KR20220076104A - Shield TBM autonomous driving system equipped with machine learning-based screw conveyor control and shield TBM autonomous driving method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면 커터헤드(10)에 의해 굴착된 굴착 토사물을 후방으로 운송하는 스크류 컨베이어(20)가 구비된 쉴드 TBM의 자율주행 시스템에 있어서, 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 제어하는 제어부(100);를 포함하되, 상기 제어부(100)는, 상기 커터헤드(10)의 시간당 굴착량 정보(210)를 기초로 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도 정보(220)를 도출하는 회전속도 도출모듈(110);을 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면 커터헤드의 굴착량에 대응하여 스크류 컨베이어의 배출량을 자동적으로 제어할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, in the self-driving system of the shield TBM provided with a screw conveyor 20 for transporting excavated soil excavated by the cutter head 10 to the rear, a control unit for controlling the rotation speed of the screw conveyor 20 (100); including, the control unit 100, the rotation speed for deriving the rotation speed information 220 of the screw conveyor 20 based on the hourly excavation amount information 210 of the cutter head 10 There is provided an autonomous driving system of the shield TBM, characterized in that it comprises a derivation module (110).
According to the present invention, there is an effect that can automatically control the discharge amount of the screw conveyor in response to the excavation amount of the cutter head.
Description
본 발명은 건설 분야에 속하는 것으로서, 보다 상세하게는 쉴드 TBM의 굴착량과 스크류 컨베이어의 배출량을 자동으로 제어하여 지반 침하나 융기를 방지할 수 있도록 한 머신러닝 기반의 스크류 컨베이어 제어부가 구비된 쉴드 TBM의 자율주행 시스템 및 이를 이용한 쉴드 TBM 자율주행방법에 관한 것이다. The present invention belongs to the field of construction, and more specifically, a shield TBM equipped with a machine learning-based screw conveyor control unit that can prevent ground subsidence or elevation by automatically controlling the amount of excavation of the shield TBM and the discharge amount of the screw conveyor. of a self-driving system and a shield TBM autonomous driving method using the same.
TBM(Tunnel Boring Machine)이란 암반이나 지반을 압쇄 굴착하는 대형 터널 굴착기로서, 다수의 디스크커터를 전면에 장착한 커터헤드를 회전시켜, 굴진, 버럭 반출, 지보 작업을 연속적으로 수행하는 기기를 말한다. TBM에 의한 굴착작업은 발파굴작에 비해 장대터널을 시공하는 것에 유리하다. TBM (Tunnel Boring Machine) is a large tunnel excavator that crushes and excavates rock or ground. It refers to a machine that continuously performs excavation, burrowing, and supporting work by rotating a cutter head equipped with a number of disk cutters on the front. Excavation work by TBM is more advantageous for long tunnel construction than blast excavation work.
최근 터널 및 지하공간의 굴착은 작업자의 안정성 증대, 소음 및 진동으로 인한 민원 감소, 공기 및 공비의 감소 등을 목적으로 기존의 발파공법을 대체하여 지하철, 전력구, 통신구 터널 등을 중심으로 TBM에 의한 기계화 시공이 크게 증가하고 있는 추세이다.Recently, excavation of tunnels and underground spaces has replaced the existing blasting method for the purpose of increasing worker stability, reducing civil complaints due to noise and vibration, and reducing air and utility costs, focusing on TBM in subway, electric power and communication tunnels. The trend of mechanized construction by
이 중 쉴드 TBM은 굴진면 자립이 어려운 토사 또는 암반지반에서 쉴드라 불리는 보호철판을 이용하여 토사 및 암반이 TBM장비 내부로 유입되지 않도록 한다. 쉴드 TBM 굴착에서 중요한 점은 쉴드 TBM으로 굴착되는 굴착량만큼 굴착된 토사 또는 암반을 배출하는 것이다. 즉, 굴착된 량보다 적게 배출되면 굴진면 전방 지반을 TBM이 과도하게 누르고 있다는 의미이며, 이 경우 전방지반의 지표 상부에서는 부풀어오르는 현상(heaving)이 발생한다. 반면 굴착된 량보다 많이 배출되면 굴진면 전방지반이 느슨해지는 것을 의미하며, 이 경우 전방지반의 지표 상부에서는 지반침하(settlement)가 발생하게 된다. 따라서 안전한 쉴드 TBM 굴진을 위해서는 TBM의 굴착량과 배출량을 맞춰야 한다.Among them, the shield TBM prevents soil and rock from entering the TBM equipment by using a protective iron plate called a shield in the soil or rocky ground where it is difficult to stand on the excavation surface. An important point in the excavation of the Shield TBM is to discharge the excavated soil or rock as much as the amount of excavation excavated with the Shield TBM. That is, if less than the excavated amount is discharged, it means that the TBM is excessively pressing the ground in front of the excavation surface, and in this case, heaving occurs in the upper part of the surface of the front ground. On the other hand, if more than the excavated amount is discharged, it means that the ground in front of the excavation surface is loosened. Therefore, in order to safely excavate the shield TBM, it is necessary to match the excavation amount and discharge amount of the TBM.
