JPH0363391A - シールド掘進機の自動方向制御方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、トンネル掘進中のシールド掘進機のトンネル
計画線からの姿勢、位置のずれ量を、最少にする方向に
シールド掘進機を姿勢制御するようにした、シールド掘
進機の自動方向制御方法に関するものである。

［従来の技術］ シールド掘進機の姿勢制御は、複数の推進ジヤツキによ
りシールド掘進機に推進方向に対して回転モーメントを
与えて行なっている。シールド掘進機の自動方向制御を
行なうためには、シールド掘進機に必要な姿勢変化をさ
せるのに、どれだけの大きさの回転モーメントをシール
ド掘進機に与えたら良いかを知るため、事前にシールド
現場のジヤツキ操作データを収集するなどして、シール
ド掘進機の姿勢変化角と回転モーメントとの関係を角度
−モーメント変換特性として設定する必要がある。

第２図は、このような角度−モーメント変換特性を用い
て従来から行なわれているシールド掘進機の自動方向制
御方法を示す系統図であって、ｌはシールド掘進機、２
は自動姿勢・位置計測装置を示す。自動姿勢・位置計測
装置２は、平面および縦断面において、例えば真北およ
び水平面または計測された既知の方向線からのシールド
掘進機１の姿勢ずれ角または位置ずれ量を検出する検出
器と、この検出器からの検出値と光波距離計または推進
ジヤツキのストローク計などによるシールド掘進機の掘
進距離検出値から、トンネル計画線３からの姿勢ずれ角
および位置ずれ量をリアルタイムに演算する装置から構
成されたもので、検出器の方式としてジャイロコンパス
方式、レーザ一方式、またはこれらの併用などがある。

いずれの方式を使用しても良く、この装置２からシール
ド掘進機ｌのトンネル計画線３からの姿勢ずれ角４が演
算回路１Ｂに出力される。また演算回路ｔｅでは例えば
１０ｃｍ等の単位距離後の計画線変化角５を姿勢ずれ角
４に加算し、更に姿勢は合っているが位置がずれている
場合の位置ずれ量、セグメントとテールとのクリアラン
ス等の状況から演算される任意設定変化角Ｂを加算して
目標変化角７を設定する。更に一般には、シールド掘進
機ｌの急激な姿勢変化は好ましくないので、目標変化角
７の最大値を制限するリミッタ要素８を通して指令変化
角９を出力するようにしている。

次にシールド掘進機ｌに変化角を生じさせる必要な回転
モーメントを得るために、変化角を回転モーメントに変
換するのであるが、Ｍ：回転モーメント θ：姿勢変化角 Ａ：比例係数（ゲイン） Ｂ：定数 とするとき、角度−モーメント変換特性は、Ｍ−Ａθ十
Ｂ・・・式（１） ％式％ この角度−モーメント変換特性は、水平断面における真
北からの方位方向（Ｘ軸）と、縦断面における水平から
の上下方向（Ｙ軸）とが別々にあらかじめ設定される。

そして姿勢変化角θから回転モーメントＭへの変換は、
Ｘ軸、Ｙ軸別々に行ない、変換後にＸ、　Ｙ方向のモー
メントを合成し、第３図に示すように合成モーメント１
０と合成指令変化角１１とを演算し、あらかじめ記憶さ
せておいたジヤツキパターンテーブル１４から、合成モ
ーメント１０と合成指令変化角１１に同じか、近似する
値を出すジヤツキ運転パターンを演算選択し、その選択
信号１５をシールド掘進機ｌの操作盤に出力し、操作盤
内の制御回路（いずれもシールド掘進機り側に装備され
ており図示していない）を通して選択された推進ジヤツ
キが運転される。

その結果シールド掘進機ｌの姿勢が変化し、刻々のＸ方
向、Ｙ方向の姿勢が自動姿勢・位置計測装置２により検
出され、それを受けて、単位距離ごとの実績変化角１８
が演算される。単位距離（一般には５〜１Ｏｃ１１）ご
との実績変化角１８と、ジヤツキ運転パターン１５とジ
ヤツキ運転油圧１７から求めた実績モーメント１９のデ
ータを集積して、シールド１リングの掘削が終るごとに
、オフラインで過去数リングないし数十リングのデータ
を一次相関などの手法により統計解析して更新用角度−
モーメント変換特性２０を演算作成し、それまで使用し
ていた角度−モーメント変換特性１２と比較して限度以
上の変化があれば、それまで使用していた角度−モーメ
ント変換特性１２を新たに演算作成した更新用角度−モ
ーメント変換特性２０に更新する。限度の設定または判
断基準は、指令変化角９に対する実績変化角１８の状況
により、運転者が適宜判断する。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来のシールド掘進機ｌの自動方向制御方法で
は、掘削現場の土質の変化、進行路線のカーブの度合な
どの影響によって角度−モーメント変換特性１２が一様
にならず、適確な特性の設定が困難であった。従って短
区間では、指令変化角９に対して実績変化角１８が大き
く過不足する虞れがあった。

