基于工业数据智能分析的顶管机的压力补偿系统的制作方法

1.本发明涉及电数字数据处理技术领域，具体涉及一种基于工业数据智能分析的顶管机的压力补偿系统。


背景技术：

2.随着我国工业建筑建设向高层次发展，对文明施工的要求提出了更高的要求，地表随便开挖在许多城市也受到法律和规范的制约。目前，在管线施工中常采用顶管技术，顶管技术是一项用于市政施工的非开挖掘进式管道铺设施工技术。
3.采用顶管技术进行施工时需要用到顶管机，但是利用顶管机进行掘进作业时，通常会出现由于掘进的土质硬度变化而导致顶进压力变化不及时的问题，进而影响顶管机的掘进速度。还有顶管机在阻力过大的情况下仍持续进行掘进作业，导致顶管机负载过大，进而影响机器寿命和质量。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于工业数据智能分析的顶管机的压力补偿系统，所采用的技术方案具体如下：
5.顶管机工作数据采集模块，用于获取顶管机在各阻力下工作时间段内不同时刻的土石重量和震动频率；
6.顶管机工作数据处理模块，用于根据所述土石重量和震动频率计算各阻力下的受阻程度指标，并根据各阻力下的土石重量和受阻程度指标，计算任意两个阻力之间的相近关系；基于所述相近关系，对不同阻力进行分组，得到多个组别；
7.顶管机工作数据分析模块，用于获取各组的指示阻力，基于各组指示阻力对应的受阻程度指标，计算各指示阻力下的补偿压力；
8.顶管机工作压力补偿模块，用于将各组指示阻力对应的补偿压力上传至数据库中；在顶管机工作过程中，当阻力发生变化时，根据顶管机受到的阻力在数据库中匹配对应的补偿压力。
9.优选地，所述顶管机工作数据采集模块还用于获取顶管机在不同阻力下工作时间段内的掘进速度。
10.优选地，所述受阻程度指标的获取方法具体为：
11.在不同阻力下，将工作时间段划分为第一时间段和第二时间段，计算第一时间段与第二时间段内所有时刻的土石重量之和的差值，得到各阻力下的土石重量变化评价；计算工作时间段内所有时刻震动频率的方差得到震动频率变化评价；根据所述土石重量变化评价和震动频率变化评价，得到各阻力下的受阻程度指标。
12.优选地，所述相近关系的获取方法具体为：
13.计算任意两个阻力下的土石重量的皮尔逊相关系数得到第一数值；
14.分别计算所述两个阻力下工作时间段内所有时刻土石重量极差与均值，根据所述
两个阻力对应的土石重量极差的差值与土石重量均值的差值，得到第二数值；
15.计算所述两个阻力下的受阻程度指标差值的绝对值得到第三数值；
16.根据第一数值、第二数值与第三数值得到任意两个阻力之间的相近关系。
17.优选地，所述相近关系的计算方法为：
[0018][0019]
其中，r(a,b)表示阻力为a与阻力为b之间的相近关系，fa、fb分别表示阻力为a与阻力为b下的土石重量，pa、pb分别表示阻力为a与阻力为b下的受阻程度指标；
[0020]
为第一数值，表示阻力a与阻力b下的土石重量的皮尔逊相关系数；
[0021]
为第二数值，d(fa)、d(fb)分别表示在阻力为a与阻力为b下工作时间段内所有时刻土石重量的极差，mean(fa)、mean(fb)分别表示在阻力为a与阻力为b下工作时间段内所有时刻土石重量的均值；
[0022]
为第三数值，|pa－pb|表示两个阻力下受阻程度指标的差值。
[0023]
优选地，所述系统还包括顶管机工作阻力监控模块，用于根据各组指示阻力获取阻力阈值区间，并对顶管机所受阻力进行实时检测，若顶管机所受阻力长时间处于阻力阈值区间内，则需对顶管机进行停机检查。
[0024]
本发明实施例至少具有如下有益效果：
[0025]
本发明提供了一种基于工业数据智能分析的顶管机的压力补偿系统，该系统采用工业数据存储支持服务技术，本质上是基于复杂数学运算的、用于换算统计数据的方法对获取到的不同阻力下的土石重量和震动频率相关工业数据信息进行数据处理，从而确定不同阻力下的受阻程度，根据受阻程度计算不同阻力下的补偿压力，同时将获得的数据进行存储，根据顶管机实际受到的阻力与存储的数据获取相应的补偿压力。本发明能够及时应对顶管机的压力变化，并进行相应的压力补偿，使机器能够正常运行。
[0026]
同时对顶管机受到的阻力进行实时监测，使顶管机的压力维持在正常范围内，确保了机器的安全性。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
[0028]
图1为本发明的一种基于工业数据智能分析的顶管机的压力补偿系统的系统框图。
具体实施方式
[0029]
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结
合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于工业数据智能分析的顶管机的压力补偿系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
[0030]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
[0031]
