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        基于D-FNN的盾構(gòu)機(jī)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制

        2022-07-20 07:56:38李記軍
        關(guān)鍵詞:密封艙土壓輸送機(jī)

        李記軍

        (無(wú)錫地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,江蘇 無(wú)錫 214021)

        盾構(gòu)機(jī)是一種常用于隧道施工的掘進(jìn)機(jī)。近年來(lái),隨著我國(guó)隧道工程的發(fā)展,盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越頻繁,關(guān)于盾構(gòu)機(jī)及其相關(guān)控制問(wèn)題的研究越來(lái)越深入。但由于技術(shù)限制等,在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的智能控制和優(yōu)化方面還面臨諸多難題,比如如何確保盾構(gòu)機(jī)在高精度掘進(jìn)的同時(shí)維持密封艙內(nèi)土壓平衡等。針對(duì)諸如此類的問(wèn)題,相關(guān)專家進(jìn)行了研究。楊懸[1]構(gòu)建了盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具三維實(shí)體模型并輸入ANSYS軟件,設(shè)計(jì)了盾構(gòu)刀盤虛擬樣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng),改善了盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)的土壓波動(dòng),一定程度上實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)的協(xié)調(diào)優(yōu)化;李錕等[2]、來(lái)弘鵬等[3]采用多元線性回歸和隨機(jī)森林方法對(duì)土壓平衡盾構(gòu)施工區(qū)間的微風(fēng)化灰?guī)r地層段的主要掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行建模預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壓平衡的有效控制,為實(shí)際盾構(gòu)機(jī)施工操作提供了理論支持。上述方法雖取得了一定成果,但對(duì)盾構(gòu)機(jī)土壓平衡的控制精度還有待提高。動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(dynamic fuzzy neural network,D-FNN)結(jié)合模糊控制系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,可同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)和自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整,具有學(xué)習(xí)速度快、泛化能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),有利于提高盾構(gòu)機(jī)土壓平衡的控制精度。因此,本文基于D-FNN設(shè)計(jì)了盾構(gòu)機(jī)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型。

        1 基于D-FNN的盾構(gòu)機(jī)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型構(gòu)建

        D-FNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分5層,具體如圖1所示[4]。圖中,x1,…,xr為模型輸入;MFfm為輸入f的第m個(gè)隸屬函數(shù);RN表示第N個(gè)模糊規(guī)則;Na表示第a個(gè)歸一化節(jié)點(diǎn);wu為第u個(gè)連接權(quán)值;y為模型輸出。D-FNN網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)速度快、泛化能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),可解決盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中土壓平衡控制系統(tǒng)耦合程度高等問(wèn)題[5-7]。因此,基于D-FNN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建盾構(gòu)機(jī)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型,以平衡盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)的土壓。

        圖1 D-FNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

        1.1 輸入層神經(jīng)元確定

        根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)機(jī)理可知,螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前推進(jìn)速度、推力、刀盤扭矩與密封艙土壓存在密切的非線性關(guān)系[8],因此以上述4個(gè)參數(shù)作為D-FNN模型的輸入。此外,考慮到非線性開(kāi)環(huán)控制對(duì)盾構(gòu)機(jī)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制效果較差,將以D-FNN輸出的實(shí)測(cè)密封艙土壓和土壓設(shè)定值的誤差作為模型的輸入之一,構(gòu)成可自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的閉環(huán)控制,以提高控制效果。

        1.2 輸出層神經(jīng)元確定

        本文盾構(gòu)機(jī)密封艙土壓平衡協(xié)調(diào)優(yōu)化控制的目的是在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)與排土結(jié)合控制模式下,實(shí)現(xiàn)進(jìn)土量與出土量的動(dòng)態(tài)平衡,以保證密封艙土壓值與設(shè)定值始終保持一致。因此,本文以螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與盾構(gòu)機(jī)下一時(shí)刻的推進(jìn)速度為D-FNN模型的輸出。