また短区間のデータで角度−モーメント変換特性１２を
更新することは方向制御が不適確になり、特に指令変化
角９が小さく、従って実績モーメント１９も小さい区間
では、回転モーメントによる姿勢変化よりも周辺の地山
の摩擦など外的要因による影響が大きく、特性のゲイン
（比例係数）が大きく変化するので、短区間では平均化
処理をしても方向制御が不正確になることがあった。従
って更新用角度−モーメント変換特性２０の設定、更新
は、他の類似現場の実績特性または数十リング間の長区
間におけるデータの統計解析によって行なう必要があっ
た。

前記のように従来の設定された特性は、結果的に大まか
であり、短区間で特性に合わない姿勢変化をした場合に
は蛇行幅が大きくなって制御精度が悪化する虞れがあり
、指令変化角９に収れんしないで、逆に誤差が拡大する
ことがあった。

本発明はこのような従来の問題点を解決し、短区間での
角度−モーメント変換特性の変化に対して適確な制御を
行ない、制御精度を向上させることができるようにした
シールド掘進機の自動方向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］ 本発明のシールド掘進機の自動方向制御方法は、シール
ド掘進機を複数のジヤツキで推進しながらトンネルを掘
削し、自動姿勢・位置計測装置からのトンネル計画線と
前記シールド掘進機との姿勢ずれ角及び単位距離後の計
画線変化角、並びに位置ずれ量に基づく任意設定変化角
を演算回路に入力して指令変化角を演算し、あらかじめ
設定および作成しておいた角度−モーメント変換特性お
よびジヤツキパターンテーブルにより前記指令変化角を
得るために必要な回転モーメントを発生するジヤツキ運
転パターンを選択し、その選択されたジヤツキを運転し
、前記シールド掘進機に推進方向に対して回転モーメン
トを与えてシールド掘進機の推進方向を修正するシール
ド掘進機の自動方向制御方法において、シールド掘進機
の実績変化角と、実際のジヤツキ運転パターンから制御
特性として使用中のモーメント−角度変換特性に代入し
て変換された実績指令変化角とを比較し、前記実績変化
角と実績指令変化角との比較値を単位推進距離ごとにと
って一定複数の比較値を平均化要素で順次平均して移動
平均値とし、前記平均化要素から新しく移動平均値が入
力されるまでは前に入力されている移動平均値を保持し
て出力し続け、新しい移動平均値が入力されると前に入
力されている移動平均値を消去して新しい移動平均値を
保持して出力し続けるホールド要素を用い、該ホールド
要素からの出力値を補正角として前記指令変化角に加算
して前記角度−モーメント変換特性に入力し、前記平均
化要素に入力される実績変化角と実績指令変化角との比
較値と、前記ホールド要素から構成される装置平均値と
を判別要素で比較し、該判別要素での比較値が設定許容
値より小さい時には前記平均化要素からホールド要素へ
の入力を遮断し該判別要素での比較値が設定許容値より
大きい時には前記平均化要素の移動平均値をホールド要
素に入力するようにしたことを特徴とするものである。

［作　　　用］ 補正角は実績変化角と実績指令変化角１データごとの差
でなく、掘進距離１リング幅以内の最新の一定複数のデ
ータを順次平均して移動平均値を演算し、次のリングの
最初の単位距離の補正角は、前のリングの最終の補正角
を使用し、移動平均のデータ数は１リング以内であるが
、次のリングの初期は前のリングのデータと合わせ、デ
ータ数は同じで連続して平均化する。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例の系統図であって、第２図と
同一の箇所には同一符号を付しである。

本発明においては指令変化角補正演算部２１を設け、次
に説明する演算を行なうようにしている。

実際のジヤツキ運転パターン１５から、制御特性として
使用中のモーメント−角度変換特性１２’に実績モーメ
ント１９を入力して得られた実績指令変化角２２と、実
績変化角１８とを比較要素２３で比較し、比較値２４を
演算して平均化要素２５及び判別要素２６に入力する。

平均化要素２５は、１リング以内の間隔で比較値２４を
単位推進距離ごとにとり、一定した複数例えば４個ずつ
の比較値２４を順次平均して移動平均値２７とし、スイ
ッチ２８を介してホールド要素２９に入力できるように
する。スイッチ２８は次に説明するように判別要素２６
によって開閉されるようになっており、スイッチ２８が
開いている時には、ホールド要素２９は前に平均化要素
２５から入力された移動平均値２７を保持してこれを補
正角３０として加算要素３（及び判別要素２６に出力し
続け、スイッチ２８が閉じて新たな移動平均値２７が平
均化要素２５からホールド要素２９に入力されると、ホ
ールド要素２９は前の移動平均値２７を消去して新たな
移動平均値２７を保持してこれを補正角３０として加算
要素３１及び判別要素２６に出力し続ける。