그러나 토사 및 암반은 굴착에 의해 굴착 전과 후의 부피차이가 발생하게 된다. 오랜 세월 중력 및 지하수에 의해 다짐이 이루어진 토사가 TBM 장비의 굴착도구인 커터비트와 디스크커터에 의해 굴착되면 토사 내의 공극이 늘어나게 된다. 공극 증가에 따른 팽창률은 토사의 종류에 따라 다르며, 암반 역시 굴착에 의해 부피팽창이 발생하게 된다. 토사 및 암반의 부피팽창률은 도 6과 같다.However, the difference in volume before and after excavation occurs in the soil and rock by excavation. When the soil, which has been compacted by gravity and groundwater for many years, is excavated by the cutter bit and disk cutter, which are excavation tools of TBM equipment, the voids in the soil increase. The expansion rate according to the increase of the voids varies depending on the type of soil, and the volume expansion of the bedrock also occurs due to excavation. The volume expansion coefficient of the soil and rock is shown in FIG. 6 .
이러한 굴착 전과 후의 부피팽창이 TBM운전자가 굴착량과 배출량을 맞추는 작업을 어렵게 한다. EPB(Earth Pressure Balanced)타입의 쉴드 TBM에서 TBM운전자는 굴착량을 TBM의 굴진속도로 조절하고 스크류컨베이어 회전속도로 배출량을 조절하여 굴착량과 배출량을 맞추는 작업을 수행한다. The volume expansion before and after excavation makes it difficult for the TBM operator to match the excavation amount with the discharge amount. In the EPB (Earth Pressure Balanced) type shield TBM, the TBM operator adjusts the excavation amount to the excavation speed of the TBM and adjusts the amount of excavation and the discharge amount by adjusting the discharge rate at the rotation speed of the screw conveyor.
TBM 운전자는 TBM 장비에서 발생하는 수십에서 수백개의 데이터를 확인하고 이를 처리한다. 특히 굴진속도와 스크류 컨베이어의 회전속도 조절은 TBM 운행시 운전자가 가장 많이 수행하는 작업에 속한다. 따라서 운전자 부담의 경감과 TBM의 자율주행을 위해서는 스크류 컨베이어의 회전 속도를 커터헤드의 굴진속도에 대응하여 자동적으로 제어할 수 있는 시스템이 요구된다. TBM operators check and process tens to hundreds of data generated by TBM equipment. In particular, the adjustment of the excavation speed and the rotation speed of the screw conveyor is one of the tasks that the operator performs the most during TBM operation. Therefore, a system capable of automatically controlling the rotation speed of the screw conveyor in response to the excavation speed of the cutter head is required in order to reduce the driver's burden and enable autonomous driving of the TBM.
본 발명은 상술된 TBM 자율주행의 전제 조건을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 커터헤드의 굴착량에 대응하여 스크류 컨베이어의 배출량을 자동적으로 제어할 수 있도록 한 머신러닝 기반의 스크류 컨베이어 제어부가 구비된 쉴드 TBM의 자율주행 시스템 및 이를 이용한 쉴드 TBM 자율주행방법을 제공하는 것에 있다. The present invention has been derived to solve the above-mentioned prerequisites for TBM autonomous driving, and an object of the present invention is a machine learning-based screw conveyor that can automatically control the amount of output of the screw conveyor in response to the excavation amount of the cutterhead. An object of the present invention is to provide a shield TBM autonomous driving system having a control unit and a shield TBM autonomous driving method using the same.
본 발명의 다른 목적은 지반 굴착에 따른 토사 공극률의 증가에 따라 발생되는 토사 및 암반의 부피팽창률을 고려하여 실제적인 스크류 컨베이어의 배출량을 도출할 수 있도록 한 머신러닝 기반의 스크류 컨베이어 제어부가 구비된 쉴드 TBM의 자율주행 시스템 및 이를 이용한 쉴드 TBM 자율주행방법을 제공하는 것에 있다. Another object of the present invention is a shield equipped with a machine learning-based screw conveyor control unit that can derive the actual output of the screw conveyor in consideration of the volume expansion rate of the soil and the bedrock generated according to the increase in the soil porosity according to the excavation of the ground An object of the present invention is to provide a TBM autonomous driving system and a shield TBM autonomous driving method using the same.
본 발명의 또 다른 목적은 데이터베이스 기반 머신러닝 기법을 적용하여 다양한 지반조건에 맞는 스크류 컨베이어의 회전 속도 제어를 가능하게 하는 머신러닝 기반의 스크류 컨베이어 제어부가 구비된 쉴드 TBM의 자율주행 시스템 및 이를 이용한 쉴드 TBM 자율주행방법을 제공하는 것에 있다. Another object of the present invention is to apply a database-based machine learning technique to apply a Shield TBM autonomous driving system equipped with a machine learning-based screw conveyor control unit that enables control of the rotation speed of a screw conveyor suitable for various ground conditions, and a shield using the same It is to provide a TBM autonomous driving method.
