技术特征：
1.一种管片拼装点位选择系统，其特征在于，所述管片拼装点位选择系统包括：管片点位选择初始化模块、管片点位选择优化模块、管片姿态理想控制目标设定模块；所述管片点位选择优化模块分别连接管片点位选择初始化模块及管片姿态理想控制目标设定模块；所述管片点位选择初始化模块用以读取最新已拼装管片的点位信息与管片姿态信息，并设定管片点位预排长度n；所述管片姿态理想控制目标设定模块用以基于历史工程中成型隧道管片姿态控制优秀段的施工工况数据，使用数据驱动的方法或基于规则的方法获得管片拼装姿态控制目标设定器；在盾构掘进过程中，管片拼装姿态控制目标设定器读取当前工况获取器采集的工况信息输出管片端面中心点控制的目标域；所述管片点位搜索优化模块用以筛选出满足错缝拼装、盾尾间隙、千斤顶行程差要求的候选点位序列集合；根据候选点位序列集合、盾构规划轨迹、当前盾构姿态、合力边界计算对当前盾构所受合力进行校验，确定当前盾构所受合力是否符合盾构姿态的控制需求并确定当前管片上超量和右超量的理想控制候选域，对候选点位序列进行进一步筛选输出可行点位序列集合；基于可行点位序列集合以第n环管片姿态落在端面中心点目标域作为管片点位序列的优化目标，输出最优管片点位序列。2.根据权利要求1所述的管片拼装点位选择系统，其特征在于：所述管片点位搜索优化模块中考虑盾构所受合力边界校验过程；在管片姿态理想控制目标设定模块中基于历史工程中挖掘的施工规律，结合当前的施工工况输出管片端面中心点控制目标域。3.根据权利要求1所述的管片拼装点位选择系统，其特征在于：所述管片点位选择初始化模块包括上一环拼装点位及管片姿态信息获取器及管片点位预排片长度n设定器；所述上一环拼装点位及管片姿态信息获取器用以在当前环推进结束后获取上一环的封顶块对应的点位信息和上一环管片空间姿态信息；管片空间姿态信息包含管片端面的中心点空间坐标和管片上超右超量，分别表示为和c
x
,c
y
，c
z
分别为管片端面中心点的空间三维坐标值，e
u
,e
r
分别为管片的上超量和右超量；所述管片点位预排长度n设定器用以设定计划进行管片预排片的长度n，并将该值传输至管片点位搜索优化模块和管片姿态理想控制目标设定模块。4.根据权利要求1所述的管片拼装点位选择系统，其特征在于：所述管片姿态理想控制目标设定模块包括管片姿态控制目标设定器、当前工况获取器；所述当前工况获取器用以获取、存储当前区段影响管片拼装时姿态控制目标的相关工况参数；相关工况参数至少包括：当前区段地质条件、注浆浆液参数、已拼装管片上浮量、当前位置隧道设计轴线形态；当前区段地质条件表示为当前区段地质条件表示为元素的下标i与具体的土体类型具有一一对应的关系，中包含了此类型土体的具体相关参数表示为参数依次表示为该类型土体的起始埋深、终止埋深、所占刀盘切削面比例、土体重度、孔隙比、
天然含水量、uu内摩擦角、uu粘聚力。在实际应用过程中，使用者可以根据需求对土体参数进行扩充，但应保证每类土体所含参数数量保持一致；注浆浆液参数表示为其中，g
n
