一种基于大数据分析的TBM自动调向方法

技术领域

本发明涉及盾构TBM姿态控制领域，具体涉及一种基于大数据分析的TBM自动调向方法。

背景技术

随着铁路、公路隧道施工建设的兴起，TBM隧道掘进机得以广泛应用。在山岭隧道中TBM姿态调节一直是TBM施工过程中的重难点，目前对于TBM掘进过程中姿态控制主要依靠主司机的个人经验，缺乏行之有效的自动化方案与方法，导致TBM掘进过程中频繁出现姿态控制不良，姿态超限等问题，这些问题不仅需要消耗大量的人力，时间，金钱去处理，也对隧道成型质量造成了不利影响，而现有的掘进过程中姿态控制方案或平台主要对主司机起到辅助决策参考作用，并不直接控制TBM设备进行掘进姿态的自动调整，本专利通过大数据平台结合算法模型的方法，实现大数据平台算法直接控制TBM设备在掘进过程中的油缸活动，最终实现了TBM掘进过程中的全自动调向。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种使用方便、减少劳力、提高掘进效率的基于大数据分析的TBM自动调向方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于大数据分析的TBM自动调向方法，所述方法的具体步骤是：

S1.数据采集；利用在TBM的PLC控制系统的数据模块安装的数据采集终端，通过OPC通信协议，使用TCP/IP接口，实时读取TBM的数据信息，同时将所获取的数据信息传输至大数据平台算法服务器；

S2.数据处理；利用大数据平台将步骤S1数据采集终端采集的TBM掘进姿态的实时数据，利用大数据平台结合算法模型，对实时获取的TBM姿态实时数据进行处理与分析，并将处理后的数据输出至TBM控制系统；

S3.数据判断；利用TBM控制系统对步骤S2经大数据平台处理后的数据进行撑靴、扭矩油缸动作的判断，并将判断后的油缸相关操作信息反馈到控制终端上；

S4.TBM调向控制；通过控制终端将步骤S3获取的指令传输至盾构机，控制相关油缸完成相应操作，保证数据的正常传输以及操作的正常进行。

优选的，所述步骤S2的具体方法是：

S21.数据存储；在TBM掘进过程中，利用数据存储模块对步骤S1数据采集终端所获取TBM姿态相关数据信息进行实时读取存储，并在本地数据库里实时更新，为TBM姿态控制提供基础数据；

S22.数据对比；采用历史数据对比模块对步骤S21所获取的TBM姿态实时数据与历史数据进行实时的对比，在历史数据库中找到类似的数据进行匹配，确定当前时间段姿态数据与历史数据的相似度，为下一步的模型匹配提供理论依据；

S23.算法模型判断；以行业规定的TBM掘进姿态控制允许误差作为是否需要进行姿态调节的依据，同时结合历史数据以及主司机操作的经验积累形成算法模型，在大量的数据积累下，利用算法模型判断模块针对当前不同的TBM姿态找到对应的算法模型，从而对每一种当前TBM姿态给出调整数据信号；

S24.调整数据输出；根据步骤S23算法模型判断模块所给出的数据，利用调整数据输出模块结合当前TBM掘进实际情况，判断是否适合姿态调整，并输出数据至TBM控制系统。

优选的，所述步骤S3的具体方法是：

S31.数据转化；采用TBM与大数据平台通信模块对大数据平台与TBM的正常通讯进行数据转化，通过OPC协议进行数据通信，并使用C#编写的数据接口将步骤S3大数据平台算法得出的各类数据实时反馈至TBM控制系统，为后续数据处理提供理论依据；

S32.数据处理；利用数据处理模块对步骤S31所获取姿态调整的数据信息转换为TBM操作可接收的PLC控制数据，使用pythonpandas与numpy工具对部分传感数据与控制数据进行数据初步分析与处理,保证最终操作的正常进行；

S33.控制数据输出；采用控制输出模块作为数据处理模块与控制终端的接口，将步骤S32经过分析处理过的数据指令及时有效的反馈至控制终端，并进行有效的操作，保证撑靴定位以及换步的正常进行。

优选的，所述步骤S4中的控制终端为包含遵循TCP/IP协议的通讯网口并遵循OPC协议的通讯设备端，其作为TBM姿态调节的载体与操作界面，将获取的指令传输至盾构机，完成相应操作，实现TBM的自动调向。

优选的，所述数据采集终端的信号输出端与大数据平台的信号输入端电性连接，所述大数据平台的数据输出端与TBM控制系统的数据输入端电性连接，所述TBM控制系统的数据输出端与图像控制终端的数据输入端电性连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过经验贝叶斯方法结合TBM大数据平台原始数据，计算出TBM姿态不同偏差情况下的调节方法，实现了自动调节，减少了对TBM主司机的依赖，同时通过程序的实时监测，采用连续多次的微小调节，始终保证了TBM姿态处于正常范围内，达到自动调向的目的，减少了人为误差，解决了姿态调节的难题

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施或者现有技术中的技术方案，下面对实施或现有技术描述中的简要附图进行简要说明：

