JP2764506B2

JP2764506B2 - シールド掘進機の自動方向制御装置

Info

Publication number: JP2764506B2
Application number: JP24187692A
Authority: JP
Inventors: 一穂小平; 誠次早乙女; 石川　　亨
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1998-06-11
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: JPH0688476A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は地中にトンネル等の通路
をつくるためのシールド掘進機に関し、特にトンネル計
画線からの姿勢、位置ずれを最小にしながら掘進させる
ための自動方向制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド掘進機においては、円形の掘削
部をその背後から複数のジャッキで支持して推進させる
ようにしており、トンネル計画線に沿って推進させるた
めには方向制御が必要である。方向制御は、周方向に間
隔をおいて配置された複数のジャッキにより掘削部へ推
進方向に対して回転モーメントを付与することで行わ
れ、この回転モーメントは複数のジャッキのうちどれを
オンとするかで変化させることができる。通常、ジャッ
キの本数は１０本以上であり、オンとされるジャッキの
組合わせはジャッキパターンと呼ばれ、例えば１６本の
ジャッキの場合、ジャッキパターンの種類は２¹⁶個に及
ぶ。

【０００３】これまでの方向制御装置について簡単に説
明すると、シールド掘進機の現在の位置、方向と、予め
定める計画路線の位置、方向とを比較して、そのずれ量
を入力とし、ファジー推論によってそのずれ量を少なく
するような片押し度変化量を求めるファジー制御装置を
使用し、このファジー制御装置に対して、過去の掘進前
の位置、方向と、掘進後のそれらの位置、方向の各移動
量に応じては、方向制御の精度をあげるように片押し度
変化量を表すメンバシップ関数を修正し、その修正され
たメンバシップ関数より求められた片押し度変化量に基
づき、周方向に複数個設けられているジャッキのうち、
推力駆動すべきジャッキを選択するようにしたものがあ
る（例えば、特開平２−１８６０９７号）。

【０００４】ファジー制御装置は、図１０に示すよう
に、位置関係によるルールを規定した第１のファジー推
論部５１と、角度関係によるルールを規定した第２のフ
ァジー推論部５２と、上記２つのファジー推論部の比率
（重み係数ａ）を決定するルールを規定した第３のファ
ジー推論部５３とから成る。第１，第２のファジー推論
部５１，５２はそれぞれ、推論結果として片押し度の変
化量ΔＥ₁，ΔＥ₂を出力する。片押し度とは、掘削部
に作用する回転モーメントをジャッキ推力で除して無次
元化したものであり、ジャッキの取付半径が１、ジャッ
キ総推力が１の時の回転モーメントに相当する。また、
図１０中、ｄは計画線からの位置ずれ量、Δｄは位置ず
れ量の変化量、θは角度ずれ量、Δθは角度ずれ量の変
化量である。

【０００５】第１，第２のファジー推論部５１，５２か
らの片押し度の変化量ΔＥ₁，ΔＥ₂を合成して最終出
力の片押し度変化量ΔＥを求めるが、この時のΔＥ₁，
ΔＥ₂にそれぞれ、重み係数ａの乗算器５４と重み係数
（１−ａ）の乗算器５５とによる重み付けを行い、重み
係数ａの値は第３のファジー推論部５３により決定す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようなファジー制御装置では、ファジー推論部が３段
構成となっているため、各ファジー推論部の入力が出力
に及ぼす影響を把握しにくく、メンバシップ関数等のパ
ラメータの設定が難しいという問題点がある。また、あ
る片押し度で掘削部を押した時にどの程度曲がるのかは
一定の関係に無く、その時の推力が違えば回転モーメン
トが異なる。一方、同じ回転モーメントを加えた場合で
も、土質状態等によって姿勢角度は異なってくる。

【０００７】以上のような問題点に対応するために、第
１，第２のファジー推論部５１，５２の出力ΔＥ₁とΔ
Ｅ₂のメンバシップ関数を調整する学習機能が必要とな
っている。この学習機能は、位置ずれ量ｄが規定値を越
えた場合に、出力の割増しまたは割引きを行うためのも
のである。言い換えれば、この学習機能は、比例制御に
おけるゲインの調整に相当するものと考えられる。しか
し、何がどう変わったから調整するのか（例えば、回転
モーメントと姿勢角度との関係に変化があったのか、そ
れともジャッキ推力が変ったのか等）があいまいなまま
で扱われており、パラメータの決定過程があいまいにさ
れている。これは、ファジー推論によって直接に片押し
度を求めようとしたために、入出力の対応関係に別の要
素が入り込んでしまっていることによる。

