一种土压平衡盾构智能掘进辅助方法及系统

本发明属于隧道工程，具体涉及一种土压平衡盾构智能掘进辅助方法及系统。

背景技术：

1、土压平衡盾构机是由多套复杂的系统所共同组成，各系统中设备的工作状态则主要通过其在掘进过程中所记录的设备参数来进行体现，通常统称这些参数为掘进参数。各掘进参数之间的变化并非独立进行，而是一个相互耦合的过程，与此同时，对某些掘进参数的调控也并非是直接进行，而是通过对其他系统的调整来进行间接调控。在使用土压平衡盾构对隧道进行建设的过程中，对掘进参数的调控通常需要综合考虑盾构所处的地质条件、埋深、盾构尺寸和线路安排等多种因素，如何准确感知盾构机所处环境，合理调控掘进参数保证盾构机安全高效掘进是所有工程所共同面对的最大难题。

2、在目前的盾构施工过程中，盾构机所处的施工环境复杂多变，各项设备的响应相互联动，如何对盾构运行过程中产生的大量盾构参数进行监测与调控极度依赖盾构司机的个人经验。司机首先需要由多方因素来判断盾构机机体及掌子面所处地层以选取对应的掘进策略，还需要根据线路设计与盾构姿态对多项掘进参数进行动态调整，其中涉及大量主观性判断与操作。同时由于盾构掘进控制不当引起的地层超/欠挖导致的地表位移超限、姿态超限等问题的处理存在着明显的滞后现象，往往需在问题或事故发生后才进行调整，这给后续施工带来不小影响。目前，信息化、数字化、智能化盾构施工技术正处于快速发展阶段，在盾构掘进控制平台方面，国内外的盾构施工和设备制造企业进行了积极探索，但主要集中在信息化施工方面，智能化控制领域的发展空间仍然很大，对于土压或泥水平衡盾构，尚未见到可实现自动推进或平行搭载的智能控制平台。

3、目前亟需一套集信息展示、地层预测、辅助决策、超/欠挖预警、地表位移预测与历史数据查询等功能为一体的盾构机智能辅助系统。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种土压平衡盾构智能掘进辅助方法及系统，其基于实时采集的盾构掘进参数与预先处理完成的地质信息与几何信息实现了包括六项计算核心功能模块和五项数据展示功能模块在内的十一项功能模块的应用与交互，最终将数据大屏以网页的形式投放于施工现场的电脑终端或移动终端中进行应用与展示，从而可以解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

3、本发明实施例提供了一种土压平衡盾构智能掘进辅助系统，包括掘进参数实时转发系统、盾构施工智能计算后台以及数据大屏；其中：

4、所述掘进参数实时转发系统用于获取工程信息、盾构姿态和实时掘进参数；

5、所述盾构施工智能计算后台用于对所述掘进参数实时转发系统传输的数据和导入的工程资料进行清洗、自动化存储和标准化处理，搭建标准化的盾构施工智能计算数据库，然后调用计算核心功能模块进行运算，输出运算结果，再经过数据展示功能模块对运算结果进行处理后再发送给所述数据大屏；所述核心功能模块具体包括掌子面地层预测模型、地层超欠挖预测模型、超前姿态预测模型、掘进参数优化模型、地表位移预测模型以及土仓压力预测模型；所述数据展示功能模块包括工程基本信息模块、动态地层信息模块、实时掘进参数模块、历史姿态偏差回溯模块以及历史掘进参数回溯模块；

6、数据大屏，其用于接收经过处理的运算结果，并进行可视化展示。

7、可选的，所述掘进参数实时转发系统运行于盾构掘进项目的地面监控室，通过调用盾构机厂商提供的数据接口来以每秒一次的频率接收的工程信息和盾构机运行产生的掘进参数，并通过云端传输至所述智能掘进辅助系统后台。

8、可选的，所述工程信息包括盾构位置、工作状态和施工进度。

9、可选的，所述盾构施工智能计算后台包括用于导入工程资料的导入接口；

10、所述工程资料包括地勘报告、工程基本信息、隧道设计轴线、地质数据、地质图、历史掘进参数、历史掘进姿态数据、历史振动传感器数据、历史出渣数据、地表位移监测数据、盾构驾驶经验规则库。

