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基于LightGBM-NSGA-Ⅲ的盾构姿态多目标优化

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铁道标准设计 2024年

作者：王祥刘俊曹源陈虹宇肖宏笛覃亚伟贵阳市城市轨道交通集团有限公司南洋理工大学土木工程与环境学院华中科技大学土木与水利工程学院武汉华中科大检测科技有限公司

为实现盾构机的姿态控制，保证隧道施工的安全和质量，提出一种将LightGBM和第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)相结合的盾构姿态多目标优化方法。以贵阳地铁为例，选取25个影响因素作为输入参数，通过LightGBM算法建立输入参数与盾构... 详细信息

为实现盾构机的姿态控制，保证隧道施工的安全和质量，提出一种将LightGBM和第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)相结合的盾构姿态多目标优化方法。以贵阳地铁为例，选取25个影响因素作为输入参数，通过LightGBM算法建立输入参数与盾构姿态之间的非线性映射函数关系，并对输入参数进行重要性评价。以盾构姿态绝对值最小化为目标，建立LightGBM-NSGA-Ⅲ多目标优化模型，基于所提出的优化原则，进行案例研究以测试所提出方法的适应性和有效性。主要结论如下：采用LightGBM算法对工程实测数据进行训练得到的预测模型的精度较高；通过研发的LightGBM-NSGA-Ⅲ盾构姿态多目标优化方法，盾构姿态的优化效果显著。提出的盾构姿态多目标优化方法可以为实际工程中的盾构姿态优化控制提供指导。

关键词：盾构姿态多目标优化影响因素重要性评价 LightGBM NSGA-Ⅲ

基于机-岩状态识别和融合注意力的盾构姿态多步预测

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铁道科学与工程学报 2024年第9期21卷 3809-3821页

作者：熊栋栋刘哲许超中交第二航务工程局有限公司湖北武汉430040 交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心湖北武汉430040 长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室湖北武汉430040

为准确预测未来多个时刻的盾构姿态,帮助盾构操作人员提前识别盾构姿态变化趋势,以进行早期决策,提出基于机-岩状态识别和融合多尺度的特征-时域注意力机制的知识-数据双驱动盾构掘进姿态多步预测方法。引入实时反映机-岩工作状态关系... 详细信息

为准确预测未来多个时刻的盾构姿态,帮助盾构操作人员提前识别盾构姿态变化趋势,以进行早期决策,提出基于机-岩状态识别和融合多尺度的特征-时域注意力机制的知识-数据双驱动盾构掘进姿态多步预测方法。引入实时反映机-岩工作状态关系的场切入指标FPI、单位贯入度的刀盘扭矩指标TPI、分区可掘性指标FPIR、螺旋机性能指标STP等复合参数指标,作为模型的输入特征参数,并构建以GRU为基础单元的Encoder-Decoder网络结构。在特征维度上,采用融合多尺度一维卷积的特征注意力机制,自适应捕捉不同层次、不同尺度的盾构掘进参数特征;时间维度上,在解码器中引入时域注意力机制,充分挖掘盾构掘进数据中的长期历史信息和短期输入输出序列的隐藏依赖关系。广州地铁12号线盾构掘进历史数据的模型测试结果分析表明,该预测方法在不增加网络复杂性的前提下,既缓解了算法自身在寻优、迭代和匹配时产生的可解释性差、效率低等问题,又大幅提升模型的特征提取、时间序列的相关性捕获及长期趋势挖掘的能力,实现盾构掘进姿态的精准多步预测,其性能明显优于门控循环神经网络LSTM、GRU及其经典组合模型GRU-SelfAttention、GRU-MultiheadAttention等。研究结果为进一步完善盾构掘进姿态预测方法、提升盾构掘进姿态优化控制水平提供参考。

关键词：盾构盾构姿态多步预测复合参数指标一维卷积特征注意力时域注意力

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盾构姿态自动导向及多源数据融合处理方法

同济大学学报（自然科学版） 2013年第4期41卷 619-623页

作者：潘国荣李怀锋王穗辉同济大学测绘与地理信息学院上海200092

针对隧道空间狭小,全站仪难以对盾构机上2个以上点进行测量,提出利用智能全站仪、双轴电子倾斜仪组合导向控制技术,在三维直角坐标转换模型的基础上将双轴电子倾斜仪测定的盾构机的俯仰角和扭转角作为观测值参与平差,解决了多源数据采... 详细信息

针对隧道空间狭小,全站仪难以对盾构机上2个以上点进行测量,提出利用智能全站仪、双轴电子倾斜仪组合导向控制技术,在三维直角坐标转换模型的基础上将双轴电子倾斜仪测定的盾构机的俯仰角和扭转角作为观测值参与平差,解决了多源数据采集、导向数据联合处理的问题.上海地铁12线、杭州地铁1号线等区间隧道的施工导向实践证明,该方法可靠、实用.

