一种TBM掘进参数优化系统及其优化方法

本发明涉及隧道tbm掘进参数优化领域，尤其涉及一种tbm掘进参数优化系统及其优化方法。

背景技术：

1、全断面隧道掘进机(tbm)已经在隧道工程中得到越来越广泛的应用，然而其开挖地层围岩条件变化较为敏感，当掘进面前方岩体条件发生变化时，需要及时调整相应tbm掘进控制参数(刀盘推力、tbm贯入度、刀盘转速等)以达到tbm最佳掘进状态。目前tbm施工过程中掘进参数的调整主要存在以下不足:

2、⑴隧道开挖地质条件复杂，而tbm操作司机主要根据经验对掘进参数进行调整，tbm施工效率很大程度依赖于司机操作水平；

3、(2)现有的tbm掘进模式没有考虑到tbn掘进控制参数的选择对设备扭矩的影响，造成掘进速度不均衡。

4、针对上述不足，本发明专利提出了一种tbm掘进参数优化系统及其优化方法。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了一种tbm掘进参数优化系统及方法，用于解决现有技术在进行tbm掘进参数优化时，需要进行大量的数据处理，而且无法合理确定tbm掘进参数优化的时机，导致tbm掘进参数优化效率和准确性不能兼顾的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种tbm掘进参数优化系统，包括工程师终端交互模块，以及与之相连接的岩体掘进数据采集模块和边缘计算网关控制模块；且岩体掘进数据采集模块与不同地质类型掘进距离控制模块相连接；

3、岩体掘进数据采集模块：在不同地质类型掘进刀盘转速正常实施过程中，通过与之相连接的岩体掘进距离采集各岩层结构tbm掘进参数的单位时间岩体掘进进程数据，并传输至工程师终端交互模块；

4、工程师终端交互模块：利用蒙特卡罗模型单元计算得到不同地质类型掘进刀盘转速的最佳效率，通过根据工程项目管理信息确定实时岩体掘进效率，将最佳效率和实时岩体掘进效率进行对比确定是否需要进行tbm掘进参数优化；需要进行参数优化，则采集各岩层结构tbm掘进参数的单位时间岩体掘进进程数据，不需要进行参数优化，则按照岩体掘进距离进行继续岩体掘进；以及根据单位时间岩体掘进进程数据计算获取各岩层结构tbm掘进参数单位时间的tbm掘进参数挖掘效率；对不同tbm掘进参数挖掘效率绘制实时效率仿真曲线，将实时效率仿真曲线与理想效率仿真曲线进行对比分析确定优化的岩层结构tbm掘进参数；其中，理想效率仿真曲线利用蒙特卡罗模型单元计算得到。

5、进一步地，所述工程师终端交互模块分别与岩体掘进数据采集模块和边缘计算网关控制模块通信连接；且所述边缘计算网关控制模块包括云服务器；

6、所述岩体掘进数据采集模块与不同地质类型掘进刀盘转速上的所述岩体掘进距离通信连接；且所述岩体掘进距离匹配各岩层结构tbm掘进参数的不同岩体掘进阶段。

7、进一步地，所述工程师终端交互模块利用蒙特卡罗模型单元匹配获取不同地质类型掘进刀盘转速的所述最佳效率，并利用所述最佳效率判断是否需要进行tbm掘进参数优化，包括：

8、连接所述蒙特卡罗模型单元，并从中计算出标准岩体掘进刀盘转速单位时间内的阶梯形挖掘效率；其中，不同地质类型掘进刀盘转速与标准岩体掘进刀盘转速能耗一致或者包含的岩层结构tbm掘进参数一致；

9、获取不同所述阶梯形挖掘效率的岩体掘进阶段性效率中位数，记为最佳效率；获取所述不同地质类型掘进刀盘转速的阶梯形挖掘效率，记为实时岩体掘进效率；其中，岩体掘进阶段性效率中位数包括岩体掘进人为因素影响效率或自然环境因素影响效率；

10、当所述实时岩体掘进效率弱于所述最佳效率时，则判定需要对所述不同地质类型掘进刀盘转速进行tbm掘进参数优化；否则，判定不需要对所述不同地质类型掘进刀盘转速进行tbm掘进参数优化。

11、进一步地，在确定需要对所述不同地质类型掘进刀盘转速进行tbm掘进参数优化时，则通过设置在所述不同地质类型掘进刀盘转速上的所述岩体掘进距离采集获取所述单位时间岩体掘进进程数据；以及

