KR101967978B1 - Apparatus for predicting net penetration rate of shield tunnel boring machine and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기 시공된 복수의 현장 각각에 대응하여, 상기 현장에 대해 계측된 복수의 지반 인자 및 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 저장한 데이터베이스와, 상기 복수의 지반 인자에 대응하는 좌표점을 입력 벡터 공간에 투영하여 상기 현장 각각의 좌표점을 복수의 군집으로 퍼지 클러스터링하는 클러스터링부와, 상기 퍼지 클러스터링에 의한 소속 함수를 기초로 구축되는 적응형 뉴로 퍼지 신경망의 입력 노드와 출력 노드에 각각 상기 복수의 지반 인자와 상기 현장 관입 지수를 적용하여, 상기 신경망을 학습시키는 신경망 학습부, 및 시공 대상 현장에 대해 획득한 복수의 지반 인자를 상기 학습된 신경망에 입력시켜 상기 시공 대상 현장에 대한 현장 관입 지수를 예측하는 예측부를 포함하는 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 과거 시공 현장에서 획득된 지반 인자들 및 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 적응형 뉴로 퍼지 신경망에서 훈련시켜 구축한 ANFIS 훈련 모델을 이용하여, 시공대상 현장의 지반 데이터만으로 현장 관입 지수를 쉽게 예측하고, 나아가 이를 토대로 쉴드 TBM의 순굴진속도를 신뢰성 있게 예측할 수 있어, 시공대상 현장에 필요한 공사비 및 공사 시간의 예측 오차를 크게 줄일 수 있다.
The present invention relates to an apparatus and method for predicting a net pumping speed of a shield TBM. According to the present invention, there are provided a database storing a plurality of ground factors measured for the site and a site penetration index of the shield TBM, corresponding to each of the plurality of sites constructed in the past, and a database storing coordinate points corresponding to the plurality of ground factors A clustering unit for fuzzy-clustering the coordinate points of each of the sites into a plurality of clusters by projecting the clusters in an input vector space; A neural network learning unit that learns the neural network by applying a plurality of ground factors and the on-the-spot penetration index, and inputs a plurality of ground factors acquired on the on-site to the learned neural network, An apparatus for estimating a net pumping speed of a shield TBM including a predictor for predicting an exponent is provided.
According to the present invention, by using the ANFIS training model constructed by training the ground penetration index of the shield TBM in the adaptive neuro fuzzy neural network obtained from the past construction site, the site penetration index It is possible to reliably predict the net pumping speed of the shield TBM on the basis of this prediction, and thus the prediction error of the construction cost and the construction time required for the construction site can be greatly reduced.

Description

쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치 및 그 방법{Apparatus for predicting net penetration rate of shield tunnel boring machine and method thereof}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to an apparatus for predicting a net boring speed of a shield TBM,

본 발명은 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시공대상 현장에 사용되는 쉴드 TBM(shield Tunnel Boring Machine)의 순굴진속도를 신뢰성 있게 예측할 수 있는 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for predicting a net TBM of a shield TBM, and more particularly, to a shield TBM (TBM) capable of reliably predicting a net boring speed of a shield TBM And a method thereof.

국내에서는 전기 공급을 위한 선로의 지중화를 위해 터널식 전력구를 많이 건설하는 추세이다. 전력구 터널은 기계식 터널 굴착기 즉, 쉴드 TBM(Shield Tunnel Boring Machine)에 의해 주로 건설된다.In Korea, there is a tendency to construct a lot of tunnel type electric power facilities for the undergroundization of the line for electric supply. The power tunnel is mainly constructed by a mechanical tunnel excavator, or Shield Tunnel Boring Machine (TBM).

신뢰성 있는 공사비 또는 공사 기간을 예측하기 위해서는 설계 단계에서 쉴드 TBM의 성능을 정확하게 예측하는 것이 매우 중요하다. 쉴드 TBM의 성능 중에서 대표적으로 순굴진속도(PR;Penetration Rate)가 있다. 이러한 순굴진속도는 시간당 지반을 굴착하는 거리로 정의될 수 있다. 순굴진속도에 쉴드 TBM의 가동률을 곱하면 최종적으로 공사기간과 그에 따른 공사비가 산정되기 때문에, 순굴진속도는 매우 중요한 요소라 할 수 있다.It is very important to accurately predict the performance of the shield TBM at the design stage in order to predict reliable construction cost or construction period. Among the performance of the shield TBM, there is typically a net penetration rate (PR). This net pumping speed can be defined as the distance excavating the ground per hour. The net pumping speed is a very important factor because multiplying the net pumping speed by the operation rate of the shield TBM finally calculates the construction period and the construction cost accordingly.

그런데, 현재 국내에서는 시추 샘플의 일축압축강도(USC;Uniaxial Compressive Strength) 즉, 암반의 강도에 따라 전력구 터널에 사용되는 쉴드 TBM의 순굴진속도를 예측하고 있는 실정이다. 일축 압축 강도만으로 순굴진속도를 예측한다는 것은 암반에 존재하는 다양한 특성을 반영하지 못함을 의미하며 이는 예측 오차를 증가시키는 원인이 된다. However, in Korea, the net pumping speed of the shield TBM used in the power tunnel is predicted according to the Uniaxial Compressive Strength (USC) of the drilling sample. Predicting net pumping speed only by uniaxial compressive strength does not reflect various characteristics existing in rock mass, which causes increase of prediction error.

또한, 국내에서 회귀 분석 등의 통계 기법을 이용하여 쉴드 TBM의 순굴진속도를 예측한 사례가 존재하지만 통계 분석의 복잡도가 높고 요소 간의 상관관계가 크지 않아 예측 능력에 한계가 따르는 문제점이 있다.Also, there is a case that the net pumping speed of the shield TBM is predicted using the statistical techniques such as regression analysis in Korea, but there is a problem that the complexity of the statistical analysis is high and the correlation between the elements is not so large, so the prediction ability is limited.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제0769499호(2007.10.24 공고)에 개시되어 있다.The technology that is the background of the present invention is disclosed in Korean Patent No. 0769499 (published on October 24, 2007).

본 발명은, 시공대상 현장에 사용되는 쉴드 TBM의 순굴진속도를 신뢰성 있게 예측할 수 있는 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for predicting net pumping speed of a shield TBM that can reliably predict a net pumping speed of a shield TBM used in a field to be applied.

