2019.04测试工具与解决方案隧道掘进机VMT导向系统应用及进展习盼（西安石油大学，陕西西安，710065）摘要：随着科学技术的进步，TBM掘进施工已成为高效隧洞掘进施工的所普遍采用的方法,并且具有安全、高效、对地表生态环境破坏较小等一系列不可替代的优点。加之激光导向系统和PLC自动纠偏控制技术，使得TBM在隧洞掘进的应用越来越广泛。探讨了隧道掘进机、全站仪的应用及发展，阐述了VMT导向系统在隧道掘进工程中的应用。关键词：VMT导向系统；隧道施工；掘进控制；隧洞掘进机Application and Progress of VMT Guidance System of Tunnel Boring MachineXi Pan(Xi’an Shiyou University, Xi’an Shaanxi,710065)Abstract:With the progress of science and technology, TBM tunneling construction has become a widely used method for efficient tunneling construction, and has a series of irreplaceable advantages, such as safety, high efficiency and less damage to the surface ecological environment�In addition, laser guidance system and PLC automatic deviation correction control technology make TBM more and more widely used in tunnel excavation� The application and development of tunneling machine and total station are discussed� The application of VMT guidance system in tunneling engineering is expounded�Key words: VMT Guidance System; Tunnel Construction; Tunnel Driving Control; Tunnel Driving Machine
0 引言
近年来随着社会的不断发展，许多隧洞掘进施工中，都开始使用隧道掘进机。在城市中进行使用，可以尽量减少市政的压力（如废水废渣运输以及交通拥堵等），不仅如此，隧道掘进机在水电工程建设施工中也起到了非常重要的作用
[1]
进机，可以更好地贴近岩石表面，更加有效地进行挖掘。1875年，法国国民议会批准在英吉利海峡海底修建隧道，同年英国议会批准进行试运行。该项目选择的隧道掘进机的刀具为安装有切割圆盘的锥形刀盘。从1882年6月到1883年3月，在这9个月里，共计开掘了1.84千米的隧道。
。隧道掘进机被形象地称为“鼹鼠”，其功能为在各种土壤
1.2 掘进机分类
根据隧道施工时地质条件的不同，掘进机可以分为硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）和软岩隧道掘进机（盾构机）。TBM一般应用于山体等硬岩施工环境，盾构机一般应用于城市等软土施工环境，它们具有不同的施工特点。目前有三种主要的软岩隧道掘进机类型：土压力平衡、泥浆屏蔽和敞开式。前两种的原理类似，即都存在掘削面平衡。土压平衡是利用挖掘出来的材料来平衡隧道表面的压力的。通过阿基米德螺杆泵控制出渣率和推进率，在刀盘内保持压力。泥浆屏蔽在刀头内充填的压浆，可以对施工面施加静压力，进而在局部制造出密闭环境，保证局部压力平衡。与此同时，料浆还可以充当运输介质，并由料浆泵将浆料与挖掘废料的混合液排出至切割机回料浆分离厂（通常在隧道外）。料浆分离厂是一种多级过滤系统，它从料浆中去除废渣，以便在施工过程中重复使用。
与岩层中挖掘隧道，既可用于在富含水分的松软地质，也可可以完美的胜任各种隧道掘进施工用于颗粒状地质条件[2]。
要求。隧道掘进机最主要的缺点是前期建造成本高，以及长距离运输比较困难。隧道越长，隧道掘进的高效率带来的效果越明显，隧道钻孔机相对于钻孔和爆破方法的相对成本越本文探讨了隧道掘进机的发展与低，完工周期也会缩短[3]。应用，介绍了隧道掘进机VMT导向系统基本工作原理，并分析了面临的问题与挑战，为隧道掘进工程提供借鉴。
1 隧道掘进机
1.1 隧道掘进机发展及应用