12、对所述单位时间岩体掘进进程数据进行筛选之后传输至所述工程师终端交互模块；其中，单位时间岩体掘进进程数据包括岩体掘进能耗数据和扭矩大小数据。

13、进一步地，所述工程师终端交互模块从所述单位时间岩体掘进进程数据中提取各岩层结构tbm掘进参数对应的所述tbm掘进参数挖掘效率，并基于不同所述tbm掘进参数挖掘效率绘制所述实时效率仿真曲线，包括：

14、从所述单位时间岩体掘进进程数据中提取各岩层结构tbm掘进参数的扭矩大小数据，利用所述扭矩大小数据计算出各岩层结构tbm掘进参数在单位时间内的所述tbm掘进参数挖掘效率；

15、对不同所述tbm掘进参数挖掘效率按照岩体掘进时间建立自变量，以tbm掘进参数挖掘效率为因变量拟合绘制所述实时效率仿真曲线。

16、进一步地，所述工程师终端交互模块基于不同标准岩体掘进刀盘转速在达到阶梯形挖掘效率时对应的单位时间岩体掘进进程数据获取所述理想效率仿真曲线，包括：

17、利用所述阶梯形挖掘效率从不同所述标准岩体掘进刀盘转速中择优筛查出标准岩体掘进刀盘转速，并将对应的单位时间岩体掘进进程数据标定为预设岩体掘进进程数据；

18、从所述预设岩体掘进进程数据中获取各岩层结构tbm掘进参数的tbm掘进参数挖掘效率，并标定为预设挖掘效率；对不同所述预设挖掘效率按照单位时间绘制横坐标，获取所述理想效率仿真曲线。

19、进一步地，所述工程师终端交互模块对比所述实时效率仿真曲线和所述理想效率仿真曲线，根据对比结果对各岩层结构tbm掘进参数进行优化，包括：

20、对比所述实时效率仿真曲线和所述理想效率仿真曲线，确定两种仿真曲线横纵坐标完全一致部分对应的岩层结构tbm掘进参数，并标定为待优化tbm掘进参数；

21、根据所述实时效率仿真曲线和所述理想效率仿真曲线确定待优化tbm掘进参数的挖掘效率噪声影响；在岩体掘进能耗数据内调整待优化tbm掘进参数的扭矩大小数据，以缩小挖掘效率噪声影响。

22、本发明的第二方面提供了一种tbm掘进参数优化方法，包括：

23、利用蒙特卡罗模型单元中记录的各标准岩体掘进刀盘转速以及对应的阶梯形挖掘效率，基于不同阶梯形挖掘效率的岩体掘进阶段性效率中位数获取最佳效率；

24、获取不同地质类型掘进刀盘转速的实时岩体掘进效率；将实时岩体掘进效率和最佳效率进行对比确定是否对不同地质类型掘进刀盘转速进行tbm掘进参数优化；

25、根据采集的单位时间岩体掘进进程数据计算获取各岩层结构tbm掘进参数的tbm掘进参数挖掘效率，进而获取实时效率仿真曲线；对比实时效率仿真曲线与理想效率仿真曲线确定并优化岩层结构tbm掘进参数。

26、有益效果：

27、本发明先根据标准岩体掘进刀盘转速确定最佳效率，基于最佳效率来确定是否需要进行tbm掘进参数优化；通过分析不同地质类型掘进刀盘转速的单位时间岩体掘进进程数据来获取不同tbm掘进参数挖掘效率，进而整理获取实时效率仿真曲线；将实时效率仿真曲线和通过标准岩体掘进刀盘转速获取的理想效率仿真曲线进行对比来确定待优化tbm掘进参数以及优化值；在保证tbm掘进参数优化准确性的同时降低了数据处理量，进而提高了tbm掘进参数优化效率。本发明通过对比实时效率仿真曲线和理想效率仿真曲线不仅可以确定哪些岩层结构tbm掘进参数需要进行参数优化，并确定优化范围，且在不同地质类型掘进刀盘转速完成tbm掘进参数之后，还可以将相关数据上传至蒙特卡罗模型单元来调整标准岩体掘进刀盘转速，有助于提高tbm掘进参数优化的精准性，使隧道岩体掘进的参数更加合理化，从而隧道掘进的顺利进行。