본 발명은, 기 시공된 복수의 현장 각각에 대해, 상기 현장에 대응하여 계측된 복수의 지반 인자 및 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 저장한 데이터베이스와, 상기 복수의 지반 인자에 대응하는 좌표점을 입력 벡터 공간에 투영하여 상기 현장 각각의 좌표점을 복수의 군집으로 퍼지 클러스터링하는 클러스터링부와, 상기 퍼지 클러스터링에 의한 소속 함수를 기초로 구축되는 적응형 뉴로 퍼지 신경망(ANFIS)의 입력 노드와 출력 노드에 각각 상기 복수의 지반 인자와 상기 현장 관입 지수를 적용하여, 상기 신경망을 학습시키는 신경망 학습부, 및 시공 대상 현장에 대해 획득한 복수의 지반 인자를 상기 학습된 신경망에 입력시켜 상기 시공 대상 현장에 대한 현장 관입 지수를 예측하는 예측부를 포함하는 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치를 제공한다.The present invention is characterized by comprising: a database storing, for each of a plurality of sites constructed in the past, a plurality of ground factors measured in response to the site and a site penetration index of a shield TBM; and a coordinate point corresponding to the plurality of ground factors A clustering unit for fuzzy-clustering the coordinate points of the respective sites on a plurality of clusters by projecting in a vector space, and an input node and an output node of an adaptive neuro fuzzy neural network (ANFIS) constructed based on the membership function by the fuzzy clustering A neural network learning unit for learning the neural network by applying the plurality of ground factors and the site penetration index to each of the plurality of ground factors and the plurality of ground factors acquired for the construction target site to the learned neural network, And a predictor for predicting a site penetration index.

또한, 상기 예측부는, 상기 예측한 현장 관입 지수 및 상기 쉴드 TBM의 기계 인자를 기초로 상기 쉴드 TBM의 순굴진속도를 예측할 수 있다.In addition, the predictor may estimate the net pumping speed of the shield TBM based on the predicted penetration index and the mechanical factor of the shield TBM.

또한, 상기 예측부는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 순굴진속도를 연산할 수 있다.Also, the predicting unit may calculate the net pumping speed using the following equation.

Figure 112017037918796-pat00001
Figure 112017037918796-pat00001

여기서, Fn은 상기 쉴드 TBM의 커터 당 추력, RPM은 상기 쉴드 TBM의 분당 회전수, FPI는 상기 예측한 현장 관입 지수를 나타낸다.Where F n is the thrust per cutter of the shield TBM, RPM is the number of revolutions per minute of the shield TBM, and FPI is the predicted on-site penetration index.

또한, 상기 복수의 지반 인자는, 상기 지반에 대한 일축압축강도, 탄성계수, 탄성파 속도, 암반 등급, 암질지수, 루전값, 흡수율 중 적어도 두 개의 인자를 포함할 수 있다.In addition, the plurality of ground factors may include at least two factors of unconfined compressive strength, elastic modulus, elastic wave velocity, rock grade, rock quality index, lean value, and absorption coefficient with respect to the ground.

또한, 상기 현장에 대응하여 저장된 현장 관입 지수(FPI)는 아래의 수학식으로 결정될 수 있다.In addition, the field penetration index (FPI) stored corresponding to the field can be determined by the following equation.

Figure 112017037918796-pat00002
Figure 112017037918796-pat00002

여기서, Fn은 상기 쉴드 TBM의 커터 당 추력, Pe는 상기 현장에서 계측된 상기 TBM의 커터헤드 1회전당 관입 깊이를 나타낸다.Where F n is the thrust per cutter of the shield TBM and Pe is the penetration depth per revolution of the cutter head measured at the field.

그리고, 본 발명은, 기 시공된 복수의 현장 각각에 대해, 상기 현장에 대응하여 계측된 복수의 지반 인자 및 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 데이터베이스에 저장하는 단계와, 상기 복수의 지반 인자에 대응하는 좌표점을 입력 벡터 공간에 투영하여 상기 현장 각각의 좌표점을 복수의 군집으로 퍼지 클러스터링하는 단계와, 상기 퍼지 클러스터링에 의한 소속 함수를 기초로 구축되는 적응형 뉴로 퍼지 신경망(ANFIS)의 입력 노드와 출력 노드에 각각 상기 복수의 지반 인자와 상기 현장 관입 지수를 적용하여, 상기 신경망을 학습시키는 단계, 및 시공 대상 현장에 대해 획득한 복수의 지반 인자를 상기 학습된 신경망에 입력시켜 상기 시공 대상 현장에 대한 현장 관입 지수를 예측하는 단계를 포함하는 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 방법을 제공한다.The present invention further includes a step of storing, in a database, a plurality of ground factors measured in correspondence with the site and a site penetration index of the shield TBM for each of a plurality of sites installed in the site, A step of fuzzy-clustering coordinate points of each of the sites into a plurality of clusters by projecting coordinate points on an input vector space, and input nodes of an adaptive neuro fuzzy neural network (ANFIS) constructed based on the membership function by the fuzzy clustering And applying the plurality of ground factors and the site penetration index to the output nodes to learn the neural network, and inputting a plurality of ground factors acquired for the site to be constructed into the learned neural network, And estimating the net penetration index for the shield TBM.

본 발명에 의하면, 과거 시공 현장에서 획득된 지반 인자들 및 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 적응형 뉴로 퍼지 신경망에서 훈련시켜 구축한 ANFIS 훈련 모델을 이용하여, 시공대상 현장의 지반 데이터만으로 현장 관입 지수를 쉽게 예측하고, 나아가 이를 토대로 쉴드 TBM의 순굴진속도를 신뢰성 있게 예측할 수 있어, 시공대상 현장에 필요한 공사비 및 공사 시간의 예측 오차를 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, by using the ANFIS training model constructed by training the ground penetration index of the shield TBM in the adaptive neuro fuzzy neural network obtained from the past construction site, the site penetration index It is possible to reliably predict the net pumping speed of the shield TBM based on the prediction, and thus the prediction error of the construction cost and the construction time required for the construction site can be greatly reduced.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 장치를 이용한 순굴진속도 예측 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 퍼지 클러스터링의 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 ANFIS 훈련 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 현장 관입 지수 및 순굴진속도를 예측하는 계념을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 순굴진속도 예측 방법을 요약 설명하는 도면이다.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an apparatus for predicting a net pumping speed of a shield TBM according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
2 is a diagram illustrating a method of predicting a net pumping speed using the apparatus of FIG.
3 is a diagram illustrating the principle of fuzzy clustering in an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an ANFIS training process in an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining the tendency of predicting a site penetration index and a net pumping speed in the embodiment of the present invention. FIG.
6 is a view for explaining a net pumping speed prediction method according to an embodiment of the present invention.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

본 발명은 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 터널 굴착기의 하나인 쉴드 TBM(Shield Tunnel Boring Machine) 장비(이하, 쉴드 TBM)의 순굴진속도(PR;Penetration Rate)를 신뢰성 있게 예측할 수 있는 기법을 제시한다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating the net pumping speed of a shield TBM, and more particularly, to an apparatus and method for predicting a net pumping speed of a shield TBM, in which reliability of a shield TBM (Shield Tunnel Boring Machine) We suggest a technique that can be predicted.

순굴진속도는 쉴드 TBM이 시간당 지반을 굴착하는 거리로 정의된다. 특히 순굴진속도는 공사 기간과 공사 비용의 산정에 필수적인 설계 인자이며, 보다 신뢰성 있게 예측될수록 공사 시간과 공사 비용을 크게 절감할 수 있으므로 매우 중요한 요소라 볼 수 있다.The net pumping speed is defined as the distance at which the shield TBM excavates the ground per hour. In particular, the net pumping speed is an important design factor for estimating the construction period and the construction cost, and it can be regarded as a very important factor because it can reduce the construction time and construction cost more reliably.

