CN110888868A - 一种全断面隧道掘进机施工参数处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全断面隧道掘进机施工参数处理方法，包括以下步骤：数据预处理，从原始数据中选取精简的数据集；识别正常数据段的起始点和结束点；确定每段正常数据段的启动阶段和正常掘进阶段的分界点。本发明针对原始全断面隧道掘进机施工数据，进行预处理之后得到正常数据集，然后使用变点检测找出启动阶段和正常掘进阶段的分界点，从而分离出启动阶段数据集和正常掘进阶段数据集，为全断面隧道掘进机施工的辅助巡航提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，尤其是涉及一种全断面隧道掘进机施工参数处理方法。
背景技术
如何从历史项目的施工数据中挖掘全断面隧道掘进机的主动参数(如油缸的推力、刀盘转速等)，被动参数(如推进速度、刀盘扭矩等)，地面沉降等与地质环境、岩土类型、地下水位及埋深等数据之间的相互作用关系和规律，建立相应的算法模型，为全断面隧道掘进机施工的辅助巡航提供技术支撑。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种全断面隧道掘进机施工参数处理方法。
本申请提供一种全断面隧道掘进机施工参数处理方法，包括以下步骤：
S1：数据预处理，从原始数据中选取精简的数据集；
S2：识别正常数据段的起始点和结束点；
S3：确定每段正常数据段的启动阶段和正常掘进阶段的分界点。
可选的，步骤S1中，从所述原始数据中选取全断面隧道掘进机的属性参数，包括主动参数和被动参数；所述数据集包括所述主动参数，所述被动参数、施工环号和数据采样时刻。
可选的，步骤S1中，删除所述原始数据中的属性值缺失的记录。
可选的，步骤S2中，按时间顺序读取每环施工数据的连续两条记录，当第一条记录的总推进力或者推进速度为0，第二条记录的总推进力或者推进速度不为0，则将第二条记录标记为一个正常数据段的起始点；当第一条记录的总推进力或者推进速度不为0，第二条记录的总推进力或者推进速度为0，则将第一条记录标记为一个正常数据段的终止点。
可选的，步骤S3中，从每段正常数据段的起始点和结束点之间的数据确定出分界点，所述分界点前面的数据属于启动阶段，所述分界点后面的数据属于掘进阶段。
可选的，步骤S3中使用基于均值的变点检测方法确定出所述分界点。
本发明的技术方案与现有技术相比具有下列优点：
本发明针对原始全断面隧道掘进机施工数据，进行预处理之后得到正常数据集，然后使用变点检测找出启动阶段和正常掘进阶段的分界点，从而分离出启动阶段数据集和正常掘进阶段数据集，为全断面隧道掘进机施工的辅助巡航提供技术支撑。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明所提供的全断面隧道掘进机施工参数处理方法的流程图；
图2为一种具体实施方式中的原始数据的示意图；
图3为图2中的原始数据识别出的正常数据段的起始点和结束点的示意图；
图4为图3中的正常数据段的施工数据分割效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参考图1，图1为本发明所提供的全断面隧道掘进机施工参数处理方法的流程图。
在一种具体的实施方式中，本发明提供了一种全断面隧道掘进机施工参数处理方法，包括以下步骤：
步骤S1：数据预处理，从原始数据中选取精简的数据集；
步骤S2：识别正常数据段的起始点和结束点；
步骤S3：确定每段正常数据段的启动阶段和正常掘进阶段的分界点。
全断面隧道掘进机施工呈现一定的周期性。全断面隧道掘进机在每环的施工过程中，都要经历启动、正常掘进、换渣车和停机等阶段。在不同的阶段，刀盘扭矩等被动参数与油缸的推力等主动参数之间呈现的关联关系差异明显。
在启动阶段，各参数(刀盘扭矩、总推进力、推进速度等)处于上升趋势；而在正常掘进阶段，各参数则几乎平稳，变化不大。
因此，基于全断面隧道掘进机各阶段掘进参数具有不同特征的特点，将采集到的全断面隧道掘进机施工数据按照启动阶段、掘进阶段和其它阶段进行划分，分别提取出所需要的启动阶段和正常掘进阶段数据集。这里的其它阶段包含了换渣车和停机等不符合启动和掘进阶段特征的数据。
另外，由于传感器故障等原因，采集到的全断面隧道掘进机机施工数据中还包含着某些属性值缺失或异常的数据记录，比如总推进力和推进速度中一个为0而另一个不为0。
为研究全断面隧道掘进机正常工作期间的数据特征，有必要将属性值缺失或异常的数据记录、停机数据记录与正常数据记录(正常掘进和启动阶段的数据)区分开来，并从原始数据中提取出正常的数据记录形成正常数据集。
