JPH0468193A - 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
つあいまいな感覚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、１９６
４年にり、Ａ、Ｚａｄｅｎにより提案されたファジィ推
論を応用するものがある。

ファジィ推論は人間のもつあいまいさを数ｍ化して取り
扱うもので、このファジィ推論をトンネル掘削機の制御
方法に応用したものか東京電力株式会社、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（１９８ｆ
１．９．３　　第１１回関東地区例会資料）として提案
された。

上記従来のファジィ推論を用いたトンネル掘削機の制御
方法は、第１５図において、施工計画線ａに対するトン
ネル推進機すの姿勢をタゲット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Ｄｌｌ、その変
化量を△Ｄ、、、方位角をθ１１、その変化量を△θ１
１としてこれを入力変数とする。そして上記変数のＤ１
□と△θ１（、θ１１と△θ□から各々アクチュエータ
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制御規則及びメ
ンパンツブ関数を設定する。

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
きるようになった。

〔発明が解決しようとする課題〕

」二記従来のトンネル掘進機の制御方法では、ある時点
での偏差とピッチング角はヨーイング角の量（Ｄｌｌ、
　　θｕ　）とその変化量（△Ｄ１１　＋△θ１１）を
入力値としている。つまり、比例要素と微分要素を入力
値としている。

この場合、連応性に優れるが、偏差の安定性に劣り、結
果として蛇行しやすい傾向となる。

また外乱の影響を受けやすい。

本発明は上記のことにかんがみなされたもので、偏差が
安定して外乱の影響が受けにくい制御が可能となり、ま
たファジィ推論により特性や大きさの異なるトンネル掘
進機にも数学モデルを特に用いることなくオペレータの
ノウハウを織り込みやすく、パラメータ調整が容易なト
ンネル掘進機の制御方法を提案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、方向制御用アクチュエータを備え、先
端部に施工計画線に対する位置の偏差や傾きの偏差を；
１測する手段を有するトンネル掘進機において、上記位
置の偏差及び傾きの偏差を計測し、この両針測値のうち
、傾きの偏差に偏差分の補正値を織り込んだ修正した傾
きの偏差を設定し、この修正した傾きの偏差の積分値を
計算し、上記修正した傾きの偏差と、その積分値を人力
値としてファジィ制御により次回の方向制御用アクチュ
エータの最適制御量を出力するようにしている。

〔作　　用〕

ファジィ制御に対する入力値が、偏差分の補正値を織り
込んだ計画線に対する傾きの偏差と、その積分値となり
、この入力値に比例要素と積分要素が考慮される。

〔実　施　例〕

以下に、圧密式小口径地中掘進機での実施例について第
３図、第４図を参照して述べる。この実施例では、立坑
に設置したレーザトランシット２からのレーザ光３を施
工計画線としてパイロットジヤツキ４ａを有するパイロ
ットヘッド４に内蔵されたレーザターゲット５によって
パイロットヘッド４のレーザ光３からの偏差（位置のズ
レ量）とピッチング角（上下方向の傾ぎのズレ量）やヨ
ーイング角（水平方向の傾きのズレ量）を計測するシス
テムとなっている。

なお第３図、第４図において、６は揺動ジヤツキ、７は
揺動ポテンショメータ、８は傾斜側、９は信号ケーブル
、］０はパイロット管、］−１は操作盤、１２はコント
ローラ、］３は表示装置、１４はキーボード、１５は架
台である。

この構成において、パイロットヘッド４において、パイ
ロットジヤツキ４ａ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４ａを縮めながら
立坑１内に設けた図示しない後部掘進ジヤツキにてパイ
ロット管１０を押し込むことにより地中に小口径の孔が
掘進される。

そして揺動ジヤツキ６を作動することによりパイロット
ジヤツキ４ａが揺動されて掘進方向に対するステアリン
グがなされるようになってイル。上記パイロットジヤツ
キ４ａの揺動ユは揺動ポテンショメータ７にて検出され
る。

一方上記パイロッ！・ヘッド４の掘進計画線に対する姿
勢、すなわち、第５図、第６図に示すところの」二下、
左右方向の偏差、ピッチング角、ヨーイング角は第３図
に示すレーザトランシット２、レーザターゲット５に付
属する各センサにて検出され、また揺動ジヤツキ操作量
が揺動ポテンショメータ７にて検出される。

