JPH03228996A - シールドマシンの方向制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、シールド掘進工事において、シールドマシン
の姿勢を自動的に制御して、予め決められた計画路線に
乗せるためのシールドマシンの方向制御装置に関する。

（従来の技術） 地中に地下鉄、下水道、上水道及び電カケープル管等を
築造する工事の一つとして、シールド工法がある。これ
はシールドマシンで横穴を掘削して前進し、順次セグメ
ントを組んでいくという工法である。

従来、このようなシールドマシンを計画路線に沿って姿
勢制御する場合、シールドマシンに、その円周方向に沿
って装着した多数のシールドジヤツキの組み合わせを、
プログラム制御されるマイクロコンピュータあるいはシ
ーケンス回路により選択することで行なうようにしてい
た。

また、シールドマシンの方向制御に際しては、専門の管
理者がシールドマシンなどの測量データをもとに計画線
からのずれ量を計算し、この結果から数リング先でスム
ーズに計画線に掘進経路を乗せるべき予想曲線を考え、
この予想した曲線に沿ってシールドマシンのピッチング
値およびストローク値（方位角）を管理者の経験と勘に
基づいて算定した後、その算定結果をオペレータに指示
する。

そして、オペレータは指示値から多数のシールドジヤツ
キの組み合わせを経験と勘を頼りに選択し、かつマニア
ルで計測等を見ながらシールドマシンの姿勢制御を行な
うようにしていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述のような従来のシールドマシンの方
向制御方式では熟練した管理者及びオペレータの経験と
勘により、シールドマシンを計画線に合わせて掘進する
ものであるため、方向制御に個人差がでると共に管理者
及びオペレータの負担が増大し、かつ多くの人手が要す
る問題がある。

また、プログラムで方向制御する場合は、シールドマシ
ンの癖、地山の変化等により初期のコントロール方法が
異なってきた場合には、その都度データの再入力を行な
わなければならず、多くの人手を必要とする。さらにま
た、シールドジヤツキの本数が多くなると、本数に応じ
たきめ細かい制御ができなくなるという問題があった。

本発明は、上述のような点に鑑みなされたちので、管理
者及びオペレータ等の人的関与を要することなく、シー
ルドマシンの姿勢制御を完全自動化し、かつ無人化を可
能にしたシールドマシンの方向制御装置を提供すること
を目的とする。

（課題を解決するための手段） 一実施例を示す図面に対応づけて本発明を説明すると、
本発明は、シールドマシン２０の姿勢制御に関する専門
知識を体系的な知識表現ルールで格納する知識ベース１
１、収集した掘進データを解析してトルクと曲げ量との
関係データを構築し、シールドマシン２０の癖や地山の
変化状況などを推測できるようにするデータベース１２
、及び前記収納した掘進データを見て前記知識ベース１
１内のルールを起動することによりシールドマシン２０
の掘進経路を計画路線に乗せるべき予測曲線を作成する
と共に、この予測曲線に対応した曲げ量を得るために前
記データベース１２の関係データを検索して最適なシー
ルドジヤツキ２８〜２８１ｏの組み合わせパターンを推
論する推論機構１３を有するエキスパートシステム１０
と、前記シールドマシン２０の各シールドジヤツキ２８
、〜２８１ｏを前記エキスパートシステムｌＯで推論し
たジヤツキ組み合わせパターンデータに基づいて制御す
ると共に掘進時のシールドマシン２０の位置、姿勢及び
ジヤツキ状況情報を取り込んで前記エキスパートシステ
ム１０側へ送信するローカルマイクロコンピュータ１つ
と、前記エキスパートシステムｌＯと前記ローカルマイ
クロコンピュータ１９間のデータの送受を行なうと共に
前記エキスパートシステム１０で推論されたジヤツキ組
み合わせパターンの選択指令を前記ローカルマイクロコ
ンピュータ１９に送出するパーソナルコンピュータ１７
とを備えて構成することにより達成される。

