（机械制造及其自动化专业论文）基于专家知识的盾构故障诊断系统研制.pdf

j ：海大学硕十学位论文 摘要 现今，不同类型盾构在隧道施工中的应用日益增多，盾构包含了诸多的机 械、电气、液压和气动相结合的设备以及自动控制系统，采用基于专家知识的故 障诊断系统对设备运行状态进行检测，可以有效减少施工过程中因盾构故障而带 来的经济损失。 本文以专家系统基本理论和多a g e n t 技术为基础，针对上海隧道工程股份 有限公司的三菱土压盾构、三菱泥水盾构、先行号盾构故障的特点，详细论述了 智能故障诊断系统的设计思路与方法。论文主要工作如下： 1 在研究了三菱土压平衡式盾构、三菱泥水加压平衡式盾构、先行号盾构 的施工机理，并收集整理相关故障诊断知识之后，引入故障树分析法 ( f t a ) ，进行了诊断知识的表示和组织，借助关系数据库作为知识存储 的结构体，建立起了基于规则的知识库，并在此基础上衍生出交互诊断知 识库、自动诊断知识库和在线诊断知识库； 2 研究专家系统、a g e n t 及m a s 的原理及实施，设计了交互诊断、自动诊 断以及在线诊断三种故障诊断专家系统，分析比较了两种构建a g e n t 的方 法，并将各个专家系统封装成具有独立功能的a g e n t ，在此基础上研究开 发了各a g e n t 之间的通信、合作模型； 3 探讨了专家知识的重用技术，并将其应用到系统中，通过迅速组建知识 库，解决了针对新类型盾构的故障诊断问题，增强了系统的适用性； 4 将该故障诊断系统应用在了生产实际中，已经取得了良好的效果。 关键词：专家系统；m a s ；故障诊断；盾构；知识库；推理机 v 上海大学硕t 学位论文 a b s t r a c t t o d a y , d i f f e r e n tk i n d so ft u n n e lb o r i n gm a c h i n e ( t b m ) a r ef r e q u e n t l yu s e di n t u n n e lc o n s t r u c t i o n t h et b mi n c l u d e sa u t o m a t i cc o n t r o l sa n de q u i p m e n t sw h i c h c o n s i s to fm a c h i n e r i e s ，e l e c t r i c i t y , a n dh y d r a u l i cp r e s s u r ea n da e r o d y n a m i c s b y a p p l i n gt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do ne x p e r tk n o w l e d g et om o n i t o rt h e c o n d i t i o no f t b m ，t h ee c o n o m i cl o s sc a u s e db yt b mm a l f u n c t i o nc a nb er e d u c e d b a s e do nt h et h e o r yo fe x p e r ts y s t e m ( e s ) a n dm u l t ia g e n ts y s t e m ( m a s ) ， t h r e ek i n d so ft b mf r o ms h a n g h a it u n n e le n g i n e e r i n gc o ，l t dh a v eb e e na n a l y z e d i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n tp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so ft h i s i n t e l l i g e n tf a u l t d i a g n o s i ss y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l t h et a s km a i n l yi n c l u d i n g ： 1 a f t e rr e s e a r c h e dt h r e et y p e so ft b ma n dc o l l e c t e dr e l a t i v ef a u l td i a g n o s i s i n f o r m a t i o n ，t h ef a u l tt r e ea n a l y s i s ( f t a ) i si n t r o d u c e dt or e p r e s e n tt h ed i a g n o s i s k n o w l e d g e ，w h i c hi ss t o r e di nr e l a t i o nd a t a b a s e t h ek n o w l e d g eb a s eb a s e do nr u l e si s b u i l t ，a n dt h e r e f o r et h ei n t