본 발명의 실시예는 과거 시공 현장 별로 축적된 지반 인자(지반 데이터)들과 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 적응형 뉴로 퍼지 신경망(AMFIS;Adaptive Neuro Fuzzy Inference System)에서 학습시켜 ANFIS 훈련 모델을 얻고, ANFIS 훈련 모델을 이용하여 현재 시공 대상이 되는 현장에 대한 지반 데이터의 입력만으로 그에 대응하는 현장 관입 지수를 용이하게 도출할 수 있다.In the embodiment of the present invention, an ANFIS training model is obtained by learning the ground factor (ground data) accumulated in each past construction site and the penetration index of the shield TBM in an adaptive neuro fuzzy inference system (AMFIS) Using the ANFIS training model, it is possible to easily obtain the corresponding site penetration index only by inputting the ground data for the site to be constructed.

쉴드 TBM의 전단에는 지반을 절삭하도록 회전하면서 전진하는 원판 형상의 커터헤드(cutter head)를 포함하고 있다. 커터헤드는 복수의 커터들을 포함하며 커터헤드의 회전 시 커터들에 의해 지반(암반)이 절삭되면서 터널이 굴착된다.The front end of the shield TBM includes a circular cutter head that advances while rotating so as to cut the ground. The cutter head includes a plurality of cutters, and the tunnel is excavated while the ground (rock) is cut by the cutters when the cutter head is rotated.

현장 관입 지수(FPI;Field Penetration Index)는 커터헤드의 관입 깊이와 관련한 요소이다. 본 발명의 실시예에서, 초기에 신경망 학습(훈련 모델 구축)에 사용된 현장 관입 지수의 경우 과거 현장 시공 시에 실제 측정을 통하여 얻은 값에 해당하며, 추후 시공 대상 현장을 대상으로 도출한 현장 관입 지수의 경우 훈련 모델을 통해 예측한 값에 해당한다.The Field Penetration Index (FPI) is an element related to the penetration depth of the cutter head. In the embodiment of the present invention, in the case of the initial penetration index used in the neural network learning (construction of the training model), it corresponds to the value obtained through the actual measurement at the time of the past field construction, The index corresponds to the value predicted through the training model.

시공 예정의 현장에 대한 쉴드 TBM의 현장 관입 지수(FPI)를 예측하게 되면 이를 토대로 쉴드 TBM의 순굴진속도(PR)까지 예측이 가능해진다. 즉, 예측한 현장 관입 지수와 기 알고 있는 쉴드 TBM의 기계 인자를 조합하여 연산하면 쉴드 TBM의 순굴진속도를 예측할 수 있다. 이에 대해서는 추후 상세히 설명할 것이다.Based on this, it is possible to estimate the net penetration rate (PR) of the shield TBM by predicting the on-site penetration index (FPI) of the shield TBM for the planned site. That is, the net penetration rate of the shield TBM can be predicted by combining the predicted penetration index and the known mechanical factors of the shield TBM. This will be described in detail later.

이상과 같이 본 발명의 실시예는 현재의 시공대상 현장에 대한 지반 인자들(지반 데이터)만으로 시공대상 현장에 대한 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 1차적으로 예측하며, 예측한 현장 관입 지수를 기초로 쉴드 TBM의 순굴진속도를 2차적으로 예측함으로써 공사기간 및 비용의 예측 오차를 현저히 줄일 수 있다. As described above, according to the embodiment of the present invention, the site penetration index of the shield TBM for the site to be constructed is predominantly predicted only by the ground factors (ground data) for the current site to be constructed and based on the predicted site penetration index By predicting the net pumping speed of shield TBM in a secondary way, prediction errors of construction period and cost can be significantly reduced.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an apparatus for predicting net pumping speed of a shield TBM according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 장치를 이용한 순굴진속도 예측 방법을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a view showing a configuration of an apparatus for predicting a net pumping speed of a shield TBM according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a method of predicting a net pumping speed using the apparatus of FIG.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치(100)는 데이터베이스(110), 클러스터링부(120), 신경망 학습부(130), 예측부(140)를 포함한다.1 and 2, an apparatus 100 for predicting a net TBM of a shield TBM according to an embodiment of the present invention includes a database 110, a clustering unit 120, a neural network learning unit 130, a predictor 140 ).

먼저, 데이터베이스(110)는 기 시공된 복수의 현장 각각에 대해, 현장에 대응하여 계측된 복수의 지반 인자 및 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 저장하고 관리한다(S210). First, the database 110 stores and manages a plurality of ground factors and shield penetration indices of the shield TBM measured in response to the field, respectively, for each of the plurality of installed sites (S210).

데이터베이스(110)는 과거 시공된 현장에서 얻은 지반 인자들과 TBM의 현장 관입 지수에 관한 데이터를 현장 별로 저장 및 관리하고 있으며, 추후 이들 데이터는 적응형 뉴로 퍼지 신경망(ANFIS)의 훈련용 데이터로 활용된다. 지반 인자들은 신경망의 입력 벡터로 사용되고 현장 관입 지수는 입력 벡터에 대한 신경망의 출력 값으로 사용된다. 여기서 물론, 새로운 현장의 시공이 완료되면 지속적으로 현장 데이터가 데이터베이스(110)에 추가 및 업데이트될 수 있다.The database 110 stores and manages the data on the ground penetration index of the TBM and the ground factors obtained from the past construction site, and these data are used as data for training of the adaptive neurofuzzy neural network (ANFIS) do. The ground factor is used as the input vector of the neural network and the field penetration index is used as the output value of the neural network for the input vector. Here, of course, when the construction of the new site is completed, the site data can be continuously added and updated to the database 110.

현장의 지반 인자로는 지반의 일축압축강도(USC;Uniaxial Compressive Strength), 탄성계수(Elastic modulus), 탄성파 속도(탄성파 p파 속도; Elastic p-wave), 암반 등급(RMR;Rock Mass Rating), 암질지수(RQD;Rock Quality Designation), 루전값(Lugeon value), 흡수율(Absorption ratio) 등이 있다.Uniaxial Compressive Strength, Elastic Modulus, Elastic P-wave, Rock Mass Rating (RMR), and Rock Mass Rating (RMS) Rock Quality Designation (RQD), Lugeon value, and Absorption ratio.

본 발명의 실시예에서 신경망의 훈련 데이터로 사용되는 지반 인자는 상술한 7가지 인자들 중 적어도 2개의 인자를 포함할 수 있다. 즉, 2개 혹은 그 이상의 지반 인자들을 신경망의 입력에 사용할 수 있다. In the embodiment of the present invention, the ground factor used as the training data of the neural network may include at least two factors among the seven factors described above. That is, two or more ground factors can be used to input the neural network.

이하의 본 발명의 실시예는 설명의 편의상 2개의 지반 인자를 활용하는 것을 예시한다. 물론 지반 인자들의 종류가 다양할수록 훈련의 복잡도가 증가하는 대신 신경망의 출력(현장 관입 지수) 값에 대한 예측 정확도를 높일 수 있다.The following embodiments of the present invention illustrate utilizing two ground factors for convenience of explanation. Of course, as the types of soil parameters vary, the accuracy of prediction of the output of the neural network (field penetration index) can be increased instead of the training complexity.

