[發明專利]基于掘進速度和破碎比能最優的TBM操作參數優化方法

有效

• 申請號: 202011062081.X
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112196560B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 劉斌;朱顏;王亞旭;王瑞睿;高博洋;王濱;趙光祖
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: E21D9/087
• 分類號: E21D9/087;E21D9/00;E21D9/093;E21F17/00;E21F17/18
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李琳

本公開提供了一種基于掘進速度和破碎比能最優的TBM操作參數優化方法，包括以下步驟：獲取TBM掘進時實時記錄下來的機械參數信息；以機械參數信息作為輸入，以當前推進速度和破碎比能作為輸出，在設定范圍內，構建不同總推進力和刀盤總扭矩與掘進速度和破碎比能的實時映射關系；以掘進速度和破碎比能的加權和為目標，基于所述實時映射關系，對機械參數信息進行全局尋優，根據掘進速度和破碎比能的綜合目標需要，對TBM的推進速度設定值和刀盤轉速給定值做出優化；本公開可以根據不同的施工需求做出高速，高效，安全的智能優化。

技術領域

本公開屬于隧道掘進機施工技術領域，涉及一種基于掘進速度和破碎比能最優的TBM操作參數優化方法。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

與傳統的鉆爆法施工相比，隧道掘進機施工具有“掘進速度快、成洞質量高、綜合經濟效益高、施工安全文明”等顯著優勢，日本、美國、歐洲等發達國家采用掘進機施工的隧道比例超過80％，而隨著我國隧道建設的不斷發展，隧道掘進機也將得到越來越多的應用。與此同時，眾多工程實踐表明，隧道掘進機對地質條件的敏感性較高，操作參數與地質條件難以匹配，往往導致刀具、刀盤異常磨損、卡機甚至機毀人亡等重大事故，給隧道掘進機安全施工帶來了重大挑戰。另一方面，對TBM的駕駛參數的選擇具有盲目性和經驗性，對掘進質量缺乏量化的評估，因此會造成掘進緩慢，TBM刀盤磨損嚴重，能源消耗大等問題。

為避免盲目掘進導致的掘進機施工中的安全事故，提高掘進的效率，降低能耗成本，一套科學的指導掘進參數選擇和優化的方法迫在眉睫。

區別于以往TBM操作參數優化方法，本方法優勢在于：

(1)傳統方法多以司機駕駛經驗作為學習目標，然而由于主司機駕駛熟練程度不一以及不能實時掌控掘進狀態和了解巖體情況的原因，具有先天性的缺陷。本方法不以司機駕駛經驗或歷史數據作為學習目標，規避了對司機既不了解地質情況盲目的誤操作問題。

(2)以往方法大多需要巖體參數，可掘性分級等信息作為決策的必要信息，然而此類信息需要采芯取樣并實驗獲取，該過程耗時耗力，不能滿足快速掘進的施工要求。此方法不需要巖體參數作為輸入，因此不需要對巖體采芯取樣進行實驗來獲取巖體參數，大量節省了時間成本。

(3)在現有研究中通常只選取一個TBM目標參數作為優化決策的對象，缺乏將多個參數相結合作為聯合目標，其優化結果具有片面性。

發明內容

本公開為了解決上述問題，提出了一種基于掘進速度和破碎比能最優的TBM操作參數優化方法，本公開同時考慮了能耗和施工效率兩個關鍵問題，在能耗和速度上綜合考慮，達到了綜合最優，利于隧道掘進機施工。

根據一些實施例，本公開采用如下技術方案：

一種基于掘進速度和破碎比能最優的TBM操作參數優化方法，包括以下步驟：

獲取TBM掘進時實時記錄下來的機械參數信息；

以機械參數信息作為輸入，以當前推進速度和破碎比能作為輸出，在設定范圍內，構建不同總推進力和刀盤總扭矩與掘進速度和破碎比能的實時映射關系；

以掘進速度和破碎比能的加權和為目標，基于所述實時映射關系，對機械參數信息進行全局尋優，根據掘進速度和破碎比能的綜合目標需要，對TBM的推進速度設定值和刀盤轉速給定值做出優化。

作為可選擇的實施方式，所述機械參數信息包括但不限于刀盤扭矩、總推進力、刀盤轉速、功率、掘進速度和破碎比能。

作為可選擇的實施方式，構建不同總推進力和刀盤總扭矩與掘進速度和破碎比能的實時映射關系的具體過程包括：搭建交替卷積神經網絡，以機械參數信息作為輸入，以當前推進速度和破碎比能作為輸出。