e r a c t i v ed i a g n o s i sk n o w l e d g eb a s e , a u t o m o t i v ed i a g n o s i s k n o w l e d g eb a s e ，a n do n - l i n ed i a g n o s i sk n o w l e d g eb a s eh a v eb e e nd e r i v e d 2 i n t e r a c t i v ed i a g n o s i s ，a u t o m o t i v ed i a g n o s i s ，a n do n l i n ed i a g n o s i s ，t h e s et h r e e k i n d so fe sh a v eb e e nd e v e l o p e da f t e rs t u d i e dt h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no f e x p e r ts y s t e m ，a g e n ta n dm a s c o m p a r i n gt w od i f f e r e n tw a y so fc o n s t r u c t i o no f a g e n t ，t h ep a p e re n c a p s u l a t e dt h ee st oa g e n tw i t hs p e c i a lf u n c t i o n s ，a n dt h e r e b y d e v e l o p e dt h ec o m m u n i c a t i o n sa n dc o o p e r a t i o nm o d e l 3 s t u d i e dt h er e u s et e c h n o l o g yo fe x p e r tk n o w l e d g ea n da p p l i e di tt ot h es y s t e m b yr a p i d l yo r g a n i z i n gn e wk n o w l e d g eb a s e ，t h i ss y s t e mc a nc o r r e c t l yc o n d u c tf a u l t d i a g n o s i so fn e w l ( i n do ft b mw h i c hs t r e n g t h e n e di t sa p p l i c a b i l i t y 4 a p p l i e dt h es y s t e mt od i f f e r e n tw o r k s i t e sa n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：e x p e r ts y s t e m ；m a s ；f a u l td i a g n o s i s ；t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ； k n o w l e d g eb a s e ；i n f e r e n c ee n g i n e 上海大学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墓型型日期巡：至：丝 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i 海人学硕i 学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景、来源 据上海城市交通“十一五”规划纲要规划到2 0 1 0 年，计划建成1 l 条轨道线，通车里程达到4 0 0 公旱( 到2 0 1 2 年建成1 3 条轨道线，通车单程达 到5 0 0 公里) ，形成“四纵三横”的城市轨道交通网络，每天输送乘客5 0 0 耵j 人 次以上，将占公共交通客运量的3 0 以上。从2 0 0 6 年起，卜海市逐渐进入轨道 交通建设的高峰期，旃工日_ ! 季多达2 5 0 个轨道交通站点同时进行施工建设，总投 资达到1 6 0 亿元人民币。 本课题来源于上海隧道工程股份有限公司盾构工程分公司，该公司是中囤 首家盾构施工专业公司，是中国软土隧道旌工的开创者。多年来，公司分别采用 挤压式盾构、水力机械盾构、土压 平衡式盾构及泥水平衡式盾构等， 在交通、能源、环保等领域建成的 隧道总长达数百公里。同时，总公 司研制的第一台拥有自主知识产 权的先行号盾构也达到目前国际 水平并且取得了良好的应用效果。 然而，在日益增多的盾构施 囤1 - 先行号盾构出洞 工中，由于盾构发生故障而导致施工停止而影响到正常施工进度的问题同益凸 现。2 0 0 7 年3 月份某施工工地由于盾构螺旋机闸门故障，导致盾构施工停止1 2 小时：6 月份地铁l o 号线下行线某施工工地因为推进系统故障而使施工中断达 2 2 小时。据以往施j 二统计分析，因盾构故障而导致施工中断的时间占总施工停 止时日j 的1 5 左右，时正常施工进度造成了很大的影响。因此，盾构设备的完好 性对工程进度的快慢至关重要。