中铁隧道股份有限公司 河南郑州 450000
摘要：随着国民经济增长，交通事业得以快速发展，隧道工程建设项目逐渐增多。盾构机是地下工程中的主要用具，它是保障工程顺利进行的重要条件，然而地下工程中存在各种潜在的危险因素，如果处理不当，将会出现一系列的危险事件。因此，盾构机自动控制技术需具备智能化的特点，该技术不仅应开挖土体，而且还要会纠正误差，这样才能获得施工人员的大力追捧。目前，此技术虽然呈现蓬勃的发展趋势，但是依然存在许多的不足之处，人们应该大力改良技术，保障工程具有安全、效率高的特点。
关键词：盾构机；自动控制技术；现状与展望
引言
我国盾构技术发展比较晚，直至20世纪90年代末才逐渐取得一定的研究成果。国内对于盾构的研究，多是集中在土压平衡以及泥水加压等领域。现在，国内越来越多稳定企业了解到了开展盾构研究的重要性，同时也开展了大量的研究工作，开发出了不同类别的盾构设备。不过，我国研发的一些盾构设备，仅仅能够在环境要求相对低环境中应用，在一些复杂环境之下则无法达到使用的要求，另外，对盾构设备的控制也相对落后，控制水平较低是导致盾构设备性能较差的重要原因。由此可见，国内盾构技术的开发与研究依旧属于初级阶段，还没有研制出能够适用在不同复杂环境下的盾构设备。
1盾构机自动控制关键技术
1)为了适应大城市这种复杂的工作环境，学界不断地在对盾构机相关技术进行研究，使这一技术不断地得到了突破，现代盾构机已经可以不损坏城市原有设施条件下进行工作，且现代盾构机的工作基本不会受到外界因素和地形因素的影响。
2)近几年科学技术得到了快速发展，新型盾构机械类型相继出现，有效节约了人力、物力和财力，降低了生产成本。在欧洲、日本等国家，现代盾构机技术已经相当发达，已经实现了全自动化拼装，在工作过程中有极高的精确度，可以实现全自动化控制。
2盾构机自动控制技术现状
2.1掘进系统
2.1.1模型创建
盾构机掘进系统由多个子系统组成，如刀盘、推进和排渣等，针对掘进控制，其研究工作早期是将试验与模型创建为核心的。掘进系统的模型创建方法有很多种，如运用BP网络创建开挖面的土压平衡控制模型，但在具体的建模过程中并未充分考虑地质条件。因此，在充分考虑地质条件和工程地点等因素的基础上，运用人工神经网络创建了盾构机推进速度自动控制模型。通过对自适应神经模糊理论的应力，可创建将排土控制作为基础的控制模型，如式(1)所示
Pe=f(F，v，ns)(1)
式中:Pe代表盾构土仓的压力;F代表盾构机所能提供的推力;v代表盾构机速度;ns代表螺旋输送机的转速大小。
2.1.2系统控制对策
对于盾构掘进系统控制，大多运用智能控制的方式。LI等充分运用模糊免疫控制对策，设计出一种全新的可自动调节控制器，在非线性系统中进行应用，通过试验得知，系统稳定性与动态特性均良好。针对模糊控制，运用专家经验难以从相对复杂的过程当中使用全部数据对规则与隶属度函数进行调整。为此，YEH等使用了BP神经网路创建一个开挖面的平衡控制策略，策略中的寻优函数可以给出最佳的速度建议，在很大程度上完成了推力及转速的自动化控制，确保开挖面实现平衡的目标。
2.2位姿控制
盾构机的位姿主要通过对推进系统的液压缸进行控制来实现的。自20世纪80年代SAKAI等将卡尔曼滤波理论在盾构机的位姿控制方面应用并且建立了控制模型后，国内外的专家和研究人员开始了对盾构机位姿控制的研究。
