JPH03199597A - 小口径管用地中掘進機の操作方法 - 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、小口径管用地中掘進機の操作方法に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来の小口径管用地中掘進機を含むトンネル掘進機の掘
進方向の制御はオペレータの勘と経験に頼っており、オ
ペレータの技量によって施工精度が左右されているのが
現状であり、上記小口径管用地中掘進機の操作方法をオ
ペレータに代って決定するシステムを織り混んだものは
なかった。

ただ、トンネル掘進機の制御にファジィ推論を織り込ん
だ例として東京電力株式会社のシールド掘進における切
羽制御と方向制御をファジィ推隷を用いた例がある。

このファジィ推論を用いた従来例の方向制御は、施工計
画線に対するシールド機械の偏差Ａと、その変化ＪＩＢ
、及び傾斜角（又は方位角）Ｃとその変化量りを入力変
数とする。そして上記偏差Ａとその変化量Ｂ、傾斜角Ｃ
とその変化ｆｆ１Ｄからそれぞれアクチュエータの制御
量を決定するファジィ推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ｖＪ御規則及びメン
バシップ関数を設定する。

このようにして４つの入力変数を２段階に分けてファジ
ィ推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。

〔発明が解決しようとする課題） 上記従来のファジィ推論を用いた掘進機の操作方法は、
掘進機が大口径のシールド機であり、人が掘進機内に入
って計測や状況判断を行なうことができる場合であり、
掘進機内に人が入ることができない小口径管用地中掘進
機に適用することができなかった。

本発明は上記のことにかんがみなされたちので、小口径
管用であってもファジィ推論を用い７熟！１１者でない
オペレータでも熟練者なみの施工を行なうことができる
小口径管用地中掘進機の操作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、本発明に係る小口径管用地
中掘進機の操作方法は、方向制御用アクチュエータを備
えた小口径管用地中掘進機において、この掘進機の先端
部の計画線に対するズレ量、ズレ角、推進力等をセンサ
により計測し、この計測値をＡ／Ｄ変換等の処理をして
コントローラに取込み、また入力装置にて土質特性や掘
進機型式等のデータをコントローラに入力し、コントロ
ーラでは、上記計測値とデータにて熟練オペレータの操
作方法を織り込んだファジィ推論により操作量を決定し
、この操作量を表示装置にて表示し、これらの制御をコ
ントローラ部のエキスパートシステム部にて行なう。

また上記コントローラのファジィ推論により決定された
操作量だけ方向制御用アクチュエータを動作するように
してもよい。

〔作　用〕

コントローラのエキスパートシステムはセンサからの計
測値及び入力装置からのデータをそれぞれ整理してファ
ジィ推論部の制御則やメンバシップ関数を決定し、その
土質特性や掘進機型式に合わせた操作が可能になるよう
、ファジィ推論部を設定する。上記整理された計測値の
入力よりファジィ推論部は操作量を出力し、これをエキ
スパートシステムがオペレータに指示するため表示出力
装置に表示させる。

また上記ファジィ推論部から出力された操作量を表示出
力装置に表示すると共に、エキスノく一トシステム部に
てこの操作量を自動制御部に指示し、自動制御部でこの
操作量だけ方向制御用アクチュエータを動作する。

〔実　施　例Ｊ 本発明の実施例を以下に説明する。

第５図（Ａ）、（Ｂ）は小口径管用地中掘進機の掘進状
態を示すもので、図中１はパイロットジヤツキ２を含む
パイロットヘッドであり、３はこのパイロットヘッド１
に後続するパイロット管、４はパイロット管３の後端を
押圧する後部推進ジヤツキである。そしてこの後部推進
ジヤツキ４は発進立坑５内のレール６上に載置され、反
力板７に反力を指示するようになっている。８は到達坑
である。

この構成において、パイロットヘッド１においてパイロ
ットジヤツキ２が伸長することによりパイロット孔が掘
進され、このパイロットジヤツキ２を縮めながら後部推
進ジヤツキ４にてパイロット管３を押し込むことにより
地中に小口径の孔が掘進される。

第１図は上記小口径管用地中掘進機（以下単に掘進機と
略称する）を操作するためのブロック図である。図中９
はパイロットヘッド１部に備えられたセンサ群であり、
これにはパイロットジヤツキ推力（ＰＪ推力）、推進ジ
ャブキ推力及び第７図、第８図に示すところの、上下・
左右の揺動角、傾斜角、垂直方向及び水平方向の偏差、
ヨーイング角、ピッチング角等を計測するセンサにて構
成されている。なお上記揺動角はパイロットヘッド１に
内装した方向制御用アクチュエータによる先端の揺動角
であり、またジヤツキ推力はジヤツキ圧として検出する
。