代表当前有关浆液的具体参数，依次表示为当前管片各个注浆孔的注浆比例、环注浆总量、浆液的凝固时间、浆液的塌落度；在实际应用过程中，使用者可以根据需求对浆液参数进行扩充；已拼装管片上浮量根据最新拼装管片中单次上浮量已为0mm的环片，及其前n环管片的累积上浮量均值进行表示；为了更准确的表征已拼装管片上浮量，建议n的取值范围为5～10；当前位置隧道设计轴线形态信息的表征范围为当前环及其后n环的距离，其中n代表着管片点位预排长度，由管片点位预排长度n设定器确定；将当前环作为起始位置，第n环作为终止位置，设计轴线形态信息的表示形式为其中中各元素的含义依次为起始位置隧道设计轴线相对于管片端面中心点的距离、终止位置隧道设计轴线相对于管片端面中心点的距离、起始位置隧道设计轴线相对盾构切口中心点的距离、终止位置隧道设计轴线相对盾构切口中心点的距离、起始位置隧道设计轴线相对盾构尾部中心点的距离、终止位置隧道设计轴线相对盾构尾部中心点的距离、隧道设计轴线起始位置与终止位置所连直线与管片端面法线在水平方向上的夹角、隧道设计轴线起始位置与终止位置所连直线与管片端面法线在垂直方向上的夹角、起始位置至终止位置隧道设计轴线在水平方向投影线段的曲率、起始位置至终止位置隧道设计轴线在高程方向投影线段的曲率；所述管片姿态控制目标设定器用以根据预排片长度n，确定管片端面中心点三维空间坐标距离当前位置第n环处应所当落在目标域；管片姿态控制目标设定器基于历史工程中管片最终姿态控制优秀段的施工数据进行构建，构建过程考虑的因素同当前工况获取器中的信息保持一致，构建方法为基于数据驱动的方法或基于规则的方法；在系统运行过程中，获取当前工况参数传入管片姿态控制目标设定器，输出距离当前第n环管片端面中心点的理想控制目标域；所述点位选择约束器中包含候选点位生成器和力边界校验器；点位选择约束器根据候选点位生成器中的条件生成候选点位序列，序列长度为n；力边界校验器结合候选点位序列集合计算合力边界，确定当前工况下管片上超量和右超量的控制候选域，基于此对候选点位序列进行进一步的筛选，输出可行点位序列集合；可行点位序列集合进入点位序列搜索优化器，以第n环管片端面中心点坐标落入管片端面控制目标域作为优化目标，搜索输出最优的点位序列；点位选择约束器的具体构建方式包括：(1)错缝拼装点位选择规律：为提升管片整体姿态的稳定性、牢固性，管片拼装需满足错缝拼装要求，给出一种快速计算错缝点位的公式：m
i+1
＝m
i
+2n+2其中，m
i
为第i环的拼装点位；n取非负整数0,1,2,3
……
；此外在符合上式的点位中，为保证成型隧道的受力均匀、管片不被破损，应当避免在正上、正下两个点位拼装封顶块；(2)盾尾间隙变化量计算：从任一方向对管片进行投影，计算两侧盾尾间隙变化量；确定管片任一位置处的盾尾间隙大小，在进行封顶块点位预选择的时对盾尾间隙的变化量进行计算，比较当前盾尾间隙大小，判断封顶块拼装点位选择的是否合理；
(3)千斤顶行程差允许范围：通用型管片在管片封顶块处的楔形量达到最大值，封顶块的位置影响千斤顶初始位置行程差的大小，千斤顶初始行程差过大会导致千斤顶过长一侧产生的反作用力过大；在盾构推进时，为避免千斤顶反作用力单侧过大破坏已拼装管片的完整性，在确定管片分顶块点位时，应当保证拼装后千斤顶的初始行程差应当控制在一定的范围内；通过点位选择约束器的以上步骤输出候选点位序列集合，并输入至力边界校验器中。5.