隧道掘进机适用于地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧道、矿山巷道等各种隧道工程。其初始构念始于19世纪初的英国，1818年，英国人马克·伊散姆巴尔德·布鲁内尔（Marc Isambard Brunel）根据蛆虫在船底腐蛀成洞的现象，提出了盾构施工技术，并因此获得了专利。这一成就标志着隧道掘进技术问世在1853年，美国的埃比尼泽•塔尔博特（Ebenezer Talbot）也为一种结合了威尔逊切割刀盘的隧道掘进机申请了专利，即使用了复合旋转机构改进刀盘结构；在十九世纪70年代，约翰 D勃氏英格兰建造一台使用新式刀盘的隧道掘
2 全站仪的应用
由于硬岩隧道掘进机（TBM）隧道掘进在施工中是一次掘进形成的，所以对掘进方向的精准程度要求非常高，即对导向系统的角度测量的准确度与设计掘进路线的吻合程度都有较高的要求标准。
93测试工具与解决方案全站仪（Total Station，TS）是一种用于测量和建筑施工的电子/光学仪器作为一种电子经纬仪，集成了电子测距技术，可以测量仪器到某一特定点的垂直和水平角度以及坡度距离，并配有一台便携式计算机来收集数据并进行测量计算，已获得待测目标的三维坐标信息，如图1所示。图1 电子全站仪实物图大多数全站仪都是通过在仪器内部的编码器来进行角度测量的。编码器器是一种精密的传感器，依靠光电或者磁力实现位置与方向的感应，旋转编码器可以作为主动或者辅助参考位置传感器件，可以将旋转位置转换为模拟或数字(如32位)电子信号。与此类似的，线性编码器（又被称作光栅尺）可以将直线位移转换为电子信号。编码器分为绝对式与是增量式。绝对式编码器在测量范围内存在一个绝对零位，不需要以前的任何位置信息。而增量编码器所获得的信号是周期性的，因此需要对循环进行计数，以获得绝对位置。两者可在精度上不存在实质的差异，但是;绝对编码器信号中断具有较强的鲁棒性，而增量式编码器多用于测量动态位置。高精度的全站仪能够测量角度到0.5角秒。一般的全站仪通常可以测量5到10弧秒的角度。距离测量是通过调制的红外载波信号完成的，该信号由仪器光学路径内的一个小型固态发射器产生，并由棱镜反射器（也可以被待测物体表面反射，但需要表面颜色较浅，同时距离也受到）。在全站系统中，通过发射和接收多个频率的激光来确定距离信息的，即通过每个频率到目标的波长的整数个数，以不同的基准长度结合获得长度信息。大多数全站仪使用特制的玻璃棱镜反射器来接收光信号在使用反射棱镜的情况下，一个典型的全站仪可以在1500米的距离内获得大约1.5毫米+测量距离的百万分之二精度。无反射全站仪的测量范围大多为百米以内，其精度会受到严重的影响。测量一个未知点相对于一个已知坐标系的坐标可以用全站仪来确定，只要在两点之间建立一条直线视线。测量全站距即可获得被测点对应的角度和距离信息，通过球坐标的换算即可得到待测点的位置。
3 VMT导向系统的辅助使用
3.1 VMT导向系统测量环境
由于VMT在隧道内十分恶劣的环境中进行测量，大气对测量结果的影响是难以忽略的。大气折射指的是光或其他电磁波在穿过大气时，由于空气密度随高度的变化而偏离原有的传播路径。由于光在空气中的速度随着空气密度而增加，根据光程的费马原理，地面附近的大气折射会产生海市蜃
942019.04楼。在大气的影响下，其目标的位置会发生变化，同时对于成像的像点，其明暗程度会发生变化，即闪烁。在TBM掘进过程中，VMT激光导向系统的辅助使用，确保了掘进施工过程中，掘进方向与施工技术图纸中要求的掘进设计轴线保持连续吻合，误差在可控范围之内。它在长跨度或弯曲隧道项目中具有显著的优势，且不受漂移或折射的影响，保证了在长管道和复杂曲线下的TBM姿态的最佳控制。3.2 导向系统自引用算法导向系统软件使用自引用算法，使用测量的系统点创建一个完整且连续的实际管柱位置表示。电动激光全站仪安装在管道的固定位置。系统的测量是在机器不断前进的过程中进行的，这意味着需要根据路线的不同，系统调整的控制测量间隔60米至120米之间。研究导致监控系统跟踪测量掘进姿态所得的测量数据产生偏差的因素，给出具体的控制算法和解决方案。确保偏差在正常可控范围内，不会对施工掘进方向和角度造成影响。针对隧洞掘进施工的现场实际条件和满足施工组织设计的要求，对偏差调节过程进行动态决策，为调节过程的优化控制模型提出控制指标。3.3 卡尔曼滤波卡尔曼滤波可以很好地处理动态系统的中的不确定信息，并对系统后续行为在某种置信概率下进行预测。状态估计是系统辨识的重要组成部分，卡尔曼滤波是状态估计的一种递推算法，在航天航空以及工业中都有十分广泛的应用。另一方面，仅有在先验获得协方差矩阵的前提下，获得的估计才为最小方差估计。