第１図は」二記小ロ径管用地中掘進機（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１６はパイロットヘッド４部に備えられたセンサ群
であり、これは、上記偏差、ヨーイング角、ピッチング
角、揺動ジヤツキ操作量を検出する各センサにて構成さ
れている。このセン→ノ゛群１６からの信号を受けるコ
ントローラ１２は、この信号を受信してＡ／Ｄ変換する
自動計測部］８と、この自動計測部１８からの信号か入
力される自動調節部］９と、ファジィ制御部２０とから
なる。そしてこのコントローラ１２からの出力信号は表
示装置１３のＣＲＴ　１−３　ａにて表示される。

第２図は本発明に係る制御方法を示すフローチャートて
あり、この第２図と上記第１図に示したブロック図にて
本発明方法を説明する。なお、この説明では水平方向に
ついてのみ述べるが、垂直方向も全く同じである。

センサ群１６にてパイロットヘッド４部の水平偏差ＤＨ
とヨーイング角θ１１を計測して、これらをコントロー
ラ１２の自動計測部１８へ入力される。またその掘進機
の特性や大きさ等より偏差補正係数αを決定する。

これらの入力変数データをファジィ制御を実施するコン
トローラ１２にインプットし、これのアラ］・プツトと
して次回の水平方向の方向制御用アクチュエータの制御
量△Ｅ　Ｈを算出する。

上記コントローラ］２では、入力された水平偏差り、、
、ヨーイング角θ、１、偏差補正係数αから修正ヨーイ
ング角Ｓθ、１として Ｓθ１１＝ｏＩＩ＋αＤ１１ と設定する。

次にこの修正ヨーイング角Ｓθ、１から、として修正ヨ
ーイング角の積分値もＳｃＩ３を算出する。この場合、
前回までの”シＳθ１（に今回のＳθ量１の符号が前回
までの“Ｔｈｓθ１１と異なる場合、前回までのΣＳθ
ＨをリセットしてΣＳθ１４−８θ、１ と算出する。

上記のＳｃＩ３（比例要素）と党Ｓθｏ　　（積分要素
）の２つの値を入力値とするファジィ制御により次回の
水平方向の方向制御アクチュエータの制御量へＥ　Ｉ＋
を算出する。

上記算出はコントローラ１２上にファジィ制御を織り込
んだプログラムをはしらせ、上記計測データを自動的に
処理することにより行なわれる。

第７図から第９図及び第１表に具体的なファジィ制御の
内容を示す。

なお、第７図は修正ヨーイング角Ｓθ□のメンバーシッ
プ関数、第８図は修正ヨーイング角の積分値ΣＳθ１．
のメンバーシップ関数、第９図は次回の水平方向制御量
△ＥＨのメンバーシップ関数をそれぞれ示す。

また第１表はそれぞれのファジィ制御ルールを示す。

そしてこ、のファジィ制御ルールは ＩＦＳθ、、＝ＸＡＮＤ　　ΣＳθ、。

＝Ｙ　　ＴＨＥＮ　　△Ｅｏ＝Ｚ と表わしている。なお、ｘ、ｙ、ｚは各々メンバーシッ
プ関数を示す。

一例としてＳθｏ＝０．２５（％）、 ΣＳθ１．＝２．０（％）のときの△ＥＨの演算方法に
ついて述べる。

第１表より使用される制御ルールは、 ＩＦｓθ＋４　＝　ＮＭ　ＡＮＤ　　ΣＳθ、、　＝　
ＰＨＴＨＥＮΔＥＨ＝ＰＳＩＦＳθｕ　＝　ＮＭ　ＡＮ
Ｄ　　ΣＳθＨ＝　ＰＢ　ＴＨＥＮΔＥＨ＝ＺＯＩＦＳ
θｎ　＝ＺＯＮＡＤ　　ΣＳθｏ　＝　ＰＨＴＨＥＮΔ
Ｅｏ＝ＺＯＩＦｓθ１．　＝　ＺＯＮＡＤ　　ΣＳ輸−
ＰＢ　ＴＩＩＥＮΔＥｎ＝ＺＯの４式が成り立つ。