根据权利要求1所述的管片拼装点位选择系统，其特征在于：所述管片点位搜索优化模块包含点位选择约束器、点位序列搜索优化器，其中点位选择约束器中包含候选点位生成器和力边界校验器；所述力边界校验器用以判断在预选封顶块点位条件下盾构所受外部合力是否能够有能力驱动盾构沿规划轨迹进行掘进，即计算盾构所受合力边界，确定管片上超量和右超量的控制候选域；盾构在掘进过程中受到的合力主要由五部分组成，f1:正面土压力，f2：盾构周围土体对盾壳的阻力，f3：管片对千斤顶的反作用力，f4：覆土对盾构机壳体的压力或左侧土体对盾壳的挤压力，f5：下卧土对盾构机的支撑力或右侧土体对盾壳的挤压力；其中，f3的大小和方向受到管片姿态、千斤顶分区油压差最大值、千斤顶初始长度的影响，且f3为盾构掘进的唯一动力，为保证当前盾构机姿态能够按照规划轨迹进行掘进，须确保f
合边界
能够提供盾构转向规划轨迹的分力；f
合边界
＝f1+f2+f
3边界
+f4+f5f
合边界
的大小和方向主要受到f
3边界
的影响，在计算f
3边界
时需要考虑管片端面姿态、千斤顶初始行程差、千斤顶分区油压差最大值；f
3边界
＝f(g(x1)，h(x1)，x2)其中，x1为当前环封顶块预选点位，g(x1)为封顶块点位确定下的管片端面姿态，h(x1)为封顶块点位确定下的千斤顶初始行程差，x2为分区千斤顶的最大油压差；f
合边界
的计算过程可以通过数值模拟或数据驱动方法进行计算；通过预选封顶块拼装点位对合力的边界进行计算，判断当前的边界力是否能够驱动盾构机沿规划轨迹进行掘进，并确定出管片上超量和右超量的理想控制候选域；最终，点位选择约束器输出可行点位序列集合，并输入至点位序列搜索优化器中；所述点位序列搜索优化器用以以管片姿态控制目标设定器输出的管片端面中心点目标域作为优化目标，对可行点位序列集合进行搜索优化。6.一种管片拼装点位选择方法，其特征在于，所述管片拼装点位选择方法包括：管片点位初始化步骤，读取最新已拼装管片的点位信息与管片姿态信息，并设定管片点位预排长度n；管片姿态理想控制目标设定步骤，基于历史工程中成型隧道管片姿态控制优秀段的施工工况数据，使用数据驱动的方法或基于规则的方法获得管片拼装姿态控制目标设定器，其中施工工况数据包含对应的地质条件、注浆浆液参数、管片上浮量、设计轴线形态；在盾构掘进过程中，管片拼装姿态控制目标设定器读取当前工况获取器采集的工况信息输出管片端面中心点控制的目标域；管片点位搜索优化步骤，筛选出满足错缝拼装、盾尾间隙、千斤顶行程差要求的候选点位序列集合；根据候选点位序列集合、盾构规划轨迹、当前盾构姿态、合力边界计算对当前
盾构所受合力进行校验，确定当前盾构所受合力是否符合盾构姿态的控制需求并确定当前管片上超量和右超量的理想控制候选域，对候选点位序列进行进一步筛选输出可行点位序列集合；点位序列搜索优化器基于可行点位序列集合以第n环管片姿态落在端面中心点目标域作为管片点位序列的优化目标，输出最优管片点位序列。7.根据权利要求6所述的管片拼装点位选择方法，其特征在于：所述管片搜索优化步骤中，考虑盾构所受合力边界校验过程；在管片姿态理想控制目标设定步骤中，基于历史工程中挖掘的施工规律，结合当前的施工工况输出管片端面中心点控制目标域。8.根据权利要求6所述的管片拼装点位选择方法，其特征在于：所述管片点位选择初始化步骤包括：上一环拼装点位及管片姿态信息获取器在当前环推进结束后获取上一环的封顶块对应的点位信息和上一环管片空间姿态信息；管片空间姿态信息包含管片端面的中心点空间坐标和管片上超右超量，分别表示为和c
x
,c
y
，c
z
分别为管片端面中心点的空间三维坐标值，e
u
,e
r