１０はコントローラで、これには上記センサ群９からの
信号を受信してＡ／Ｄ変換する自動計測部１１と、この
自動計測部１１からの検出値と、入力装置（キーボード
）１２からのデータにより熟練オペレータ並の操作方法
を判断するファジィ推論部１３と、これらの各装置を制
御し、さらに施工における指示や判断を行なうエキスパ
ートシステム部１４からなっている。

１５は上記エキスパートシステム部１４により決定され
た内容を表示する表示部１６と記録部１７を有する表示
出力装置である。

上記入力袋！ｊ１２より入力するデータとしては、土質
、Ｎ値、抜水圧等の土質特性、及びパイロットジヤツキ
２のヘッド形状、径等の掘進機型式等がある。

次に上記構成における作用を説明する。

センサ群９中のセンサにより、第７図に示す垂直方向に
おけるパイロットヘッド１の傾斜角、ピッチング角及び
垂直方向の偏差発進坑５にてトランジット等にて計測す
る。同様に、第８図に示す水平方向におけるヨーイング
角及び水平方向の偏差を計測する。さらにパイロットジ
ヤツキ２による掘進が圧密タイプである場合には、この
パイロットジヤツキ２の推進時のジヤツキ圧を、掘削タ
イプの場合は後部推進ジヤツキ圧を計測する。そしてさ
らに、パイロットジヤツキ２の先端の揺動部の方向制御
用アクチュエータによる揺動角を計測する。

一方入力装置１２から施工前のポーリング調査等で明ら
かになる土質、Ｎ値等の土質特性や掘進機型式（圧密式
か、掘削式か、管径等）を入力する。

施工中の自動計測部１１には上記センサ群９の各センサ
からの計測値がチャンネル毎に送られ、コントローラ１
０内に取込まれる。このとき、上記計測値がアナログ信
号であるものはデジタル信号に変換される。

コントローラ１０内に取込まれた上記計測値はエキスパ
ートシステム部１４内に送られ、ここでそれぞれ整理し
、ファジィ推論部１３入力する。

上記エキスパートシステム部１４では施工前にあらかじ
め入力装置１２より入力されたデータからファジィ推論
部１３の制御則やメンバシップ関数を決定し、その土質
特性や掘進機型式にあわせた操作が可能になるようにフ
ァジィ推論部１３を設定する。そして上記整理された計
測値の入力によりファジィ推論部１３は操作量を出力し
、この操作量をエキスパートシステム部１４はオペレー
タに指示するため、表示出力装置１５の表示部１６に表
示する。

オペレータはこの表示部１６に表示された操作量を見な
がら掘進機を操作する。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

第３図はそのシステムフローである。土質特性、掘進機
型式などを入力装置１２にて入力する。このとき、掘進
機型式を圧密式とする。この場合第６図（ａ）〜（ｄ）
に示されるパイロットヘッドアダプタ１８ａ、〜１８ｄ
のうちの１個を土質にあわせて選定する。なお１８ａは
標準圧密用、１８ｂは軟弱地圧密用、１８ｃは超軟弱地
圧密用、１８ｄは極軟弱地圧密用のパイロットヘッドア
ダプタを示す。図中ｇはヘッド長さを示す。

このパイロットヘッドアダプタ１８ａ、〜１８ｄの選定
は、第１表に示すように、砂、砂質土、粘度等の土質の
Ｎ値を入力することで決定される。またこの時のＮ値か
ら第２表のように後述するファジィ推論部１３のメンバ
シップ関数が決定される。

今、水平方向のみに関して述べると、ファジィ推論部１
３の制御則とメンバシップ関数を第３表と第１１図に示
すように決める。第３表の制御則は ＩＦＤＨ−α　ＡＮＤ　　θ□ 一β　ＴＨＥＮ　　ΔＥ、−γ・・・（１）で表わせる
。なおα、β、γはＮＢ、ＮＭ、ＺＯ，ＰＭ、ＰＢのメ
ンバシップ関数を示す。ただし、 ＤＨ：水平方向の偏差（膳１） ０Ｍ　：ヨーイング角（度） △ＥＨ：操作量（度） １２表で決定されたメンバシップ関数くＡ〉。