        1.3 激活函數(shù)與隸屬函數(shù)確定

        激活函數(shù)的選擇不僅要考慮其是否具備良好的全局映射能力,還需考慮其是否具備局部細(xì)化的能力。由于高斯函數(shù)具有各向同性特點(diǎn),同時(shí)具備良好的全局映射能力和局部細(xì)化能力[9],因此本文選用高斯函數(shù)作為D-FNN模型的激活函數(shù)。隸屬函數(shù)反映了觀測(cè)數(shù)據(jù)的某種隸屬度,主要有高斯函數(shù)和三角函數(shù)兩類[10]。D-FNN模型是將知識(shí)語(yǔ)言規(guī)則轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型來(lái)控制行為特征,而高斯函數(shù)可對(duì)數(shù)學(xué)模型表達(dá)不確定性進(jìn)行決斷,因此本文選用高斯函數(shù)作為D-FNN模型的隸屬函數(shù)。

        1.4 模糊規(guī)則數(shù)量確定

        理論上,D-FNN模型的模糊規(guī)則數(shù)量越多,模型可容納的觀測(cè)數(shù)據(jù)越多,模型控制效果也越好。但考慮到過(guò)多的觀測(cè)數(shù)據(jù)容易導(dǎo)致模型參數(shù)出現(xiàn)過(guò)擬合,因此有必要對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行篩選,剔除對(duì)模型貢獻(xiàn)較小的模糊規(guī)則,以提高模型的辨識(shí)效率。本文選用常用于修剪模糊規(guī)則數(shù)量的誤差下降率法對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行篩選[11-12]。

        1.5 模型結(jié)構(gòu)確定

        基于上述設(shè)定,本文設(shè)計(jì)的基于D-FNN網(wǎng)絡(luò)的盾構(gòu)機(jī)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型如圖2所示。

        圖2 基于D-FNN的盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化控制模型結(jié)構(gòu)

        圖中,T(t)為刀盤轉(zhuǎn)矩;F(t)為推力;V(t)為盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度;n(t)為螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速;ΔP(t+1)=P(t+1)-P,為期望土壓與實(shí)測(cè)土壓的誤差反饋量,其中P為期望土壓,P(t+1)為實(shí)測(cè)土壓;n(t+1)、v(t+1)分別為D-FNN輸出的螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)機(jī)下一時(shí)刻的推進(jìn)速度,其計(jì)算方式如式(1)[13-14]。

        (1)

        式中:v(t)…v(t-k)表示盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度序列;n(t)…n(t-k)表示螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速序列。

        2 模型訓(xùn)練

        對(duì)構(gòu)建的基于D-FNN的盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化控制模型進(jìn)行訓(xùn)練,首先設(shè)置盾構(gòu)機(jī)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、推力等初始數(shù)據(jù)并產(chǎn)生一條模糊規(guī)則,然后判斷輸入的觀測(cè)數(shù)據(jù)Xi與高斯單元中心最小距離dmin和可容納所有觀測(cè)數(shù)據(jù)范圍的有效半徑kd的大小。如dmin>kd,則增加模糊規(guī)則數(shù)量,反之則減少模糊規(guī)則數(shù)量。最后,產(chǎn)生新的高斯單元,獲取最佳網(wǎng)絡(luò)模型。模型訓(xùn)練流程如圖3所示[15]。圖中,ek為預(yù)先設(shè)定的誤差閾值,ηv為誤差下降率,kw為預(yù)先設(shè)定的誤差下降率閾值。

        圖3 基于D-FNN盾構(gòu)機(jī)控制模型訓(xùn)練流程圖

        3 仿真實(shí)驗(yàn)

        3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及模型參數(shù)設(shè)置

        本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自盾構(gòu)機(jī)內(nèi)置傳感器檢測(cè)的800組盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工數(shù)據(jù),并以3∶1的比例隨機(jī)將采集數(shù)據(jù)分為模型訓(xùn)練集(600組)和測(cè)試集(200組)。模型參數(shù)具體設(shè)置如下:學(xué)習(xí)率為0.002,慣性系數(shù)為0.05,辨識(shí)后模糊規(guī)則數(shù)為13,迭代次數(shù)為1 000。