分别为管片的上超量和右超量；管片点位预排长度n设定器设定计划进行管片预排片的长度n，并将该值传输至管片点位搜索优化模块和管片姿态理想控制目标设定模块。9.根据权利要求6所述的管片拼装点位选择方法，其特征在于：所述管片姿态理想控制目标设定步骤包括：当前工况获取器获取、存储当前区段影响管片拼装时姿态控制目标的相关工况参数；相关工况参数至少包括：当前区段地质条件、注浆浆液参数、已拼装管片上浮量、当前位置隧道设计轴线形态；当前区段地质条件表示为当前区段地质条件表示为元素的下标i与具体的土体类型具有一一对应的关系，中包含了此类型土体的具体相关参数表示为参数依次表示为该类型土体的起始埋深、终止埋深、所占刀盘切削面比例、土体重度、孔隙比、天然含水量、uu内摩擦角、uu粘聚力。在实际应用过程中，使用者可以根据需求对土体参数进行扩充，但应保证每类土体所含参数数量保持一致；注浆浆液参数表示为其中，g
n
代表当前有关浆液的具体参数，依次表示为当前管片各个注浆孔的注浆比例、环注浆总量、浆液的凝固时间、浆液的塌落度；在实际应用过程中，使用者可以根据需求对浆液参数进行扩充；已拼装管片上浮量根据最新拼装管片中单次上浮量为0mm的环片，及其前n环管片的累积上浮量均值进行表示；当前位置隧道设计轴线形态信息的表征范围为当前环及其后n环的距离，其中n代表着管片点位预排长度，由管片点位预排长度n设定器确定；将当前环作为起始位置，第n环作为终止位置，设计轴线形态信息的表示形式为其中中各元素的含义依次为起始位置隧道设计轴线相对于管片端面中心点的距离、终止位置隧道设计轴线相对于管片端面中心点的距离、起始位置隧道设计轴线相对盾构切口中心点的距离、终止位置隧道设计轴线相对盾构切口中心点的距离、起始位置隧道设计轴线相对盾构尾部中心点的距离、终止位置隧道设计轴线相对盾构尾部中心点的距离、隧道设计轴线起始位置
与终止位置所连直线与管片端面法线在水平方向上的夹角、隧道设计轴线起始位置与终止位置所连直线与管片端面法线在垂直方向上的夹角、起始位置至终止位置隧道设计轴线在水平方向投影线段的曲率、起始位置至终止位置隧道设计轴线在高程方向投影线段的曲率；管片姿态控制目标设定器根据预排片长度n，确定管片端面中心点三维空间坐标距离当前位置第n环处应所当落在目标域；管片姿态控制目标设定器基于历史工程中管片最终姿态控制优秀段的施工数据进行构建，构建过程考虑的因素同当前工况获取器中的信息保持一致，构建方法为基于数据驱动的方法或基于规则的方法；在系统运行过程中，获取当前工况参数传入管片姿态控制目标设定器，输出距离当前第n环管片端面中心点的理想控制目标域；所述点位选择约束器中包含候选点位生成器和力边界校验器；点位选择约束器根据候选点位生成器中的条件生成候选点位序列，序列长度为n；力边界校验器结合候选点位序列集合计算合力边界，确定当前工况下管片上超量和右超量的控制候选域，基于此对候选点位序列进行进一步的筛选，输出可行点位序列集合；可行点位序列集合进入点位序列搜索优化器，以第n环管片端面中心点坐标落入管片端面控制目标域作为优化目标，搜索输出最优的点位序列；点位选择约束器的具体构建方式包括：(1)错缝拼装点位选择规律：为提升管片整体姿态的稳定性、牢固性，管片拼装需满足错缝拼装要求，给出一种快速计算错缝点位的公式：m
i+1
＝m
i
+2n+2其中，m
i
为第i环的拼装点位；n取非负整数0,1,2,3
……