图1是本发明的硬件系统概况图。

图2是本发明的工作流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

如图1-2所示，本实施例的基于大数据分析的TBM自动调向方法，所述方法的具体步骤是：

S1.数据采集；利用在TBM的PLC控制系统的数据模块安装的数据采集终端，通过OPC通信协议，使用TCP/IP接口，实时读取TBM的数据信息，同时将所获取的数据信息传输至大数据平台算法服务器；

S2.数据处理；利用大数据平台将步骤S1数据采集终端采集的TBM掘进姿态的实时数据，利用大数据平台结合算法模型，对实时获取的TBM姿态实时数据进行处理与分析，并将处理后的数据输出至TBM控制系统；

S3.数据判断；利用TBM控制系统对步骤S2经大数据平台处理后的数据进行撑靴、扭矩油缸动作的判断，并将判断后的油缸相关操作信息反馈到控制终端上；

S4.TBM调向控制；通过控制终端将步骤S3获取的指令传输至盾构机，控制相关油缸完成相应操作，保证数据的正常传输以及操作的正常进行。

本实施例中，所述步骤S2的具体方法是：

S21.数据存储；在TBM掘进过程中，利用数据存储模块对步骤S1数据采集终端所获取TBM姿态相关数据信息进行实时读取存储，并在本地数据库里实时更新，为TBM姿态控制提供基础数据；

S22.数据对比；采用历史数据对比模块对步骤S21所获取的TBM姿态实时数据与历史数据进行实时的对比，在历史数据库中找到类似的数据进行匹配，确定当前时间段姿态数据与历史数据的相似度，为下一步的模型匹配提供理论依据；

S23.算法模型判断；以行业规定的TBM掘进姿态控制允许误差作为是否需要进行姿态调节的依据，同时结合历史数据以及主司机操作的经验积累形成算法模型，在大量的数据积累下，利用算法模型判断模块针对当前不同的TBM姿态找到对应的算法模型，从而对每一种当前TBM姿态给出调整数据信号；

S24.调整数据输出；根据步骤S23算法模型判断模块所给出的数据，利用调整数据输出模块结合当前TBM掘进实际情况，判断是否适合姿态调整，并输出数据至TBM控制系统。

本实施例中，所述步骤S3的具体方法是：

S31.数据转化；采用TBM与大数据平台通信模块对大数据平台与TBM的正常通讯进行数据转化，通过OPC协议进行数据通信，并使用C#编写的数据接口将步骤S3大数据平台算法得出的各类数据实时反馈至TBM控制系统，为后续数据处理提供理论依据；

S32.数据处理；利用数据处理模块对步骤S31所获取姿态调整的数据信息转换为TBM操作可接收的PLC控制数据，使用pythonpandas与numpy工具对部分传感数据与控制数据进行数据初步分析与处理,保证最终操作的正常进行；

S33.控制数据输出；采用控制输出模块作为数据处理模块与控制终端的接口，将步骤S32经过分析处理过的数据指令及时有效的反馈至控制终端，并进行有效的操作，保证撑靴定位以及换步的正常进行。

本实施例中，所述步骤S4中的控制终端为包含遵循TCP/IP协议的通讯网口并遵循OPC协议的通讯设备端，其作为TBM姿态调节的载体与操作界面，将获取的指令传输至盾构机，完成相应操作，实现TBM的自动调向。

本实施例中，所述数据采集终端的信号输出端与大数据平台的信号输入端电性连接，所述大数据平台的数据输出端与TBM控制系统的数据输入端电性连接，所述TBM控制系统的数据输出端与图像控制终端的数据输入端电性连接

本实施例中的基于大数据分析的TBM自动调向方法，包括硬件与软件两个部分：硬件上主要以数据采集终端为依托，通过对TBM姿态数据的实时监测，确定TBM姿态的实时状态；同时通过对历史数据的对比分析，确定最终适用的算法模型，确定最佳算法，得出控制数据，其后将数据信息转换并发送至TBM控制系统，经过TBM控制系统内部的数据处理模块的再次处理，将数据转化为可被TBM接收的操作信号，传输至控制终端最终通过控制终端对撑靴、扭矩油缸的调节，达到姿态调节的最终目的，关系图如图1所示，其中大数据平台算法服务器并不在现场部署，只是通过网络进行数据传输，在施工现场安装小型服务器作为载体，保证数据传输的正常进行。软件上主要包括数据采集终端、大数据平台、TBM控制系统以及控制终端上的软件部署，是TBM自动调向系统的关键，具体模块如图2所示。

本发明的具体工作原理阐述如下：如图1所示，在TBM的PLC控制系统的数据模块安装数据采集终端，主要通过OPC通信协议，使用TCP/IP接口，实时读取TBM的数据信息，同时将所获取的数据信息传输至大数据平台算法服务器，经过如图2所示的实时数据存储、历史数据对比、算法模型判断、调整数据输出在反馈至TBM控制系统，经过TBM控制系统的再次转化反馈至控制终端，实现最终的TBM自动调向的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。