（作用） エキスパートシステム１０は、パーソナルコンピュータ
１７を通して取り込まれた現時点のシールドマシン２０
の掘進データと予めインプットされている計画路線図と
からずれ量を検出し、ずれ量を検出した時、これに基づ
いて知識ベース１１の必要ルールを起動することにより
計画路線に乗せる予想曲線を作成し、更に、この予想曲
線に乗せるための曲げ量を推論する。そして算出した曲
げ量を生じさせるために、データベース１２を参照して
必要なトルク量を垂直、水平方向のベクトル量として検
索し、更に必要トルクを生じさせるための最適なジヤツ
キ組み合わせパターンを選定する。このジヤツキ選定パ
ターンをパーソナルコンピュータ１７を通してローカル
マイクロコンピュータ１９に伝送し、選定されたシール
ドジヤツキを制御することによりシールドマシン２０は
計画路線に自動的に乗せられるように方向制御されるこ
とになる。

よって、シールドマシンの方向制御が完全に自動化され
、無人化掘削を可能にする。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明によるシールドマシンの方向制御装置の
一実施例を示す全体の構成図である。

理的な判断、経験あるいは実験結果などから得られたシ
ールドマシンの姿勢制御に関する専門知識を１ｆ−ｔｈ
ｅｎルールなどの知識表現形式で格納する知識ベース１
１と、実際の掘進時におけるシールドマシンの癖、他山
の変化等に伴い経験的に得られるトルク（力量）と曲が
り量との関係データ等を格納するデータベース１２と、
シールドマシンの現在の状況と知識ベース１１に格納さ
れているルール及びデータベース１２に格納されている
関係データを用いてシールドマシンの方向制御に必要な
予想曲線及びシールドジヤツキの最適組み合わせパター
ンを推論する推論機構１３と、推論機構１３に接続され
たユーザインタフェース１４と、知識ベース１１及びデ
ータベース１２の内容を操作、管理するための知識ベー
ス管理部１５Ａ、及びシールドマシンの姿勢制御に必要
な専門知識を獲得し、更新する知識獲得機構１５Ｂとを
備えている。

エキスパートシステム１０のユーザインタフェース１４
には、シリアル伝送回路１６を介してセンター用パーソ
ナルコンピューター７が接続されている。このパーソナ
ルコンピューター７は、エキスパートシステム１０で作
成された予想曲線データ及びジヤツキ選択パターンデー
タを受信すると共に、シールドマシンからの掘進データ
を取り込んでエキスパートシステム１０へ送信し、かつ
ジヤツキ選択パターンからシールドジヤツキの組み合わ
せ選択指令をシールドマシン側へ伝送するもので、ＣＰ
Ｕ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ１０ポートを備え、Ｉ１０ポ
ートには、人力装置としてのキーボード１７ａ、出力装
置としてのＣＲＴ１７ｂ及び図示しない外部記憶装置、
プリンク等が接続され、さらにシールドマシン側とのデ
ータの送受を行なうシリアル伝送回路１８が接続されて
いる。

前記エキスパートシステム１０及びパーソナルコンピュ
ーター７はシールド工事現場の事務所などに設置される
ものである。

ローカルマイクロコンピュータ−９は、坑内を掘進する
シールドマシン２０の方向を制御すると共に各種の掘進
データをセンターのパーソナルコンピュータ１７へ送信
するもので、ＣＰＵ。

ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ１０ボートを備えている。

Ｉ１０ボートには、シールドマシン２０の現在位置座標
を検出するジャイロセンサ２１、シールドマシン２０の
ヨーイング、ピッチング及びローリング方向の傾きから
シールドマシン２０の姿勢を検出するレベルセンサ２２
、ジヤツキの推進力、推進速度から各シールドジヤツキ
の動作状況を検出する状況検出手段２３、及び各シール
ドジヤツキに対応するそれぞれの電磁バルブ２４１〜２
４、、がそれぞれ接続され、更にセンターからの指示デ
ータ等を表示する表示装置２５及び信号送受用のシリア
ル伝送回路２６が接続されている。