然后，根据启动阶段、正常掘进阶段的数据特点，从正常数据集中分离出启动阶段数据集和正常掘进阶段数据集，为全断面隧道掘进机施工的辅助巡航提供技术支撑。
一种优选的实施方式中，步骤S1中，从所述原始数据中选取全断面隧道掘进机的属性参数，包括主动参数和被动参数；所述数据集包括所述主动参数，所述被动参数、施工环号和数据采样时刻。
采集到的原始数据中含有500多项属性，其中描述全断面隧道掘进机的属性有 7项，称之为主动参数；而描述盾构机工作状态的属性主要有30项，称之为被动参数。原始数据中其它的属性项与数据分析的关联性不大。因此，从原始数据集中只抽取施工环号、数据采样时刻、主动参数和被动参数等属性项，形成精简的原始数据集。
进一步的，步骤S1中，删除所述原始数据中的属性值缺失的记录。
由于传感器故障等原因，原始数据中包含某些属性值缺失的记录，这些记录在总体数据中所占比例较小，直接删除这些缺失数据的记录不影响整体的分布情况。
另一种优选的实施方式中，步骤S2中，按时间顺序读取每环施工数据的连续两条记录，当第一条记录的总推进力或者推进速度为0，第二条记录的总推进力或者推进速度不为0，则将第二条记录标记为一个正常数据段的起始点；当第一条记录的总推进力或者推进速度不为0，第二条记录的总推进力或者推进速度为0，则将第一条记录标记为一个正常数据段的终止点。
这样，在一环的数据中会提取到多个起始点和终止点，按记录序号的顺序形成“起始点”和“终止点”的交错序列。按照“[起始点，终止点]”配对，可从原始数据中提取并形成若干个包含启动阶段和正常掘进阶段的数据集。类似地，若按照“[终止点，起始点]”配对在原始数据中提取数据段，就可以得到所有的异常数据记录和停机数据记录。其中，起始点也可以叫做左端点，终止点也可以叫做右端点。
另一种优选的实施方式中，步骤S3中，从每段正常数据段的起始点和结束点之间的数据确定出分界点，所述分界点前面的数据属于启动阶段，所述分界点后面的数据属于掘进阶段。
进一步的，步骤S3中使用基于均值的变点检测方法确定出所述分界点。
对每一对“起始点-终止点”之间的数据，确定出分界点，也称变点，分界点前面的数据属于启动阶段，分界点之后的数据属于掘进阶段。使用基于均值的变点检测方法，确定出分界点。
对线性相依的随机变量序列{Y(t)}
Y(t)＝μ(t)+σ(t)X(t),t＝1,2,…,T (1)
其中μ(t)和σ(t)是非随机函数，只取两个不同的值：
k0和k1分别是未知的均值变点和方差变点。构造均值变点k0的CUSUM估计为：
其中，
通过(5)式计算出均值变点k0的CUSUM估计值
视其为启动段和正常掘进段数据记录的分界点。
请参考图2至图4，图2为一种具体实施方式中的原始数据的示意图；图3为图2中的原始数据识别出的正常数据段的起始点和结束点的示意图；图4为图3中的正常数据段的施工数据分割效果图。
在一种具体的实施方式中，本发明结合具体的试验验证过程对一种全断面隧道掘进机施工参数数据处理算法作进一步的说明。
第一步，数据预处理：
首先，从原始数据中抽取精简的数据集，主动参数和被动参数如表1和表2所示：
表1.主动参数表
| 名称 | 物理意义 | 数据来源 | 单位 |
| 刀盘转速 | 刀盘转速的实测值 | 传感器实测 | r/min |
| A组推进压力 | A组油缸的压强 | 传感器实测 | Bar |
| B组推进压力 | B组油缸的压强 | 传感器实测 | Bar |
| C组推进压力 | C组油缸的压强 | 传感器实测 | Bar |
| D组推进压力 | D组油缸的压强 | 传感器实测 | Bar |
| 螺机转速 | 螺机转速实测值 | 传感器实测 | r/min |
| 推进速度 | 全断面隧道掘进机机机体的前进速度 | 传感器实测 | mm/min |
表2.被动参数表
然后，删除精简的原始数据集中属性值缺失的记录，并对精简的原始数据集按照环号和时间进行索引排序。
该实施方式中第552环的数据，共有7283条记录，每隔一秒采样。推进速度等参数值如图2所示，其中蓝色线为推进速度(TJSD)，橘色线为刀盘扭矩(DPNJ)，绿色线为刀盘转速(DPZS)，红色线为A组推进位移(AZTJWY)，紫色线为总推进力 (ZTJL)。
第二步，识别正常数据段的起始点和结束点，生成正常数据集：