지반 인자들 중 일축압축강도는 암반의 강도를 나타내는 인자이며, 탄성계수는 암반의 탄성정도를 나타내는 인자로서, 값이 작을수록 변형 정도가 크고 값이 클수록 변형이 어렵다. 탄성파 p파 속도는 암반의 p파 전달 속도를 의미한다.The unconfined compressive strength is a factor that indicates the strength of the rock mass. The elastic modulus is a factor that indicates the degree of elasticity of the rock. The smaller the value, the greater the degree of deformation. The elastic wave p wave velocity means the p wave propagation velocity of the rock.

암반등급은 암반상태를 종합적으로 나타내는 인자로서 0~100까지 나타내며 값이 클수록 암반상태가 좋고 굴진(굴착)이 어려운 것을 의미한다. 암질지수는 암반의 절리(비슷한 말로는 균열) 상태를 나타내는 인자로 0~100까지 나타내며 값이 클수록 암반상태가 좋은 것을 나타낸다.The rock grade is a comprehensive factor indicating the rock condition, ranging from 0 to 100. The larger the value, the better the rock condition and the more difficult it is to excavate. The rock quality index is a factor indicating the joint condition (similar to crack) of rock mass, ranging from 0 to 100. The larger the value, the better the rock condition.

루전값은 암반의 물 투수율을 표현하는 단위로, 루전값이 클수록 물의 투수율이 높은 것을 의미한다. 흡수율은 암반의 물 흡수 정도를 표현하는 인자로, 값이 클수록 흡수 정도가 높은 것을 의미한다.The leeway value is a unit expressing the water permeability of the rock. The larger the leeway value, the higher the water permeability of the water. The absorption rate is a factor that expresses the degree of water absorption of the rock. The larger the value, the higher the degree of absorption.

물론, 데이터베이스(110)는 크게 지반 인자 및 TBM 기계 인자를 관리하며, 지반 인자로는 앞서 설명한 요소들을 관리하고, 기계 인자로는 현장 관입 지수(FPI) 외에도 총 추력, 커터당 추력(Fn), RPM, 커터 개수 등을 관리할 수 있다.Of course, the database 110 manages the ground factor and the TBM mechanical factor, and manages the aforementioned factors as the ground factor. As a mechanical factor, the total thrust, the per-cutter thrust F n , , RPM, and number of cutters.

이와 같은 TBM 기계 인자들은 기 시공 현장에서 측정 가능한 인자들에 해당한다. TBM 기계 인자 중에서, 총 추력은 쉴드 TBM의 전체 추진력, 커터당 추력(Fn)은 총 추력을 커터 개수로 나누어 계산한 값, 그리고 RPM은 쉴드 TBM(상세하게는 커터헤드)의 분당 회전수를 나타낸다. These TBM mechanical factors correspond to measurable factors at the construction site. In the TBM machine factor, the total thrust is the total thrust of the shield TBM, the thrust per cutter (F n ) is calculated by dividing the total thrust by the number of cutters, and the RPM is the shield TBM (specifically the cutter head) .

또한, 현장에 대응하여 저장된 현장 관입 지수(FPI)는 아래의 수학식 1에 의해 결정된다.Also, the site penetration index (FPI) stored in response to the site is determined by the following equation (1).

Figure 112017037918796-pat00003
Figure 112017037918796-pat00003

여기서, Fn은 쉴드 TBM의 커터 당 추력, Pe는 현장에서 계측된 쉴드 TBM의 커터헤드 1회전당 관입 깊이를 나타낸다. 이러한 FPI는

Figure 112017037918796-pat00004
로 표현된다.Where F n is the thrust per cutter of the shield TBM and P e is the penetration depth per turn of the cutter head of the shield TBM measured in the field. These FPIs
Figure 112017037918796-pat00004
Lt; / RTI >

물론, 앞서 설명한 바와 같이, 데이터베이스(110)의 자료 중 실제 훈련(학습)에 사용되는 자료는 다수의 지반 인자들 중 선택된 적어도 두 개의 인자와, TBM 기계 인자 중 현장 관입 지수만 해당된다.Of course, as described above, the data used for the actual training (learning) of the data of the database 110 includes only at least two factors selected from a plurality of ground factors, and the TBM mechanical factor only.

다음, 데이터베이스(110)에 구축된 데이터를 기초로, 클러스터링부(120)는 현장 각각 별로 복수의 지반 인자에 대응하는 하나의 좌표점(자료점)을 입력 벡터 공간에 투영한 후, 현장 각각에 대한 좌표점을 복수의 군집으로 퍼지 클러스터링(Fuzzy Clustering)한다(S220).Next, based on the data constructed in the database 110, the clustering unit 120 projects one coordinate point (data point) corresponding to a plurality of ground factors for each site into the input vector space, And fuzzy clustering is performed on the coordinate points with a plurality of clusters (S220).

이에 따라, 입력 벡터 공간 내에는 현장 하나당 하나의 좌표점이 해당 위치에 투영되며, 각각의 좌표점은 퍼지 클러스터링 기법을 통하여 다수의 군집(다수의 클러스터)으로 클러스터링된다. Accordingly, one coordinate point is projected to the corresponding position in the input vector space, and each coordinate point is clustered into a plurality of clusters (a plurality of clusters) through the fuzzy clustering technique.

퍼지 클러스터링은 기 공지된 방식이나 그 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. 퍼지 클러스터링은 소속 함수(멤버쉽 함수)를 이용하여 각 데이터(좌표)를 모든 클러스터에 연관되도록 정의하는 기법이다.Fuzzy clustering is a well-known method and its principle is briefly described as follows. Fuzzy clustering is a technique for defining each data (coordinate) to be associated with all clusters using membership function (membership function).

퍼지 클러스터링은 소프트 클러스터링이라 불리며 하드 클러스터링과는 구분된다. 하드 클러스터링은 각 데이터가 정확하게 하나의 클러스터(군집)에 속하며 이때 가중치는 1이 되며 나머지 속하지 않는 클러스터에 대한 가중치는 0이 된다.Fuzzy clustering is called soft clustering and is different from hard clustering. Hard clustering means that each piece of data belongs to exactly one cluster (cluster), with a weight of 1 and a weight of 0 for the remaining clusters.

하지만, 소프트 클러스터링 즉, 퍼지 클러스터링은 각 데이터가 특정한 클러스터에 속하지 않고 각 클러스터의 중심점을 기준으로 데이터가 클러스터에 얼마만큼 소속되어 있는지를 가중치로서 표현하는 기법이며 이때 가중치의 총 합은 1이 된다.However, the soft clustering, that is, the fuzzy clustering, is a technique in which each data does not belong to a specific cluster but represents how much data belongs to the cluster with respect to the center point of each cluster as a weight.

도 3은 본 발명의 실시예에서 퍼지 클러스터링의 원리를 설명하는 도면이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 2개의 지반 인자(ex, 일축압축강도, 암반등급)를 입력 벡터 공간에 투영하여 퍼지 클러스터링을 수행하는 것을 예시로 한다.3 is a diagram illustrating the principle of fuzzy clustering in an embodiment of the present invention. Hereinafter, for convenience of explanation, it is exemplified that fuzzy clustering is performed by projecting two ground factors (ex, uniaxial compressive strength, rock grade) into an input vector space.