シリアル伝送回路２６とセンター側のシリアル伝送回路
１８間は双方向性の通信ケーブル２７によって接続され
ている。

第２図及び第３図はシールドマシン２０の概略図を示す
もので、２０ａはシールド本体、２０ｂ　０ はシールド本体２０ａの先端側に回転可能に取り付けた
カッタディスク、２０ｃはシールド本体２Ｏａ内のカッ
タディスク後方に設けられたバルクヘッド（隔壁）、２
０ｄはアジテータ（撹拌材）、２０ｅはカッタディスク
２０ｂを回転させるカッタ駆動用電動機である。またシ
ールド本体２Ｏａ内には、カッタディスク２Ｏｂ側を推
進させる複数のシールドジヤツキ２８．〜２８１ｏが円
周方向に等間隔に配設されている。この各シールドジヤ
ツキ２８１〜２８１ｏの推進力は、それぞれに対応する
電磁バルブ２４．〜２４１ｏにより制御されるものであ
る。

次に、上述のように構成された本実施例の動作を第４図
に示すフロチャートを参照して説明する。

先ず、センター側のパーソナルコンピュータ１７の外部
記憶装置などにインプットされている計画路線図データ
をパーソナルコンピュータ１７に取り込む（ステップＳ
ｌ）。そしてローカルマイクロコンピュータ１９では、
各種センサで検出１ したシールドマシン２０の位置及び姿勢情報と各シール
ドジヤツキ２８１〜２８．．の動作状況情報等の掘進デ
ータをシリアル伝送回路２６、通信ケーブル２７及びシ
リアル伝送回路１８を通してセンターのパーソナルコン
ピュータ１７に伝送する（ステップＳ２）。

パーソナルコンピュータ１７では、受信した位置、姿勢
及びジヤツキ動作状況情報からなる掘進データと計画路
線図データとを比較することにより計画路線からのずれ
量を検出する（ステップＳ３）。次のステップＳ４にお
いて、ずれ量があると判断された時は、検出したずれ量
データをシリアル伝送回路１６を通してエキスパートシ
ステムＩＯに伝送する。ずれ量データを受信したエキス
パートシステムＩＯでは、その推論機構１３においてず
れ量を解析し、そのずれ量を見て知識ベース１１内の必
要ルールを起動し、シールドマシンを計画路線にスムー
ズに乗せるための予想曲線を作成する（ステップＳ５）
。また、ステップＳ４においてずれ量がないと判断され
た時は、ス２ テップＳ６に移行して、次の１リング分に相当する希望
の予測曲線を決定する。予想曲線が作成または決定され
た後は、ステップＳ７において、予想曲線にシールドマ
シンを乗せるための曲げ量を算出し、シールドマシン２
０のピッチング、ヨーイング及びローリングを知識ベー
ス１１の必要ルールを起動して推論する。

次のステップＳ８では、データベース１２に格納されて
いるトルク（力量）と曲げ量との関係データを参照する
ことにより、算出曲げ量を生じさせるためのトルク量を
、縦、水平方向ともに検索してベクトル量として取り出
す。即ち、シールドマシン２０を予想曲線に乗せて推進
させる姿勢制御のための必要トルクを推論する。その後
、ステップＳ９において、必要トルクを生じさせるため
のシールドジヤツキの最適組み合わせパターンをデータ
ベース１２を参照して検索し、最適なジヤツキ組み合わ
せパターンを選定する（ステップ５１０）。

このようにして作成された予想曲線及びジヤツキ選択パ
ターンデータはシリアル伝送回路１６を通してパーソナ
ルコンピュータ１７に伝送され、これらデータはパーソ
ナルコンピュータ１７のＣＲＴ１７ｂに表示されると共
に、シリアル伝送回路１８、通信ケーブル２７及びシリ
アル伝送回路２６を通してローカルマイクロコンピュー
タ１９に伝送される（ステップ５ｌｌ）。

掘削現場のローカルマイクロコンピュータ１９では、受
信したデータを表示装置２５に表示すると共に、ジヤツ
キ選択パターンデータを解読して対応する電磁バルブ２
４１〜２４．ｏに出力し、これらを推論された値に従っ
て制御することにより、選択ジヤツキ２８１〜２８、。