关键词：三维直角坐标转换 7参数盾构姿态倾斜仪俯仰角扭转角

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盾构掘进姿态的时间序列预测

勘察科学技术 2024年第1期 43-46,51页

作者：陈向宇廖万金罗桂军王树英中建五局土木工程有限公司长沙市410004 中南大学土木工程学院长沙市410075

为解决盾构机在掘进过程中姿态难以控制的难题,该文依托合肥地铁7号线耕—清区间盾构隧道工程实例,建立基于中值滤波的自回归综合移动平均模型MF-ARIMA,对掘进过程中的盾构姿态进行预测。研究结果表明:MF-ARIMA模型前盾水平、垂直偏差... 详细信息

为解决盾构机在掘进过程中姿态难以控制的难题,该文依托合肥地铁7号线耕—清区间盾构隧道工程实例,建立基于中值滤波的自回归综合移动平均模型MF-ARIMA,对掘进过程中的盾构姿态进行预测。研究结果表明:MF-ARIMA模型前盾水平、垂直偏差的预测决定系数分别为0.81、0.93,后盾水平、垂直偏差的预测决定系数分别为0.86、0.94;平均预测决定系数为0.89,其盾构姿态的预测性能较好。通过MF-ARIMA模型预测盾构姿态,可提前预知盾构姿态超限的风险,结合降低同步注浆胶凝时间的现场工程措施,可有效减小掘进过程中的盾构姿态偏差,提高盾构施工质量。

关键词：盾构隧道盾构姿态 MF-ARIMA模型同步注浆

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引入倾斜等效观测值的盾构姿态解算方法

中国矿业大学学报 2014年第3期43卷 502-507页

作者：潘国荣唐杭周跃寅同济大学测绘与地理信息学院上海200092

提出了一种新的盾构姿态解算方法,该方法能够对盾构姿态测量中全站仪获取的控制点三维坐标,以及倾斜传感器获取的水平倾角数据进行联合解算.采用适用于大角度空间坐标转换的十三参数模型,在原有坐标观测值误差方程基础上,引入水平倾角... 详细信息

提出了一种新的盾构姿态解算方法,该方法能够对盾构姿态测量中全站仪获取的控制点三维坐标,以及倾斜传感器获取的水平倾角数据进行联合解算.采用适用于大角度空间坐标转换的十三参数模型,在原有坐标观测值误差方程基础上,引入水平倾角对应的等效观测值,建立联合误差方程,在合理定权的基础上建立平差模型,该方法适用于棱镜-倾斜仪联合盾构自动导向系统.在宁波地铁2号线工程中,由Trimble5600全站仪在始发井对盾构机上焊接的3个棱镜进行标定测量,获取一组标定坐标.在盾构掘进过程中进行自动化跟踪观测,获取至少2个棱镜点实测坐标,结合双轴电子倾斜仪实时返回的角度数据解算包含滚动角、俯仰角、偏转角在内的坐标转换参数,在此基础上计算盾构首尾中心点坐标.以上实例验证了该方法的可靠性和实用性.

关键词：盾构姿态倾斜传感器空间坐标转换十三参数等效观测值联合平差自动导向

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基于自动深度学习盾构掘进姿态预测与控制

城市道桥与防洪 2024年第2期 200-205,I0019页

作者：秦灏上海建工集团股份有限公司上海市200080

提出了基于自动深度学习(AutoDL)算法和多目标优化算法的结合可实现数据驱动的姿态偏差控制指导,用于盾构掘进姿态的预测与控制,以解决现有盾构掘进姿态预测中所面临的执行难度高、成本高、效率低等问题,可用于自动精准地预测盾构掘进... 详细信息

提出了基于自动深度学习(AutoDL)算法和多目标优化算法的结合可实现数据驱动的姿态偏差控制指导,用于盾构掘进姿态的预测与控制,以解决现有盾构掘进姿态预测中所面临的执行难度高、成本高、效率低等问题,可用于自动精准地预测盾构掘进姿态随着工程进展的动态变化趋势,并针对盾构机施工状态执行多目标优化算法,快速自动搜寻最优策略,实时调整合适的盾构操作参数,减少对于现场操作人员经验和主观判断的依赖。以上海市天然气主干管网崇明岛-长兴岛-浦东新区五号沟LNG站管道工程隧道A线工程为例,展示该算法框架的优越性。研究结果有助于降低深度学习进入盾构智能控制领域的门槛,推动智能盾构发展。

关键词：自动深度学习时间窗盾构姿态粒子群优化算法多目标优化算法

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融合倾斜仪数据的盾构姿态严密解算模型

同济大学学报（自然科学版） 2018年第10期46卷 1433-1439页

作者：潘国荣范伟同济大学测绘与地理信息学院上海200092

推导了倾斜仪与盾构的严密标定模型;将倾斜仪采集的双轴角度数据视为平面点云,推导了倾斜仪角度数据的稳健估计方法;在前述模型方法的基础上,利用最小二乘配置方法建立了倾斜仪与棱镜数据融合的严密联合解算模型.最后,通过试验对上述模... 详细信息

推导了倾斜仪与盾构的严密标定模型;将倾斜仪采集的双轴角度数据视为平面点云,推导了倾斜仪角度数据的稳健估计方法;在前述模型方法的基础上,利用最小二乘配置方法建立了倾斜仪与棱镜数据融合的严密联合解算模型.最后,通过试验对上述模型方法进行了分析验证.结果证明,提出的盾构姿态解算模型正确可行.