精简的原始数据集中除正常全断面隧道掘进机施工数据记录之外，还包含一些异常记录和停机数据记录。这里的异常记录主要是指总推进力和推进速度中一个为 0而另一个不为0的数据记录，停机数据记录是指总推进力和推进速度均为0的数据记录。为研究全断面隧道掘进机正常工作期间的数据特征，有必要将异常数据记录、停机数据记录与正常数据记录(正常掘进阶段和启动阶段的数据)区分开来，并从原始数据中提取出正常的数据记录形成正常数据集。
正常数据呈现分段持续的特点。在精简的原始数据集中，正常数据段和停机数据段交替出现，其中可能掺杂着一些含有异常数据的记录。考虑到启动阶段和正常掘进阶段持续的时间相对较长，因此，提取两两配对的左、右端点的采样时刻差值大于100秒的数据段，作为最后保留的正常数据段。这样，正常数据就由启动阶段的数据与掘进阶段的数据构成。
该实施方式中第520环左端点的记录序号分别为：8171、8188、8654、8818、 12753、13909和14384，右端点的记录序号分别为：8187、8556、8816、9013、12778、 13916和15722。但由于第一个“[左端点-右端点]”区间[8171-8187]的对应的时长小于 100秒，它不能被视为一个正常数据段。类似地，“[左端点-右端点]”区间[12753-12778] 和[13909-13916]也不是正常数据段。因此，第520环只有4个正常数据段，分别对应记录序号区间[8188-8556]、[8654-8816]、[8818-9013]和[14384-15722]。
第552环左端点的记录序号分别为：3641、4336、4996和5709，右端点的记录序号分别为：4306、4965、5675和6051。这样，552环共有4个正常数据段，分别对应记录序号[3641-4306]、[4336-4965]、[4996-5675]和[5709-6051]。第552环的正常数据段如图3所示，其中实黑线表示左右端点的位置。
第三步，确定启动数据段和掘进数据段之间的分界点：
采用基于均值的变点检测方法，对刀盘扭矩、推进速度、总推进力这三个属性分别进行基于均值的变点检测，得到三个变点值，这三个变点值可能不同。取其中的最小值作为启动数据段和掘进数据段之间的分界点，这样，掘进阶段数据集可以包含较多的数据。
该实施方式中第552环有4个正常数据段。依据公式(5)，计算出这4个正常数据段的启动数据段和掘进数据段之间分界点位置分别为：3726、4403、5054和5772，如图4中的虚黑线所示。
以上对本发明所提供的全断面隧道掘进机施工参数处理方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种全断面隧道掘进机施工参数处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：数据预处理，从原始数据中选取精简的数据集；
S2：识别正常数据段的起始点和结束点；
S3：确定每段正常数据段的启动阶段和正常掘进阶段的分界点。
2.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机施工参数处理方法，其特征在于，步骤S1中，从所述原始数据中选取全断面隧道掘进机的属性参数，包括主动参数和被动参数；所述数据集包括所述主动参数，所述被动参数、施工环号和数据采样时刻。
3.如权利要求2所述的全断面隧道掘进机施工参数处理方法，其特征在于，步骤S1中，删除所述原始数据中的属性值缺失的记录。
4.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机施工参数处理方法，其特征在于，步骤S2中，按时间顺序读取每环施工数据的连续两条记录，当第一条记录的总推进力或者推进速度为0，第二条记录的总推进力或者推进速度不为0，则将第二条记录标记为一个正常数据段的起始点；当第一条记录的总推进力或者推进速度不为0，第二条记录的总推进力或者推进速度为0，则将第一条记录标记为一个正常数据段的终止点。
5.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机施工参数处理方法，其特征在于，步骤S3中，从每段正常数据段的起始点和结束点之间的数据确定出分界点，所述分界点前面的数据属于启动阶段，所述分界点后面的数据属于掘进阶段。
6.如权利要求5所述的全断面隧道掘进机施工参数处理方法，其特征在于，步骤S3中使用基于均值的变点检测方法确定出所述分界点。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200317 |
|
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