본 발명의 일 측면에 따르면 커터헤드(10)에 의해 굴착된 굴착 토사물을 후방으로 운송하는 스크류 컨베이어(20)가 구비된 쉴드 TBM의 자율주행 시스템에 있어서, 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 제어하는 제어부(100);를 포함하되, 상기 제어부(100)는, 상기 커터헤드(10)의 시간당 굴착량 정보(210)를 기초로 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도 정보(220)를 도출하는 회전속도 도출모듈(110);을 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템이 제공된다. According to one aspect of the present invention, in the self-driving system of the shield TBM provided with a
이 경우 상기 회전속도 도출모듈(110)은 상기 시간당 굴착량 정보(210) 및 상기 스크류 컨베이어(20)에 의한 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)를 기초로 상기 회전속도 정보(220)를 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템일 수 있다. In this case, the rotation
또한, 상기 회전속도 도출모듈(110)은 상기 시간당 굴착량 정보(210)를 도출하는 굴착량 도출 모듈(111)을 포함하되, 상기 굴착량 도출 모듈(111)은 이하의 [식 1]을 기초로 상기 시간당 굴착량 정보(210)를 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템일 수 있다. In addition, the rotational
[식 1] [Equation 1]
시간당 굴착량 = 굴진면 면적(㎡) ㅧ 굴진속도(m/hr)Excavation amount per hour = Excavation surface area (㎡) Ⅷ Excavation speed (m/hr)
또한, 상기 [식 1]에서의 굴진속도는 이하의 [식 2]를 기초로 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템일 수 있다. In addition, the excavation speed in [Equation 1] may be an autonomous driving system of the shield TBM, characterized in that it is derived based on the following [Equation 2].
[식 2][Equation 2]
굴진속도 = 커터헤드 1회전당 관입깊이(mm/rev) ㅧ 분당 커터헤드 회전속도(rpm) ㅧ 0.06Excavation speed = Penetration depth per 1 rotation of the cutter head (mm/rev) ㅧ Rotational speed of the cutter head per minute (rpm) ㅧ 0.06
또한, 상기 회전속도 도출모듈(110)은 상기 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)를 도출하는 배출량 도출 모듈(112)를 포함하되, 상기 배출량 도출 모듈(112)은 이하의 [식 3]을 기초로 상기 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)를 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템일 수 있다. In addition, the rotational
[식 3][Equation 3]
시간당 배출량 = 스크류 컨베이어 1회전 당 배출량(㎡/rev) ㅧ 분당 스크류 컨베이어 회전 속도(rpm)/60Discharge per hour = Discharge per rotation of the screw conveyor (m2/rev) Ⅷ Rotational speed of the screw conveyor per minute (rpm)/60
또한, 상기 [식 3]의 스크류 컨베이어 1회전 당 배출량은 이하의 [식 4]에 기초하여 도출되는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템일 수 있다. In addition, the discharge amount per rotation of the screw conveyor in [Equation 3] may be an autonomous driving system of the shield TBM, characterized in that it is derived based on the following [Equation 4].
[식 4][Equation 4]
스크류 컨베이어 1회전 당 배출량 = 스크류 컨베이어 단면적(㎡) ㅧ 스크류 컨베이어 길이(m) ㅧ 배출효율Discharge per rotation of screw conveyor = Cross-sectional area of screw conveyor (m2) Ⅷ Length of screw conveyor (m) Ⅷ Discharge efficiency
또한, 상기 회전속도 도출모듈(110)은 목표 배출량 정보(230)를 도출하는 목표 배출량 도출 모듈(113)을 포함하되, 상기 목표 배출량 정보 모듈(113)은 이하의 [식 5]를 기초로 목표 배출량 정보(230)를 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템일 수 있다. In addition, the rotational
[식 5][Equation 5]
목표 배출량(㎡/hr) = 시간당 굴착량 ㅧ 부피팽창률Target discharge (m2/hr) = excavation volume per hour Ⅷ volume expansion rate
또한, 상기 제어부(100)는 상기 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)가 상기 목표 배출량 정보(230)에 도달할 때까지 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템일 수 있다. In addition, the
또한, 상기 [식 1]에서의 굴진면 면적(㎡), 상기 [식 4]에서의 스크류 컨베이어 단면적(㎡), 스크류 컨베이어 길이(m) 및 배출효율, 상기 [식 5]에서의 부피팽창률을 입력받는 입력부(300);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템일 수 있다. In addition, the excavation surface area (m2) in [Equation 1], the screw conveyor cross-sectional area (m2) in [Equation 4], the screw conveyor length (m) and discharge efficiency, and the volume expansion coefficient in the [Equation 5] It may be an autonomous driving system of the shield TBM, characterized in that it further includes an
또한, 상기 [식 2]에서의 커터헤드 1회전당 관입깊이(mm/rev) 및 분당 커터헤드 회전속도(rpm)를 센싱하는 제1 센서(410); 및 상기 [식 3]에서의 분당 스크류 컨베이어 회전 속도(rpm)를 센싱하는 제2 센서(420);를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템일 수 있다. In addition, the first sensor 410 for sensing the penetration depth per revolution of the cutter head (mm/rev) and the cutter head rotation speed per minute (rpm) in [Equation 2]; and a second sensor 420 for sensing the screw conveyor rotation speed (rpm) per minute in [Equation 3].
