JPH083316B2 - 掘進機制御装置 - Google Patents

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、精度のよい掘進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
削工事における掘進機の自動制御が可能となってきた。

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57−66294,59−154291,60−44818,61
−104219,61−124818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
進の具体的な構成例を説明する。１は他表、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、PV₁₂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
パスであり、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、PV₃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、PV
₄はその測定値である。

20は掘進機４を操作するジャッキ、21は油圧Ｑのジャ
ッキへの供給量を制御する制御弁である。22はジャッキ
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に電送される。

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。PV₁₁は、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も端子箱
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、オーパ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、レベル基準点を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S₁、基準点Ｎから基準タ
ンクの液面までのレベルをS₂、両センサー18,11の圧力
測定値をPV₁₁，PV₁₂の値をP₁，P₂、液の密度をρとする
とき、 P₂＝ρ（S₁＋S₂） P₁＝ρS₂ 従って、 S₁＝（P₂／ρ）−（P₁／ρ） のように、液圧PV₁₁，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
もりかえ地点のレベルに累積加算され、基準架台を次の
もり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に予め入力
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
じた掘進機のジャッ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28側のマン
マシン機能であるCRTディスプレイ，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のディスプ
レイ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
によりジャッキ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、一部断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、偏差に対してジャッキストロークの
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。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は構成上の特徴は、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
とを具備せしめた点にある。

〈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，ジャッ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。

コントローラ部は、操作量に基づいてジャッキのスト
ロークを操作する。

支援システムは、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実施例を説明する。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
れる機能構成とジャッ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線24,26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
演算を実行すると共に、キーボード37,データ入力手段3
8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ΔＥ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,偏差の変化率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,偏差の変化率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。

PIDコントローラ40は、この様にして周期的に修正さ
れる設定値とジャッキストローク測定値PV₅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
の供給量によりジャッキを操作する。

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ェッ
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CRTティスプレイ及
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ャッキストロ
ーク制御の設定値の修正量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への操作量MV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かかの偏差Ｅに対してメンバ
ーシップ関数により演算した結果Ｅ′を、同様にジャッ
キストロークメンバーシッ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E₁〜
E₂に対応するメンバーシップ関数により演算した結果
E₁′〜E₄′を同様に対応するジャッキストロークンバー
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平偏差を直線
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離偏差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
径との距離偏差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E₄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E₄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、その一例を
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主るにより
区分される第９図のような０〜１レ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 Big NS:Negative Small ZE:Zero PS:Positive Small PB:Positive 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。NBとZE間にNE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、 a1） if E＝NB and ΔＥ＝ZE then ΔＵ＝PB b1） if E＝ZE and ΔＥ＝PB then Δ＝NB c1） if E＝PB and ΔＥ＝NB then ΔＵ＝NB d1） if E＝ZE and ΔＥ＝NB then ΔＵ＝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
メンデ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量B1,B2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ャッキ
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
ような効果が基体できる。

１）掘進制御中、常時掘進機の動向が監視できる。しか
も数値のみでなく、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に
確認できる。

２）蛇行修正が基線に対し常に収束，すり付けられる方
向で制御されるので、「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、土質情報に関しては過去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，土圧，掘進機の特性のバラツキ
などにもかかわらず、最も適切なジャッキストローク操
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14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、17……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……ジャッキストロークセ
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…
…CRTティスプレイ、46……プリンタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   ブ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。