李惠平等根据盾构机控制的特点对模糊控制器的设计提出了“先分后合”方法，更便于调节控制器的性能。之后我国的研究人员在此基础上进行完善，将LabVIEW在盾构机位姿控制器的设计中加以应用，又通过模糊控制器得出千斤顶纠偏控制量，逐渐实现了盾构机位姿的自动控制。为了使系统具有更好的通用性，能够在不同的地质条件下稳定运行，MITSUTAKA提出了盾构机推进过程中动态载荷的理论模型，该模型对盾构姿态影响的各个参数所具有的敏感性进行分析，为提高位姿自动控制的精确度发挥了重要作用。
2.3盾构机管片自动安装
在上世纪八十年代，日本首先就盾构机管片的自动安装进行研究，国际上在针对盾构机在隧道中管片自动安装也设计了一套切实可行的准则。我国对于盾构机管片自动安装的研究配合了盾构机在轴向设计上的特点，选取了每个点位上管片安装的参数，研究出了虚拟的管片自动安装模型，并且纠正了切向路线上的偏离。在国外的某些国家，已经实现了管片的自动安装的控制，利用机器动态模型，全自动的控制了管片的拼装和支护。国外某学者针对盾构机掘进系统中的管片拼装，提出了目标导向控制系统，就是预先设定出管片拼装的目标坐标，然后根据液压执行系统结合机器人的混合动力控制进行计算，得出的最终结果是具有可行性的。
3盾构机自动控制技术展望
3.1建立密封舱压力动态平衡为目标的控制模式
如果密封舱的压力失衡，隧洞开挖中会出现地面沉降的情况，所以它是盾构机控制中的重点所在，研究人员需加大对密封舱压力平衡的研究与资金投入力度。但是研究过程不够细致，重复性的试验不是优良的方法，合理的控制模型并未被建立，控制技术还应被继续改善，人们需研究控制模型中的动态平衡目标，控制密封舱中的压力，使地面沉降现象被控制。产生地面沉降的最主要因素是密封舱压力失衡，压力动态平衡模型不能具备精确化的特点，缺乏科学性，良好的压力动态平衡系统是控制中的关键步骤，人们可以学习西方国家的一些经验，改良自身技术中的不足之处。
3.2掘进协调控制系统
现阶段，在进行土压控制过程中，一般是先设置相应的压力值，实际的施工作业过程中，再根据沉降情况以及密封仓压力情况等实时调整。另外，在掘进控制系统之中，子系统属于一个独立的系统，很多情况下是通过手工方式加以调节的，此种调节方式为滞后式调节方式。然而，因为密封仓压力值是不同子系统相互耦合而决定的，因此，要想确保掘进系统控制的精度进一步提升，就要采用不同的子系统，通过协调的方式对系统进行有效控制，才能保障所要控制的变量能够得到实时调整。
3.3运动轨迹的动态规划与位姿控制
目前，盾构机位姿系统的控制理论和控制方式都是以人的逻辑思维和行为模式为基础，通过将操作者的操作过程和控制经验进行参数化和程序化后，就可以利用模糊控制策略来实现自动化、智能化操控。这一切都是建立在具备施工记录和施工经验的前提下，若不具备这一有利条件，一旦遇到较为复杂的地形环境和施工工序，盾构机的位姿控制就难以得到有效保障，这也是至今盾构机无法全面实现自动化控制的主要原因。若要实现自动化位姿控制，则要先分析相关影响因素，再建立专业的控制模型，在非完整欠驱动的前提下完成局部可控，最后再求取最优良的位姿控制规律。另外，在研究掘进运动的运动轨迹时，应该使用多目标优化算法，这样不仅可以体现运动轨迹的动态规律，还可以建立轨迹自动跟踪系统。
结语
为确保盾构机的施工流程安全，自动化地控制流程十分重要，随着科学技术的日益进步，自动化控制技术也在更改，然而实现自动化控制是一个长期的活动，会面临众多的阻力，研究人员应针对各种技术性难题加大研究力度，盾构机在地下工程中的作用更加优良。
参考文献
[1]林师俊,张桂菊.盾构机自动控制技术现状与展望[J].农家参谋,2017,13(17):151-152.
[2]姜涛.盾构机自动控制技术现状分析及展望[J].黑龙江交通科技,2017,40(2):110-111.