を駆動し、シールドマシン２０を予想曲線に沿うよう掘
進させる（ステップ５１２）。

また、シールドマシン２０の掘進に伴い各センサで検出
された位置、姿勢及びジヤツキ状況情報はセンターのパ
ーソナルコンピュータ１７へ送信される。そして、シー
ルドマシンの癖、地山の変化などにより、予測曲線より
ずれた場合には、そのずれ量に応じて新たな予測曲線が
作成されると共に、データベース１２に格納されている
トルク対向がり量の関係データが更新されることになる
。

このような本実施例にあっては、エキスパートシステム
１０により、シールドマシン２０の掘進経路を計画路線
に乗せるべき予測曲線を作成し、これに基づいて適正な
シールドジヤツキの組み合わせパターンを選定し、この
パターンデータをローカルマイクロコンピュータ１９に
伝送してシールドジヤツキ２８．〜２８１ｏを制御し、
これによりシールドマシン２０が計画路線に自動的に乗
れるよう方向制御するものであるから、掘削現場で専門
の管理者及びオペレータが関与しなくともシールドマシ
ンの姿勢制御を完全に自動化することができ、しかも専
門管理者及びオペレータの経験と勘に頼ることがないの
で、個人差のない正確な方向制御が可能になると共に省
人力化が可能になる。

また、シールドマシンの癖、地山の変化等が５ あっても、これに対応した方向制御を人手を要すること
なく行なうことができ、さらにシールドジヤツキの本数
が多くなってもきめ細かい方向制御を容易に行なうこと
ができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、地山の状況変化
やシールドマシンの癖などを学習しながらエキスパート
システムにより、シールドマシンの掘進経路を計画路線
に乗せるべき予測曲線を作成し、これに基づいた適正な
シールドジヤツキの組み合わせパターンを推論選定し、
このパターンデータをもとにシールドジヤツキを制御し
てシールドマシンの姿勢制御を行なうようにしたので、
人間が関与しなくてもシールドマシンの方向制御を完全
に自動化することができ、しかも掘進データを収集解析
してデータベースを構築し、そして経験を積むことによ
り自らが学習、増殖するから、より人間に近い機能を有
する方向制御システムでトンネルの無人化掘削が可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

６ 第１図は本発明の一実施例を示す全体の構成図、第２図
は本発明に適用されるシールドマシンの概略断面図、第
３図は第２図のｍ　−ｎｒ線に沿う概略断面図、第４図
は本実施例における動作手順を示すフロチャートである
。 尚、図中１０はエキスパートシステム、１１は知識ベー
ス、１２はデータベース、１３は推論機構、１４はユー
ザインタフェース、１５Ａは知識ベース管理部、１５Ｂ
は知識獲得機構、１７はパーソナルコンピュータ、１９
はローカルマイクロコンピュータ、２０はシールドマシ
ン、２１はジャイロセンサ、２２はレベルセンサ、２３
は状況検出装置、２４．〜２４１ｏは電磁バルブ、２８
、〜２８．。はシールドジヤツキである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 シールドマシンの姿勢制御に関する専門知識を体系的な
   知識表現ルールで格納する知識ベース、収集した掘進デ
   ータを解析してトルクと曲げ量との関係データを構築し
   、シールドマシンの癖や地山の変化状況などを推測でき
   るようにするデータベース、及び前記収納した掘進デー
   タを見て前記知識ベース内のルールを起動することによ
   りシールドマシンの掘進経路を計画路線に乗せるべき予
   想曲線を作成すると共に、この予想曲線に対応した曲げ
   量を得るために前記データベースの関係データを検索し
   て最適なシールドジャッキの組み合わせパターンを推論
   する推論機構を有するエキスパートシステムと、 前記シールドマシンの各シールドジャッキを前記エキス
   パートシステムで推論したジャッキ組み合わせパターン
   データに基づいて制御すると共に掘進時のシールドマシ
   ンの位置、姿勢及びジャッキ状況情報を取り込んで前記
   エキスパートシステム側へ送信するローカルマイクロコ
   ンピュータと、 前記エキスパートシステムと前記ローカルマイクロコン
   ピュータ間のデータの送受を行なうと共に前記エキスパ
   ートシステムで推論されたジャッキ組み合わせパターン
   の選択指令を前記ローカルマイクロコンピュータに送出
   するパーソナルコンピュータと、 を備えたことを特徴とするシールドマシンの方向制御装
   置。