CN111980720B - 一种盾构机的掘进控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构机的掘进控制***及方法，掘进控制***至少包括测量模块、推进模块和控制模块，在测量模块获取的位姿参数中位置偏差超过位置偏差阈值而角度偏差为零的第一类偏差情况下，控制模块配置为基于测量模块获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线构建推进模块所需的纠偏轨迹参数，基于测量模块获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区，在可盾构区内通过至少一个直线段拟合第一纠偏曲线以生成推进模块所需的纠偏轨迹参数，在第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个直线段的旋转角度等于转弯角度阈值且能够穿过隧道设计轴线方式拟合第一纠偏曲线。

Description

一种盾构机的掘进控制***及方法

技术领域

本发明涉及隧道盾构技术领域，尤其涉及一种盾构机的掘进控制***及方法。

背景技术

盾构机是专门用于隧道施工的一种大型设备，它同时集中了多门学科的技术，如机械、液压、材料、控制、测量等，是一种运行原理非常复杂的设备。盾构机在施工过程中，在控制开挖面稳定的同时，能够进行出渣、拼装管片、形成衬砌、注浆等操作。盾构机在城市地铁建设、穿山隧道挖掘、市政管道等工程中都得到了广泛的应用。与其他挖掘隧道的方法相比，盾构施工法不会对周边环境产生大的影响，快速的施工速度可以缩短施工周期，减少人力物力成本，且安全性较高。

然而，由于盾构机工作环境的地质条件、工况的不确定性以及掘进装备的高度复杂性，且考虑到在城市施工时，地面上往往有建筑或道路，必须保证隧道的施工质量，否则会造成地面沉降等危险。盾构机的实际掘进轴线与隧道设计轴线的吻合程度以及掘进中的姿态控制是确保隧道施工质量的关键因素。盾构机的姿态偏离过大，势必会造成掘进轨迹偏离设计轴线。目前实际工程中，针对常规转弯或者纠偏控制主要由操作人员根据盾构机的姿态偏离情况人工控制推进***，从而控制盾构机的掘进姿态，其纠偏效果取决于操作人员的熟练程度，施工效率低且无法保证施工质量。

例如，公开号为CN102102522B的中国专利文献公开了一种盾构掘进过程中的轨迹姿态复合控制方法。采用姿态和轨迹都设定阈值进行控制，即使轨迹尚未达到纠偏阈值，只要姿态偏离超限就及时进行位姿调整。当盾构机工作时通过测量、计算求取盾构机当前位置偏差、角度偏差。如果位置偏差小于等于轨迹姿态复合控制器位置偏差阈值和角度偏差小于等于轨迹姿态复合控制器角度偏差阈值，或者是位置偏差小于等于实际隧道施工位置允许偏差和角度变差为零时，则盾构机继续推进。反之，则通过最优化轨迹姿态纠偏路径，自动调整各分区推进液压缸的压力和推进位移，达到同时消除掘进过程中产生的位置偏差、角度偏差，使盾构机实际掘进路线控制在隧道设计轴线范围内，避免不必要的超挖和欠挖，提高隧道成型质量。但是该专利通过姿态和轨迹的双阈值的设定进行纠偏，其本质是将盾构机的各种偏差形式转化成角度偏差或位置偏差为0的情况，是将盾构机的偏差姿态从一个形式转换为另一形式，增加了盾构机轨迹的波动性，而且不能很好地控制盾构机返回到设计轴线的位置。将直线、圆曲线、缓和曲线纠偏分开讨论，采用缓和曲线作为纠偏线型，能够保证施工质量，但是需要迭代计算，使得计算复杂度指数级增长，不仅实现难度大，而且计算结果很难保证。引入模糊控制方法，其模糊控制表通常按经验取值，灵敏度低，不能同时纠正盾构机的位置偏差和角度偏差。而采用姿态轨迹复合法，其假设隧道设计轴线可以看成是直线，因此在曲线段时不能保证盾构机姿态与设计轴线完全吻合。