【０００８】すなわち、回転モーメントと姿勢角度変化
量との関係のように、土質条件に左右されるために実際
に掘進してみなければわからない要素と、シールド掘進
機をどのような軌跡で計画線にのせるのかという、いわ
ば幾何学的な面のみで決まる要素とが同時に扱われてい
ることによる。このためにファジー推論部の入出力関係
の見通しが悪くなり、どのパラメータをどう変えると、
どこにどのような影響が生じるのかが判断しにくくなっ
ている。

【０００９】以上のような問題点に鑑み、本発明の課題
は、土質との関係で時々刻々変化する要素をファジー推
論から分離することによりファジー推論部の入出力関係
が明確になるようにし、パラメータの設定やその変更時
の影響の把握が容易になるようにした自動方向制御装置
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による自動方向制
御装置は、シールド掘進機の軌跡及び姿勢角を検出して
これらの関係をモデル化し、進行方向と前記姿勢角との
ずれをオフセット角として推定するオフセット推定部
と、計画線情報、位置検出情報、姿勢角検出情報、前記
オフセット角等の情報からシールド掘進機の位置ずれ及
び姿勢角度のずれをもとにファジー推論により姿勢制御
指令値を出力するファジー推論部と、該ファジー推論部
からの前記姿勢制御指令値と前記姿勢角検出情報とから
回転モーメントを算出し、更に該回転モーメントにもと
づいて片押し度を算出し、前記算出された片押し度にも
とづいて最適なジャッキパターンの選定を行う姿勢制御
部とを備えたことを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明では、回転モーメントと実際の姿勢角の
変化量との関係やオフセット角を実際の掘進データから
求めるようにして、これら土質条件に対する学習を行う
部分をファジー推論部から切り離し、ファジー推論部で
は軌跡制御、すなわちシールド掘進機をどの方向に向け
るべきかという定性的な部分のみを扱うようにしてい
る。

【００１２】

【実施例】以下に、図面を参照しながら本発明の実施例
について説明する。図１は本発明による自動方向制御装
置のブロック構成図であり、オフセット推定部１１、フ
ァジー推論部１２、姿勢制御部１３を有している。

【００１３】ここで、オフセット角、角度ずれ量、位置
ずれ量の関係を水平方向の場合を想定して図２，図３を
参照して説明する。図２において、シールド掘進機本体
１４が軌跡の方向（進行方向）に対して横すべりしてい
る場合に、軌跡の方向とシールド掘進機本体１４の向い
ている方向との間の角度がオフセット角θ_HOFである。
一方、図３において、シールド掘進機本体１４がある単
位距離（例えば４０ｍｍ）位置ｉから次の単位距離位置
（ｉ＋１）に進んで実線で示すような状態になったとす
ると、シールド掘進機本体１４のあらかじめ定められた
点Ｐから計画線Ｓにおろした垂線の距離が位置ずれ量ｄ
_Hとなる。また、位置（ｉ＋１）においてシールド掘進
機本体１４が線Ｄ１で示す方向を向いており、これを軌
跡の方向に対してオフセット角θ_HOFを考慮した線Ｄ２
で示す目標方位角に修正しようとする時、目標方位角の
方向とシールド掘進機本体１４が現在向いている方向と
の角度θ_Hが角度ずれ量となる。垂直方向についても、
同様にしてオフセット角θ_VOF、角度ずれ量θ_V、位置
ずれ量ｄ_Vがそれぞれ定義される。

【００１４】オフセット推定部１１は、シールド掘進機
本体１４に設置されたジャイロ、傾斜計、その他の計測
機器から送られてくる位置検出情報にもとづく軌跡情
報、姿勢角の検出情報とを用いてシールド掘進機本体１
４の軌跡と姿勢角との関係をモデル化し、軌跡の方向
（進行方向）と姿勢角とのずれをオフセット角θ_HOF、
θ_VOFとして推定する。そして、設定器（図示せず）か
ら送られてくる計画線情報のうち水平方向、垂直方向の
角度に関する情報にそれぞれオフセット角θ_HOF、θ
_VOFが加算部１６により加算され、水平方向、垂直方向
の目標方位角が出力される。