下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种基于工业数据智能分析的顶管机的压力补偿系统的具体方案。
[0032]
实施例1：
[0033]
具体地，以土压平衡式顶管机为例，进行说明：
[0034]
其中，土压平衡式顶管机主要由顶管机刀盘、大刀盘驱动装置、前后壳体、止转装置、联接两壳体的纠偏油缸组和铰接密封装置、出土螺旋输送机、纠偏油缸液压动力站和液压管路、润滑油脂泵和油脂输送管路、加泥(水)装置、驱动电机电器柜及顶管操纵台等组合而成。
[0035]
其工作原理是：先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前进，与此同时大刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机中，并被挤压形成具有一定土压的压缩土体；历经螺旋输送机的旋转，运输出切削的土体。密封土仓内的土压力值可通过螺旋输送机的出土量或顶管机的前进速度来操纵，使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持稳定，进而确保开挖面的稳定，避免地面的沉降或隆起。对于顶管机的具体连接，由于为现有技术，此处不再过多赘述。
[0036]
本发明的基于工业数据智能分析的顶管机的压力补偿系统，是基于上述顶管机的结构而设置的压力补偿系统，实质上就是模块(装置)，设置的具体位置可以根据实际情况进行选择。
[0037]
请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种基于工业数据智能分析的顶管机的压力补偿系统的系统框图，该系统包括以下模块：
[0038]
顶管机工作数据采集模块，用于获取顶管机在不同阻力下工作时间段内的掘进速度，同时获取顶管机在各阻力下工作时间段内不同时刻的土石重量和震动频率。
[0039]
需要说明的是，顶管机在一个固定的顶进压力下，会以一个初始的掘进速度进行掘进作业。当顶管机在顶进过程中，掘进速度会受土质的影响而发生变化。土质的硬度关乎顶管机在顶进过程中所受到的阻力，土质的硬度越大，顶管机在顶进过程中所受到的阻力越大，掘进速度则越慢，土质的硬度越小，即较为松软时，顶管机在顶进过程中所受到的阻力越小，掘进速度则越快。因此，顶管机受到的阻力大小，决定着顶管机掘进速度的快慢，在不同阻力下有不同的掘进速度，因此需要获取顶管机在不同阻力下工作时间段内的掘进速度。
[0040]
具体地，利用距离传感器，采集每个阻力在工作时间段内的顶进路程。根据在各阻力下的顶进路程与工作时间段的时间长度，计算各阻力下的掘进速度，记为速度序列s。由于在一个固定的压力下，顶管机不同的掘进速度代表着顶管机受到了不同的阻力，因此可以用掘进速度表示不同的阻力。
[0041]
需要说明的是，顶管机在进行掘进作业时，需要向外输送土石，通常采用传送带的
方式，而向外输送的土石重量和掘进速度有关。当顶管机在较为松软的土质中进行掘进作业时，顶管机的掘进速度受土质的影响较小，则向外输送的土石重量变化也小。当顶管机在较硬的土质中进行掘进作业时，土质对顶管机的掘进速度有一定的影响，则对向外输送的土石重量也有所影响，即掘进速度变慢会导致顶管机向外输送的土石重量变少。因此可以根据顶管机向外输送的土石重量信息来反映顶管机在顶进过程中的土质情况，则需要采集顶管机向外输送的土石重量。
[0042]
具体地，将压力传感器安装在传送带的前端，采用压力传感器读取传送带上的土石所产生的压力数据，将读取的压力数据记为土石重量，则可获得顶管机在各阻力下工作时间段内不同时刻的土石重量，记为土石重量序列f。
[0043]
需要说明的是，由于顶管机在进行掘进作业时，顶管机的机身会产生震动。若土质的硬度不发生变化，则顶管机的震动频率较为稳定，若土质的硬度增大，顶管机在顶进过程中受到的阻力变大，则震动频率会发生波动。进而波动越大，表示顶管机受到的阻力越大，因此需对顶管机的震动频率进行采集。、
[0044]
具体地，将震动传感器安装在顶管机前端，利用震动传感器对顶管机的震动频率信息进行采集，可以更直接的对顶管机的震动频率进行数据读取，则可获得顶管机在各阻力下工作时间段内不同时刻的震动频率，记为震动频率序列。
[0045]
其中，在本实施例中将工作时间段设定为5分钟，工作时间段对应的时刻设定为5秒，实施者也可根据实际情况对工作时间段和其对应时刻的数值进行调整。
[0046]
顶管机工作数据处理模块，用于根据所述土石重量和震动频率计算各阻力下的受阻程度指标，并根据各阻力下的土石重量和受阻程度指标，计算任意两个阻力之间的相近关系；基于所述相近关系，对不同阻力进行分组，得到多个组别。
[0047]
具体地，在不同阻力下，将工作时间段划分为第一时间段和第二时间段，计算第一时间段与第二时间段内所有时刻的土石重量之和的差值，得到各阻力下的土石重量变化评价e，用公式表示为：
[0048][0049]
其中，ea表示阻力为a时的土石重量变化评价，f1表示第一时间段内所有时刻土质重量之和，f2表示第二时间段内所有土石重量之和。并且使其值域位于(0,1]之间，当土石重量变化评价e趋近于1时，则表示土石重量变化小，当其趋近于0时，则表示土石重量变化大。