例如，公开号为CN102996137B的中国专利文献公开了一种基于S型曲线的盾构机轨迹控制方法。该方法包括以下步骤：获取隧道设计轴线的平竖曲线要素；获取初始设定的S型曲线终点里程；计算S型曲线终点里程处的坐标和方位角；获取盾构机的实时姿态数据；构建水平S型曲线；修正S型曲线终点里程；构建竖直S型曲线；判断S型曲线的最小曲率半径是否小于盾构机的最小转弯半径，若是，则重新获取S型曲线终点里程；计算出盾构机沿着S型曲线掘进一环后千斤顶的理想行程；将理想行程数据转换成所需油缸液压；计算机将计算结果传输给盾构机，控制盾构机向前掘进，并实时判断是否需要重构S型曲线。能够降低盾构机估计波动性的优点。但是该专利采用的S型纠偏曲线仅适用部分纠偏情况。例如，如果是仅存在位置偏差而不存在角度偏差的情况下，即盾构机的轴线与隧道设计轴线平行的情况下，S型的两段圆弧作为纠偏轨迹，存在直线段直接转到圆弧线段的情况。而直接从直线段直接转到S型的圆弧线段，考虑到地铁行车时转弯瞬间产生的离心力容易破坏轨道，严重的会导致地铁出轨。而且该S型纠偏曲线不是缓和曲线，其曲率变化不是均匀的，在曲率变化剧烈的情况下其盾构的隧道，也会使得地铁转弯瞬间产生的离心力破坏其运动平衡状态，存在很大的危险。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种盾构机的掘进控制***，至少包括：测量模块、推进模块和控制模块。所述测量模块用于至少获取盾构机的位姿参数和探测参数。所述推进模块用于至少为所述盾构机的掘进提供动力以及调整所述盾构机掘进方向和掘进姿态。所述控制模块基于所述测量模块提供的参数与隧道设计轴线对比规划所述盾构机的掘进路径和驱动所述推进模块以控制所述盾构机的掘进方向和姿态。在所述测量模块获取的位姿参数中位置偏差超过位置偏差阈值而角度偏差为零的第一类偏差情况下，所述控制模块配置为基于所述测量模块获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线构建所述推进模块所需的纠偏轨迹参数。所述控制模块配置为基于所述测量模块获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区。所述控制模块配置为基于所述可盾构区和不可盾构区修正所述第一纠偏曲线。所述控制模块配置为在所述可盾构区内通过至少一个直线段拟合所述第一纠偏曲线以生成所述推进模块所需的纠偏轨迹参数。优选地，在所述第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，所述控制模块配置为以相邻两个所述直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过所述隧道设计轴线方式拟合所述第一纠偏曲线。尽管现有技术采用缓和曲线来作为纠偏曲线，缓和曲线的曲率均匀变化的方式能够避免离心力过大，为隧道内行驶的车辆提供稳定安全的运行轨迹，但是缓和曲线是一种复杂的光滑曲线，需要通过迭代的方式计算，计算复杂度较大，而且由于盾构机自身形状和刚度的问题，盾构机的实际掘进线路是一段段的直线，并且每段直线的长度是盾构机每个掘进环的行程的距离。由于缓和曲线的曲率半径不断变化，盾构机每个掘进环都要进行角度和偏差的而控制从而在纠偏的过程中，盾构机需要基于每个掘进环进行来计算盾构姿态和转动的角度。如果以直线段替代掘进环，那么需要计算控制盾构机姿态和转动角度的次数是以直线段的数量决定的。而直线段的长度一般来说大于盾构机每个掘进环的行程。但是，如果直线段数量过少，那么就需要盾构机的测量模块和控制模块的精度足够高，尤其是在曲率半径最小处，其曲率半径接近盾构机的最小转弯半径，并且其曲率半径变化最为剧烈（变化幅度大），对精度要求更高，需要保证不会出现较大的偏差，否则不仅可能偏离缓和曲线，而且可能导致曲率半径过小，导致离心力过大。此外，随着现有超前探测技术和其他地质探测技术的不断成熟，盾构机能够在盾构的过程中获取周围地质状况，进而判断纠偏曲线是否穿越不可盾构区，可以进一步修正纠偏曲线。本发明通过在所述第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个所述直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过所述隧道设计轴线方式拟合所述第一纠偏曲线。即在曲率半径变化剧烈的区间以足够多的直线拟合，为精度不足导致的偏差提供修复的空间，并且其中一条直线穿过纠偏曲线到达另一侧，可以在精度不足导致出现偏差的情况下提供一定的纠正空间。

根据一种优选实施方式，在所述第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径大于最小转弯半径的第一阈值的情况下，所述控制模块配置为以相邻两个所述直线段的旋转角度等于转弯角度阈值方式拟合所述第一纠偏曲线。

根据一种优选实施方式，所述第一纠偏曲线至少包括两段凹凸方向以彼此相切点中心对称且同时与所述隧道设计轴线相切的第一曲线段和第二曲线段。所述第一曲线段和第二曲线段的相切点处的曲率半径最小且该相切点的曲率半径大于最小转弯半径。与所述隧道设计轴线相接的所述第二曲线段的曲率半径均匀变化的幅度小于等于所述第一曲线段，并且所述第二曲线段的长度大于等于所述第一曲线段。

根据一种优选实施方式，在所述第二曲线段远离所述隧道设计轴线的一侧为不可盾构区的情况下，所述控制模块配置为所述直线段穿过所述第二曲线段在其靠近所述隧道设计轴线的一侧以至少一个直线段拟合所述第二曲线段。

根据一种优选实施方式，在所述盾构机的刀盘朝向所述隧道设计轴线且所述角度偏差小于等于第一角度偏差阈值的情况下，所述控制模块配置为控制所述推进模块以当前姿态和方向进行掘进直至所述测量模块反馈所述盾构机处于第二类偏差。所述第一角度偏差阈值为所述控制模块以所述转弯角度阈值控制所述盾构机连续转动后到达所述隧道设计轴线处或之前其所述角度偏差为零的角度值。所述第二类偏差为所述位置偏差为零且所述角度偏差不为零。

根据一种优选实施方式，在所述盾构机处所述第二类偏差的情况下，所述控制模块配置为基于所述测量模块获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第二纠偏曲线构建所述推进模块所需的纠偏轨迹参数。在所述角度偏差大于第二角度偏差阈值的情况下，所述控制模块基于所述第二纠偏曲线控制所述推进模块进行掘进直至所述测量模块反馈所述盾构机处于所述第一类偏差。在所述角度偏差小于等于第二角度偏差阈值的情况下，所述控制模块配置为控制所述推进模块以当前姿态和方向进行掘进直至所述测量模块反馈所述盾构机处于第三类偏差。所述第三类偏差为所述位置偏差超过位置偏差阈值且所述角度偏差不为零。