【００１５】ファジー推論部１２は、第１，第２の減算
部１７，１８を含み、第１の減算部１７は検出された水
平方向、垂直方向の姿勢角と水平方向、垂直方向の目標
方位角との差をとって角度ずれ量θ_H、θ_Vとして出力
する。一方、第２の減算部１８は、検出されたシールド
掘進機本体１４の現在位置（水平方向、垂直方向）と計
画線情報のうち位置に関する情報（水平方向、垂直方
向）との差をとり、位置ずれ量ｄ_H、ｄ_Vとして出力す
る。推論部１９は、第１，第２の減算部１７，１８から
の角度ずれ量θ_H、θ_Vと位置ずれ量ｄ_H、ｄ_Vとを受
けると、ファジー推論によって水平方向、垂直方向の掘
進機の進むべき方向を算出し、これに前記オフセット角
を加算したものを姿勢制御指令値として出力する。

【００１６】図４は推論部１９におけるルールの一例を
示し、例えば＋＋（−−）は、垂直方向のうち上（下）
方向に、水平方向のうち左（右）方向に大きく変位させ
るような指令値を出力することを意味し、＋（−）は上
（下）方向及び左（右）方向に少し変位させるような指
令値を出力することを意味する。

【００１７】姿勢制御部１３は、シールド掘進機本体１
４の姿勢制御のために水平方向、垂直方向の片押し度Ｆ
_H、Ｆ_Vを出力するものであり、ファジー推論部１２か
らの姿勢制御指令値と姿勢角の検出値とにもとづいて水
平方向、垂直方向の回転モーメントＭ_H、Ｍ_Vを算出す
る回転モーメント計算装置１３Ａと、計算された回転モ
ーメントとジャッキ推力の検出値とにもとづいて片押し
度Ｆ_H、Ｆ_Vを算出する片押し度計算装置１３Ｂと、計
算された片押し度に基づいてジャッキパターンの選定を
行うジャッキパターン選定装置１３Ｃとから成る。な
お、水平方向、垂直方向に関する計算方法は同じなの
で、以下の説明では水平方向のみについて行う。

【００１８】回転モーメント計算装置１３Ａははじめ
に、ファジー推論部１２からの水平方向の姿勢制御指令
値と水平方向の姿勢角の検出値とから姿勢制御の１ピッ
チ（例えば１０ｍｍ）で修正すべき角度（修正角度）を
求める。次に、回転モーメントＭ_Hと角度ずれ量の変化
量Δθ_Hとの関係をモデル化し、このモデルにより修正
角度に対応する回転モーメントを掘削部に作用させるべ
き回転モーメントＭ_Hとして算出する。

【００１９】シールド掘進機のある単位距離位置ｉでの
位置ずれ量をｄ_Hi、角度のずれ量をθ_Hi、その時に加え
られた回転モーメントをＭ_Hiとすると、回転モーメント
計算装置１３Ａの目的は、単位距離Ｌ（例えば４０ｍ
ｍ）だけ掘進した次の単位距離位置（ｉ＋１）での回転
モーメントＭ_H,i+1を算出することにある。このために
はまず、位置ｉから次の位置（ｉ＋１）までの間で変化
する角度変化量Δθ_Hiを求めることが必要であり、これ
は次のようにして行われる。

【００２０】１ピッチ（例えば４０ｍｍ）進む間に水平
方向の角度がθ₄からθ₁に変化した場合、角度変化量
Δθ_Hは（θ₄−θ₀）で表わされる。そして、この間
に作用した回転モーメントＭ_Hが一定であれば、角度変
化量Δθ_Hと回転モーメントＭ_Hとの間には一定の関係
があると考えられ、これを比例関係とすれば、角度変化
量Δθ_Hは次の数式１で表わされる。

【００２１】

【数１】ここで、Ｋ₁は比例定数、Ｍ_Hofは一定の姿勢角度を維
持するために必要なモーメントである。このような考え
方に基づき、回転モーメントと角度変化量との関係を一
次式による近似でモデル化する。以下に、その手順を説
明する。

【００２２】図５は角度θと回転モーメントの計算値の
一例を示し、ここでは区間６が最新の区間で、最新の区
間６の終点で、区間６の平均回転モーメントＭ_H6、角度
変化量Δθ_H6を次の数式２，数式３により求める。

【００２３】

【数２】

【数３】ここで、Ｍ₁₁〜Ｍ₁₄は、区間６を掘削中に計算された回
転モーメント、θ₀は区間５の終点における角度の検出
値、θ₄は区間６の終点における角度の検出値である。