判別要素２６は、平均化要素２５に入力された最新の比
較値２４と、ホールド要素２９から出力される補正角３
０即ち移動平均値２７とを比較し、その比較値が設定許
容値より大か小かを判別し、小であればスイッチ２８を
開き、大であればスイッチ２８を閉じる。このためホー
ルド要素２９が前に平均化要素２５から入力され、保持
して出力し続けている移動平均値２７と、比較要素２３
から出力される比較値２４との差が設定許容値より大き
くなれば、ホールド要素２９が保持して出力する移動平
均値２７即ち補正角３０は、更新されることになる。こ
の補正角３０は加算要素においてリミッタ要素８からの
指令変化角９に加算され、角度−モーメント変換特性１
２に入力される。

［発明の効果コ 本発明は、次のような効果がある。

（ｉ）　　シールド掘進機で掘進する地山は−様な土質
の地山は少なく、シールド掘進機と地山との摩擦抵抗も
一定でなく、突然変化してシールド掘進機の姿勢も急に
変ることがあるが、このような短区間での特性変化に対
して迅速に無理なく高精度な修正動作をすることができ
る。

■　式（１）の比例係数Ａを変えるのではなく、定数Ｂ
を補正する方法であるため、急激な修正にならず、無理
がない。

に）移動平均により急激な変化を抑え、逐次最新のデー
タにより補正することができる。

（へ）角度−モーメント変換特性を最適に設定すること
は非常に重要であるが、通常は−様な掘削環境でないた
め困難である。本発明によれば設定値は大まかでよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は従来方法
の系統図、第３図はモーメント合成を示すグラフである
。 図中、ｉはシールド掘進機、２は自動姿勢・位置計測装
置、３はトンネル計画線、４は姿勢ずれ角、５は単位距
離後の計画線変化角、６は位置ずれ量に基づく任意設定
変化角、９は指令変化角、１２は角度−モーメント変換
特性、１２′はモーメント−角度変換特性、１４はジヤ
ツキパターンテーブル、１５はジヤツキ運転パターン、
１６は演算回路、１８は実績変化角、２２は実績指令変
化角、２３は比較要素、２４は比較値、２５は平均化要
素、２６は判別要素、２７は移動平均値、２９はホール
ド要素、３０は補正角、３１は加算要素を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）シールド掘進機を複数のジャッキで推進しながらト
   ンネルを掘削し、自動姿勢・位置計測装置からのトンネ
   ル計画線と前記シールド掘進機との姿勢ずれ角、及び単
   位距離後の計画線変化角、並びに位置ずれ量に基づく任
   意設定変化角を演算回路に入力して指令変化角を演算し
   、あらかじめ設定および作成しておいた角度−モーメン
   ト変換特性およびジャッキパターンテーブルにより前記
   指令変化角を得るために必要な回転モーメントを発生す
   るジャッキ運転パターンを選択し、その選択されたジャ
   ッキを運転し、前記シールド掘進機に推進方向に対して
   回転モーメントを与えてシールド掘進機の推進方向を修
   正するシールド掘進機の自動方向制御方法において、シ
   ールド掘進機の実績変化角と、実際のジャッキ運転パタ
   ーンから制御特性として使用中のモーメント−角度変換
   特性に代入して変換された実績指令変化角とを比較し、
   前記実績変化角と実績指令変化角との比較値を単位推進
   距離ごとにとって一定複数の比較値を平均化要素で順次
   平均して移動平均値とし、前記平均化要素から新しく移
   動平均値が入力されるまでは前に入力されている移動平
   均値を保持して出力し続け、新しい移動平均値が入力さ
   れると前に入力されている移動平均値を消去して新しい
   移動平均値を保持して出力し続けるホールド要素を用い
   、該ホールド要素からの出力値を補正角として前記指令
   変化角に加算して前記角度−モーメント変換特性に入力
   し、前記平均化要素に入力される実績変化角と実績指令
   変化角との比較値と、前記ホールド要素から出力される
   移動平均値とを判別要素で比較し、該判別要素での比較
   値が設定許容値より小さい時には前記平均化要素からホ
   ールド要素への入力を遮断し該判別要素での比較値が設
   定許容値より大きい時には前記平均化要素の移動平均値
   をホールド要素に入力するようにしたことを特徴とする
   シールド掘進機の自動方向制御方法。