본 발명의 다른 일 측면에 따르면 쉴드 TBM의 자율주행 시스템을 이용한 쉴드 TBM 자율주행방법에 있어서, 상기 입력부(300)를 통하여 상기 [식 1]에서의 굴진면 면적(㎡), 상기 [식 4]에서의 스크류 컨베이어 단면적(㎡), 스크류 컨베이어 길이(m) 및 배출효율, 상기 [식 5]에서의 부피팽창률을 입력받는 제1 단계(S100); 상기 회전속도 도출모듈(110)를 이용하여 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도 정보(220)를 도출하는 제2 단계(S200); 및 상기 제어부(100)가 상기 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)가 상기 목표 배출량 정보(230)에 도달할 때까지 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 조절하는 제3 단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM 자율주행방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, in the shield TBM autonomous driving method using the shield TBM autonomous driving system, the excavation surface area (m2) in the [Equation 1], the [Equation 4] a first step (S100) of receiving the screw conveyor cross-sectional area (m2), screw conveyor length (m) and discharge efficiency, and the volume expansion coefficient in [Equation 5]; a second step (S200) of deriving
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면 제2 단계(S200)를 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체가 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a computer-readable recording medium in which a program for executing the second step (S200) is recorded.
본 발명에 따르면 커터헤드의 굴착량에 대응하여 스크류 컨베이어의 배출량을 자동적으로 제어할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, there is an effect that can automatically control the discharge amount of the screw conveyor in response to the excavation amount of the cutter head.
본 발명에 따르면 지반 굴착에 따른 토사 공극률의 증가에 따라 발생되는 토사 및 암반의 부피팽창률을 고려하여 실제적인 스크류 컨베이어의 배출량을 도출할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, it is possible to derive the actual discharge amount of the screw conveyor in consideration of the volume expansion rate of the soil and the bedrock generated according to the increase of the soil porosity according to the excavation of the ground.
본 발명에 따르면 데이터베이스 기반 머신러닝 기법을 적용하여 다양한 지반조건에 맞는 스크류 컨베이어의 회전 속도 제어가 가능한 효과가 있다. According to the present invention, it is possible to control the rotation speed of the screw conveyor suitable for various ground conditions by applying a database-based machine learning technique.
도 1 내지 도 6은 본 발명이 적용되는 쉴드 TBM 머신의 구성도.
도 7는 본 발명에 따른 제어부의 구성도.
도 8은 본 발명에 따른 회전속도 도출모듈의 정보 도출 순서도.
도 9는 본 발명에서 사용되는 굴착에 따른 체적 변화율 및 체적변환계수를 나타내는 2020 건설공사 표준품셈의 내용. 1 to 6 is a block diagram of a shield TBM machine to which the present invention is applied.
7 is a block diagram of a control unit according to the present invention.
8 is a flowchart of information derivation of the rotation speed derivation module according to the present invention.
Figure 9 is the content of the 2020 construction work standard calculation showing the volume change rate and volume conversion coefficient according to the excavation used in the present invention.
본 발명에 따른 머신러닝 기반의 스크류 컨베이어 제어부가 구비된 쉴드 TBM의 자율주행 시스템 및 이를 이용한 쉴드 TBM 자율주행방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부된 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.An embodiment of a shield TBM autonomous driving system equipped with a machine learning-based screw conveyor control unit according to the present invention and a shield TBM autonomous driving method using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In doing so, the same or corresponding components are given the same reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.In addition, terms such as first, second, etc. used below are merely identification symbols for distinguishing the same or corresponding components, and the same or corresponding components are limited by terms such as first, second, etc. not.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.In addition, the term "coupling" does not mean only when there is direct physical contact between each component in the contact relationship between each component, but another component is interposed between each component, so that the component is in the other component. It should be used as a concept that encompasses even the cases in which each is in contact.
본 발명은 쉴드 TBM의 자율주행을 위한 스크류 컨베이어의 회전 속도를 굴진속도에 대응하여 자동 제어하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an autonomous driving system of a shield TBM that automatically controls the rotation speed of a screw conveyor for autonomous driving of the shield TBM in response to the excavation speed.
