盾构机的状态监控

背景介绍

盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。

盾构机目前是地铁隧道建设的主要设备，在挖掘进行过程中，会产生大量的实时数据，通过对这些数据进行分析，可以实时掌握盾构机的状态，并对盾构机的关键部件，刀盘电机和传动主轴的问题，进行数据分析，找到异常相关参数，为后续的设备维护提供有效的建议。

解决方案

盾构机可以看做一个刚体，其受力就是通过其正面千斤顶输出油压值。盾构司机在控制盾构机姿态的时候，主要是通过修改千斤顶油压值，从而改变千斤顶行程（也就是伸出的千斤顶长度），最终改变盾构机姿态。对于盾构姿态的预测与追踪，需要找到千斤顶油压与盾构机姿态之间的关系，通过千斤顶油压对盾构机姿态数据进行预测，进一步通过改变千斤顶油压对盾构机姿态进行控制。在目标千斤顶油压下给出目标时间盾构姿态的预测，利用分析得到的模型对盾构司机进行反向指导。

然后通过对故障报告进行文本分析，并将施工数据，以及盾构机机各电机的参数进行故障分析，最终得到故障检测模型。

预期效果

1. 通过对设计坡度、盾构坡度对盾构姿态（即切口高程差，盾尾高程差）进行线性拟合，得到如下的拟合结果，红线为高程差的实际数据，绿线表示拟合数据 其拟合的 R2 分别为切口高程差为 53.24%，盾尾高程差为 74.05%，拟合效果较好。

图 1(a) 切口高程差拟合结果

图 1(b) 盾尾高程差拟合结果

2. 采用随机森林模型用千斤顶油压拟合垂直方向上的盾构角度偏离姿态，来达到改变分区千斤顶油压来控制盾构角度偏离姿态的目的。预测结果如下如所示，其中红线为实际数据，蓝线为训练数据，绿线为拟合数据，拟合的 R2 为 65%,说明该模型可以解释盾构角度偏离姿态 65%的变化量。

图 2 盾构角度偏离姿态拟合结果

而通过文本分析，盾构机电流，电机扭矩与温度的关联分析，可以检测出所有报告提及的问题，即模型准确率达到 100%，同时模型还检测出未发现问题的电机，这些电机虽然没有具体的报警记录与之对应，但是通过数据来看，这些电机的数据均有异常表征，如下所示。该关联分析模型工作稳定，无需重新训练，就可以实现自动化的环内电机电流异常检测。

图 3 614 环、615 环八号刀盘电流数据严重异常