JPH0781494B2

JPH0781494B2 - シールドマシンの方向制御装置

Info

Publication number: JPH0781494B2
Application number: JP2025842A
Authority: JP
Inventors: 清佐藤
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 1990-02-05
Filing date: 1990-02-05
Publication date: 1995-08-30
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: JPH03228996A

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，上水道及び電力ケーブル管等を
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ャッキの組み合わせを、
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ャッ
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、シールドジャッ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もので、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11、
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11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ャッキ28
₁〜28₁₀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の各シールドジャッキ28₁〜28₁₀を前記エキスパート
システム10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20
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10側へ送信するローカルマイクロコ
ンピュータ19と、前記エキスパートシステム10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ャッキ組み合わ
せパターンを選定する。このジャッ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ャッキを制
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。

図において、エキスパートシステム10は、合理的な判
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if−thenルールなど
の知識表現形式で格納する知識ベース11と、実際の掘進
時におけるシールドマシンの癖、地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
ャッ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17が接続されている。このパーソナルコン
ピュータ17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ャッ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、かつジャッキ選択
パターンからシールドジャッ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、CPU,ROM,RAM及びI
/Oポートを備え、I/Oポートには、入力装置としてのキ
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、プリンタ等が接続され、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17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19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I/Oポートを備えている。I/Oポ
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、ジャッキの推進
力、推進速度から各シールドジャッキの動作状況を検出
する状況検出手段23、及び各シールドジャッキに対応す
るそれぞれの電磁バルブ24₁〜24₁₀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20a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）、20d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20a内には、カッタディスク2
0b側を推進させる複数のシールドジャッキ28₁〜28₁₀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
ャッキ28₁〜28₁₀の推進力は、それぞれに対応する電磁
バルブ24₁〜24₁₀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S1）。
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
シールドジャッキ28₁〜28₁₀の動作状況情報等の推進デ
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
びジャッ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10
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10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20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
ールドジャッ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、最適なジャッキ組み合わせパタ
ーンを選定する（ステップS10）。

このようにして作成された予想曲線及びジャッキ選択パ
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S11）。

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、ジャッキ選
択パターンデータを解読して対応する電磁パルブ24₁〜2
4₁₀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、選択ジャッキ24₁〜24₁₀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
S12）。

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、姿勢及びジャッ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、予想曲線よりずれ
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
対曲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
ルドジャッ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
てシールドジャッキ28₁〜28₁₀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、さらにシールドジャッ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
シールドジャッ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ャッキを制御し
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】

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III−III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、24₁〜24₁₀
は電磁バルブ、28₁〜28₁₀はシールドジャッキである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。