＜Ｂ＞、＜ｃ＞、＜Ｄ＞の第１１図におけるａ。

ｂ、ｃ、ｄ、ｅを第４表に示す。

このように入力装置１２からのデータの入力によりメン
バシップ関数が設定される。

上記決定されたパイロットヘッドアダプタを装着して推
進を開始する。推進開始後、パイロットジヤツキ２によ
る推力（ＰＪ推力）が明らかになる。この値により、先
に決定されたパイロットヘッドアダプタが適当であるか
の再検討をエキスパートシステム部１４は行なう。ＰＪ
推力によるパイロットヘッドアダプタの選定の内容を第
１表に示す。もし、第１表の通りのＰＪ推力とパイロッ
トヘッドアダプタの関係でなければオペレータに、これ
を引き戻して適当なパイロットヘッドアダプタに変更す
るよう指示する。またＰＪ推力により、メンバシップ関
数も再検討される。その関係を第２表に示す。この時、
もし、ＰＪ推力とメンバシップ関数の関係が第２表の通
りでなければ、ＰＪ推力にあったメンバシップ関数が選
定し直なれる。

次に一例としてＰＪ推力が１３ｔｏｎで、ＤＨが一１０
ｍｍ、θＨが０．４度のときのΔＥ、の演算方法を第１
２図、第１５図を使って説明する。

まず第２表からメンバシップ関数は＜Ｃ＞であるから、
上記（１）式は、 Ｉ　Ｆ　　Ｄｏ　−ＮＭ　　ＡＮＤ θＨ−ＰＭ　　ＴＨＥＮ　　ΔＥＨ−２０Ｉ　Ｆ　　Ｄ
ｏ　−ＮＭ　　ＡＮＤ θ、−ＰＢ　　ＴＨＥＮ　　Δ１１−２０ＩＦＤ、　　
■ＺＯＡＮＤ θ、−ＰＭ　　　ＴＨＥＮ　　　ΔＥ、−ＮＭＩ　Ｆ　
　Ｄ　Ｈ−Ｚ　ＯＡ　Ｎ　Ｄ θ□−ＰＢ　　ＴＨＥＮ　　ΔＥＨ−ＮＭの４式が戊立
つ。このそれぞれの式について第１６図のようにファジ
ィ推論のｓｉｎ−ｗａｘ法及び最終出力を重心法により
求めると、 ΔＥ□−−０．５度 と決定された。

すなわち、上記４つの式のうちの１番目の式は第１２図
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すようＬ　ｆＡ　リ、ＤＨ
は０．５、θ、は０．６７で、これの小さい方をとる（
ｇ＋Ｉｎ）ことにより、ΔＥ。

は０．５となる。

２番目の式は第１３図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すよ
うになり、ＤＨはｏ、５、θ□は０゜３３、従ってΔＥ
Ｈは０．３３となる。

３番目の式は第１４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すよ
うになり、ＤＨは０．５、θ□は０゜６７、従ってΔＥ
Ｈは０．５となる。

４番目の式は第１５図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すよ
うになり、Ｄ、は０．５、θＨは０゜３３、従ってΔＥ
）ｌは０．３３となる。

以上４つのΔＥＨの■ａＸをとり、重心法によりΔＥ、
の最終出力を第１６図で求めるとΔＥ、−−０，５度と
なる。

以上のようにファジィ推論によって熟練者が決めたのと
同じ操作量が決定することができる。

この操作量は表示出力装置１５の表示部１６に表示され
るから、オペレータはこの表示を見ながら操作をする。

なお、垂直方向においてもＤＨに垂直方向の偏差を、θ
Ｈにピッチング角をそれぞれ入力すれば同様に求めるこ
とができる。

以上圧密式のパイロットジヤツキによる掘進について述
べてきたが、第９図、第１０図に示すように、後部推進
力による掘削式についても、上述した第５図、第６図に
示すもののパイロットジヤツキ推力を後部推進力に変え
、それをＦｌとすると、Ｆ、から管と土の摩撞抵抗分Ｆ
２と作動油の抵抗９１才を引けば容易にトンネル掘削機
の選択推進抵抗性、つまり推力Ｆ　（−Ｆｌ　−（Ｆ２
　＋Ｆｓ　）　）が求められるので、同様にこのシステ
ムを適用できる。

なおこの第９図、第１０図において、１９は揺動ジヤツ
キ、１９ａは後方からトランスジットにて検出するター
ゲットである。

上記実施例では、オペレータが表示出力装置１５の表示
部１６に表示された操作量を見ながら、この操作量に従
って掘進機を操作するようにした例を示したが、これは
、上記操作量だけ方向制御用アクチュエータを動かすよ
うに自動制御部により自動的に操作するようにしてもよ
い。

以下にその実施例を第２図、第４図を参照して説明する
。なおこの実施例では、上記オペレータ操作による実施
例にて示したものと同一部分は同一に示し、説明を省略
した。