【００２４】図６ａは区間６より前で既に掘削を終了し
ている区間１〜５で前述の方法により求められた平均回
転モーメントと角度変化量との関係をＭ−Δθ平面上に
プロット（Ｐ１〜Ｐ５）したものであり、図６ｂは図６
ａに区間６で求められた平均回転モーメントＭ_H6と角度
変化量Δθ_H6との関係をＰ６として加えたものである。
なお、区画６におけるモデル作成のために利用される過
去のデータは、ここでは最新の区間６より前の４区間
２，３，４，５であり、したがって図６ｂでは区間１の
データは削除されている。

【００２５】このようにして、区間６のモデル作成を、
最新の区間６のデータとそれより前の区間２〜５の各デ
ータとを合わせた５区間５点のデータから、数式１で表
わされる一次式近似モデルを作成し、比例定数Ｋ₁を一
次式近似直線の傾き、モーメントＭ_Hofをオフセット値
としてそれぞれ以下に述べる方法により求める。

【００２６】図７を参照して、ステップＳＳ１では５点
のデータの散らばり具合を判定する。これは５点のデー
タパターンが後述する直接計算方法を適用できるパター
ンであるかどうかを判定するものである。直接計算方法
は、５点のデータから一次式近似直線を推定する方法で
あり、５点のデータが１点に集中するような場合には適
用できず、ある程度以上の範囲に、ある程度以上の相関
関係をもってデータ点が散らばっている必要がある。５
点のデータが適当に散らばっている場合には、処理はス
テップＳＳ２に進む。

【００２７】ステップＳＳ２では、図６ｂに示されるよ
うな５点のデータから直接、一次式近似直線の傾きＫ₁
とオフセット値Ｍ_Hofとを計算により求める。計算手法
としては、最小自乗法が代表的な例としてあげられる
が、他の方法でも良い。傾きＫ₁とオフセット値Ｍ_Hof
が計算されると、傾きＫ₁に対して図８に示す所定の範
囲Ｋ_{1 max}（上限値）、Ｋ_{1 min}（下限値）内におさま
っているかどうかの判定が行われる（ステップＳＳ３，
ＳＳ４）。そして、傾きＫ₁がＫ_{1 min}＜Ｋ₁＜Ｋ
_{1 max}の条件を満たしていれば、一次式近似モデルΔθ
＝Ｋ₁（Ｍ−Ｍ_Hof）が確定する（ステップＳＳ５）。

【００２８】一方、ステップＳＳ１においてデータの散
らばり具合が適当でないと判定された場合、あるいはス
テップＳＳ３，ＳＳ４において傾きＫ₁が所定の範囲を
越えていると判定された場合、傾きは区間５において求
められたものを用いる（ステップＳＳ６）。

【００２９】次に、ステップＳＳ７では、区間６の終点
における角度変化量Δθ_H6が図９に破線で示すような、
許容範囲内に入っているかどうかを判定し、許容範囲内
に入っていればオフセット値も区間５において求められ
たものを用いる（ステップＳＳ８）。これは、前回作成
されたモデルに対し、すべてのデータが一定の許容範囲
内に入っていれば、前回モデルは十分に挙動特性を表し
ておりモデルの変更を必要としないという理由による。

【００３０】これに対し、ステップＳＳ７で角度変化量
Δθ_H6が、図９に点Ｐ６で示すように、所定範囲から外
れている場合には、ステップＳＳ９に進んで一次式近似
直線を平行移動させるようにし、オフセット値で調整を
行う。この場合、傾きＫ₁は前回の値で既知であるか
ら、図９の点Ｐ６を通る直線のオフセット値Ｍ_Hof6は次
の数式４で求められる。

【００３１】

【数４】

【００３２】このようにして求めた最新の区間６を含む
数区間のオフセット値の平均をもって最新モデルのオフ
セット値Ｍ_Hofとする。例えば、数区間を３区間とすれ
ば、最新モデルのオフセット値Ｍ_Hofは次の数式５で求
められる。

【００３３】

【数５】但し、Ｍ_H4，Ｍ_H5はそれぞれ、区間４，５におけるモデ
ル作成により求められた回転モーメントであり、Δ
θ_H4，Δθ_H5はそれぞれ、区間４，５の終点における角
度変化量である。

【００３４】以上のようにして作成された一次式近似モ
デルにより角度変化量Δθ_Hiを求めることができ、この
角度変化量Δθ_Hiから水平方向の回転モーメントＭ
_H,i+1を求めることができる。垂直方向の回転モーメン
トについても同様にして求めることができる。

【００３５】片押し度計算装置１３Ｂでは、シールド掘
進機本体１４で計測されたジャッキ推力と回転モーメン
ト指令値Ｍ_H，Ｍ_Vにより、次の数式６、数式７で表わ
される水平方向、垂直方向の片押し度（力点座標）
Ｆ_H，Ｆ_Vを計算する。