쉴드 TBM은 도 1 내지 6에서 확인할 수 있듯이 전방의 커터헤드(10)에 의해 굴착된 굴착 토사물(토사, 암석 등)이 스크류 컨베이어(20)에 의해 TBM 본체 후방으로 운송된다. In the shield TBM, as can be seen in FIGS. 1 to 6 , excavated soil (soil, rock, etc.) excavated by the
이 경우 굴착된 토사물의 양 보다 많은 양이 스크류 컨베이어(20)에 의해 배출되는 경우 굴진면의 전방 지반에 대한 압력이 낮아져 전방 지반이 침하되는 현상이 발생될 수 있다. 이와 비는 반대로 커터헤드(10)에 의해 굴착된 양보다 적은 양이 스크류 컨베이어(20)에 의해 배출되는 경우 전방 지반에 대한 압력이 높아서 전방 지반이 융기되는 문제가 발생될 수 있다. In this case, when an amount greater than the amount of excavated sediment is discharged by the
이에 따라 TBM 운전자는 굴진면 전방의 토압을 고려하여 TBM의 굴진속도 및 스크류 컨베이어(20)의 회전 속도를 조절해야 하며, TBM의 자율주행을 위해서는 이러한 운전자의 역할을 대체할 수 있어야 한다. Accordingly, the TBM driver must adjust the excavation speed of the TBM and the rotation speed of the
다른 측면에서 TBM에 의해 지반이 굴착되는 경우 토사 내의 공극이 늘어나서 굴착된 토사물의 부피가 증가되게 된다. 즉, 실제로는 굴진면에 대한 굴진 면적 보다 배출된 토사의 배출량이 더 많게 된다. 이러한 토사의 부피팽창률을 고려하여 스크류 컨베이어(20)가 배출해야 하는 굴착 토사물의 부피를 결정할 필요가 있다. On the other hand, when the ground is excavated by TBM, voids in the soil are increased, thereby increasing the volume of the excavated soil. That is, in reality, the amount of discharged soil is greater than the excavation area for the excavation surface. It is necessary to determine the volume of excavated soil to be discharged by the
본 발명에서는 쉴드 TBM의 자율주행을 위해 전방 지반의 압력을 변화시키지 않고 스크류 컨베이어(20)의 배출량을 자율적으로 조절할 수 있는 TBM의 자율주행 시스템을 제안한다. In the present invention, for autonomous driving of the shield TBM, an autonomous driving system of the TBM that can autonomously control the discharge amount of the
본 발명의 일 실시예에 따른 쉴드 TBM의 자율주행 시스템은 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 제어하는 제어부(100)를 포함하되, 제어부(100)는 커터헤드(10)의 시간당 굴착량 정보(210)를 기초로 스크류 컨베이어(20)의 회전속도 정보(220)를 도출하는 회전속도 도출모듈(110)을 포함할 수 있다. The self-driving system of the shield TBM according to an embodiment of the present invention includes a
회전속도 도출모듈(110)를 통해 도출된 회전속도 정보(220)를 기초로 제어부(100)는 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 제어한다. Based on the
구체적으로, 회전속도 도출모듈(110)은 시간당 굴착량 정보(210) 및 스크류 컨베이어(20)에 의한 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)를 기초로 회전속도 정보(220)를 도출한다. Specifically, the rotational
여기서, 회전속도 도출모듈(110)은 시간당 굴착량 정보(210)를 도출하는 굴착량 도출 모듈(111)을 포함하되, 굴착량 도출 모듈(111)은 이하의 [식 1]을 기초로 시간당 굴착량 정보(210)를 도출한다. Here, the rotational
[식 1] [Equation 1]
시간당 굴착량 = 굴진면 면적(㎡) ㅧ 굴진속도(m/hr)Excavation amount per hour = Excavation surface area (㎡) Ⅷ Excavation speed (m/hr)
굴착량 도출 모듈(111)은 이하의 [식 2]를 기초로 [식 1]에서의 굴진속도를 도출한다. The excavation
[식 2][Equation 2]
굴진속도 = 커터헤드 1회전당 관입깊이(mm/rev) ㅧ 분당 커터헤드 회전속도(rpm) ㅧ 0.06Excavation speed = Penetration depth per 1 rotation of the cutter head (mm/rev) ㅧ Rotational speed of the cutter head per minute (rpm) ㅧ 0.06
회전속도 도출모듈(110)은 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)를 도출하는 배출량 도출 모듈(112)를 포함하되, 배출량 도출 모듈(112)은 이하의 [식 3]을 기초로 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)를 도출한다. The rotational
[식 3][Equation 3]
시간당 배출량 = 스크류 컨베이어 1회전 당 배출량(㎡/rev) ㅧ 분당 스크류 컨베이어 회전 속도(rpm)/60Discharge per hour = Discharge per rotation of the screw conveyor (m2/rev) Ⅷ Rotational speed of the screw conveyor per minute (rpm)/60
배출량 도출 모듈(112)은 이하의 [식 4]에 기초하여 [식 3]의 스크류 컨베이어 1회전 당 배출량을 도출한다. The emission
[식 4][Equation 4]
스크류 컨베이어 1회전 당 배출량 = 스크류 컨베이어 단면적(㎡) ㅧ 스크류 컨베이어 길이(m) ㅧ 배출효율Discharge per rotation of screw conveyor = Cross-sectional area of screw conveyor (m2) Ⅷ Length of screw conveyor (m) Ⅷ Discharge efficiency
또한, 회전속도 도출모듈(110)은 목표 배출량 정보(230)를 도출하는 목표 배출량 도출 모듈(113)을 포함하되, 목표 배출량 정보 모듈(113)은 이하의 [식 5]를 기초로 목표 배출량 정보(230)를 도출한다. In addition, the rotational
[식 5][Equation 5]
목표 배출량(㎡/hr) = 시간당 굴착량([식 1]에 의하여 구하여짐) ㅧ 부피팽창률(도 9)Target discharge (m2/hr) = amount of excavation per hour (obtained by [Equation 1]) Ⅷ Volume expansion rate (FIG. 9)
부피팽창률은 토사나 암석의 종류에 따라 상이하므로, 시공현장의 굴착 토사를 샘플링하여 도 9에 제시된 2020 건설공사 표준품셈의 체적의 변화율(흐트러진 상태의 체적/자연상태의 체적)을 활용한다. Since the volume expansion rate is different depending on the type of soil or rock, the volume change rate (disordered volume / natural volume) of the 2020 construction standard calculation presented in FIG. 9 by sampling the excavated soil at the construction site is used.