根据一种优选实施方式，所述第二纠偏曲线的起始位置的曲率半径最大。所述曲率半径均匀变化直至所述第二纠偏曲线的终点位置的切线方向与所述隧道设计轴线平行。所述终点位置处的所述位置偏差超过位置偏差阈值。所述第二纠偏曲线的起始位置处的曲率半径大于所述最小转弯半径。

根据一种优选实施方式，在所述测量模块反馈所述盾构机处于第三类偏差的情况下，所述控制模块配置为基于所述测量模块获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第三纠偏曲线构建所述推进模块所需的纠偏轨迹参数。所述控制模块基于所述第三纠偏曲线控制所述推进模块进行掘进直至所述测量模块反馈所述盾构机处于所述第一类偏差。

根据一种优选实施方式，所述第三纠偏曲线的起始位置的曲率半径最大。所述曲率半径均匀变化直至所述第三纠偏曲线的终点位置的切线方向与所述隧道设计轴线平行。所述第三纠偏曲线的起始位置处的曲率半径大于所述最小转弯半径。

本发明还提供一种盾构机的掘进控制方法，所述方法至少包括：在盾构机处于第一类偏差的情况下，获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线构建纠偏轨迹参数。基于获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区。基于所述可盾构区和不可盾构区修正所述第一纠偏曲线。在所述可盾构区内通过至少一个直线段拟合所述第一纠偏曲线以生成纠偏轨迹参数。在所述第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个所述直线段的旋转角度等于转弯角度阈值且能够穿过所述隧道设计轴线方式拟合所述第一纠偏曲线。

附图说明

图1是本发明掘进控制***的一个优选实施方式的模块示意图；

图2是本发明掘进控制方法的一个优选实施方式的步骤流程示意图；

图3是本发明处于第一类偏差的纠偏轨迹示意图；

图4是本发明处于第二类偏差的纠偏轨迹示意图；

图5是本发明处于第三类偏差的纠偏轨迹示意图。

附图标记列表

10：隧道设计轴线 20：第一纠偏曲线

30：第二纠偏曲线 40：第三纠偏曲线

20a：第一曲线段 20b：第二曲线段

100：测量模块 200：推进模块

300：控制模块 400：盾构机

101：位姿参数 101a：位置偏差

101b：角度偏差。

具体实施方式

下面结合附图1至5进行详细说明。

实施例1

本实施例公开了一种盾构机的掘进控制***。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

在盾构机400掘进的过程中，掘进***不仅负责提供盾构向前推进的动力，还需要对盾构机400的姿态进行调整和控制，保证盾构机400沿着隧道设计轴线10前进。对盾构姿态进行控制，使盾构机400沿隧道设计轴线前进是保证隧道施工质量、列车运行安全和管片高效拼装的关键。盾构姿态调整和控制的难点在于：一方面推进机构为多缸并联机构，需要考虑个分区液压缸的协调控制；另一方面盾构在地层中掘进时会受到来自周围子层各种无法预估干扰载荷的影响，在不加控制的情况下使得盾构机经常偏离隧道设计轴线。针对盾构在不同底层和不同工况下掘进的特点，现有技术采用以跟踪隧道设计轴线10为控制目标的盾构机姿态控制***。盾构推进姿态控制***的目标是使盾构机能够沿着隧道设计轴线10掘进。基于盾构各分区推进液压缸输出力控制的盾构推进姿态控制***是直接以跟踪隧道设计轴10线为控制目标的盾构姿态控制***。通过盾构机测量模块100获得当前位姿数据与隧道设计轴线10确定的盾构目标位姿数据进行比较。优选地，测量模块可以是激光导向测量装置。例如，激光标靶位姿测量***。优选地，使用位姿偏差直接对推进模块200控制。优选地，推进模块200可以是由多个液压缸组成的。液压缸根据设计的不同可以是对称分区和不对称分区。优选地，控制模块300对盾构各分区液压缸工作压力进行调整，从而不断减少位姿偏差，使得盾构机400沿隧道设计轴线10前进。当盾构机400轴线上的参考点在水平面内偏离隧道设计轴线10时，***便会根据偏差大小及方向调整左右分区液压缸的控制信号，改变左右分区液压缸***压力差，从而产生姿态调整力矩，使得参考点逐渐趋近隧道设计轴线10。同样，当盾构机400轴线上的参考点在竖直面内偏离隧道设计轴线时，控制模块300便会根据偏差大小及方向调整上下分区液压缸工作压力，对分区液压缸***压力进行控制，从而产生所需姿态调整力矩，使得参考点逐渐趋近隧道设计轴线10。优选地，控制模块300能够存储和处理数据。优选地，控制模块300可以是中央处理器（CentralProcessing Unit，CPU），通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。