2개의 지반 인자(x1, x2)를 이용하는 경우에는 도 3에 도시된 것과 같이 2차원의 입력 벡터 공간에서 퍼지 클러스터링이 이루어진다. When two ground factors (x1, x2) are used, fuzzy clustering is performed in a two-dimensional input vector space as shown in Fig.

이때, x1은 일축압축강도, x2는 암반등급인 것으로 가정하며, 2차원 벡터 공간의 가로축은 x1 값, 세로축은 x2 값을 나타낸다. 각각의 현장 별로, 현장의 일축압축강도(x1) 및 암반 등급(x2)이 만나는 좌표점을 투영하게 되면, N개 현장에 대응하는 N개의 좌표점이 찍히게 된다. At this time, it is assumed that x1 is the uniaxial compressive strength and x2 is the rock grade. The horizontal axis of the two-dimensional vector space represents the x1 value, and the vertical axis represents the x2 value. For each site, when the uniaxial compressive strength (x1) of the site and the coordinate point where the rock grade (x2) meet are projected, N coordinate points corresponding to N sites are plotted.

도 3은 퍼지 클러스터링을 이용하여 각각의 좌표점을 2개의 군집(그룹 1, 그룹 2)으로 분류한 것을 예시한다. 각 군집은 완전히 독립된 군집이 아닌 가중치에 따라서 서로를 어느 정도 공유하게 된다. 3 illustrates the classification of each coordinate point into two clusters (group 1 and group 2) using fuzzy clustering. Each cluster shares a certain degree with each other according to the weight, not the completely independent cluster.

군집을 나누는 원리는 다음과 같다. 나누고자 하는 군집의 개수를 설정하고 각 군집의 중심을 초기 설정한다. 도 3의 경우 군집의 개수를 2로 설정한 것이다.The principle of dividing the cluster is as follows. Set the number of clusters to divide and initialize the center of each cluster. In FIG. 3, the number of clusters is set to two.

다음의 수학식 2는 퍼지 클러스터링을 위해 사용되는 수식으로서 기존에 공지된 것에 해당한다.Equation (2) corresponds to a conventionally known formula used for fuzzy clustering.

Figure 112017037918796-pat00005
Figure 112017037918796-pat00005

여기서, K는 군집(클러스터)의 개수, n은 관측치(좌표점)의 개수, xi는 i번째 관측치, ck는 k번째 클러스터의 중심, d(a,b)2는 a와 b 간 거리의 제곱을 나타낸다. Wik는 k번째 군집에서 i번째 관측치의 가중치로서 i번째 관측치가 속하는 소속 정도로 0과 1 사이의 실수이고, p는 퍼지화 계수로서 1에 가까울수록 군집 간 공유 정도가 거의 없고 1보다 커질 경우 각 군집 간 공유 정도는 점점 증가한다.Here, K is the number, x i of the number, n is the observation (coordinate points) of clusters (cluster) is the i th observation, c k is k the center of the second cluster, d (a, b) 2 is between a and b, the distance ≪ / RTI > W ik is the weight of the i th observations in the kth cluster, and is the real number between 0 and 1 as belonging to the i th observation. P is the fuzzy coefficient, the closer to 1, the less the degree of sharing among the clusters. The degree of sharing between communities increases.

수학식 2의 원리를 요약하면, 군집 내 관측치(좌표점)들 간의 유사성을 최대화하기 위하여, i번째 관측치와 k번째 군집의 중심과의 거리의 제곱합(

Figure 112017037918796-pat00006
)을 최소화하고, 이와 동시에 군집 간 비유사성을 최대화하기 위하여, 군집의 중심 간 거리의 합을 최대화하는 반복적인 최적화 연산을 통해 군집을 나누게 된다.To summarize the principle of Equation (2), in order to maximize the similarity between observations in a cluster (coordinate points), the sum of the squares of the distances between the i-th observation and the center of the k-th cluster
Figure 112017037918796-pat00006
), And at the same time, to maximize the dissimilarity between the clusters, the clusters are divided through the iterative optimization operation which maximizes the sum of the distances between the centers of the clusters.

각 군집의 무게중심은 해당 군집에 속한 정도를 비중으로 두어 모든 점들의 평균을 계산한 값이 된다. 그리고 각각의 관측치가 특정 군집에 속할 가능성인 가중치를 고려한 것을 알 수 있다. 또한 클러스터의 중심으로부터 먼 데이터는 잡음으로 생각하여 소속도를 감소시키고 반대로 중심으로부터 가까운 데이터는 소속도를 증가시킨다.The center of gravity of each cluster is calculated by averaging all points with the gravity belonging to the cluster. We can also see that each observation takes into account the weights that are likely to belong to a particular cluster. Also, the data far from the center of the cluster are regarded as noise, and the membership is decreased. On the contrary, the data near the center increases the membership.

이러한 퍼지 클러스터링의 결과, 도 3의 상측과 우측 그림과 같이 x1에 대한 소속 함수와, x2에 대한 소속 함수를 각각 얻을 수 있다. 이때, 두 개의 군집으로 분류한 경우이므로 각각의 소속 함수는 두 개의 퍼지 집합을 가진다. 도 3의 소속 함수를 보면, 모두 두 개의 집합으로 이루어져 있으며 두 집합이 일부 겹쳐져 있는 것을 볼 수 있다. 두 집합의 좌측은 넘버 1, 우측은 넘버 2로 하면, x1의 소속 함수는 A1(좌), A2(우)의 두 퍼지 집합을 가지고, x2의 소속 함수는 B1(좌), B2(우)의 두 퍼지 집합을 가진다.As a result of the fuzzy clustering, the membership function for x1 and the membership function for x2 can be obtained as shown in the upper and right side of Fig. In this case, since the two clusters are classified, each belonging function has two fuzzy sets. Referring to FIG. 3, it can be seen that all of the two sets are overlapped. If the left and right sides of the two sets are number 1 and number 2, the belonging function of x1 has two fuzzy sets A1 (left) and A2 (right), and the belonging functions of x2 are B1 (left) Of the fuzzy set.

이상과 같은 퍼지 클러스터링 단계는 다음 단계인 ANFIS 훈련 단계에서 사용되는 소속 함수(멤버십 함수)와 If_then_규칙을 설정하는데 그 목적이 있다. The purpose of the fuzzy clustering is to set the membership functions and the If_then_ rules that are used in the next ANFIS training phase.

퍼지 클러스터링이 완료되면, 신경망 학습부(130)는 퍼지 클러스터링에 의한 소속 함수를 기초로 구축되는 적응형 뉴로 퍼지 신경망(ANFIS)의 입력 노드와 출력 노드에 각각 복수의 지반 인자와 현장 관입 지수를 적용하여, 신경망을 학습시킨다(S230).When the fuzzy clustering is completed, the neural network learning unit 130 applies a plurality of ground factors and a site penetration index to the input node and the output node of the adaptive neuro fuzzy neural network (ANFIS) constructed based on the membership function by fuzzy clustering And the neural network is learned (S230).

