盾构机自动控制技术现状与展望

邓威

摘 要：盾构机是用于隧道地下工程的重要机械设备，其对隧道地下挖掘工作有着极大的促进作用，因此，应该充分发挥盾构机的最大效益。由于地下施工环境相对恶劣，地下工程施工不仅难度大，并且危险系数高。为了保障地下工程施工人员的安全，应该大力投入自动控制技术盾构机的使用，通过先进技术和先进设备来有效地避免安全隐患，最大限度地提升挖掘作业的效率。本文主要通过浅述盾构机自动控制技术的现状，从而根据现状分析情况来展望盾构机自动技术的未来发展。

关键词：盾构机；自动控制技术；现状；展望

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.012

0 引言

为了满足大众出行的基本需求，缓解地面交通拥挤状况，我国正在大力开发和兴建地下隧道、巷道工程。盾构机是地下工程中最常使用的一种机械设备，其主要使用在隧洞的开挖掘进环节，并且发挥着不可替代的作用。为了有效地避免地下施工作业的危机，盾构机目前趋向于自动化、智能化控制，可以说目前的盾构机是集信息、机电、自动控制与液压等技术为一体的新型智能化机械设备，不仅可以对土体进行挖掘、输送，还可以对施工进行导向指引和纠正偏差。近几年，我国正在大力推动盾构机自动控制技术的发展，但是实际施工中自动控制的盾构机还是离不开人员的操作，因此，需要进一步加强完善和优化。

1 盾构机自动控制技术现状分析

1.1 盾构机掘进系统的自动控制

盾构机掘进系统是一种智能化的控制模式，20世纪90年代，盾构机的土压平衡还需要通过建立模糊控制理论来保障，但是总体系统还是处于不稳定的状态。通过不断地创新和改良后，专家们通过遗传算法改良了盾构机的施工参数，同时还加强了螺旋输送机的控制能力，从而有效地提升盾构机的土压平衡性。另外，随着智能技术的不断升级，自动识别技术和驱动公路效率技术快速地投入到自动化控制盾构机系统中，不仅可以自动分析土体挖掘情况和挖掘时土体的压力分布情况，还可以自动控制和选择使用何种推进系统。通过建立控制压力的数学模型和引入修正偏差的先进技术，从而促使盾构机的液压缸和压力控制系统能够趋向完全自动化管理[1]。

1.2 位姿控制

通过控制液压缸的平衡来实现对盾构机的位姿控制，20世纪80年代，盾构机的位姿控制不仅建立了特定的控制模型，还积极引入了卡尔曼滤波理论的应用，此后，中外专家和研究学者投入到对盾构机位姿控制的深入研究当中。李慧平等专家在传统盾构机控制系统的基础之上，对模糊控制器的设计方案导入了“先分后合”的理念，这样可以有效地提高控制器的调节性能[2]。然后，盾构机位姿控制系统还引入了LabV IEW技术的应用，并且在模糊控制器的基础上研究出千斤顶纠偏控制量，从而有效地推动盾构机进入自动化的发展潮流中。

1.3 管片的自动拼装

传统的手动管片拼装存在着许多缺陷，因此，应该大力推动自动管片拼装的发展，不仅可以减少施工工序，还可以提高施工的精确性和效率度。20世纪80年达，日本是最开始研究自动管片拼装的国家，此后，各国纷纷进入自动管片拼装技术研究。国际隧道协会专门为隧道管片的拼装建立了相关设计机制，目前，发达国家已经全面进入了管片自动拼装的时代，通过机器人动态模型来协助管片全自动拼装的过程。

2 盾构机自动控制技术存在的问题和发展趋势

2.1 建立以密封舱压力动态平衡为目标的控制模板

密封舱压力失衡会导致地面出现沉降不均的现象，而密封舱压力控制技术则是盾构机自动控制系统的关键技术，许多国内外专家都对此展开了深入的研究。目前，对于盾构机密封舱压力控制的研究仅仅还是停留在认知初期和试验层面，还没有形成理论成熟、系统精确的控制模型，导致研究的结果不具备真实性和实用性，从而造成我国盾构机密封舱压力平衡技术落后的局面。因此，在未来的研究方向中，我们应该从分析各个子系统中控制机理的关系着手，从而建立促进密封舱压力平衡的控制模型，再结合先进的自动控制技术，最后实现密封舱压力平衡的自动化控制层面，精确地控制地面的沉降数据[3]。

2.2 掘进系统的協调控制策略

在传统的盾构机土压控制系统中，通常都是先预设土仓的压力值，然后再分析施工过程中密封舱压力的波动情况和地表下沉状况来各个子系统的工作参数，例如推进系统、刀盘系统和排渣系统等。各个子系统的工作机理都是相互独立分开的，同时也互不干扰互不影响，并且大多数都是需要通过手动调节，而这种手动调节正是较为滞后的土压纠正方式。密封舱平衡系统需要推进系统、排渣系统和刀盘系统相互联合作用来实现工作效益，因此，为了提高这一关键技术的运用，需要在掘进系统中引入多个子系统调节控制机理，通过最优良的控制机理来协调各个系统的活动。归根结底，目前盾构机自动控制技术所面临的最大难题就是实现密封舱压力控制平衡，建立非线性的子系统耦合控制系统，这也是未来盾构机主要攻克和发展的方向。

2.3 运动轨迹的动态规划与位姿控制

目前，盾构机位姿系统的控制理论和控制方式都是以人的逻辑思维和行为模式为基础，通过将操作者的操作过程和控制经验进行参数化和程序化后，就可以利用模糊控制策略来实现自动化、智能化操控。这一切都是建立在具备施工记录和施工经验的前提下，若不具备这一有利条件，一旦遇到较为复杂的地形环境和施工工序，盾构机的位姿控制就难以得到有效保障，这也是至今盾构机无法全面实现自动化控制的主要原因。若要实现自动化位姿控制，则要先分析相关影响因素，再建立专业的控制模型，在非完整欠驱动的前提下完成局部可控，最后再求取最优良的位姿控制规律。另外，在研究掘进运动的运动轨迹时，应该使用多目标优化算法，这样不仅可以体现运动轨迹的动态规律，还可以建立轨迹自动跟踪系统。

3 结束语

总而言之，盾构机自动控制技术目前还相对不成熟，若要全面实现自动化操控，则要从盾构机的掘进系统、位姿控制系统和密封舱压力控制系统来展开研究，希望未来盾构机能够实现高效、全自动、安全以及节能等目标。

参考文献：

[1]刘宣宇，邵诚.盾构机自动控制技术现状与展望[J].机械工程学报，2014（45）：178-180.

[2]杨华勇，龚国芳.盾构掘进机发展战略研究[J].机械工程学报，2015（24）：165-166.

[3]候德超.盾构机自动控制技术现状与展望[J].科技专论，2011（08）：36-37.