如图1所示，本发明提供一种盾构机的掘进控制***，至少包括：测量模块100、推进模块200和控制模块300。测量模块100用于至少获取盾构机400的位姿参数101和探测参数。推进模块200用于至少为盾构机400的掘进提供动力以及调整盾构机400掘进方向和掘进姿态。控制模块300基于测量模块100提供的参数与隧道设计轴线10对比规划盾构机400的掘进路径和驱动推进模块200以控制盾构机400的掘进方向和姿态。

优选地，如图3所示，在测量模块100获取的位姿参数101中位置偏差101a超过位置偏差阈值而角度偏差101b为零的第一类偏差情况下，控制模块300配置为基于测量模块100获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线20构建推进模块200所需的纠偏轨迹参数。优选地，如图3所示，位置偏差101a为盾构机400轴线的中心点处与隧道设计轴线10的垂直距离。优选地，盾构施工相关规范中规定隧道设计轴线10平面位置和高程的隧道允许偏差不能超过±100 mm。如果超过最大允许值，应设计纠偏轨迹，使盾构机器400其回到隧道设计轴线10。优选地，本实施例的位置偏差阈值可以是100 mm。

优选地，如图3所示，第一纠偏曲线20至少包括第一曲线20a和第二曲线20b。优选地，第一曲线20a和第二曲线20b的凹凸方向以彼此相切点中心对称。第一曲线20a和第二曲线20b同时与隧道设计轴线10相切。第一曲线段20a和第二曲线段20b的相切点处的曲率半径最小。该相切点的曲率半径大于最小转弯半径。优选地，盾构机400的最小转弯半径与隧道特性、盾尾间隙、铰接角度、推进模块200中的液压缸的行程差有关。隧道本身所允许的最小转弯半径为R1。盾尾间隙决定的最小转弯半径为R2。铰接角度决定的最小转弯半径为R3。液压油缸的行程差决定的最小转弯半径为R4。因此盾构机400的最小转弯半径为max{R1,R2,R3,R4}。

优选地，控制模块300配置为基于测量模块100获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区。控制模块300配置为基于可盾构区和不可盾构区修正第一纠偏曲线20。控制模块300配置为在可盾构区内通过至少一个直线段拟合第一纠偏曲线20以生成推进模块200所需的纠偏轨迹参数。优选地，在第一纠偏曲线20的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，控制模块300配置为以相邻两个直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过隧道设计轴线10方式拟合第一纠偏曲线20。优选地，第一阈值可以取值1~1.3之间。尽管现有技术采用缓和曲线来作为纠偏曲线，缓和曲线的曲率均匀变化的方式能够避免离心力过大，为隧道内行驶的车辆提供稳定安全的运行轨迹，但是缓和曲线是一种复杂的光滑曲线，需要通过迭代的方式计算，计算复杂度较大，而且由于盾构机自身形状和刚度的问题，盾构机的实际掘进线路是一段段的直线，并且每段直线的长度是盾构机每个掘进环的行程的距离。由于缓和曲线的角度不断变化，盾构机每个掘进环都要进行角度和偏差的而控制从而在纠偏的过程中，盾构机需要基于每个掘进环进行来计算盾构姿态和转动的角度。如果以直线段替代掘进环，那么需要计算控制盾构机姿态和转动角度的次数是以直线段的数量决定的。而直线段的长度一般来说大于盾构机每个掘进环的行程。但是，如果直线段数量过少，那么就需要盾构机的测量模块和控制模块的精度足够高，尤其是在曲率半径最小处，其曲率半径接近盾构机的最小转弯半径，并且其曲率半径变化的幅度较大，对精度要求更高，需要保证不会出现较大的偏差，否则不仅可能偏离缓和曲线，而且可能导致曲率半径过小，导致离心力过大。此外，随着现有超前探测技术和其他地质探测技术的不断成熟，盾构机能够在盾构的过程中获取周围地质状况，进而判断纠偏曲线是否穿越不可盾构区，可以进一步修正纠偏曲线。本发明通过在所述第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个所述直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过所述隧道设计轴线方式拟合所述第一纠偏曲线。即在曲率半径变化剧烈的区间以足够多的直线拟合，为精度不足导致的偏差提供修复的空间，并且其中一条直线穿过纠偏曲线到达另一侧，可以在精度不足导致出现偏差的情况下提供一定的纠正空间。

优选地，如图3所示，与隧道设计轴线10相接的第二曲线段20b的曲率半径均匀变化的幅度小于等于第一曲线段20a。第二曲线段20b的长度大于等于第一曲线段20a。通过该设置方式，在保证曲率半径均匀变化以避免离心力过大的基础上，通过第二曲线段20b的长度大于等于第一曲线段20a以及与隧道设计轴线10相接的第二曲线段20b的曲率半径均匀变化的幅度小于等于第一曲线段20a，将曲率半径最小且变化最剧烈的部分集中第一曲线段20a和第二曲线段20b相切的区域，使得该区域长度最短、集中且连续，进而方便在直线拟合的时候可以通过该区域以足够多的直线段进行拟合。避免第一曲线段20a和第二曲线段20b其他部分曲率半径变化剧烈，不利于以最少的直线段进行拟合，导致控制模块300的控制复杂度提高，需要更多的计算资源和时间成本来控制推进模块200的姿态和转向调整。