도 4는 본 발명의 실시예에서 ANFIS 훈련 과정을 설명하는 도면이다. ANFIS 훈련단계에서는 도 4와 같이 퍼지화층, 규칙층, 정규화층, 역퍼지화층 그리고 합계뉴런층을 포함한 5단계로 세분화할 수 있다. 4 is a diagram illustrating an ANFIS training process in an embodiment of the present invention. In the ANFIS training phase, as shown in FIG. 4, it can be subdivided into five levels including a fuzzy layer, a regular layer, a normalized layer, a reverse fuzzy layer and a total neuron layer.

퍼지화층의 입력 x1, x2에는 과거 시공 현장에서 획득된 두 개의 지반 데이터(일축압축강도, 암반등급)를 입력하며, 그에 대응하여 현장에서 측정된 현장 관입 지수를 합계뉴런층의 출력 y에 적용하여 학습하는 과정을 거친다.In the input x1 and x2 of the fuzzy layer, two ground data (uniaxial compressive strength, rock grade) obtained in the past construction site are input, and the field penetration index measured in the field is applied to the output y of the total neuron layer Learning process.

먼저, 기존의 지반 데이터(x1,x2)가 입력되면 퍼지화층에서는 퍼지 클러스터링단계에서 초기 설정되었던 각 소속 함수에 할당한다. 여기서, 소속 함수는 ANFIS를 처음 제안한 로러 장(Roger Jang)의 모델에서는 수학식 3과 같이 종형 활성화 함수를 취한다.First, when the existing ground data (x1, x2) is input, the fuzzy clustering unit allocates the fuzzy clustering function to each member function initially set in the fuzzy clustering step. Here, the membership function takes the bell-shaped activation function as shown in Equation 3 in the model proposed by Roger Jang, who first proposed ANFIS.

Figure 112017037918796-pat00007
Figure 112017037918796-pat00007

여기서,

Figure 112017037918796-pat00008
,
Figure 112017037918796-pat00009
,
Figure 112017037918796-pat00010
은 각각 종형 활성화 함수의 중심, 폭 그리고 기울기를 제어하는 전제매개변수(premise parameter)이다. here,
Figure 112017037918796-pat00008
,
Figure 112017037918796-pat00009
,
Figure 112017037918796-pat00010
Is a premise parameter that controls the center, width, and slope of the bell-shaped activation function, respectively.

종형 활성화 함수의 출력값은 각 규칙층으로 전달된다. 규칙층에서는 퍼지화층에서 입력을 받아 규칙의 수행 강도를 출력하게 된다. 여기서 규칙이란, If_then_형식을 의미하며, If절은 주로 규칙전건부, then절은 규칙후건부로 불린다. ANFIS의 규칙층의 각 뉴런은 스게노형 퍼지 규칙전건부 하나에 대응한다. 예를 들어 도 4와 같이

Figure 112017037918796-pat00011
은 맴버십함수 A1과 B1의 출력값을 할당받게 되며, 수학식 4와 같이 각 출력값을 곱하여 규칙의 강도인
Figure 112017037918796-pat00012
을 출력하게 된다.The output of the bell-shaped activation function is passed to each rule layer. In the rule layer, input is received from the fuzzy layer and the rule's execution intensity is output. Here, a rule means an If_then_ format, an If clause is mainly called a rule rule, and a then clause is a rule rule. Each neuron in the ANFIS rule layer corresponds to a single predicate rule. For example, as shown in FIG. 4
Figure 112017037918796-pat00011
The output values of the member functions A 1 and B 1 are assigned and multiplied by the respective output values as shown in Equation (4)
Figure 112017037918796-pat00012
.

Figure 112017037918796-pat00013
Figure 112017037918796-pat00013

정규화층은 규칙층의 출력값인 수행강도를 정규화한다. 이를테면 도 4와 같이

Figure 112017037918796-pat00014
은 규칙층에 있는 모든 출력값을 받아 규칙
Figure 112017037918796-pat00015
의 수행강도를 수학식 5와 같이 계산하여 정규화 수행강도
Figure 112017037918796-pat00016
을 출력한다.The normalization layer normalizes the performance intensity, which is the output value of the rule layer. 4,
Figure 112017037918796-pat00014
Accepts all output values in the rule layer,
Figure 112017037918796-pat00015
Is calculated as shown in Equation (5)
Figure 112017037918796-pat00016
.

Figure 112017037918796-pat00017
Figure 112017037918796-pat00017

역퍼지화층은 정규화층의 각각의 출력값과 초기에 입력했던 지반데이터 x1과 x2를 받아, 규칙후건부의 함수식에 적용된다. 여기서, 스게노형 퍼지규칙은 규칙후건부가 함수식으로 주어짐으로써 퍼지 규칙을 체계적으로 생성하는 방법으로 ANFIS에서는 스게노형 퍼지규칙이 사용된다. 첫 번째 역퍼지화 뉴런을 예를 들면 수학식 6에서와 같이 스게노형 규칙후건부인 함수(1차선형함수로 설정)에 지반데이터 값을 넣어 계산한 후 정규화층으로부터 받은 정규화 규칙강도와 곱셈연산의 결과값

Figure 112017037918796-pat00018
으로 출력하게 된다. The inverted fuzzification layer receives the output values of the normalization layer and the ground data x1 and x2 that were initially input, and is applied to the function formula of the rule structure. In this case, the Fuzzy rule is given as a rule function and the Fuzzy rule is systematically generated. In ANFIS, the Fuzzy rule is used. The first inverse fuzzy neuron, for example, is calculated by putting the ground data value into the function of the Sueno type rule adjacency rule (set by the first order linear function) as shown in Equation (6), and then multiplies the normalization rule strength received from the normalization layer Result value
Figure 112017037918796-pat00018
.

Figure 112017037918796-pat00019
Figure 112017037918796-pat00019

여기서,

Figure 112017037918796-pat00020
,
Figure 112017037918796-pat00021
,
Figure 112017037918796-pat00022
는 각각 첫 번째 역퍼지화 뉴런의 규칙후건부 함수의 계수를 의미하며, 이는 결론매개변수(consequent parameter)라고 불린다. 첫 번째 뉴런 이외의 역퍼지화층의 모든 뉴런도 동일하게 적용된다. here,
Figure 112017037918796-pat00020
,
Figure 112017037918796-pat00021
,
Figure 112017037918796-pat00022
Is the coefficient of the posterior rule of function of the first inverse fuzzy neuron, which is called the consequent parameter. The same applies to all neurons in the reverse fuzzy layer other than the first neuron.

합계뉴런층은 수학식 7과 같이 역퍼지화 모든 뉴런의 출력값을 더하여

Figure 112017037918796-pat00023
를 출력하게 된다. 도 4의 경우에는
Figure 112017037918796-pat00024
값은 4가 된다.The total neuron layer is added with the output values of all neurons inverse fuzzy as shown in Equation (7)
Figure 112017037918796-pat00023
. In the case of FIG. 4
Figure 112017037918796-pat00024
The value is 4.