然而，在目前隧道施工过程中，各种盾构设备的 维护、管理主要还是依赖于维修技术人员的经验，而对于盾构故障的诊断、排除 也还是依靠以往积累的经验，这些都不利于及时、准确地解决故障问题，保证正 j ：海人学硕：士= 学位论文 常生产秩序。 盾构作为一种挖掘隧道的专用设备，是一种典型的机、电、液一体化设备。 包括刀盘系统、液压系统、电气控制系统等多个子系统，每个子系统中又包含有 众多不同类型的零部件。在日常施工中，由于施工环境恶劣、本身结构复杂，使 其经常发生机械、液压和电气控制方面的一些故障，而对这些故障进行排除存在 一定的困难。主要是有以下几个原因： ( 1 ) 机械、液压系统及电控系统比较复杂，检修需要有较高的技术水平； ( 2 ) 故障常常具有隐蔽性、连锁性、偶然性等特点，分析起来比较困难； ( 3 ) 随着城市市政建设步伐的加快，往往需要同期多台不同类型的盾构进 行施工，盾构施工点多、面广，而各施工队伍相关设备维修技术力量参差不齐， 也给盾构的检修带来困难。 因此，当多台不同类型盾构同时施工时，仍然依靠经验来进行盾构的故障 诊断、排除及其维护是很难满足正常生产要求的。为此，迫切需要开发一套实用、 有效、通用性强的“基于专家知识的盾构故障诊断系统”。借助计算机技术，回 归总结广大技术人员的经验知识，再综合理论分析结果，构建相关知识库，应用 专家系统技术和多a g e n t 技术协助进行多种盾构设备的故障诊断、排除，保证正 常工程进度。 1 2 国内外相关研究 在1 9 7 7 年第五届国际人工智能联合会议上，美国斯坦福大学教授 f e i g e n b a u m 首次提出了“知识工程 这一名词，指出“知识工程是应用人工智 能的原理与方法，对那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段。恰 当地运用专家知识的获取、表达和推理过程的构成与解释，是设计基于知识的系 统的重要技术问题”。伴随着人工智能及计算机技术的飞速发展，产生了以基于 知识的故障诊断系统为代表的故障诊断方法，此方法由于不需要对象的精确数学 模型，而且具有某些“智能”特性，因此在工业生产当中也在发挥越来越重要的 作用。 目前国内外专家学者、研究人员针对基于知识的故障诊断研究已有不少， 而且有许多已经成功应用于电力、机械等行业中。另一方面，关于盾构故障诊断 2 上海人学硕 ：学位论文 的研究在国内外几乎没有，大多数的研究还集中在盾构的性能、特点、设计制造 方面。国内虽有少数学者也开发了盾构故障诊断专家系统，但只是针对某种特定 型号的隧道掘进机，而不能适用于其它类型的盾构，具有一定的局限性。国内外 相关学者针对盾构的研究主要有： 在国外，对盾构的研究主要集中在盾构施工性能的评估、适用性模型建立 等。例如，美国学者p e t e re s u t h e r l a n d 1 】提出了一种电压比较方法来评估盾构电 机的性能；m a r c e l ogs i m o e s 和t a e h o n gk i m 2 】应用模糊逻辑理论开发了一套 t b m 使用性能预测系统，m a l v a r e zg r i m a 3 】等人也利用模糊逻辑与神经网络来 进行t b m 表现评价；文献【4 】【5 】分析了不同的地质、不同的施工参数对盾构施工 性能的影响；日本学者s o k u b o ，k f u k u i 和w c h e n 6 】开发了一套专家系统用来 评价盾构在日本国内施工的适用性。 在国内，西安交大的宋鹏举、王成栋、张优云等人针对t b 8 8 0 e 型全断面 隧道掘进机研制了一套“基于d e l p h i 的t b m 故障诊断专家系统 【7 】【8 1 。该套系 统将掘进机分解为各个诊断对象，分别对其进行状态检测。同时，应用基于主语、 谓语和宾语的产生式知识表示方法构建了整个专家系统，并投入到实际应用。另 外，石家庄铁道学院的王满增、徐明新【9 】等人也对上述系统进行了详细研究论述。 中铁隧道集团的赵华、苏东、乔文生以及韩亚丽等人也重点针对t b 8 8 0 e t b m 的状态监测和故障诊断进行了一定的研究和探讨，但主要是通过油液监测 和振动监测来进行故障诊断，而未曾论及基于知识的智能故障诊断技术。 同时国内还有一些针对盾构的研究，比如文献【1 2 】【1 3 】中作者就重点研究了盾 构施工的辅助决策系统，文献【1 4 】就针对目前盾构掘进机的选型设计了一种智能 决策支持系统，以摆脱过去完全依靠工程师的经验进行选型决策的局面。另外， 还有一些关于盾构姿态自动监测、盾构施工仿真等方面的研究。 1 3 课题意义 从实际应用方面来讲，结合目前公司几种类型盾构的施工状况，科学、合 理地建立一套操作便捷、实用性强的软件系统，使得专家的知识不受时间和空间 限制更广泛地为盾构隧道施工服务，同时通过认真深入地总结盾构隧道施工过程 中的有关知识和经验，促进该领域学科的发展，提高现代化生产能力。 3 上海人学硕上学位论文 从理论应用方面来讲，自从1 9 6 5 年第一个专家系统d e n d r a l 在美国斯坦 福大学诞生以来，专家系统得到了迅速的发展，应用范围也越来越广，预测、诊 断、设计、规划、监视等等各种类型的专家系统应用而生。诊断专家系统能够了 解被诊断对象或客体各组成部分的特性及其联系，能从不确定信息中得出比较准 确的诊断。