根据一种优选实施方式，在第二曲线段20b远离隧道设计轴线10的一侧为不可盾构区的情况下，控制模块300配置为直线段穿过第二曲线段20b在其靠近隧道设计轴线10的一侧以至少一个直线段拟合第二曲线段20b。优选地，如图3所示，如果第二曲线段20b凹陷一侧为不可盾构区的情况下，通过该设置方式以外切第二曲线段20b凸出一侧的曲线的方式来进行直线段拟合，可以不用修正所述第一曲线段20b。优选地，通过该设置方式，在第二曲线段20b向邻近的区域还处于可盾构区的情况下，直线段可以穿过第二曲线段20b，即直线段可以与第二曲线段20b彼此相交，不仅不用修正所述第二曲线段20b，也能够减少直线段的总长度。

根据一种优选实施方式，在第一纠偏曲线20的两侧为可盾构区且其曲率半径大于最小转弯半径的第一阈值的情况下，控制模块300配置为以相邻两个直线段的旋转角度等于转弯角度阈值方式拟合第一纠偏曲线20。优选地，转弯角度阈值表示的盾构机400一次掘进允许的最大偏转角度。该角度由盾构机400自身特性和管片的拼装特性决定，此限制条件可以保证盾构机400能够从一段直线段安全地运动到相邻的直线段。通过该设置方式，能够尽量减小直线段的数量，从而降低控制模块300的控制复杂度。

根据一种优选实施方式，在盾构机400的刀盘朝向隧道设计轴线10且角度偏差101b小于等于第一角度偏差阈值的情况下，控制模块300配置为控制推进模块200以当前姿态和方向进行掘进直至测量模块100反馈盾构机400处于第二类偏差。第一角度偏差阈值为控制模块300以转弯角度阈值控制盾构机400连续转动后到达隧道设计轴线10处或之前其角度偏差101b为零的角度值。通过该设置方式，能够保持盾构机400的纠偏尽量保持在同一侧，避免盾构机400因纠偏而产生蛇形掘进的运动轨迹。蛇形运动的掘进轨迹由较大的波动特性，不利于隧道中车辆的行驶稳定和安全。

优选地，如图4所示，第二类偏差为位置偏差101a为零且角度偏差101b不为零。优选地，在盾构机400处第二类偏差的情况下，控制模块300配置为基于测量模块100获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第二纠偏曲线30构建推进模块200所需的纠偏轨迹参数。在角度偏差101b大于第二角度偏差阈值的情况下，控制模块300基于第二纠偏曲线30控制推进模块200进行掘进直至测量模块100反馈盾构机400处于第一类偏差。优选地，第二角度偏差阈值可以是控制模块300以转弯角度阈值控制盾构机400连续转动后到达的位置处的位置偏差101a小于位置偏差阈值。或者该位置处的位置偏差101a无法形成第一纠偏曲线20。或者该位置处的位置偏差101a形成的纠偏曲线可能会穿过隧道设计轴线10，进而形成蛇形掘进。优选地，在角度偏差101b小于等于第二角度偏差阈值的情况下，控制模块300配置为控制推进模块200以当前姿态和方向进行掘进直至测量模块100反馈盾构机400处于第三类偏差。优选地，如图5所示，第三类偏差为位置偏差101a超过位置偏差阈值且角度偏差101b不为零。优选地，在测量模块100反馈盾构机400处于第三类偏差的情况下，控制模块300配置为基于测量模块100获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第三纠偏曲线40构建推进模块200所需的纠偏轨迹参数。控制模块300基于第三纠偏曲线40控制推进模块200进行掘进直至测量模块100反馈盾构机400处于第一类偏差。通过以上设置方式，尽量使得盾构机400的纠偏曲线是在隧道设计轴线10的同一侧，进而避免蛇形掘进。同时，将不同的偏差情况都转换为第一类偏差以便进行统一的纠偏，降低***处理的复杂度。

根据一种优选实施方式，第二纠偏曲线30的起始位置的曲率半径最大。曲率半径均匀变化直至第二纠偏曲线30的终点位置的切线方向与隧道设计轴线10平行。终点位置处的位置偏差101a超过位置偏差阈值。第二纠偏曲线30的起始位置处的曲率半径大于最小转弯半径。优选地，第三纠偏曲线40的起始位置的曲率半径最大。曲率半径均匀变化直至第三纠偏曲线40的终点位置的切线方向与隧道设计轴线10平行。第三纠偏曲线40的起始位置处的曲率半径大于最小转弯半径。通过该设置方式，使得第二纠偏曲线30和第三纠偏曲线40的长度最短，从而减少盾构机400纠偏的时间成本和控制难度。优选地，可以采用以相邻两个直线段的旋转角度等于转弯角度阈值方式拟合第二纠偏曲线30和第三纠偏曲线40。通过该设置方式，可以以最少的直线段数量来拟合第二纠偏曲线30和第三纠偏曲线40，进而降低控制模块300的控制复杂度。