Figure 112017037918796-pat00025
Figure 112017037918796-pat00025

ANFIS의 최종 출력한

Figure 112017037918796-pat00026
값과 현장에 계측된 출력값과의 차이 즉, 오차가 발생하면 역방향으로 인공신경망에서 작동되는 기울기 하강법(gradient descent method) 알고리즘을 이용하여 퍼지화층에 있는 전제매개변수를 재조정하게 된다. 재조정이 완료되면 다시 순방향으로 ANFIS를 작동하게 되며 역퍼지화층의 결론매개변수를 최소제곱추정(least square estimator)으로 재계산하게 된다. 이와 같은 방법으로 오차가 허용범위 안에 들 때까지 반복하여 ANFIS 훈련은 최종적으로 마치게 된다. The final output of ANFIS
Figure 112017037918796-pat00026
When the difference between the value and the measured output value in the field, that is, an error occurs, the precondition parameter in the fuzzy layer is readjusted by using a gradient descent method algorithm operated in the artificial neural network in the reverse direction. Once the rebalance is complete, the ANFIS will operate again in the forward direction and the conclusion parameter of the reverse fuzzy layer will be recalculated as a least square estimator. In this way, the ANFIS training is finally completed until the error falls within the allowable range.

이후에는 상술한 바와 같이 학습된 신경망을 이용하여 시공 예정인 현장 즉, 시공 대상 현장에 대한 지반 인자만 입력하면 현장 관입 지수를 예측할 수 있게 된다.Then, using the learned neural network as described above, inputting only the ground factor for the site to be constructed, that is, the site to be constructed, can predict the site penetration index.

즉, 예측부(140)는 시공 대상 현장에 대해 획득한 복수의 지반 인자를 학습된 신경망에 입력시켜, 시공 대상 현장에 대한 현장 관입 지수(FPI)를 예측한다(S240). 예를 들어, 예측하고자 하는 특정 현장 구간의 지반 데이터(일축압축강도, 암반 등급)만 입력하면, 훈련된 ANFIS 모델을 이용하여 현장 설계 단계에서 특정 현장 구간의 현장 관입 지수(FPI)를 빠르고 쉽게 예측할 수 있다.That is, the predicting unit 140 inputs a plurality of ground factors obtained for the site to be constructed to the learned neural network, and predicts a site penetration index (FPI) for the site to be constructed (S240). For example, if only the geotechnical data (unconfined compressive strength, rock grade) of the specific field section to be predicted is input, the field penetration index (FPI) of a specific field section can be quickly and easily predicted at the site design stage using the trained ANFIS model .

물론, 현장에서 사용될 쉴드 TBM의 최적 추력과 RPM이 산정되면, 이를 이용하여 최종적으로 순굴진속도를 예측할 수 있다. Of course, if the optimal thrust and RPM of the shield TBM to be used in the field are estimated, the net pumping speed can be predicted finally.

도 5는 본 발명의 실시예에서 현장 관입 지수 및 순굴진속도를 예측하는 계념을 설명하는 도면이다. 도 5에 나타낸 것과 같이, 예측부(140)는 초기에 현장 관입 지수를 먼저 예측한 다음, 예측한 현장 관입 지수(FPI)와 쉴드 TBM의 기계 인자(Fn, RPM)를 이용하여 쉴드 TBM의 순굴진속도(net penetration rate)를 예측해낸다(S250). 그 구체적인 연산식은 수학식 8과 같다. FIG. 5 is a diagram for explaining the tendency of predicting a site penetration index and a net pumping speed in the embodiment of the present invention. FIG. 5, the predicting unit 140 predicts the initial penetration index first, and then uses the predicted penetration index (FPI) and the mechanical factor (F n , RPM) of the shield TBM to calculate the shield TBM The net penetration rate is predicted (S250). The concrete calculation formula is as shown in Equation (8).

Figure 112017037918796-pat00027
Figure 112017037918796-pat00027

여기서, Fn은 쉴드 TBM의 커터 당 추력, RPM은 쉴드 TBM의 분당 회전수, FPI는 예측한 현장 관입 지수를 나타낸다.Where F n is the thrust per cutter of shield TBM, RPM is the number of revolutions per minute of shield TBM, and FPI is the predicted field penetration index.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 순굴진속도 예측 방법을 요약 설명하는 도면이다. 본 발명은 크게 3가지 단계로 구분되는데, 단계 1은 과거 시공된 현장의 지반 데이터를 퍼지 클러스터링하는 단계이고, 단계 2는 퍼지 클러스터링의 결과를 기초로 해당 현장의 지반 데이터를 입력으로 하고 그에 대응하는 현장 관입 지수를 출력으로 하는 적응적 뉴로 퍼지 신경망을 훈련시키는 단계이다. 6 is a view for explaining a net pumping speed prediction method according to an embodiment of the present invention. The present invention is largely divided into three steps. Step 1 is a step of fuzzy clustering the ground data of the past site, step 2 is a step of inputting the ground data of the site based on the result of the fuzzy clustering, And training the adaptive neuro-fuzzy neural network with the output of the field penetration index as an output.

또한, 단계 3은 ANFIS 훈련 모델을 이용하여 시공 대상 현장에 대한 지반 데이터에 대응하는 결과값 즉, 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 도출하며, 나아가 도출한 현장 관입 지수를 토대로 쉴드 TBM의 순굴진속도까지 도출해 낼 수 있다.In step 3, an ANFIS training model is used to derive the result corresponding to the ground data for the site to be constructed, that is, the penetration index of the shield TBM. Further, based on the derived site penetration index, Can be derived.

이상과 같은 본 발명에 따른 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치 및 그 방법에 의하면, 과거 시공 현장에서 획득된 지반 인자들 및 쉴드 TBM의 현장 관입 지수를 적응형 뉴로 퍼지 신경망에서 훈련시켜 구축한 ANFIS 훈련 모델을 이용하여, 시공대상 현장의 지반 데이터만으로 현장 관입 지수를 쉽게 예측하고, 나아가 이를 토대로 쉴드 TBM의 순굴진속도를 신뢰성 있게 예측할 수 있어, 시공대상 현장에 필요한 공사비 및 공사 시간의 예측 오차를 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.According to the apparatus and method for estimating the net pumping speed of the shield TBM according to the present invention, the ANFIS training that is constructed by training the ground penetration index of the shield TBM and the ground factors obtained in the past construction site in the adaptive neuro fuzzy neural network It is possible to easily predict the site penetration index using only the ground data of the site to be constructed and to reliably predict the net pumping speed of the shield TBM based on the predicted site penetration index. There is an advantage to reduce.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치
110: 데이터베이스 120: 클러스터링부
130: 신경망 학습부 140: 예측부
100: Prediction speed of pure TBM shield
110: database 120: clustering unit
130: Neural network learning unit 140:

Claims (10)