在一定程度上排除噪声的干扰。卡尔曼滤波器是对动态系统建模的理想选择。它们的优点是内存占用小，（只需要存储前一步的协方差矩阵），这些性质使卡尔曼滤波对于实时在线问题和嵌入式系统都十分适用。但是，卡尔曼滤波需要将系统误差与检测误差均假设为高斯型，如果系统出现较变化（可能粗大误差，也有可能是遇到突发情况），这时，如果依旧使用卡尔曼滤波，会导致在很长的一段采样时间内，卡尔曼滤波器的结果都会受到影响。卡尔曼滤波在用作非线性系统的时候，其最优性也会受到影响，该影响主要来自两方面，一方面为使用泰勒级数展开所带来的截断误差，同时，非线性系统的噪声特性往难以用协方差矩阵简单的表示。使用自适应卡尔曼滤波器等方法虽然可以缓解该问题，但是会增加计算量以及降低系统稳定性。
4 结束语
未来应用及研究中应着眼于TBM调节偏差的自动/智能控制，从测量的整体角度考虑，综合地质围岩状况和掘进速度，满足施工掘进要求的一种智能控制算法，自动反馈回来的各项角度参数，使TBM掘进姿态与设计掘进轴线吻合。
参考文献
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测试工具与解决方案2019.042 弱电控制系统的细化管理和维护的措施2.1 做好对弱电控制系统的日常管理和维护第一，在做弱电控制系统的阶段，要做好规划工作，解决好强电系统和弱电系统之间的矛盾，并且做好定期的清洁工作。在日常管理过程中，做好每日一检查，完善点巡检制度，做好检查的记录，将相关记录整理成文档。2.2 细化管理制度并进一步完善图2 卫星接收及电视系统要完善岗位制度，做好二十四小时不间断的监管，明确每个人的职责。另外，在弱电控制系统没有出现问题之前，要提前做出一个完整的应急预案，对突发性问题做出解决方案，做到及时高效的处理、以最快的速度恢复弱电控制系统，保证弱电控制系统的正常运行。此外必须不断加强对弱电控制系统的管理维护技术进行细化、改善和钻研，利用现代化管理生物方法和技术手段，加强弱电控制系统细化管理及维护。制系统的管理，首先要对弱电管理系统的维护和划分，划分出系统内部不同的部分的特点，进行分部分管理。虽然进行了有效的划分，但是管理和维修人员在进行管理和维护的过程中容易出现管理缺乏科学合理性，在人的控制系统出现严重问题时，才会对该系统进行深入的检修和维护，基本没有居安思危的想法。当弱电控制系统出现小问题时，只是进行简单的维修和恢复，基本不会深入考虑问题产生的原因，也不会对系统进行深入的检查和研究，只有到了出现严重问题才会进行整修，到了那个时候，系统整体已经出现问题，不利于延长人的控制系统的寿命。2.3 加强季度性检查和安全性排查对弱电控制系统要做好安全性排查，安全性排查是弱电控制系统在管理的过程中非常重要的一点，必须要确保安全零缺陷。在不同的季度，弱电控制系统所面临的问题各不相同，所以在季节变化的过程中，要注意根据不同的细节做好系统的管理和保护工作，结合自身需求，采用科学有效的应对手段。1.2 专业设备并不完善、缺乏专业性人才目前在对弱电控制系统进行管理与维护的过程中，大部分是需要技术人员对弱电控制系统进行手动操作。在使用人工检查的方式，及时发现系统中存在的问题，快速找到问题的根源，制定出相对应的解决策略，以确保弱电控制系统正常稳定的运行。但是，因为专业设备未被完全开发出来，在对弱电控制系统的检查过程中，缺乏专业的管理和维护检测设备，手动管理和普通设备维护的效率就比较低。另外，由于一些管理和维修人员在对弱电控制系统进行设备检测的时，比较依赖于万用表等普通的检测设备，对一些先进的检测设备掌握的不熟练甚至不会使用，在一定程度上导致弱电控制系统管理与维护的进度延缓，更不能做到快速有效地解决出现的问题。如果遇上一些规模较大、比较复杂的弱电控制系统，手动管理与维护将是一个困难的任务，很难及时发现问题并快速做出有效的解决方案。
另外，随着科技的飞速发展，弱电技术也在迅速进步，但是由于弱电控制系统的管理和维修困难度高，工作量大，工作环境也比较恶劣，所以我国一直缺乏专业性的弱点控制系统的管理和维护人才，所以在建设弱电工程存在的人才缺乏和技术缺乏的问题，另外，不能对现今已有的弱点控制系统进行有效的管理和维护，阻碍了我国弱电控制系统的快速发展。
3 总结在当今的各行各业，弱电控制系统已被广泛接受和应用，并且也体会到弱电控制系统带来的优势和便利。随着科技的进一步发展，人们对弱电控制系统会做到越来越细化的管理和卫华，会研发出更加具有针对有效的解决措施，使弱电控制系统被更好的利用。积极培养优秀弱电控制系统的管理和维护人员，促进我国弱电控制系统的长足发展。
参考文献
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