实施例2

本发明还提供一种盾构机的掘进控制方法，方法至少包括：

S100：在盾构机处于第一类偏差的情况下，获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线20构建纠偏轨迹参数。优选地，第一类偏差为位姿参数101中位置偏差101a超过位置偏差阈值而角度偏差101b为零。优选地，基于获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区。基于可盾构区和不可盾构区修正第一纠偏曲线20。在可盾构区内通过至少一个直线段拟合第一纠偏曲线20以生成纠偏轨迹参数。优选地，如图3所示，位置偏差101a为盾构机400轴线的中心点处与隧道设计轴线10的垂直距离。优选地，盾构施工相关规范中规定隧道设计轴线10平面位置和高程的隧道允许偏差不能超过±100 mm。如果超过最大允许值，应设计纠偏轨迹，使盾构机器400其回到隧道设计轴线10。优选地，本实施例的位置偏差阈值可以是100 mm。

优选地，如图3所示，第一纠偏曲线20至少包括第一曲线20a和第二曲线20b。优选地，第一曲线20a和第二曲线20b的凹凸方向以彼此相切点中心对称。第一曲线20a和第二曲线20b同时与隧道设计轴线10相切。第一曲线段20a和第二曲线段20b的相切点处的曲率半径最小。该相切点的曲率半径大于最小转弯半径。优选地，盾构机400的最小转弯半径与隧道特性、盾尾间隙、铰接角度、推进模块200中的液压缸的行程差有关。隧道本身所允许的最小转弯半径为R1。盾尾间隙决定的最小转弯半径为R2。铰接角度决定的最小转弯半径为R3。液压油缸的行程差决定的最小转弯半径为R4。因此盾构机400的最小转弯半径为max{ R1,R2,R3,R4}。

优选地，如图3所示，与隧道设计轴线10相接的第二曲线段20b的曲率半径均匀变化的幅度小于等于第一曲线段20a。第二曲线段20b的长度大于等于第一曲线段20a。通过该设置方式，在保证曲率半径均匀变化以避免离心力过大的基础上，通过第二曲线段20b的长度大于等于第一曲线段20a以及与隧道设计轴线10相接的第二曲线段20b的曲率半径均匀变化的幅度小于等于第一曲线段20a，将曲率半径最小且变化最剧烈的部分集中第一曲线段20a和第二曲线段20b相切的区域，使得该区域长度最短、集中且连续，进而方便在直线拟合的时候可以通过该区域以足够多的直线段进行拟合。避免第一曲线段20a和第二曲线段20b其他部分曲率半径变化剧烈，不利于以最少的直线段进行拟合，导致控制模块300的控制复杂度提高，需要更多的计算资源和时间成本来控制推进模块200的姿态和转向调整。

S200：优选地，控制模块300配置为基于测量模块100获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区。控制模块300配置为基于可盾构区和不可盾构区修正第一纠偏曲线20。控制模块300配置为在可盾构区内通过至少一个直线段拟合第一纠偏曲线20以生成推进模块200所需的纠偏轨迹参数。优选地，在第一纠偏曲线20的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，控制模块300配置为以相邻两个直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过隧道设计轴线10方式拟合第一纠偏曲线20。优选地，第一阈值可以取值1~1.3之间。尽管现有技术采用缓和曲线来作为纠偏曲线，缓和曲线的曲率均匀变化的方式能够避免离心力过大，为隧道内行驶的车辆提供稳定安全的运行轨迹，但是缓和曲线是一种复杂的光滑曲线，需要通过迭代的方式计算，计算复杂度较大，而且由于盾构机自身形状和刚度的问题，盾构机的实际掘进线路是一段段的直线，并且每段直线的长度是盾构机每个掘进环的行程的距离。由于缓和曲线的角度不断变化，盾构机每个掘进环都要进行角度和偏差的而控制从而在纠偏的过程中，盾构机需要基于每个掘进环进行来计算盾构姿态和转动的角度。如果以直线段替代掘进环，那么需要计算控制盾构机姿态和转动角度的次数是以直线段的数量决定的。而直线段的长度一般来说大于盾构机每个掘进环的行程。但是，如果直线段数量过少，那么就需要盾构机的测量模块和控制模块的精度足够高，尤其是在曲率半径最小处，其曲率半径接近盾构机的最小转弯半径，并且其曲率半径变化最为剧烈，对精度要求更高，需要保证不会出现较大的偏差，否则不仅可能偏离缓和曲线，而且可能导致曲率半径过小，导致离心力过大。此外，随着现有超前探测技术和其他地质探测技术的不断成熟，盾构机能够在盾构的过程中获取周围地质状况，进而判断纠偏曲线是否穿越不可盾构区，可以进一步修正纠偏曲线。本发明通过在所述第一纠偏曲线的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个所述直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过所述隧道设计轴线方式拟合所述第一纠偏曲线。即在曲率半径变化剧烈的区间以足够多的直线拟合，为精度不足导致的偏差提供修复的空间，并且其中一条直线穿过纠偏曲线到达另一侧，可以在精度不足导致出现偏差的情况下提供一定的纠正空间。

优选地，在第二曲线段20b远离隧道设计轴线10的一侧为不可盾构区的情况下，控制模块300配置为直线段穿过第二曲线段20b在其靠近隧道设计轴线10的一侧以至少一个直线段拟合第二曲线段20b。优选地，如图3所示，如果第二曲线段20b凹陷一侧为不可盾构区的情况下，通过该设置方式以外切第二曲线段20b凸出一侧的曲线的方式来进行直线段拟合，可以不用修正所述第一曲线段20b。优选地，通过该设置方式，在第二曲线段20b向邻近的区域还处于可盾构区的情况下，直线段可以穿过第二曲线段20b，即直线段可以与第二曲线段20b彼此相交，不仅不用修正所述第二曲线段20b，也能够减少直线段的总长度。