これをファジィ制御のｍｉｎ−ｍａｘ法で表わし、最終
出力を重心法で求めると △Ｅｕ　＝０．　５　（度） と算出される。

すなわち、上記４つの式のうちの１番目の式は第１Ｏ図
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すようになり、ＳＯ１１は
０．５、ΣＳθ１１は０．６７で、これの小さい方をと
る（ｍｉｎ　）ことにより、△Ｅ　１１は０．５となる
。

２番Ｌ１の式は第１１図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す
ようになり、ＳＯ１１は０．５、ΣＳθ１１は０．３３
で、従って△Ｅｌ＋は０．３３となる。

３番目の式は第１２図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すよ
うになり、ＳＯ２、は０．５、ΣＳθ１゜は０．６７で
、従って△Ｅ　Ｈは０．５となる。

４番目の式は第１３図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すよ
うになり、Ｓθ□は０゜５、ΣＳθ１１は０１３３で、
従って△Ｅ　Ｈは０．３３となる。

以上４つの△Ｅ　ＩＩのｍａ×をとり、重心法により△
ＥＩｌの最終出力を第１４図で求めると、△Ｅｕ＝０．
５（度） となる。

上記実施例では、１ノ−ザターゲット５からの計測デー
タを自動的にコントローラで処理してファジィ制御を行
ない、その結果を表示装置１３のＣＲＴにて表示するシ
ステムを示したが、通常のトランシットによる目視の位
置計測によってその計測値をキーボード等によりコント
ローラにインプットするケースもあり得る。

またファジィ制御結果を表示装置１３に表示するたけで
なく、直接その結果の値どおりにアクチュエータを動か
すシステムも考えられる。

なお上記実施例は水平方向についてのみ示したが、垂直
方向も同様に求めることができる。

また第３図に示すような圧密式小口径地中掘進機だけで
なく、掘削式小径口地中掘進機やシールド機のような大
口径分野のトンネル掘進機にも同様のシステムで適用で
きる。

１　］ 第　　　　　　　１　　　　　　　表 〔発明の効果〕 本発明によれば、トンネル掘進機の方向制御において、
ファジィ制御に対する入力値が、偏差分の補正値を織り
込んだ計画線に対する傾きの偏差と、その積分値とした
ことで、比例要素と積分要素が考慮され、入力値の偏差
が安定して外乱の影響を受けにくい制御が可能となる。

またファジィ制御により、特性や大きさの異なるトンネ
ル掘進機にも数学モデルを特に用いることなく、オペレ
ータのノウハウを織り込みコ−２ やすいので、パラメータ調整が容易となり、幅広いトン
ネル掘進機の分野に同じようなシステムで適用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図はブロック
図、第２図はフローチャート、第３図は小口径管用地中
掘進機の掘削状態を示す構成説明図、第４図はパイロッ
トヘッドを示す断面図、第５図、第６図はパイロットヘ
ッドの姿勢を示す説明図、第７図、第８図、第９図はメ
ンバーシップ関数図、第１０図（Ａ）、（Ｂ）。 （Ｃ）から第１３図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び第１４
図はファジィ推論による演算方法の説明図である。第１
５図はトンネル掘進機の方向制御系を示す説明図である
。 ４はパイロットヘッド、４ａはパイロットジヤツキ、５
はレーザターゲット、６は揺動ジヤツキ、７は揺動ポテ
ンショメータ、１２はコントローラ、１３は表示装置、
１６はセンサ群、１８は自動計測部、］９は自動調節部
、２０はフ ジイ制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 方向制御用アクチュエータを備え、先端部に施工計画線
   に対する位置の偏差や傾きの偏差を計測する手段を有す
   るトンネル掘進機において、上記位置の偏差及び傾きの
   偏差を計測し、この両計測値のうち、傾きの偏差に偏差
   分の補正値を織り込んだ修正した傾きの偏差を設定し、
   この修正した傾きの偏差の積分値を計算し、上記修正し
   た傾きの偏差と、その積分値を入力値としてファジィ制
   御により次回の方向制御用アクチュエータの最適制御量
   を出力するようにしたことを特徴とするトンネル掘削機
   の制御方法。