기 시공된 복수의 현장 각각에 대해, 상기 현장에 대응하여 계측된 복수의 지반 인자 및 쉴드 TBM의 현장 관입 지수(FPI)를 저장한 데이터베이스;
상기 현장 별로 상기 복수의 지반 인자에 대응하는 하나의 좌표점을 입력 벡터 공간에 투영한 후, 상기 현장 각각의 좌표점을 복수의 군집으로 퍼지 클러스터링하는 클러스터링부;
상기 퍼지 클러스터링에 의한 소속 함수를 기초로 구축되는 적응형 뉴로 퍼지 신경망(ANFIS; Adaptive Neuro Fuzzy Inference System)의 입력 노드와 출력 노드에 각각 상기 복수의 지반 인자와 상기 현장 관입 지수를 적용하여, 상기 적응형 뉴로 퍼지 신경망을 학습시키는 신경망 학습부; 및
시공 대상 현장에 대해 획득한 복수의 지반 인자를 상기 학습된 적응형 뉴로 퍼지 신경망에 입력시켜 상기 시공 대상 현장에 대한 현장 관입 지수를 예측하고, 상기 적응형 뉴로 퍼지 신경망을 통해 예측한 현장 관입 지수(FPI') 및 상기 쉴드 TBM의 기계 인자를 기초로 상기 쉴드 TBM의 순굴진속도를 연산하여 예측하는 예측부를 포함하며,
상기 데이터베이스에 저장된 복수의 지반 인자는,
상기 지반에 대한 일축압축강도, 탄성계수, 탄성파 속도, 암반 등급, 암질지수, 루전값, 흡수율 중 적어도 두 개의 인자를 포함하며,
상기 데이터베이스에 저장된 현장 관입 지수(FPI)는,
상기 쉴드 TBM의 커터 당 추력(Fn)을 상기 현장에서 계측된 상기 쉴드 TBM의 커터헤드 1회전당 관입 깊이(Pe)로 나눈 값(FPI = Fn/Pe)으로 결정되며,
상기 순굴진속도는 아래 수학식에 의해 예측되는 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치:
Figure 112018096678144-pat00039

여기서, Fn은 상기 쉴드 TBM의 커터 당 추력, RPM은 상기 쉴드 TBM의 분당 회전수, FPI'는 상기 예측한 현장 관입 지수를 나타낸다.
A database storing a plurality of ground factors measured in response to the site and a site penetration index (FPI) of the shield TBM for each of a plurality of sites constructed in the past;
A clustering unit for projecting one coordinate point corresponding to the plurality of ground factors for each site into an input vector space and then fuzzy clustering the coordinate points of the respective sites with a plurality of clusters;
Applying the plurality of ground factors and the site penetration index to an input node and an output node of an adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS) constructed based on the membership function by the fuzzy clustering, A neural network learning unit for learning a neurofuzzy neural network; And
A plurality of ground factors acquired for the site to be constructed are input to the learned adaptive neuro fuzzy neural network to predict a site penetration index for the site to be constructed and the site penetration index predicted through the adaptive neuro fuzzy neural network FPI ') and a predictor for calculating and estimating a net pumping speed of the shield TBM based on a mechanical factor of the shield TBM,
A plurality of ground factors stored in the database,
And at least two factors of unconfined compressive strength, elastic modulus, elastic wave velocity, rock grade, rock quality index,
The on-site penetration index (FPI)
Is determined with the thrust force (F n) per cutter of the shield TBM value (FPI = F n / P e ) divided by the cutter head per rotation penetration depth (P e) of the shield TBM measurement in the field,
Wherein the net pumping speed is predicted by the following equation: < EMI ID =
Figure 112018096678144-pat00039

Where F n is the thrust per cutter of the shield TBM, RPM is the number of revolutions per minute of the shield TBM, and FPI 'is the predicted on-site penetration index.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 장치에서의 순굴진속도 예측 방법에 있어서,
기 시공된 복수의 현장 각각에 대해, 상기 현장에 대응하여 계측된 복수의 지반 인자 및 쉴드 TBM의 현장 관입 지수(FPI)를 데이터베이스에 저장하는 단계;
상기 현장 별로 상기 복수의 지반 인자에 대응하는 하나의 좌표점을 입력 벡터 공간에 투영한 후, 상기 현장 각각의 좌표점을 복수의 군집으로 퍼지 클러스터링하는 단계;
상기 퍼지 클러스터링에 의한 소속 함수를 기초로 구축되는 적응형 뉴로 퍼지 신경망(ANFIS; Adaptive Neuro Fuzzy Inference System)의 입력 노드와 출력 노드에 각각 상기 복수의 지반 인자와 상기 현장 관입 지수를 적용하여, 상기 적응형 뉴로 퍼지 신경망을 학습시키는 단계;
시공 대상 현장에 대해 획득한 복수의 지반 인자를 상기 학습된 적응형 뉴로 퍼지 신경망에 입력시켜 상기 시공 대상 현장에 대한 현장 관입 지수를 예측하는 단계; 및
상기 적응형 뉴로 퍼지 신경망을 통해 예측한 현장 관입 지수(FPI') 및 상기 쉴드 TBM의 기계 인자를 기초로 상기 쉴드 TBM의 순굴진속도를 연산하여 예측하는 단계를 포함하며,
상기 데이터베이스에 저장된 복수의 지반 인자는,
상기 지반에 대한 일축압축강도, 탄성계수, 탄성파 속도, 암반 등급, 암질지수, 루전값, 흡수율 중 적어도 두 개의 인자를 포함하며,
상기 데이터베이스에 저장된 현장 관입 지수(FPI)는,
상기 쉴드 TBM의 커터 당 추력(Fn)을 상기 현장에서 계측된 상기 쉴드 TBM의 커터헤드 1회전당 관입 깊이(Pe)로 나눈 값(FPI = Fn/Pe)으로 결정되며,
상기 순굴진속도는 아래 수학식에 의해 예측되는 쉴드 TBM의 순굴진속도 예측 방법:
Figure 112018128534927-pat00040

여기서, Fn은 상기 쉴드 TBM의 커터 당 추력, RPM은 상기 쉴드 TBM의 분당 회전수, FPI'는 상기 예측한 현장 관입 지수를 나타낸다.
A method for predicting a net pumping speed in a net pumping speed predicting apparatus of shield TBM,
Storing, for each of a plurality of installed sites, a plurality of ground factors measured in response to the site and a site penetration index (FPI) of the shield TBM in a database;
Projecting one coordinate point corresponding to the plurality of ground factors for each site into an input vector space, and fuzzy clustering coordinate points of each of the sites with a plurality of clusters;
Applying the plurality of ground factors and the site penetration index to an input node and an output node of an adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS) constructed based on the membership function by the fuzzy clustering, Learning neural fuzzy neural network;
Inputting a plurality of ground factors acquired for a site to be constructed to the learned adaptive neuro fuzzy neural network to predict a site penetration index for the site to be constructed; And
Computing and estimating a net pumping speed of the shield TBM based on a site penetration index (FPI ') predicted through the adaptive neuro-fuzzy neural network and a mechanical factor of the shield TBM,
A plurality of ground factors stored in the database,
And at least two factors of unconfined compressive strength, elastic modulus, elastic wave velocity, rock grade, rock quality index,
The on-site penetration index (FPI)
Is determined with the thrust force (F n) per cutter of the shield TBM value (FPI = F n / P e ) divided by the cutter head per rotation penetration depth (P e) of the shield TBM measurement in the field,
Wherein the net pumping speed is predicted by the following equation: < EMI ID =
Figure 112018128534927-pat00040

Where F n is the thrust per cutter of the shield TBM, RPM is the number of revolutions per minute of the shield TBM, and FPI 'is the predicted on-site penetration index.
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