一种基于振动信号的盾构施工故障诊断方法及系统

技术领域

本发明属于盾构机控制技术领域，尤其涉及一种基于振动信号的盾构施工故障诊断方法及系统。

背景技术

随着城市化水平的不断提高，城市化进程中的基础设施建设越来越多，土地资源短缺的问题越来越明显。合理开发利用城市地下空间资源也是现代化城市的发展方向。当前，地下资源开发利用率逐年提高，越来越多的人选择地铁交通方式出行，越来越多的城市在加快地铁修建的步伐。盾构机被广泛应用于地下工程建设中，盾构机工作效率高，机械化程度高，优点显著，可以同时完成包括刀盘切削、支护、渣土输送等作业在内的一整套隧道施工工序。但也存在明显的缺点，盾构机机身庞大、结构复杂，机器由数量繁多的结构零件构成，零件之间存在机械关联性，若某一结构发生故障，将牵连整个盾构机无法正常运行，造成重大的经济损失。

发明人发现，当前盾构机诊断预警技术尚未成熟，盾构机运行过程中故障无法及时检出，导致刀盘崩坏、轴承损坏、齿轮断齿等工程事故。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于振动信号的盾构施工故障诊断方法及系统，本发明通过振动信号的获取与预处理、故障诊断信息数据库的建立以及诊断信号阈值确定与故障判断，实现了盾构机运行故障的快速发现与合理处理，提高了盾构机作业的安全性与高效性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种基于振动信号的盾构施工故障诊断方法，包括：

获取盾构机运行过程中的振动信号；

对所述振动信号进行预处理；

将预处理后的振动信号与预设数据库中的振动信号进行阈值对比，对盾构机进行故障诊断；其中，在盾构机掘进过程中实时跟进盾构机是否出现运行故障，若出现运行故障，将故障区间内的运行故障类型和故障起始时间作为预设数据库中的历史数据。

进一步的，所述振动信号包括盾构机主电机振动信号、盾构机主轴承振动信号和盾构机减速箱齿轮振动信号。

进一步的，对所述振动信号进行放大、相位调整和滤波预处理。

进一步的，若盾构未出现运行故障，依据盾构穿越地层情况对诊断信号数据进行划分，确定整个掘进区段内盾构机正常掘进时的振动数据上下限。

进一步的，基于振动数据上下限，计算在盾构运行故障阶段振动信号异常值超出极值的范围，输出危险系数；同时，记录异常振动信号超出正常范围的持续时间，输出时间系数；

通过危险系数与时间系数确定故障判断阈值。

进一步的，所述危险系数为超出极值范围的幅值累加；所述时间系数为超出极值范围的时间累加。

进一步的，当盾构掘进至新区间时，累积多个盾构施工区间的振动信号，确定故障发生时的临界阈值；当振动信号监测到危险系数与时间系数的乘积大于临界阈值，诊断为出现施工故障。

第二方面，本发明还提供了一种基于振动信号的盾构施工故障诊断系统，包括：

数据采集模块，被配置为：获取盾构机运行过程中的振动信号；

预处理模块，被配置为：对所述振动信号进行预处理；

诊断模块，被配置为：将预处理后的振动信号与预设数据库中的振动信号进行阈值对比，对盾构机进行故障诊断；其中，在盾构机掘进过程中实时跟进盾构机是否出现运行故障，若出现运行故障，将故障区间内的运行故障类型和故障起始时间作为预设数据库中的历史数据。

第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的基于振动信号的盾构施工故障诊断方法的步骤。

第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的基于振动信号的盾构施工故障诊断方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过振动信号的获取与预处理、故障诊断信息数据库的建立以及诊断信号阈值确定与故障判断，实现了盾构机运行故障的快速发现，提高了盾构机作业的安全性与高效性；同时，通过数据库中预存的运行故障类型和故障起始时间，可快速准确的确定盾构机的故障类型，为维修工作提供准确的信息依据。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例1的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

正如背景技术中提到的，当前盾构机诊断预警技术尚未成熟，盾构机运行过程中故障无法及时检出，导致刀盘崩坏、轴承损坏、齿轮断齿等工程事故。因此，及时发现盾构机故障并做出合理的诊断，降低盾构机停机次数、提高盾构机数据化和机械化水平，是亟待解决的工程问题；针对上述问题，本实施例提供了一种基于振动信号的盾构施工故障诊断方法，包括：

获取盾构机运行过程中的振动信号；

对所述振动信号进行预处理；

将预处理后的振动信号与预设数据库中的振动信号进行阈值对比，对盾构机进行故障诊断；其中，在盾构机掘进过程中实时跟进盾构机是否出现运行故障，若出现运行故障，将故障区间内的运行故障类型和故障起始时间作为预设数据库中的历史数据。

通过振动信号的获取与预处理、故障诊断信息数据库的建立以及诊断信号阈值确定与故障判断，实现了盾构机运行故障的快速发现与合理处理，提高了盾构机作业的安全性与高效性；具体的：