        3.2 結(jié)果與分析

        3.2.1模型驗(yàn)證

        為驗(yàn)證提出的模型對(duì)盾構(gòu)機(jī)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制的效果,首先采用訓(xùn)練集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練;然后利用測(cè)試集對(duì)訓(xùn)練完成的模型進(jìn)行仿真,得到模型的輸出;最后將模型輸出與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,得到如圖4~圖6所示的結(jié)果。圖4為模型優(yōu)化后螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際速度對(duì)比;圖5為模型優(yōu)化后盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度與實(shí)際速度對(duì)比;圖6為模型優(yōu)化后密封艙土壓波動(dòng)情況與實(shí)際土壓波動(dòng)情況對(duì)比。

        圖4 螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比

        圖5 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度對(duì)比

        圖6 密封艙土壓波動(dòng)情況對(duì)比

        由圖4、圖5可知,采用D-FNN網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化后的螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度與實(shí)際值變化趨勢(shì)相符,均方誤差分別為0.189和2.546,在誤差允許范圍內(nèi)。

        由圖6可知,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中,密封艙土壓始終處于波動(dòng)狀態(tài),實(shí)際值平均波動(dòng)誤差為8.46%,而通過(guò)D-FNN模型優(yōu)化后,密封艙土壓的波動(dòng)明顯下降,與設(shè)定值0.15 MPa接近,平均波動(dòng)誤差為1.45%。由此說(shuō)明,本文提出的D-FNN模型可根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)機(jī)下一時(shí)刻的推進(jìn)速度,改善密封艙土壓,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)密封艙土壓平衡。

        3.2.2模型對(duì)比

        為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出模型的優(yōu)越性,基于相同的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)數(shù)據(jù),分別采用本文模型和BPNN(BP網(wǎng)絡(luò))模型對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制,得到兩種模型的土壓控制效果,如圖7所示。由圖可知,相較于BPNN模型,本文所提模型控制下的密封艙土壓波動(dòng)情況與設(shè)定值更接近,說(shuō)明所提模型的控制效果更好,優(yōu)于BPNN模型。

        圖7 不同模型控制下密封艙土壓波動(dòng)情況

        為定量分析D-FNN模型和BPNN模型對(duì)密封艙土壓的控制誤差,計(jì)算得到兩種模型對(duì)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)機(jī)下一時(shí)刻推進(jìn)速度的均方差(MSE)以及土壓波動(dòng)相對(duì)誤差,見(jiàn)表1。由表可知,BPNN模型控制下的螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際值的均方誤差為0.509,盾構(gòu)機(jī)下一時(shí)刻推進(jìn)速度與實(shí)際值的均方誤差為3.428,土壓波動(dòng)相對(duì)誤差為4.53%,均大于D-FNN控制下的均方誤差和相對(duì)誤差。由此說(shuō)明,所提D-FNN模型對(duì)盾構(gòu)機(jī)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制優(yōu)于BPNN模型,可最大程度降低盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中密封艙土壓波動(dòng),具有一定的實(shí)用價(jià)值。

        表1 不同模型控制誤差分析

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文所提的基于D-FNN網(wǎng)絡(luò)的盾構(gòu)機(jī)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法,可根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)機(jī)下一時(shí)刻的推進(jìn)速度,改善盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中密封艙的土壓,使土壓平均波動(dòng)誤差僅為1.45%。相較于傳統(tǒng)BPNN優(yōu)化控制方法,本文提出的方法控制效果更好,具有一定的實(shí)用價(jià)值。但由于條件限制,本文的研究仍存在一些不足之處,主要是提出方法的普適性不足。我國(guó)地域遼闊,環(huán)境復(fù)雜多變,盾構(gòu)機(jī)施工中遇到的困難各種各樣,而本文沒(méi)有對(duì)提出方法在不同施工環(huán)境下的適用性進(jìn)行研究。因此,下一步將選取更多具有代表性盾構(gòu)機(jī)施工數(shù)據(jù),進(jìn)一步完善所提方法,以提高方法的普適性。

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