同时，为了能够适应多种类型盾构的故障诊断，引入多a g e n t 系统 ( m a s ) 使系统内部能够进行协商、规划，从而得出更全面的诊断结果，这是 利用m a s 技术对专家系统进行综合管理，具有一定的探索意义。 总之，该课题的研究具有以下几点意义： ( 1 ) 将人工智能技术应用于实际的盾构故障诊断系统，使得系统具有智能 性，而且能适应于不同类型的盾构，扩展了人工智能技术在故障领域的应用； ( 2 ) 借助知识重用技术，针对新类型盾构快速地进行初步故障诊断，系统 可扩展性较强，为新类型盾构的施工应用提供了有力的保障； ( 3 ) 有利于盾构知识的总结、综合、精练和发展，并可使其在不受时空的 限制下，更好的应用于盾构故障诊断中，还可以帮助解决那些需要多领域专家知 识的复杂故障问题； ( 4 ) 普通技术人员借助本系统就可胜任盾构的故障诊断工作，更好地体现 了专家知识的价值，同时还可以缓解不断增多的施工工地带来的故障诊断技术人 员缺乏的局面； ( 5 ) 保证施工进度，降低工程造价，同时可以收集各种类型盾构的故障诊 断知识为盾构的设计、制造以及售后服务等提供良好的反馈意见。 1 4 本文主要研究内容和组织结构 1 4 1 本文主要研究内容 本论文的目标是研制一套基于专家知识的盾构故障诊断系统，针对不同类型 的盾构和不同的应用工地，通过系统中多种类型a g e n t 之间的合作，能够快速、 准确地进行故障诊断。本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 研究三菱土压平衡式盾构、三菱泥水加压平衡式盾构、先行号盾构的施 工机理，并收集整理相关故障诊断知识，引入故障树分析法，建立起盾构故障分 析树，直观地反映故障与原因之间的逻辑关系。借助关系数据库技术建立起基于 4 j ：海大学硕j 二学位论文 规则的知识库，并在此基础上设计了交互诊断知识库、自动诊断知识库和在线诊 断知识库； ( 2 ) 研究专家系统、a g e m 及m a s 的原理及实施，设计了交互诊断、自动诊 断以及在线诊断三种故障诊断专家系统，并将其封装成具有独立功能的a g e n t ， 研究了各a g e n t 之间的通信、合作模型； ( 3 ) 探讨专家知识的重用，并将其应用到系统设计中，通过迅速组建知识库， 解决了针对新类型盾构的故障诊断问题，增强了系统的适用性； ( 4 ) 设计系统的总体架构，讨论了两种构建a g e n t 的方法，运用面向对象的 程序设计方法编程实现系统，并分析了系统在两个施工工地的应用效果。 1 4 2 本文的组织结构 第一章主要介绍了课题背景、来源、意义以及国内外相关研究现状，从实际 需求和理论研究方面来阐述课题的意义。 第二章主要介绍了盾构相关知识及其故障诊断。首先简单介绍了盾构法施工 的历史及原理，接着分析了本课题中所研究的三种基本类型盾构的结构特点及施 工原理。其次介绍了机械故障诊断的相关概念，例如什么是机械故障、机械故障 造成的重大影响，并重点介绍了几种传统故障诊断方法以及最近发展迅速的基于 知识的智能机械故障诊断技术。在此基础上，本章最后部分讨论了基于专家知识 的盾构故障诊断技术及其系统开发策略。 第三章主要论述了系统中应用到的两种关键技术：专家系统和m a s 。专家 系统是利用计算机程序来模拟专家解决领域专业问题，而多a g e n t 系统( m a s ) 则研究如何将单个a g e n t 组成一个社会，通过合作等手段达到共同解决复杂问题 的目的。本章还探讨了专家系统与a g e n t 的关系，为两者的有机结合作出有益探 索，利用a g e n t 的灵活性来弥补专家系统结构固定等方面的不足，发挥各自优势。 基于上述理论基础，设计了基于专家知识的决策支持系统的总体结构图，并介绍 了其中各部分的功能。 第四章重点论述了诊断m a s 的设计。首先论述其总体结构设计，包括部件 a g e n t 、盾构a g e n t 、诊断方法a g e n t 等。接着重点论述了部件a g e n t 的构建方法， 利用故障分析树技术和关系数据库将专家知识融入到相应的部件a g e n t 中。作为 整个故障诊断系统的核心，诊断方法a g e n t 的构建是以专家系统理论为基础实现 5 上海大学硕f i ：学位论文 故障诊断功能，再借鉴m a s 之间的通信、合作概念进行更全面和灵活的故障诊 断。系统中目前设计了三种诊断方法a g e n t ，即：交互诊断专家系统a g e n t 、自 动诊断专家系统a g e n t 、在线诊断专家系统a g e n t 。本章最后，分析了诊断m a s 的内部运行机理，重点论述了部件a g e n t 与诊断方法a g e n t 之间的通信、诊断方 法a g e n t 之间的通信合作。 第五章重点阐述了知识重用的概念，针对新类型盾构的故障诊断问题，创造 性地将知识重用技术应用于新类型知识库的快速组建，从而使系统针对新类型盾 构也能迅速的进行故障诊断。本章还论述了专家知识的管理和利用，如新的故障 知识的添加以及系统仿真等功能。最后讨论了系统的实施技术和数据库访问方 法，并充分考虑了人机工程学介绍了系统界面的设计。 第六章主要是介绍了系统应用情况及其应用效果。为了检验系统故障诊断效 果，分别在地铁8 号线周家渡工地和地铁1 0 号线三门路工地上进行应用，并分 析了其应用前后盾构施工停止时间比率上的变化。