可选的，振动信号的获取与预处理时，首先要确定盾构掘进试验区段，在该掘进区间内收集现场施工数据；在盾构主要操作部件上安装机械振动传感器来获取振动信号，盾构机主要部件可以包括主电机、主轴承和减速箱齿轮等。

所述机械振动传感器记录盾构机运行过程中主要部件的振动信号，记录为可视化数据图像形式传输给信号接收端。接收端接收到振动信号后，可以对振动信号进行预处理；预处理程序主要包括信号放大、相位调整和滤波处理等，滤波处理可以采用均值、小波降噪等手段对原始振动信号进行降噪。

可选的，在盾构机掘进过程中实时跟进盾构机是否出现运行故障，若出现运行故障，将故障区间内的运行故障类型和故障起始时间作为预设数据库中的历史数据；具体的，在盾构机掘进过程中实时跟进盾构机是否出现运行故障，若出现运行故障，明确运行故障类型，记录运行故障起始时间，在该故障区间内，输出、记录振动信号的历史信息，形成盾构故障信号记录数据库。可以理解的，数据库中，不同掘进段内，不同故障类型和故障起始时间对应的振动信号不同，将预处理后的振动信号与预设数据库中的振动信号进行阈值对比进行故障诊断时，可以在数据库中确定相同掘进段内与当前获取振动信号对应的历史振动信号和起始时间，从而可以准确的确定对应的故障类型；在数据库中确定相同掘进段内与当前获取振动信号对应的历史振动信号时，可以通过对比振动信号的波形和阈值等实现。

若盾构未出现运行故障，依据盾构穿越地层情况对诊断信号数据进行划分，确定整个掘进区段内盾构机正常掘进时的振动数据上下限。可以理解的，正常掘进时的振动数据上下限，可以包括正常掘进过程中振动信号的幅值上下限极限值和正常掘进时间上下限极限值等。随着盾构机正常掘进里程的增加，掘进数据、信号数据逐渐积累，盾构机正常掘进时的振动数据上下限更加明确。

可选的，阈值确定和故障判断时，基于正常掘进振动信号数据极限值，计算在盾构运行故障阶段振动信号异常值超出极值的范围，输出危险系数D；可以理解的，前期通过搜集建立盾构掘进历史振动信息数据库，可以得到盾构正常运行过程中振动信息的极限值；当在以后的掘进过程中，如果振动信号超出了上述极限值，则认为是异常振动信息，超出极限值越大，则对应的振动信息越异常；因此，振动信息超出极限值的幅度大小表示为危险系数D。同时，记录异常振动信号超出正常范围的持续时间，输出时间系数t；可以理解的，前期通过搜集建立盾构掘进历史振动信息数据库，可以得到盾构正常运行过程中振动信息的极限值；当在以后的掘进过程中，如果振动信号超出了上述极限值，则认为是异常振动信息，盾构运行过程中，振动信息会在某时间范围内一直异常，即超出极限值范围，振动信息超出极限值的持续时间表示为时间系数t。

通过危险系数D与时间系数t确定故障判断阈值T，所述故障判断阈值T可以看作危险系数D与时间系数t的积分，可以理解的，在以时间为横坐标、振动幅度为纵坐标的坐标系中，异常信号运行范围超出正常信号范围部分的面积。

当盾构掘进至新区间时，可以重复收集振动信号并收集和记录信号数据。如此累积n个盾构施工区间，逼近故障发生时的临界阈值Tn，可以理解的，临界阈值Tn是n个区间故障判断阈值T的累计平均。因为只在一个区间内算出来的故障判断阈值T可能会有很大的偶然性，因此选择更多区间，每个区间都获取一个故障判断阈值T；他们的累计平均值更能接近准确的故障判断值，将最终累计平均得到的故障判断值认为是盾构故障发生的临界阈值。

基于数据积累效应，明确并形成以盾构主构件振动信号为依据的盾构机故障诊断系统，当振动信号监测到危险系数D与时间系数t的乘积大于临界阈值Tn，诊断为出现施工故障，系统自动发出设备预警信息，盾构机将暂停掘进。

可选的，诊断出的故障振动信号将通过施工信息管理平台传输给现场专家，经研究后作出对施工参数的调整。

实施例2：

本实施例提供了一种基于振动信号的盾构施工故障诊断系统，包括：

数据采集模块，被配置为：获取盾构机运行过程中的振动信号；

预处理模块，被配置为：对所述振动信号进行预处理；

诊断模块，被配置为：将预处理后的振动信号与预设数据库中的振动信号进行阈值对比，对盾构机进行故障诊断；其中，在盾构机掘进过程中实时跟进盾构机是否出现运行故障，若出现运行故障，将故障区间内的运行故障类型和故障起始时间作为预设数据库中的历史数据。

所述系统的工作方法与实施例1的基于振动信号的盾构施工故障诊断方法相同，这里不再赘述。

实施例3：

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的基于振动信号的盾构施工故障诊断方法的步骤。

实施例4：

本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的基于振动信号的盾构施工故障诊断方法的步骤。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。