[发明专利]基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法

权利要求书

1.一种基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法，

步骤1：根据地质结构基于BIM建立三维地质模型；在三维地质模型中规划一条隧道；

步骤2：将地质结构的物理力学信息导入三维地质模型中，建立数字三维地质模型；在数字三维地质模型中设定坐标系，将隧道的轮廓、走向、高程以及断面开挖分区边界以坐标点集合的形式生成隧道结构信息；

其特征在于：

步骤3：收集工况及机械参数：选择试验段进行人工截割作业，a)采集掘进机机械参数：推进速度Vp、冲击压力Ph、推进压力Pt、回转压力Pl、水压力PW、水流量Qw和电流功率A；b)采集掘进机开挖工况参数：一次吃刀深度、截割厚度、铣挖方式和截割速度；c)采集施工工况参数：掘进机器位姿﹑截割头位姿、切割轨迹、截割路径与轨迹；

步骤4：生成测量控制要素：在试验段人工截割作业过程中，将掘进机悬臂截割过程中的关键路径按照截割头位置在第2步中设定的坐标系中进行空间坐标定位，通过数组形式确定采集的每一个关键点的坐标数据，将各坐标数据转化为掘进机回转油缸和升降油缸的伸缩量记录，从而生成测量控制要素；

步骤5：基于隧道结构信息、工况及机械参数和测量控制要素将数字三维地质模型转换为BIM虚拟隧道掌子面场景，通过空间矩阵变换解算隧道中悬臂掘进机机身位置与姿态、截割头位置与姿态，清晰表达设备与主控部在隧道中的准确位置；在BIM虚拟隧道掌子面场景内利用数据库搜索算法，自动匹配生成智能控制参数和智能化决策指令；

步骤6：运用BIM技术模拟隧道一个循环段落的机械开挖作业施工全过程，进行虚拟施工碰撞检测，在动态化的操作中判断智能指令参数与决策的可行性，从而优化智能控制参数和智能化决策指令；

步骤7：根据智能控制参数和智能化决策指令现场控制掘进施工试验，

步骤8：在动态化现场操作中，再次判断智能控制参数和智能化决策指令的可行性，进行参数调整并提高模拟运算的准确性，完成深度策划并生成终端智能掘进开挖操控指令；

步骤8：根据优化后的操控指令，运用BIM技术模拟隧道下一下循环段落的机械开挖作业施工；

最后，重复步骤6至8，完成隧道全过程施工。

2.根据权利要求1所述基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法，其特征在于：第4步中采集关键点的坐标数据包括：1）在隧道已开挖洞段初期支护面上的若干激光定位器，利用激光定位器向工作面1投射激光，激光光斑准确投射出隧道开挖轮廓控制线，激光束的方向表示隧道走向；2）在隧道开挖轮廓线、隧道中线和测量线上取任意点，利用曲线拟合形成一系列断面边界点。

3.根据权利要求2所述基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法，其特征在于：步骤5生成的智能化决策指令包括：

施工指令模块一：切割运动控制，根据隧道参数、截割工艺和掘进机参数利用规划算法规划合理的截割部截割路径与轨迹；根据截割部的轨迹和规划路径，通过控制算法计算截割臂关节的控制量，然后通过D/A转换模块转换成电流信号控制电液比例阀；根据传感器采集的电流数据去反馈控制电液比例阀，从而达到自适应截割；

施工指令模块二：掘进机和截割头位置姿态控制，悬臂式掘进机人机交互远程操控时，需要校准的模型参数包括虚实同步和传感系统两部分，前者利用物理掘进机的位姿参数，实时修正虚拟场景的掘进机位姿；后者校准相关传感器，包括截割部位置感知计算机控制系统的内外参标定和捷联惯导的初始校准；

施工指令模块三：定位和跟踪，通过悬臂式掘进机携带的三维激光扫描测量采集、传感处理和控制计算机系统以隧道轮廓线上布置的激光定位器激光束和光斑作为参考基准，实现隧道内掘进机身位姿精确测量定位和跟踪控制掘进机切割运动轨迹。

4.根据权利要求1所述基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法，其特征在于：地质结构数据包括覆盖层厚度、基岩起情况、测定隐伏断层、破碎带的位置，产状、岩层质量、工程地质围岩分类，地质体结构特征及含水构造、岩性围岩的纵波波速。

5.根据权利要求1所述基于BIM深度策划的隧道掘进机控制方法，其特征在于：步骤2中，隧道结构信息包括隧道断面上各点的坐标集合、隧道断面分区边界点坐标集合以及隧道断面沿隧道走向延伸各点的集合。