[0050]
需要说明的是，将工作时间段划分为第一时间段和第二时间段，可以将工作时间段均匀划分，也可以将土石重量变化较小的时刻划分为第一时间段，将土石重量变化较大的时刻划分为第二时间段，实施者可根据实际情况进行选择划分的方法。
[0051]
计算工作时间段内所有时刻震动频率的方差得到震动频率变化评价h；根据所述土石重量变化评价和震动频率变化评价的乘积，得到各阻力下的受阻程度指标p，即当顶管机利用传送带向外输送的土石重量和顶管机震动频率发生变化时，顶管机的受阻程度指标相应的也随之变化。
[0052]
任意两个阻力之间的相近关系的获取方法具体为：计算任意两个阻力下的土石重量的皮尔逊相关系数得到第一数值；分别计算所述两个阻力下工作时间段内所有时刻土石
重量极差与均值，根据所述两个阻力对应的土石重量极差的差值与土石重量均值的差值，得到第二数值；计算所述两个阻力下的受阻程度指标差值的绝对值得到第三数值；根据第一数值、第二数值与第三数值得到任意两个阻力之间的相近关系。
[0053]
相近关系用公式表示为：
[0054][0055]
其中，r(a,b)表示阻力为a与阻力为b之间的相近关系，fa、fb分别表示阻力为a与阻力为b时土石重量序列，pa、pb分别表示阻力为a与阻力为b下的受阻程度指标。
[0056]
为第一数值，表示阻力a与阻力b下的土石重量的皮尔逊相关系数。
[0057]
为第二数值，d(fa)、d(fb)分别表示在阻力为a与阻力为b下工作时间段内所有时刻土石重量的极差，mean(fa)、mean(fb)分别表示在阻力为a与阻力为b下工作时间段内所有时刻土石重量的均值。
[0058]
为第三数值，|pa－pb|表示两个阻力下受阻程度指标的差值，差值越大，则相近关系越小，差值越小，则相近关系越大。
[0059]
基于各阻力之间的相近关系，得到各个阻力之间的距离，用公式表示为：
[0060][0061]
其中，x表示阻力为a和b时的距离，两种阻力之间的相近关系越强，距离越近，相近关系越弱，距离越远。
[0062]
根据各阻力之间的距离，并此采用dbscan聚类算法对不同的阻力进行分组，得到多个组别。先设置一个搜索范围，并设搜索范围的半径为r，根据搜索范围半径r对其进行分组。实施者可根据实际情况对搜索半径r的取值进行调整，进而调整得到组别的数量。此外，实施者还可根据实际情况进行选择合适的聚类方法或者分组方法。
[0063]
顶管机工作数据分析模块，用于获取各组的指示阻力，基于各组指示阻力对应的受阻程度指标，计算各指示阻力下的补偿压力。
[0064]
需要说明的是，各组内的阻力大小是相近的，但是各组内的阻力数据也是有不同的情况，在不同的阻力下对应的有着不同的受阻程度指标，在对组内的数据进行分析时，由于数据的不统一，容易出现误差，因此为了降低误差，先对组内的数据进行处理。
[0065]
将组内的一些相对于整体数据来说，具有较大差距的异常数据进行剔除，避免差距过大而影响计算结果。基于顶管机不同的掘进速度表示顶管机受到了不同的阻力，掘进速度越慢，则阻力越大，因此可以用掘进速度表示不同的阻力。
[0066]
为了保证补偿压力能够对组内所有阻力下的顶管机都产生有益效果，获取各组内的最大阻力计算补偿压力。计算各组内最小的掘进速度与整组掘进速度的比值得到最大阻力，将各组的最大阻力记为各组的指示阻力。
[0067]
需要说明的是，顶管机的初始顶进压力适用于一个初始阻力，且两者之间有一定的关联关系(两者之间的关系为现有技术，在此不过多赘述)，将初始顶进压力与初始阻力
之间的关联系数记为k，当顶管机受到的阻力发生变化时，初始顶进压力就不再适配与阻力之间的关系，因此需要对顶管机的顶进压力进行补偿。
[0068]
补偿压力用公式表示为：
[0069]
.z＝pz*k
[0070]
其中，mz表示指示阻力z对应的补偿压力，pz表示指示阻力z下的受阻程度指标，k表示初始顶进压力与初始阻力之间的关联系数，实施者需要根据实际情况进行设定。
[0071]
顶管机工作压力补偿模块，用于将各组指示阻力对应的补偿压力上传至数据库中，在顶管机工作过程中，当阻力发生变化时，根据顶管机受到的阻力在数据库中匹配对应的补偿压力，从而保证顶管机能够正常工作。
[0072]
顶管机工作阻力监控模块，用于根据各组指示阻力获取阻力阈值区间，区间的范围设为(0.9z,z]，并对顶管机所受阻力进行实时检测，若顶管机所受阻力长时间处于阻力阈值区间内，则需对顶管机进行停机检查，并适当维护。由于对顶管机的数据检测是实时进行的，因此当顶管机的阻力长时间处于阻力阈值区间范围内，表示顶管机的压力长时间处于极端状态，因此需要相应的采取措施。
[0073]
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0074]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0075]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。