；此外在符合上式的点位中，为保证成型隧道的受力均匀、管片不被破损，应当避免在正上、正下两个点位拼装封顶块；(2)盾尾间隙变化量计算：从任一方向对管片进行投影，计算两侧盾尾间隙变化量；确定管片任一位置处的盾尾间隙大小，在进行封顶块点位预选择的时对盾尾间隙的变化量进行计算，比较当前盾尾间隙大小，判断封顶块拼装点位选择的是否合理；(3)千斤顶行程差允许范围：通用型管片在管片封顶块处的楔形量达到最大值，封顶块的位置影响了千斤顶初始位置行程差的大小，千斤顶初始行程差过大会导致千斤顶过长一侧产生的反作用力过大；在盾构推进时，为避免千斤顶反作用力单侧过大破坏已拼装管片的完整性，在确定管片分顶块点位时，应当保证拼装后千斤顶的初始行程差应当控制在一定的范围内；通过点位选择约束器的以上步骤输出候选点位序列集合，并输入至力边界校验器中。10.根据权利要求6所述的管片拼装点位选择方法，其特征在于：所述管片点位搜索优化步骤包括：力边界校验器判断在预选封顶块点位条件下盾构所受外部合力是否能够有能力驱动盾构沿规划轨迹进行掘进，即计算盾构所受合力边界，确定管片上超量和右超量的控制候选域；盾构在掘进过程中受到的合力主要由五部分组成，f1:正面土压力，f2：盾构周围土体对盾壳的阻力，f3：管片对千斤顶的反作用力，f4：覆土对盾构机壳体的压力或左侧土体对盾壳的挤压力，f5：下卧土对盾构机的支撑力或右侧土体对盾壳的挤压力；其中，f3的大小和方向受到管片姿态、千斤顶分区油压差最大值、千斤顶初始长度的影响，且f3为盾构掘进的唯一动力，为保证当前盾构机姿态能够按照规划轨迹进行掘进，须确保f
合边界
能够提供盾
构转向规划轨迹的分力；f
合边界
＝f1+f2+f
3边界
+f4+f5f
合边界
的大小和方向主要受到f
3边界
的影响，在计算f
3边界
时需要考虑管片端面姿态、千斤顶初始行程差、千斤顶分区油压差最大值；f
3边界
＝f(g(x1)，h(x1)，x2)其中，x1为当前环封顶块预选点位，g(x1)为封顶块点位确定下的管片端面姿态，h(x1)为封顶块点位确定下的千斤顶初始行程差，x2为分区千斤顶的最大油压差；f
合边界
的计算过程可以通过数值模拟或数据驱动方法进行计算；通过预选封顶块拼装点位对合力的边界进行计算，判断当前的边界力是否能够驱动盾构机沿规划轨迹进行掘进，并确定出管片上超量和右超量的理想控制候选域。最终，点位选择约束器输出可行点位序列集合，并输入至点位序列搜索优化器中；点位序列搜索优化器以管片姿态控制目标设定器输出的管片端面中心点目标域作为优化目标，对可行点位序列集合进行搜索优化。
技术总结
本发明揭示了一种管片拼装点位选择系统及方法，所述管片拼装点位选择系统包括：管片点位选择初始化模块、管片点位选择优化模块、管片姿态理想控制目标设定模块；所述管片点位搜索优化模块用以筛选出满足错缝拼装、盾尾间隙、千斤顶行程差要求的候选点位序列集合；根据候选点位序列集合、盾构规划轨迹、当前盾构姿态、合力边界计算对当前盾构所受合力进行校验，确定当前盾构所受合力是否符合盾构姿态的控制需求并确定当前管片上超量和右超量的理想控制候选域。本发明揭示的管片拼装点位选择系统及方法，可提高管片拼装点位选择的合理性。性。性。
技术研发人员：吴秉键 胡珉 张昊澜 刘龙潇 余星 喻钢
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2022/2/23