【００３６】

【数６】

【数７】但し、ｎは掘進に使用しているジャッキの本数、ｒはジ
ャッキの取付け半径、Ｆ_Jはジャッキ１本あたりのジャ
ッキ推力で（ジャッキへの供給油圧×ジャッキシリンダ
面積）で計算される。

【００３７】ジャッキパターン選定装置１３ｃは、片押
し度Ｆ_H，Ｆ_Vにもとづいてこれらの組合わせに対応し
てあらかじめ用意されているジャッキパターンテーブル
より最適なジャッキパターンを選択する。

【００３８】以上説明してきたように、本発明ではシー
ルド掘進機が短距離の１区間（例えば４０ｍｍ）掘進す
る毎に、片押し度Ｆ_H，Ｆ_Vを算出し、この片押し度に
最適なジャッキパターンを選択して次の区間の掘進を行
う。なお、実施例では、４０ｍｍ毎にモデルを作成する
ようにしているが、これを２０ｍｍ、１０ｍｍというよ
うに小さくしてゆくことにより、より連続制御に近い形
となり、より正確なモデルを作成してトンネル施工精度
を向上させることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明はオフ
セット角や、回転モーメントと角度変化量との関係とい
った、土質との関係で刻一刻変化する数値をファジー推
論部から分離し、ファジー推論部で扱う関係をルールと
いう定性的な表現にあいやすい部分のみに限定した方向
制御装置であり、ファジー推論部は、現在のシールド掘
進機本体の状態（位置、方向等）から、次に進むべき方
向を決定するようにしている。これは、軌跡をどのよう
にとるかという問題であり、土質等に左右されずに決定
できる。そのため実際の施工中にパラメータを変更する
必要が無い。これにより、ファジー推論部の入出力の関
係が明確になり、パラメータの設定やその変更時の影響
の把握が容易である。また、机上のシミュレーションに
よって事前にパラメータチューニングができる。

【００４０】一方、オフセット角や回転モーメントと角
度変化量の関係といった、土質との関係で刻一刻変化す
る数値は、オフセット推定部および姿勢制御部で実際の
データより推定するようにしているので、何がどう変化
したかが直接にわかる。このため、推定方法の善し悪し
の判断がしやすくなり、推定の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】シールド掘進機本体に生ずるオフセット角を説
明するための図である。

【図３】角度ずれ量と位置ずれ量及びオフセット角の関
係を示した図である。

【図４】図１に示されたファジー推論部のルールの例を
示した図である。

【図５】姿勢角の検出値と回転モーメントの計算値の例
を示した図である。

【図６】角度変化量と回転モーメントの関係によるモデ
ルの例を示した図である。

【図７】図６に示されたモデルを作成する動作を説明す
るためのフローチャート図である。

【図８】図７における判定条件を説明するための特性図
である。

【図９】図７における他の判定条件を説明するための特
性図である。

【図１０】従来の自動方向制御装置におけるファジー制
御装置の動作を説明するための図である。

【符号の説明】

１１オフセット推定部１２ファジー推論部１３姿勢制御部１３Ａ回転モーメント計算装置１３Ｂ片押し度計算装置１３Ｃジャッキパターン選定装置１４シールド掘進機本体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−286094（ＪＰ，Ａ) 特開平４−209295（ＪＰ，Ａ) 特開平３−107093（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/06 301

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】掘削部を複数のジャッキで推進しながら
トンネルを掘削し、前記複数のジャッキのうちどのジャ
ッキをオンとするかを規定するジャッキパターンを適宜
選定しながら前記掘削部を計画線に沿って推進せしめる
ためのシールド掘進機の自動方向制御装置において、シ
ールド掘進機の軌跡及び姿勢角を検出してこれらの関係
をモデル化し、進行方向と前記姿勢角とのずれをオフセ
ット角として推定するオフセット推定部と、計画線情
報、位置検出情報、姿勢角検出情報、前記オフセット角
等の情報からシールド掘進機の位置ずれ及び姿勢角度の
ずれをもとにファジー推論により姿勢制御指令値を出力
するファジー推論部と、該ファジー推論部からの前記姿
勢制御指令値と前記姿勢角検出情報とから回転モーメン
トを算出し、更に該回転モーメントにもとづいて片押し
度を算出し、前記算出された片押し度にもとづいて最適
なジャッキパターンの選定を行う姿勢制御部とを備えた
ことを特徴とするシールド掘進機の自動方向制御装置。