最后对论文研究工作进行了总 结和展望，为课题更进一步的研究方向进行了理性的思考。 6 上海人学硕士学位论文 第二章盾构及其故障诊断 2 1 盾构法施工的历史 1 8 0 2 年，英国采矿工程师阿贝尔马蒂厄提出修建英吉利海峡隧道的计划， 设计从英法两岸用一种有掩体结构的挖掘机修筑隧道，每侧各挖掘18 7 k m ，最 后在瓦恩班克浅滩对接贯通。他建议在海峡地下通道的中间设计一个人工岛， 隧道的照明由油灯提供，而烟囱将提供通风。 1 8 0 3 年爆发的英法战争，使得阿贝尔马蒂厄的计划未能付诸实施。后来， 法国工程师布鲁诺尔( m a r ei s a m b a r db r u n d ) 从船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物 涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理。1 8 1 8 年，布鲁诺尔 率先取得了盾构工法的专利。 1 8 2 5 年，布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下的隧道工程中首次使用盾构，使设想 成为现实。这台矩形盾构断面为1 1 3 m x 6 7 m ，并由1 2 个邻接的框架组成。每一 个框架分成3 个舱，每一舱里有一个工人，这样，共有3 6 名工人。此系统按照 以下模式工作：首先，借助螺杆将鞍型框架压入前方的土中。从上部撤除隧道工 作面上的木料并掘土约6 英寸。然后，隧道工作面重新用木料覆盖并用螺杆支撑。 紧接着盾构后部砌砖，把它作为整个机架的支座。施工期间遇到了许多困难，在 经历了五次以上特大洪水后，直到1 8 4 3 年才全部完工。 而后近2 0 0 年里，随着科学技术的进步盾构隧道工法得到了多次的变革和 发展，目前已在全世界范围内尤其在城市软土地基隧道建设中得到了广泛运用。 第一代盾构工法一般认为从1 8 1 8 年开发至1 9 世纪8 0 年代末，从1 8 2 5 年 布鲁诺尔的世界第一条非圆形盾构隧道开始，1 9 世纪6 0 年代的法国以及7 0 年 代的美国相继开发并利用。第二代盾构工法自1 9 世纪9 0 年代初至2 0 世纪5 0 年代末，该时代的盾构工法开始重视开挖面的稳定和省力化施工，同时开始保证 开挖面稳定的气压工法的利用。自2 0 世纪6 0 年代初之后的4 0 年间，可谓盾构 工法第三代的到来，该时代开发出了开挖面完全密封的泥水平衡式盾构和土压平 衡式盾构，为盾构隧道的安全施工奠定了基础，盾构工法取得了飞跃的发展，它 7 上海大学砸i 学位论文 迎来了盾构隧道向大断面、大深度、长距离、高效率、多样化发展的新时代。 盾构隧道的基本原理就是在确保盾构开挖面稳定的前提下，利用由钢板制 作而成的盾壳抵抗周围水土压力，在地下安全地进行隧道施工，并同时进行隧道 管片的同步拼装。盾构隧道工法原本是作为穿越江河和海底的一种特殊工法而诞 生的，现在已发展成为大城市在软土地基中隧道推进的代表工法之一。在公铁路 隧道、城市地铁隧道、上f 水道、煤气管道及电力通讯管道等城市基本设施的建 设中，盾构隧道工法起到了关键的作用。 2 2 三种常用盾构介绍 由于目前公司在施工过程中三菱士压平衡式盾构、三菱泥水加压平衡式盾 构、先行号盾构使用较多，资料比较丰富齐全，故系统研制时以这三种盾构为基 础，同时也可以针对新类型的盾构进行扩展。 2 2 1 土压平衡式盾构 土压平衡式盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构，这种盾构是在局部气 压盾构和泥水加压盾构的基础上发展起来的。该盾构的前端有一个全断面切削刀 盘，在盾构中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出口在密封舱外。其施 工方法是保持开挖面的稳定，在切削刀盘后面的密封腔内充满开挖f 来的土砂， 并保持一定土压力。图2 1 为土压平衡式盾构鲒构图。 固2 1 土压平衡式盾构结构图 8 上海人学硕士学位论文 根据公司实际应用情况，其中土压平衡式盾构多为日本三菱公司的土压平 衡式盾构，故下面介绍其各组成部分。三菱土压平衡式盾构主要由盾构机主体、 刀盘装置、螺旋输送机、中折装置、举重臂装置、形状保持装置、灌浆装置及土 压计、后续车架等组成。 盾构主体 盾构主体为圆筒形，由前筒、后筒构成，前筒为掘进机构的支撑部及密封 垫安装部，下部装有螺旋输送机，输送挖掘出的泥土；后筒内围装有千斤顶( 后 筒推进方式) ，是盾构推进的动力。前后简体间由铰接千斤顶连接可以顺利地进 行转向，后筒部还设置有组装管片设备举重臂和后方作业台。在盾构主体的 最后部还安装有盾尾密封件以防止水土、壁后注入的浆液从盾尾进入盾构。 刀盘装置 刀盘装置由挖掘刀盘、驱动装置、超挖装置组成。 挖掘刀盘由辐条构成，其上装置有挖掘泥土的刀具； 驱动装置由电机、减速机、轴承、大刀盘中轴等组成； 超挖装置主要是盾构曲线掘进时使用，刀盘旋转过程中，利用液压千斤顶， 使安装在刀盘辐条内部的仿形刀千斤顶伸缩，进行曲线施工所必需的盾构机外围 的超挖作业。 螺旋输送机 刀盘装置挖掘的泥沙，被送入刀盘舱，然后通过设置在隔板下部的螺旋机 输送到后方，由输送带送出。 