第２図にその操作のためのブロック図であり、コントロ
ーラ１０にはエキスパートシステム部１４より操作量が
指示される自動制御部２０が付加されている。そしてこ
の自動制御部２０は電気コントローラ２１を通して電磁
弁２２の開閉をコントロールし、揺動用のシリンダ２３
を指示性だけ伸縮動じて揺動ジヤツキを揺動させる。こ
のときのパイロットヘッド１の変位はセンサ群９より自
動制御部２０ヘフイードバツクされる。２４は油圧ユニ
ットである。

またこの実施例のシステムフローは第４図に示すように
なり、ファジィ推論部１３と自動計測部１１との間に自
動制御部２０が位置され、ファジィ推論部１３からの揺
動操作盤の決定の指示に従って揺動操作量と現在の揺動
量の差を算出し、その差に従って揺動信号を出し、また
差がゼロの場合は揺動を停止させる。

この操作を具体的に示すと、第１２図から第１５図にて
求められた操作量（ΔＥｔｔ−−０゜５度）を操作目標
値として自動制御部２０へ指示する。自動制御部２０は
操作目標値とセンサにて検出された現在のシリンダ長と
の差を出し、その差がゼロになるように揺動用のシリン
ダ２３電気コントローラ２１を通して電磁弁２２を開閉
してコントロールする。

なおこのとき、操作不能等の不具合が生じた場合等はサ
イレン等にて警告を発する。

また常時手動に切換えることもできるようにしである。

第　　１　　表 第　　４ 表 第　　２ 表 〔発明の効果〕 本発明によれば、小口径管地中掘削機の操作において、
土質やＮ値等の土質特性及び掘削機型式に対応でき、し
かも推進中の推力から土質状態の変化を検知し、それに
あわせて、操作量を決定するファジィ推論の演算をも素
早く変更できる。

従ってより熟練したオペレータに近い操作量が表示され
、熟練していないオペレータでも熟練者並みの施工が可
能になる。

また上記操作において、上記土質状態の変化と共に、揺
動操作量と方向修正量の関係より揺動（ステアリング）
特性の変化を検知してそれに対応して操作量を決定する
ファジィ推論の演算方式を変更でき、これにより、熟練
オペレータのノウハウを生かした方向修正が自動的に達
成でき、高精度な施工が安定して実現できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、ｊ１１図。 第２図はそれぞれ異なる実施例の場合のブロック図、第
３図、第４図はそれぞれ異なる実施例の場合のシステム
フロー図、第５図（Ａ）。 （Ｂ）は小口径管用地中掘進機の掘削状態を示す構成説
明図、第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）。 ＣＤ）はそれぞれ異なる型式のパイロットヘッドアダプ
タを示す斜視図、第７図、第８図はパイロットヘッドの
姿勢を示す説明図、第９図。 第１０図は後部推進式の実施例を示す断面図、第１１図
はメンバシップ関数図、第１２図（Ａ）（Ｂ）、（Ｃ）
から第１５図（Ａ）、（Ｂ）。 （Ｃ）及び第１６図はファジィ推論による演算方法の説
明図である。 １はパイロットヘッド、２はパイロットジヤツキ、３は
パイロット管、９はセンサ群、１０はコントローラ、１
１は自動計測部、１２は入力装置、１３はファジィ推論
部、１４はエキスパートシステム、１５は表示出力押地
、２０は自動制御部。 （Ａ） （Ｅｌ） （Ａ） （８） （Ｃ） （Ｄ） 第 図 第 ０ 図 ΔＥＨ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）方向制御用アクチュエータを備えた小口径管用地
   中掘進機において、この掘進機の先端部の計画線に対す
   るズレ量、ズレ角、推進力等をセンサにより計測し、こ
   の計測値をＡ／Ｄ変換等の処理をしてコントローラに取
   込み、また入力装置にて土質特性や掘進機型式等のデー
   タをコントローラに入力し、コントローラでは、上記計
   測値とデータにて熟練オペレータの操作方法を織り込ん
   だファジィ推論により操作量を決定し、この操作量を表
   示装置にて表示し、これらの制御をコントローラ部のエ
   キスパートシステム部にて行なうようにしたことを特徴
   とする小口径管用地中掘進機の操作方法。
2. （２）ファジィ推論部から出力された操作量を表示出力
   装置に表示すると共に、エキスパートシステム部にてこ
   の操作量を自動制御部を指示し、自動制御部でこの操作
   量だけ方向制御用アクチュエータを動作するようにした
   ことを特徴とする小口径管用地中掘進機の操作方法。