[식 1] 내지 [식 5] 상의 변수들은 시스템 상으로 직접 값을 입력받거나 센서를 활용하여 값을 취득할 수 있다. Variables in [Equation 1] to [Equation 5] can receive values directly from the system or obtain values by using sensors.
일 예로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 쉴드 TBM의 자율주행 시스템은 [식 1]에서의 굴진면 면적(㎡), [식 4]에서의 스크류 컨베이어 단면적(㎡), 스크류 컨베이어 길이(m) 및 배출효율 및 [식 5]에서의 부피팽창률을 입력받는 입력부(300)를 더 포함할 수 있다. As an example, the self-driving system of the shield TBM according to an embodiment of the present invention is the excavation surface area (m2) in [Equation 1], the screw conveyor cross-sectional area (m2) in [Equation 4], and the screw conveyor length (m) ) and the discharge efficiency and may further include an
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 쉴드 TBM의 자율주행 시스템은 [식 2]에서의 커터헤드 1회전당 관입깊이(mm/rev) 및 분당 커터헤드 회전속도(rpm)를 센싱하는 제1 센서(410) 및 [식 3]에서의 분당 스크류 컨베이어 회전 속도(rpm)를 센싱하는 제2 센서(420)를 더 포함할 수 있다. In addition, the self-driving system of the shield TBM according to an embodiment of the present invention is a first sensor for sensing the penetration depth (mm/rev) per one rotation of the cutter head and the rotation speed of the cutter head per minute (rpm) in [Equation 2] (410) and [Equation 3] may further include a second sensor 420 for sensing the rotation speed (rpm) per minute of the screw conveyor.
본 발명에 따른 모듈들의 정확도를 높이기 위해 이미 수행된 공사에서의 데이터들을 데이터 베이스에 저장하고, 머싱러닝 기법을 통해 모듈들의 반복 시뮬레이션을 수행하여 [식 1] 내지 [식 5]에서 사용되는 변수들의 정확도를 높일 수 있다. In order to increase the accuracy of the modules according to the present invention, data from the construction already performed is stored in the database, and repeated simulations of the modules are performed through the machining learning technique to determine the parameters used in [Equation 1] to [Equation 5]. accuracy can be increased.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 쉴드 TBM의 자율주행 시스템을 이용한 쉴드 TBM의 자율주행 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, an autonomous driving method of the shield TBM using the autonomous driving system of the shield TBM according to an embodiment of the present invention will be described.
본 발명에 따른 쉴드 TBM의 자율주행 시스템은 입력부(300)를 통하여 [식 1]에서의 굴진면 면적(㎡), [식 4]에서의 스크류 컨베이어 단면적(㎡), 스크류 컨베이어 길이(m) 및 배출효율, [식 5]에서의 부피팽창률을 입력받는 제1 단계(S100) 및 회전속도 도출모듈(110)를 이용하여 스크류 컨베이어(20)의 회전속도 정보(220)를 도출하는 제2 단계(S200) 및 제어부(100)가 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)가 목표 배출량 정보(230)에 도달할 때까지 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 조절하는 제3 단계(S300)를 포함할 수 있다. The self-driving system of the shield TBM according to the present invention, through the
본 발명에 따르면 굴착량을 도출하여 배출량을 정함에 있어, 굴착된 굴착 잔여물의 체적 변화율을 고려하여 정확한 배출량을 도출할 수 있으므로 쉴드 TBM의 자율 주행의 전제가 되는 스크류 컨베이어의 회전속도 조절의 신뢰도를 높일 수 있다. According to the present invention, in determining the amount of excavation and determining the amount of excavation, it is possible to derive the exact amount of discharge in consideration of the volume change rate of the excavated residue, so the reliability of the rotation speed control of the screw conveyor, which is the premise for autonomous driving of the Shield TBM, is improved. can be raised
본 발명의 일 실시예에 따른 쉴드 TBM의 자율주행 방법 중 제2 단계(S200)는 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. The second step ( S200 ) of the self-driving method of the shield TBM according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium.
