、８
は揺動ジヤツキ、１２は入力装置、１３は演算装置、１
５は出力装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）トンネル掘進機の施工計画線に対する位置のずれ
   量や方向のずれ量を計測し、この計測値に基づいて方向
   制御用のアクチュエータにて掘進方向を制御するように
   したトンネル掘進機の制御方法において、上記アクチュ
   エータの制御量を人間に代ってファジィ理論を用いて計
   算、決定するプログラムを、上記位置及び方向のずれ量
   を入力し、最適な制御量を決定するためのファジィ理論
   の制御規則及びメンバシップ関数をあらかじめ土質やＮ
   値等の土質条件に応じて複数個設定し、施工時において
   、その施工現場の土質条件によりこのプログラムを施工
   者が選択して制御出力を得るようにしたことを特徴とす
   るトンネル掘進機の制御方法。
2. （２）トンネル掘進機の施工計画線に対する位置のずれ
   量や方向のずれ量を計測し、この計測値に基づいて方向
   制御用のアクチュエータにて掘進方向を制御するように
   したトランネル掘進機の制御方法において、上記アクチ
   ュエータの制御量を人間に代ってファジィ理論を用いて
   計算、決定するプラグラムを、上記位置及び方向のずれ
   量を入力し、最適な制御量を決定するためのファジィ理
   論の制御規則及びメンバシップ関数をあらかじめ掘進時
   に計測されるトンネル掘進機の推力の範囲に応じて複数
   個設定し、施工時において、その推力に応じてこのプロ
   グラムを施工者が選択して制御出力を得るようにしたこ
   とを特徴とするトンネル掘進機の制御方法。