11、可选的，所述盾构施工智能计算后台包括自动化数据库搭建模块，其用于对掘进参数实时转发系统传输的数据和导入的工程资料进行清洗以自动识别并过滤异常数据点，并依据施工规范对清洗后的数据进行自动化存储和标准化处理，搭建标准化的盾构施工智能计算数据库以实现自动归类与匹配。

12、可选的，所述掌子面地层预测模型用于调取实时及历史的振动传感器数据、盾构掘进参数，进行标准化的滤波和分析操作，按每环作为数据库的一行的结构，构建一个作为模型输入的表格，随后通过调用基于svm算法构建的分类模型进行运算，实现盾构掘进掌子面所处地层实时预测；

13、所述地表位移预测模型用于调取实时及历史的盾构掘进参数、相应位置的地质及几何参数、通过对实时掘进参数进行分析得到的施工参数和距离参数，按每环作为数据库的一行的结构，构建一个作为模型输入的表格，随后通过调用预先已经完成训练并上传至盾构施工智能计算后台的基于bi-lstm算法构建的深度学习模型文件进行运算，实现盾构掘进引起的地表位移实时预测；

14、所述掘进参数优化模型用于通过调取盾构机前方未掘进段的地质信息并与盾构驾驶经验规则库进行匹配，得到相应的驾驶经验规则，推断出各个掘进参数的合理范围，随后使用粒子群优化算法pso在该范围内最终确定一组使得未掘进段满足盾构掘进施工风险最小化、施工效率最大化、参数设置科学化要求的一整套掘进参数值，作为推荐参数，实现盾构掘进参数的智能推荐；

15、所述地层超欠挖预测模型用于通过调取实时高精度皮带秤参数与预先导入的相应位置油缸行程内的理论出渣重量，按每环作为数据库的一行的结构，构建一个作为模型输入的表格，随后通过调用预先已经完成训练并上传至盾构施工智能计算后台的盾构掘进出渣量实时预测模型文件进行运算，并与理论出渣量进行实时对比，最终实现盾构掘进地层超欠挖实时感知；

16、所述超前姿态预测模型用于通过调取实时及历史的盾构掘进参数、相应位置的地质图、地质数据及几何参数，构建包含盾周地质特征以及施工操作参数的数据集，随后通过调用基于cnn-lstm框架构建的深度学习模型进行运算，实现对未来一定时间内的盾构姿态预测；

17、所述土仓压力预测模型用于通过调取实时及历史的盾构掘进参数、相应位置的地质数据及几何参数，按每分钟作为数据库一行的结构，构建一个作为模型输入的表格，通过调用预先已经完成训练并上传至盾构施工智能计算后台的基于卷积神经网络cnn及门控循环单元gru算法构建的深度学习模型文件进行运算，实现盾构土仓压力实时预测。

18、可选的，所述工程基本信息模块用于通过调取实时盾构掘进参数进行分析，结合预先输入的工程基本信息，即可得到施工进度信息；

19、所述动态地层信息模块用于通过预先导入工程所处区间的地勘资料，后台的数据爬虫将进行自动计算，得到盾构所在区间的各环断面上的土层类型及土层厚度信息，再调取预先导入的隧道设计轴线、实时盾构姿态及盾构掘进参数，最终得到各土体的空间分布信息、盾构机的位置及高程信息；

20、所述实时掘进参数模块用于调取盾构实时参数及盾构掘进参数智能推荐模块的计算结果，获取重要掘进参数的当前值、设定值和建议值；

21、所述历史姿态偏差回溯模块用于调取盾构历史姿态偏差数据，并按环对其进行排序；

22、所述历史掘进参数回溯模块用于按环调取盾构的秒级实时掘进参数及历史掘进参数，并按时间对其进行排序。

23、可选的，所述数据大屏包括八项可视化界面，分别为工程概况界面、地层信息展示与预测界面、辅助决策界面、地层超挖欠挖预测界面、姿态偏差展示与预测界面、数据管理界面、地表位移预测界面以及土仓压力预测界面。