상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.Since the above has only been described with respect to some of the preferred embodiments that can be implemented by the present invention, as noted, the scope of the present invention should not be construed as being limited to the above embodiments, and It will be said that the technical idea and the technical idea having its roots are all included in the scope of the present invention.
1 : 쉴드
10 : 커터헤드
20 : 스크류 컨베이어
100 : 제어부
110 : 회전속도 도출모듈
111 : 굴착량 도출 모듈
112 : 배출량 도출 모듈
113 : 목표 배출량 도출 모듈
200 : 정보
210 : 시간당 굴착량 정보
220 : 시간당 배출량 정보
230 : 목표 배출량 정보
300 : 입력부1: Shield
10: cutter head
20: screw conveyor
100: control unit
110: rotation speed derivation module
111: excavation amount derivation module
112: emission derivation module
113: target emission derivation module
200: information
210: information on the amount of excavation per hour
220: Hourly emission information
230: target emission information
300: input unit
Claims (12)
상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 제어하는 제어부(100);를 포함하되,
상기 제어부(100)는,
상기 커터헤드(10)의 시간당 굴착량 정보(210)를 기초로 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도 정보(220)를 도출하는 회전속도 도출모듈(110);을
포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
In the self-driving system of the shield TBM provided with a screw conveyor 20 for transporting excavated soil excavated by the cutter head 10 to the rear,
Including; a control unit 100 for controlling the rotation speed of the screw conveyor 20;
The control unit 100,
A rotation speed deriving module 110 for deriving the rotation speed information 220 of the screw conveyor 20 based on the hourly excavation amount information 210 of the cutter head 10;
Self-driving system of the shield TBM, characterized in that it comprises.
상기 회전속도 도출모듈(110)은 상기 시간당 굴착량 정보(210) 및 상기 스크류 컨베이어(20)에 의한 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)를 기초로 상기 회전속도 정보(220)를 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
According to claim 1,
The rotational speed deriving module 110 derives the rotational speed information 220 based on the hourly excavation amount information 210 and the hourly discharge information 220 of excavated soil by the screw conveyor 20 Shield TBM's autonomous driving system.
상기 회전속도 도출모듈(110)은 상기 시간당 굴착량 정보(210)를 도출하는 굴착량 도출 모듈(111)을 포함하되,
상기 굴착량 도출 모듈(111)은 이하의 [식 1]을 기초로 상기 시간당 굴착량 정보(210)를 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
[식 1]
시간당 굴착량 = 굴진면 면적(㎡) ㅧ 굴진속도(m/hr)
3. The method of claim 2,
The rotational speed deriving module 110 includes an excavation amount deriving module 111 for deriving the per hour excavation amount information 210,
The self-driving system of the shield TBM, characterized in that the drilling amount derivation module 111 derives the hourly drilling amount information 210 based on the following [Equation 1].
[Equation 1]
Excavation amount per hour = Excavation surface area (㎡) Ⅷ Excavation speed (m/hr)
상기 [식 1]에서의 굴진속도는 이하의 [식 2]를 기초로 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
[식 2]
굴진속도 = 커터헤드 1회전당 관입깊이(mm/rev) ㅧ 분당 커터헤드 회전속도(rpm) ㅧ 0.06
4. The method of claim 3,
The self-driving system of the shield TBM, characterized in that the excavation speed in [Equation 1] is derived based on the following [Equation 2].
[Equation 2]
Excavation speed = Penetration depth per 1 rotation of the cutter head (mm/rev) ㅧ Rotational speed of the cutter head per minute (rpm) ㅧ 0.06
상기 회전속도 도출모듈(110)은 상기 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)를 도출하는 배출량 도출 모듈(112)를 포함하되,
상기 배출량 도출 모듈(112)은 이하의 [식 3]을 기초로 상기 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)를 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
[식 3]
시간당 배출량 = 스크류 컨베이어 1회전 당 배출량(㎡/rev) ㅧ 분당 스크류 컨베이어 회전 속도(rpm)/60
5. The method of claim 4,
The rotational speed derivation module 110 includes an emission derivation module 112 for deriving the hourly emission information 220 of the excavated soil,
The self-driving system of the shield TBM, characterized in that the emission derivation module 112 derives the hourly emission information 220 of the excavated silt based on the following [Equation 3].
[Equation 3]
Discharge per hour = Discharge per rotation of the screw conveyor (m2/rev) Ⅷ Rotational speed of the screw conveyor per minute (rpm)/60
상기 [식 3]의 스크류 컨베이어 1회전 당 배출량은 이하의 [식 4]에 기초하여 도출되는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
[식 4]
스크류 컨베이어 1회전 당 배출량 = 스크류 컨베이어 단면적(㎡) ㅧ 스크류 컨베이어 길이(m) ㅧ 배출효율
6. The method of claim 5,
The self-driving system of the shield TBM, characterized in that the emission per rotation of the screw conveyor in [Equation 3] is derived based on the following [Equation 4].