根据一种优选实施方式，在第一纠偏曲线20的两侧为可盾构区且其曲率半径大于最小转弯半径的第一阈值的情况下，控制模块300配置为以相邻两个直线段的旋转角度等于转弯角度阈值方式拟合第一纠偏曲线20。优选地，转弯角度阈值表示的盾构机400一次掘进允许的最大偏转角度。该角度由盾构机400自身特性和管片的拼装特性决定，此限制条件可以保证盾构机400能够从一段直线段安全地运动到相邻的直线段。通过该设置方式，能够尽量减小直线段的数量，从而降低控制模块300的控制复杂度。

S300：在盾构机400的刀盘朝向隧道设计轴线10且角度偏差101b小于等于第一角度偏差阈值的情况下，控制模块300配置为控制推进模块200以当前姿态和方向进行掘进直至测量模块100反馈盾构机400处于第二类偏差。第一角度偏差阈值为控制模块300以转弯角度阈值控制盾构机400连续转动后到达隧道设计轴线10处或之前其角度偏差101b为零的角度值。通过该设置方式，能够保持盾构机400的纠偏尽量保持在同一侧，避免盾构机400因纠偏而产生蛇形掘进的运动轨迹。蛇形运动的掘进轨迹由较大的波动特性，不利于隧道中车辆的行驶稳定和安全。

优选地，如图4所示，第二类偏差为位置偏差101a为零且角度偏差101b不为零。优选地，在盾构机400处第二类偏差的情况下，控制模块300配置为基于测量模块100获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第二纠偏曲线30构建推进模块200所需的纠偏轨迹参数。在角度偏差101b大于第二角度偏差阈值的情况下，控制模块300基于第二纠偏曲线30控制推进模块200进行掘进直至测量模块100反馈盾构机400处于第一类偏差。优选地，第二角度偏差阈值可以是控制模块300以转弯角度阈值控制盾构机400连续转动后到达的位置处的位置偏差101a小于位置偏差阈值。或者该位置处的位置偏差101a无法形成第一纠偏曲线20。或者该位置处的位置偏差101a形成的纠偏曲线可能会穿过隧道设计轴线10，进而形成蛇形掘进。优选地，在角度偏差101b小于等于第二角度偏差阈值的情况下，控制模块300配置为控制推进模块200以当前姿态和方向进行掘进直至测量模块100反馈盾构机400处于第三类偏差。优选地，如图5所示，第三类偏差为位置偏差101a超过位置偏差阈值且角度偏差101b不为零。优选地，在测量模块100反馈盾构机400处于第三类偏差的情况下，控制模块300配置为基于测量模块100获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第三纠偏曲线40构建推进模块200所需的纠偏轨迹参数。控制模块300基于第三纠偏曲线40控制推进模块200进行掘进直至测量模块100反馈盾构机400处于第一类偏差。通过以上设置方式，尽量使得盾构机400的纠偏曲线是在隧道设计轴线10的同一侧，进而避免蛇形掘进。同时，将不同的偏差情况都转换为第一类偏差以便进行统一的纠偏，降低***处理的复杂度。

S400：第二纠偏曲线30的起始位置的曲率半径最大。曲率半径均匀变化直至第二纠偏曲线30的终点位置的切线方向与隧道设计轴线10平行。终点位置处的位置偏差101a超过位置偏差阈值。第二纠偏曲线30的起始位置处的曲率半径大于最小转弯半径。优选地，第三纠偏曲线40的起始位置的曲率半径最大。曲率半径均匀变化直至第三纠偏曲线40的终点位置的切线方向与隧道设计轴线10平行。第三纠偏曲线40的起始位置处的曲率半径大于最小转弯半径。通过该设置方式，使得第二纠偏曲线30和第三纠偏曲线40的长度最短，从而减少盾构机400纠偏的时间成本和控制难度。优选地，可以采用以相邻两个直线段的旋转角度等于转弯角度阈值方式拟合第二纠偏曲线30和第三纠偏曲线40。通过该设置方式，可以以最少的直线段数量来拟合第二纠偏曲线30和第三纠偏曲线40，进而降低控制模块300的控制复杂度。

如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

本发明说明书包含多项发明构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种盾构机的掘进控制***，至少包括测量模块（100）、推进模块（200）和控制模块（300），其特征在于，在所述测量模块（100）获取的位姿参数（101）中位置偏差（101a）超过位置偏差阈值而角度偏差（101b）为零的第一类偏差情况下，所述控制模块（300）配置为：

基于所述测量模块（100）获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线（20）构建所述推进模块（200）所需的纠偏轨迹参数，其中，

基于所述测量模块（100）获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区，并基于所述可盾构区和不可盾构区修正所述第一纠偏曲线（20），其中，

在所述可盾构区内通过至少一个直线段拟合所述第一纠偏曲线（20）以生成所述推进模块（200）所需的纠偏轨迹参数，其中，

在所述第一纠偏曲线（20）的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个所述直线段的旋转角度小于转弯角度阈值且能够穿过隧道设计轴线（10）方式拟合所述第一纠偏曲线（20）。