螺旋输送机可以进行正反双向旋转，一般情况下只进行正向旋转( 只有在 泥沙粘附等紧急状态时才采用反向旋转) ，排土阀门安装在螺旋输送机后端。根 据排土状况调整开口度。 中折装置 中折装置是在进行弯道施工时，为了提高盾构机的操作性能，将其分开成 前筒、后筒两部分，各自用中折千斤顶连接，根据需要，使前筒和后筒进行弯曲 装置。连接部设有防止晃动挡块，可防止前、后简的晃动。 举重臂装置 举重臂装置设置在盾构尾部，升降千斤顶负责管片的吊装、贴压，平移千 9 上海人学硕士学位论文 斤顶负责水平方向的移动，保持千斤顶可防止管片偏移。 形状保持装置( 整形装置) 形状保持装置是保持用举重臂组装而成的管片形状的装置，其目的是为了 提高管片组装的质量。 沿着由竖梁支承的后方工作台的导轮，利用滑动千斤顶前后移动，在固定 的位置推进整形千斤顶，矫正管片的变形。 形状保持装置与掘进设有联锁装置，掘进时整形千斤顶必须全部缩进。操 作利用有线移动式按钮开关，可在机内任意位置操作。 灌浆装置及土压计 当土质硬不易出土时需灌浆挖掘。土压计( 土压传感器) 不断将盾构前部 的土压传输给计算机。 后续车架 盾构机后面拖着若干节车架，装有电控箱、液压系统控制站( 包括油箱) 、 动力装置、盾构控制操作问、冷却水箱、灌浆装置、润滑注油装置等。 2 2 2 泥水加压平衡式盾构 泥水式加压平衡式盾构是通过有一定压力的泥浆来支撑稳固开挖面；由旋 转刀盘、悬臂刀头或水力射流等进行土体开挖；开挖下来的土料与泥水混合以泥 水状态由泥浆泵进行输运。泥水加压平衡式盾构适用于各种松散地层，有无地下 水均可。采用泥水加压平衡式盾构进行施工的隧洞工程都说明它是一种低沉降及 安全的施工方法，在稳定的地层中其优点更加明显。 泥水加压平衡式盾构结构大体上与土压平衡式盾构类似，例如三菱泥水加 压平衡式盾构大致可以分为刀盘系统、推进系统、盾尾油脂系统、供脂系统、仿 行刀、牵引系统、自动供给、拼装机旋转系统、拼装机升降系统、搅拌器、泥水 系统输送泵等部件。 图2 2 为泥水加压平衡式盾构工作原理图，图中m v 阀一般常闭，v 1 v 5 阀为状态互换阀，通过阀的切换，分别形成循环、推进、逆铣等三种状态。由 p 1 泵将满足施工的泥浆从调整槽内送入盾构泥水舱，使泥水舱内保持一定的浓 度、压力，推进时利用盾构前部的刀盘旋转切削，将正面土体切削下来的原状土 以条状或块状通过挤压进入泥水舱，经过搅拌器充分搅拌，由p 1 p n 泵输送到 1 0 一k 海大学硕士学位论文 泥水处理站，再从混合泥浆中回收大部分泥浆进行调整进入调整槽重复利用，另 - d , 部分劣浆或干土外运。值得注意的是在开挖面无论是推进阶段还是拼装阶段 始终保持着一层泥膜，当刀盘刀头将泥膜切削后，新的泥膜很快形成，周而复始， 即这层泥膜始终保持着开挖面的稳定。 图2 2 泥水加压平衡盾构工作原理 2 2 3 先行号盾构 先行号盾构( 中6 3 4 m 土压平衡盾构) 是隧道工程有限公司第一台具有自主 知识产权的达到目前国际水平的地铁隧道盾构掘进机。该盾构是根据国家高科技 技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目要求，在收集国外土压平衡盾构、复合型土压 平衡盾构技术资料的基础上进行剖析和消化吸收，围绕上海地铁隧道施工的 6 3 4 m 土压平衡盾构掘进机进行设计研究。所以，结构部件和土压平衡式盾构基 本类似，但先行号盾构主要有以下几个特点： 刀盘驱动装置在传动结构上，驱动小齿轮由原来的单点支承( 悬臂形式) 改进为两点支承，改善了传动啮合，延长了驱动油马达( 或减速机) 的使用寿命。 先行号盾构一共有1 2 个密封油脂压注点，它通过一个油脂分配器实现对1 2 个油脂压注点的注油控制。该油脂分配器不仅能提高盾尾密封的效果和可靠性， 还能节约密封油脂的注入量。 采用已获得国家专利的遥控拼装机技术和中心回转接头技术。 2 3 机械故障诊断技术 2 3 1 传统机械故障诊断技术 所谓机械故障，就是指机械系统( 零件、组件、部件或整台设备乃至一系 列的设备组合) 因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。而机械故障诊 上海火学硕上学位论文 断，就是对机械系统所处的状态进行监测，判断其是否正常，当出现异常时分析 其产生的原因和部位，并预报其发展趋势【”】。国内外许多的资料表明，开展故 障诊断的经济效益是明显的，据日本统计，在采用故障诊断技术后，事故率减少 7 5 ，维修费降低2 5 5 0 ，英国对2 0 0 0 个国营工程的调查表明，采用故障 诊断技术后每年节省维修费3 亿英镑，用于故障诊断技术的费用仅为0 5 亿英镑， 净获利2 5 亿英镑。如果在我国将故障诊断技术推广，每年可以减少事故5 0 - 7 0 ，节约维修费用1 0 3 0 ，效益相当可观。 随着人们对最大限度地提高生产效率和产品质量的追求，作为生产工具的 机械设备朝着大型、高速、精密、连续运转以及结构复杂的方向发展，并导致机 械装置的光、机、电、液、仪、计算机一体化的趋势。所以当前的机械故障具有 故障点隐蔽、因果关系复杂、相关因素比较随机、失效分布比较分散这样一些典 型的特征【1 6 1 。 传统的故障诊断技术主要包括以下几种： ( 1 ) 振动诊断技术 振动诊断技术具有理论基础雄厚、分析测试设备完善、诊断结果可靠、便 于实时诊断等优点，其不足之处在于涉及信息传感、振动测试、信号处理等诸多 领域，且部位敏感性强。 ( 2 ) 油液分析技术 油液分析技术信息集成度高，不足之处在于只对磨损类故障有效、诊断周 期长，诊断结果受操作人员的影响大。 ( 3 ) 温度监测技术 温度监测技术诊断过程简单，诊断结果一目了然，但模型的建立比较复杂。 ( 4 ) 无损检测技术 利用物质的某一物理性质因存在缺陷而发生变化的特点，在不破坏被检对 象的前提下，对其进行检测，以探测其中是否有缺陷存在。 2 3 2 基于知识的智能机械故障诊断技术 人工智能的蓬勃发展，其研究成果为机械故障诊断注入了新活力。人工智 能主要研究用人工的方法和技术来模仿、延伸及扩展人的智能，从而实现机器智 能。所谓智能故障诊断系统是由人( 尤其是领域专家) 、当代模拟脑功能的硬件 1 2 上海人学硕士学位论文 及其必要的外部设备、物理器件以及支持这些硬件的软件所组成的系统。该系统 以对诊断对象进行状态识别与状态预测为目的【1 7 】。目前，基于知识处理的智能 故障诊断技术大概可以分为三类，即基于专家系统( e s ) 的诊断技术、基于人 工神经网络( j 6 州n ) 的诊断技术、基于模糊集理论( f s t ) 的诊断技术三大类。 ( 1 ) 基于专家系统的诊断技术 专家系统是一种能够处理知识的智能程序系统。它以专家的知识为基础， 使计算机能模拟专家的思维方式，使之成为具有专家水平的、有解决复杂问题的 能力。专家系统的核心为知识库、知识获取部分、推理机和解释部分。 ( 2 ) 基于人工神经网络的诊断技术 人工神经网络是在生物神经学研究成果的基础上提出的，是对人脑神经组 织结构和行为的模拟。与专家系统相比具有自学习、自适应、并行处理以及知识 分布存储的优势。 ( 3 ) 基于模糊集的诊断技术 由于机械设备复杂性越高，机械设备系统内部的模糊性就越强，所以将模 糊数学引进到故障诊断中，分析机械设备故障诊断中各个环节所遇到的各种模糊 信息，从而进行科学处理。 2 4 基于专家知识的盾构故障诊断 对于像盾构这样的复杂系统，其故障诊断如果使用传统的故障诊断技术将 很难满足其要求。首先，因为其施工环境恶劣，而且难以获得对象的精确数学模 型，不利于采用振动检测、油液分析、温度检测等手段。其次，这些诊断手段大 多只是针对某些零部件，难以满足对整台盾构、多台不同类型盾构进行故障诊断 的要求。再次，基于知识的故障诊断方法不需要对象的精确数学模型，而且具有 某些“智能 特性，因此是一种很有生命力的方法【1 8 】。 将基于知识的故障诊断技术引入到盾构的故障诊断中主要有以下几方面考 虑。首先，公司具有几种盾构的机械原理图、液压原理图和电气控制图等资料， 便于详细的分析盾构各种故障原因，建立起故障分析树，构建知识库。其次，施 工故障记录以及以往的一些经验知识为复杂系统的故障诊断提供了一定的知识 基础。再次，系统要能够适应多台不同类型盾构的故障诊断，需要有良好的知识 1 3 f ：海大学硕上学位论文 管理，以便相互借鉴。 大量实践证明，对于复杂的诊断问题，采用扩充式的开发策略的效果是比 较好的。这一开发策略也比较符合人类对复杂问题的认识规律，而且当获得一定 知识建立原型后，在此基础上，便于讨论和发现问题。对于基于专家知识的盾构 故障诊断系统的开发也采用扩充式的开发策略，即经过多次回溯，不断精化对问 题的描述和不断优化问题的具体解决方案。其大致策略如图2 3 所示： 图2 - 3 系统开发流程图 此开发策略大致经过六个阶段：识别、概念化、形式化、实现、检验和转 换。在识别阶段，主要是确定问题的类型和范围；概念化阶段，主要确定描述领 1 4 几v形式化， 九v 实 现 ， 检测 转换， 上海人学硕十学位论文 域问题求解所需的概念、原理和控制机制等；形式化阶段主要用来将所获得知识 表示成合适的形式，如规则表达、故障树等；在实现阶段，主要是将形式化的知 识转换成计算机的内部表示和程序，建立系统原型，并从语法、知识、运行三种 角度对原型进行测试；检验阶段，主要是系统的试运行，以便在实际中发现问题， 以作相应修改；转换阶段，主要是将功能完善的系统交付使用，并对新的使用环 境和新的问题进行必要的维护工作。 1 5 上海人学硕士学位论文 第三章系统关键技术及总体结构设计 3 1 专家系统技术 3 1 1 专家系统概述 专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水 平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的问 题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。 专家系统具有以下几个特点： 启发性：能够运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策； 透明性：能够解释本身的推理过程并回答用户提出的问题，以使用户能够 了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。 灵活性：能够不断增长知识，修改原有知识，不断更新。 专家系统可以用来求解多个领域的问题，比如医疗、数学、工程、化学等 领域的问题，下面列出了一些常见的问题： 解释从大量数据总结出高层结论。 预测推测出给定情况下可能发生的结果。 