24、可选的，所述工程概况子界面用于展示当前工程概况，包括盾构机的工作状态和工作进度；所述地层信息展示与预测界面用于动态展示来自地勘资料的工程整体地质情况和隧道周边的地质状况，实时更新基于地勘资料的盾构所处位置的地层信息以及基于盾构掘进参数的掌子面地层类型预测结果，地层信息支持细部地层的缩放调整；所述辅助决策界面用于实时展示盾构掘进过程中重要掘进参数的当前值、设定值和建议值；所述地层超挖欠挖预测界面用于显示最近完成掘进的环的理论与预测出土量信息；所述姿态偏差展示与预测界面用于显示盾构掘进过程中的历史前盾与后盾姿态以及后续多环的预期姿态变化；所述数据管理界面用于允许用户查看某一特定环的掘进过程中多个掘进参数的历史变化情况，支持对各项掘进参数数据的追溯和分析；所述地表位移预测界面用于呈现地表沉降的预测结果以及地表沉降的实测值；所述土仓压力预测界面用于呈现土仓压力的预测结果以及土仓压力实测值。

25、本发明还提供了一种基于所述的土压平衡盾构智能掘进辅助系统的土压平衡盾构智能掘进辅助方法，该方法包括如下步骤：

26、获取工程信息、盾构姿态和实时掘进参数；

27、对所述掘进参数实时转发系统传输的数据和导入的工程资料进行清洗、自动化存储和标准化处理，搭建标准化的盾构施工智能计算数据库，然后调用计算核心功能模块进行运算，输出运算结果，再经过数据展示功能模块对运算结果进行处理后再发送给所述数据大屏；

28、接收经过处理的运算结果，并进行可视化展示。

29、本发明还提供了一种电子设备，包括：

30、至少一处理器；

31、至少一存储器，用于存储至少一程序；

32、当所述至少一程序被所述至少一处理器执行，使得所述至少一处理器实现第一方面所述的方法的步骤。

33、本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如第一方面所述的方法的步骤。

34、本发明还提供了一种芯片，所述芯片包括处理器和通信接口，所述通信接口和所述处理器耦合，所述处理器用于运行程序或指令，实现所述的方法。

35、相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

36、1、本发明的掘进参数实时转发系统只需安装于地面监控室内，无需进入正在掘进的盾构机内安装，其数据采集与转发功能不会对盾构机的掘进以及盾构工程的正常施工造成任何影响。

37、2、本发明中搭载了盾构机掌子面前方所处地层类型实时预测模块，能辅助盾构机司机对掌子面前方地层类型进行实时判别，与传统施工过程中通过观察出渣情况来推断地层相比，解决了先将土体切削至土仓再由螺旋输送机运送至出渣口才能进行判断的这一耗时漫长的施工过程所面临的滞后性，能在盾构机遭遇不良地质情况的第一时间提供实时的施工预警，能大大减低不良地质下的的盾构施工风险。

38、3、本发明中搭载了盾构掘进引起的地表位移实时预测模块，能辅助盾构司机对地表位移情况进行实时感知，与传统地表沉降测量过程中需要等待监测单位进行人工测量相比，实现了沉降的实时预测，大量减少了监测过程中的滞后性，提升了沉降预测的频率。

39、4、本发明中搭载了盾构掘进参数实时推荐模块，能辅助盾构司机在各类复杂情况下进行盾构掘进参数推荐，与传统施工过程中掘进参数调控依赖盾构司机的个人经验相比，实现了依靠地质情况与地层响应的盾构掘进参数调控，提升了盾构掘进的安全性与科学性。

40、5、本发明中搭载了盾构掘进引起地层超挖欠挖预测模块，与传统施工过程中通过目视出渣车中渣土容量对出土量进行粗略估计然后判断是否超挖相比，本模块能辅助盾构司机对盾构出土量进行精确估计，实时判断当前环的掘进是否引起对地层的超挖。

41、6、本发明中搭载了盾构掘进姿态超前预测模块，与传统施工中对姿态的被动感知相比，能实现根据盾构掘进参数与地质情况预测后续的盾构姿态变化，辅助司机根据后续掘进姿态变化进行掘进策略的提前调整。

42、7、本发明中搭载了盾构土仓压力预测模块，能辅助盾构司机对土仓压力在空间中的分布情况进行综合判断，减少对土压传感器的依赖。

43、8、本发明中搭载了数据大屏，实现了以网页的形式投放于施工现场的电脑终端或移动终端中进行平行搭载。