2.根据权利要求1所述的掘进控制***，其特征在于，在所述第一纠偏曲线（20）的两侧为可盾构区且其曲率半径大于最小转弯半径的第一阈值的情况下，所述控制模块（300）配置为以相邻两个所述直线段的旋转角度等于转弯角度阈值方式拟合所述第一纠偏曲线（20）。

3.根据权利要求2所述的掘进控制***，其特征在于，所述第一纠偏曲线（20）至少包括两段凹凸方向以彼此相切点中心对称且同时与所述隧道设计轴线（10）相切的第一曲线段（20a）和第二曲线段（20b），其中，

所述第一曲线段（20a）和第二曲线段（20b）的相切点处的曲率半径最小且该相切点的曲率半径大于最小转弯半径；

与所述隧道设计轴线（10）相接的所述第二曲线段（20b）的曲率半径均匀变化的幅度小于等于所述第一曲线段（20a），并且所述第二曲线段（20b）的长度大于等于所述第一曲线段（20a）。

4.根据权利要求3所述的掘进控制***，其特征在于，在所述第二曲线段（20b）远离所述隧道设计轴线（10）的一侧为不可盾构区的情况下，所述控制模块（300）配置为所述直线段穿过所述第二曲线段（20b）在其靠近所述隧道设计轴线（10）的一侧以至少一个直线段拟合所述第二曲线段（20b）。

5.根据权利要求4所述的掘进控制***，其特征在于，在所述盾构机（400）的刀盘朝向所述隧道设计轴线（10）且所述角度偏差（101b）小于等于第一角度偏差阈值的情况下，所述控制模块（300）配置为控制所述推进模块（200）以当前姿态和方向进行掘进直至所述测量模块（100）反馈所述盾构机（400）处于第二类偏差，其中，

所述第一角度偏差阈值为所述控制模块（300）以所述转弯角度阈值控制所述盾构机（400）连续转动后到达所述隧道设计轴线（10）处或之前其所述角度偏差（101b）为零的角度值；

所述第二类偏差为所述位置偏差（101a）为零且所述角度偏差（101b）不为零。

6.根据权利要求5所述的掘进控制***，其特征在于，在所述盾构机（400）处于所述第二类偏差的情况下，所述控制模块（300）配置为：

基于所述测量模块（100）获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第二纠偏曲线（30）构建所述推进模块（200）所需的纠偏轨迹参数，其中，

在所述角度偏差（101b）大于第二角度偏差阈值的情况下，所述控制模块（300）基于所述第二纠偏曲线（30）控制所述推进模块（200）进行掘进直至所述测量模块（100）反馈所述盾构机（400）处于所述第一类偏差；

在所述角度偏差（101b）小于等于第二角度偏差阈值的情况下，所述控制模块（300）配置为控制所述推进模块（200）以当前姿态和方向进行掘进直至所述测量模块（100）反馈所述盾构机（400）处于第三类偏差，其中，

所述第三类偏差为所述位置偏差（101a）超过位置偏差阈值且所述角度偏差（101b）不为零。

7.根据权利要求6所述的掘进控制***，其特征在于，所述第二纠偏曲线（30）的起始位置的曲率半径最大，所述曲率半径均匀变化直至所述第二纠偏曲线（30）的终点位置的切线方向与所述隧道设计轴线（10）平行，并且所述终点位置处的所述位置偏差（101a）超过位置偏差阈值，其中，

所述第二纠偏曲线（30）的起始位置处的曲率半径大于所述最小转弯半径。

8.根据权利要求7所述的掘进控制***，其特征在于，在所述测量模块（100）反馈所述盾构机（400）处于第三类偏差的情况下，所述控制模块（300）配置为基于所述测量模块（100）获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第三纠偏曲线（40）构建所述推进模块（200）所需的纠偏轨迹参数，其中，

所述控制模块（300）基于所述第三纠偏曲线（40）控制所述推进模块（200）进行掘进直至所述测量模块（100）反馈所述盾构机（400）处于所述第一类偏差。

9.根据权利要求8所述的掘进控制***，其特征在于，所述第三纠偏曲线（40）的起始位置的曲率半径最大，并且所述曲率半径均匀变化直至所述第三纠偏曲线（40）的终点位置的切线方向与所述隧道设计轴线（10）平行，其中，

所述第三纠偏曲线（40）的起始位置处的曲率半径大于所述最小转弯半径。

10.一种盾构机的掘进控制方法，其特征在于，所述方法至少包括：

在盾构机处于第一类偏差的情况下，获取的盾构姿态和位置以曲率均匀变化的第一纠偏曲线（20）构建纠偏轨迹参数，其中，

基于获得的探测参数构建可盾构区和不可盾构区，并基于所述可盾构区和不可盾构区修正所述第一纠偏曲线（20），其中，

在所述可盾构区内通过至少一个直线段拟合所述第一纠偏曲线（20）以生成纠偏轨迹参数，其中，

在所述第一纠偏曲线（20）的两侧为可盾构区且其曲率半径小于最小转弯半径的第一阈值的情况下，以相邻两个所述直线段的旋转角度等于转弯角度阈值且能够穿过隧道设计轴线（10）方式拟合所述第一纠偏曲线（20）。

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