关键词：盾构姿态倾斜仪数据融合稳健估计最小二乘配置

基于AM-BiLSTM模型的块石回填土区盾构姿态预测研究

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铁道科学与工程学报 2023年第8期20卷 2948-2960页

作者：汪来王树英潘秋景肖超中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学隧地工程研究中心湖南长沙410075 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室湖南长沙410075 中建五局土木工程有限公司湖南长沙410004

为了解决盾构机在穿越块石回填土区段姿态难以控制的难题,依托重庆地铁5号线北延伸段中~椿区间穿越块石回填土层工程实例,建立基于注意力机制的双向长短时记忆神经网络(AM-BiLSTM),对掘进过程中的盾构姿态进行预测,将模型预测结果与传... 详细信息

为了解决盾构机在穿越块石回填土区段姿态难以控制的难题,依托重庆地铁5号线北延伸段中~椿区间穿越块石回填土层工程实例,建立基于注意力机制的双向长短时记忆神经网络(AM-BiLSTM),对掘进过程中的盾构姿态进行预测,将模型预测结果与传统双向长短时记忆神经网络(BiLSTM)、长短时记忆神经网络(LSTM)进行对比,并对AM-BiLSTM模型的现场应用效果进行检验,最后总结了块石回填土区盾构姿态调整的针对性措施。研究结果显示:AM-BiLSTM模型对盾构姿态具有良好的预测性能,盾首垂直和水平偏差在测试集上的预测准确率分别为72%和86%,盾尾垂直和水平偏差在测试集上的预测准确率分别为88%和96%;AM-BiLSTM模型与BiLSTM,LSTM对盾构姿态的预测效果存在差异,其中,AMBiLSTM模型在测试集上的平均预测准确率最高,BiLSTM的平均预测准确率次之,LSTM的平均预测准确率最低;通过AM-BiLSTM模型预测盾构姿态,结合盾构姿态调整的工程措施,盾首平均垂直、水平偏差较未应用AM-BiLSTM模型时分别降低47.9%和35.8%,盾尾平均垂直、水平偏差较未应用AM-BiLSTM模型时分别降低8.9%和4.8%;块石回填土区盾构姿态调整的工程措施包括:通过减小盾构推力、提高刀盘转速和减小刀盘扭矩的方式,加大刀具对孤石的切削、冲击频率;采取地面注浆、旋喷等辅助注浆加固手段对工作面进行加固,减小盾构掘进的不均匀阻力;控制盾构掘进速度在35~50 mm/min并采取短行程多循环的方式进行掘进;及时靠拢千斤顶并拧紧纵、环向螺栓,当成环管片推出盾尾后,根据拼装后的圆环椭圆度,再次复紧纵、环向螺栓。

关键词：盾构隧道块石回填土盾构姿态 AM-BiLSTM

软土地层加固对盾构姿态调控及地层变形的影响研究

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现代隧道技术 2023年第2期60卷 138-148,167页

作者：苏栋谭毅俊沈翔黄昌富陈湘生深圳大学土木与交通工程学院深圳518060 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室(深圳大学) 深圳518060 深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室深圳518060 中铁十五局集团有限公司上海200070

依托珠海市横琴杧洲软土地层大直径盾构隧道工程,建立未加固和预加固地层大直径盾构掘进数值仿真分析模型,通过改变推进系统荷载分布来施加偏转力矩,研究偏转力矩与盾构机俯仰角之间的关系以及盾构机姿态变化对地层变形的影响。结果表明... 详细信息

依托珠海市横琴杧洲软土地层大直径盾构隧道工程,建立未加固和预加固地层大直径盾构掘进数值仿真分析模型,通过改变推进系统荷载分布来施加偏转力矩,研究偏转力矩与盾构机俯仰角之间的关系以及盾构机姿态变化对地层变形的影响。结果表明,造成该工程盾构机初始“低头”状态的重力偏心矩为261 MN·m,地层预加固条件下,使姿态调至水平所需的偏转力矩约为21 MN·m,较未加固情况(111 MN·m)小81.1%;地层预加固条件下正偏转力矩每增加100 MN·m,盾构机俯仰角增加约0.015°,较未加固情况(0.095°)小84.2%;相同负偏转力矩条件下,预加固后俯仰角的绝对值较未加固情况小85.0%以上;地层预加固使地表最大隆起量和最大沉降量均减小95.0%以上。

关键词：软土地层盾构姿态偏转力矩俯仰角地层变形