诊断根据可观察的症状决定复杂环境中的故障原因。 规划根据给定的起始条件和运行期约束，设计一系列动作以实现目标。 设计对系统组件进行配置，达到目标性能，同时满足一系列设计约束。 监控将观察到的系统行为和它的期望行为进行比较。 指导对技术领域的教学过程提供帮助。 控制对复杂环境下的行为进行管理。 3 1 2 专家系统的典型结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。不同领 域和不同类型的专家系统，其体系结构和功能有一定的差异，但它们的组成基本 不变，都包括：知识库、数据库、推理机、解释机制、知识获取和用户界面等。 在构造专家系统时，以专家系统基本组成为基础，结合具体问题，选择和构造自 1 6 上海火学硕1 二学位论文 己的专家系统结构。本文专家系统结构是基于图3 - 1 所示的典型专家系统结构图。 用户接口 可以采用：知识库编辑器 j 1 i 问答式， 上 知识库 i 菜单驱动， l 用户 推理引擎 l 实例数据 j l 自然语言， 解释子系统 图形接口 图3 - 1 专家系统的典型结 ( 1 ) 知识库 知识库是知识的存储机构，用于存储领域内的原理性知识、专家的经验性 知识以及相关的事实等【1 9 1 。知识库是专家系统的核心，专家系统求解问题的能 力由其知识库决定，其次才是它所采用的推理方法。建立知识库的第一步就是要 进行知识获取，获取方式有外部获取和内部获取。外部获取可以通过向专家咨询、 现场调查等，把专家知识转换成编码并存入知识库；内部获取就是在该盾构机运 行过程中，通过不断归纳、总结、修改、删除和扩充原有的知识库。 在本系统的研制中主要需要获取以下几种领域知识： 1 ) 三种常用盾构机运行中出现的各种故障的现象、部位和原因： 2 ) 状态检测的数据记载和分析结果； 3 ) 维修工程师对各种故障诊断的方法、原理以及经验数据。 一旦获取了比较丰富的领域知识；如何进行知识表示也是构建一个高效知 识库的重要保证。一种有效的知识表示方法应具有简洁性、灵活性和透明性，并 且易于诊断推理【2 们。知识的表示方法目前已有多种形式，如基于谓词逻辑的形 1 7 上海人学硕士学位论文 式、基于语义网络的形式、基于规则的形式、基于框架的形式、基于剧本的形式 和基于过程的形式等。 在本系统的研制中采用基于规则的专家系统，知识被表示为类似于“如果 那么 形式的规则。 ( 2 ) 推理机 推理机应用知识来求解实际的问题。它实质上是知识库的一个解释器。在 产生式系统中，推理引擎执行“识别一动作”控制循环。推理机的设计包括两个 方面，即：推理策略和控制策略。 推理策略是指具体的推理方式，如基于规则的推理、基于框架的推理、基于 谓词逻辑的推理、基于语义网络的推理等等，推理策略的选择主要取决于知识的 表达和知识的组织。 控制策略主要解决整个问题求解过程的控制问题，包括知识的激活与选择， 推理过程的控制，冲突的消解等。基本的控制策略有如下三种形式： 1 ) 数据驱动的控制策略，又称正向推理； 2 ) 目标驱动的控制策略，又称反向推理； 3 ) 混合控制策略，又称正反向混合推理。 ( 3 ) 解释子系统 用来向用户进行推理解释。解释包括系统是如何做出结论的回答h o w 查询；为什么系统需要特定的数据片回答w h y 查询；以及关于程序动作的 有价值的辅导性解释或者深层的理论依据。 通常有三种构建解释机制的方法： 1 ) 采用跟踪( t r a c e ) 解释法，根据保存的推理踪迹来解释系统行为； 2 ) 可以回答用户提出的诸如w h y ，w h e n ，h o w 和w h e r e 等类型的问题； 3 ) 根据推理结果，重构推理路线【2 l j 。 ( 4 ) 人机接口 人机接口是用户及领域专家等与专家系统的交互界面，可以通过菜单、图 形等方式来驱动。领域专家通过它来更新、完善知识库，一般用户通过它提供已 知事实供系统进行推理，系统通过人机接口来输出诊断结果、回答用户的询问或 者向用户索要进一步的事实。 1 8 上海大学硕士学位论文 ( 5 ) 知识库编辑器 其基本任务是管理、维护知识库的完整性及一致性，把新的知识输入到知 识库中，使知识库不断的合理、完善。 ( 6 ) 数据库 数据库主要用来存放实例数据，包括初始事实、问题描述及系统运行过程 中得到的中间结果、最终结果、运行信息等。数据库中的内容是动态变化的，在 求解问题的开始时，它存放的是用户提供的初始事实，推理过程中存放的中间结 果，推理结束后又把推理结果存放到数据库中。 3 1 3 协同式专家系统 为了拓广专家系统解决问题的领域或使一些互相关联的领域能用一个系统 来解决问题，提出了协同式专家系统( s y n e r g e t i ce x p e r ts y s t e m ) 的概念。在系 统中，有多个专家系统协同合作，各专家系统之间可以相互通信，也可以互为信 息的输入端或输出端。基于单一规则知识的专家系统限制了其表达和处理问题的 能力，而结合并行处理技术、协同工作机制的协同式专家系统能组织不同知识表 达方式的专家协同工作，已成为专家系统的发展方向2 2 1 ，并在电力系统输电规 划中开展应用研究【2 3 】【2 4 1 。 在本系统的研制中为了满足在线和离线故障诊断等要求，设计了三种子专 家系统协同工作，分别是自动诊断专家系统、交互诊断专家系统、在线诊断专家 系统，三个子系统之间既有公共