[Equation 4]
Discharge per rotation of screw conveyor = Cross-sectional area of screw conveyor (m2) Ⅷ Length of screw conveyor (m) Ⅷ Discharge efficiency
상기 회전속도 도출모듈(110)은 목표 배출량 정보(230)를 도출하는 목표 배출량 도출 모듈(113)을 포함하되,
상기 목표 배출량 정보 모듈(113)은 이하의 [식 5]를 기초로 목표 배출량 정보(230)를 도출하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
[식 5]
목표 배출량(㎡/hr) = 시간당 굴착량 ㅧ 부피팽창률
7. The method of claim 6,
The rotation speed derivation module 110 includes a target emission derivation module 113 for deriving the target emission information 230,
The self-driving system of the shield TBM, characterized in that the target emission information module 113 derives the target emission information 230 based on the following [Equation 5].
[Equation 5]
Target discharge (m2/hr) = excavation per hour Ⅷ volume expansion rate
상기 제어부(100)는 상기 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)가 상기 목표 배출량 정보(230)에 도달할 때까지 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
8. The method of claim 7,
The control unit 100 controls the rotational speed of the screw conveyor 20 until the hourly discharge information 220 of the excavated soil material reaches the target emission information 230. Self-driving of the shield TBM, characterized in that system.
상기 [식 1]에서의 굴진면 면적(㎡),
상기 [식 4]에서의 스크류 컨베이어 단면적(㎡), 스크류 컨베이어 길이(m) 및 배출효율,
상기 [식 5]에서의 부피팽창률을 입력받는 입력부(300);를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
9. The method of claim 8,
The excavation surface area (m2) in [Equation 1] above,
Screw conveyor cross-sectional area (m2), screw conveyor length (m) and discharge efficiency in [Equation 4],
The input unit 300 for receiving the volume expansion coefficient in the above [Equation 5];
Shield TBM autonomous driving system, characterized in that it further comprises.
상기 [식 2]에서의 커터헤드 1회전당 관입깊이(mm/rev) 및 분당 커터헤드 회전속도(rpm)를 센싱하는 제1 센서(410); 및
상기 [식 3]에서의 분당 스크류 컨베이어 회전 속도(rpm)를 센싱하는 제2 센서(420);를
포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM의 자율주행 시스템.
10. The method of claim 9,
a first sensor 410 for sensing a penetration depth per one rotation of the cutter head (mm/rev) and a rotation speed of the cutter head per minute (rpm) in [Equation 2]; and
A second sensor 420 for sensing the screw conveyor rotation speed (rpm) per minute in [Equation 3];
Self-driving system of the shield TBM, characterized in that it comprises.
상기 입력부(300)를 통하여 상기 [식 1]에서의 굴진면 면적(㎡), 상기 [식 4]에서의 스크류 컨베이어 단면적(㎡), 스크류 컨베이어 길이(m) 및 배출효율, 상기 [식 5]에서의 부피팽창률을 입력받는 제1 단계(S100);
상기 회전속도 도출모듈(110)를 이용하여 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도 정보(220)를 도출하는 제2 단계(S200); 및
상기 제어부(100)가 상기 굴착 토사물의 시간당 배출량 정보(220)가 상기 목표 배출량 정보(230)에 도달할 때까지 상기 스크류 컨베이어(20)의 회전속도를 조절하는 제3 단계(S300);를
포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 TBM 자율주행방법.
In the shield TBM autonomous driving method using the shield TBM autonomous driving system of claim 10,
Through the input unit 300, the excavation surface area (m2) in [Equation 1], the screw conveyor cross-sectional area (m2) in the [Equation 4], the screw conveyor length (m) and discharge efficiency, the [Equation 5] A first step of receiving a volume expansion coefficient in (S100);
a second step (S200) of deriving rotation speed information 220 of the screw conveyor 20 using the rotation speed deriving module 110; and
A third step (S300) in which the control unit 100 adjusts the rotation speed of the screw conveyor 20 until the hourly discharge information 220 of the excavated soil material reaches the target emission information 230;
Shield TBM autonomous driving method comprising the.
A computer-readable recording medium in which a program for executing the second step (S200) of claim 11 is recorded.
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KR1020200164923A KR20220076104A (en) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | Shield TBM autonomous driving system equipped with machine learning-based screw conveyor control and shield TBM autonomous driving method using the same |
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Cited By (1)
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KR102626861B1 (en) * | 2022-09-01 | 2024-01-17 | 현대건설(주) | Segmental screw conveyor for tunnel boring machine |
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2020
- 2020-11-30 KR KR1020200164923A patent/KR20220076104A/en not_active IP Right Cessation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102626861B1 (en) * | 2022-09-01 | 2024-01-17 | 현대건설(주) | Segmental screw conveyor for tunnel boring machine |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X601 | Decision of rejection after re-examination |