基于数据挖掘技术的地铁盾构机故障诊断方法研究.pdf

上海大学硕士学位论文摘要 地铁盾构 机是一种用于 隧道掘进的 集机、电、液、传感、信息 技术于一体的专用工程机 械。随 着城市市政建设步伐的加 快，往 往需要同期多台 盾构进行施工，这对盾构机的 运行可靠 性提出了很高的 要求。盾构机的 知识自 动获取，进行实时故障诊断，是防止盾构 故障，保障 运行安 全，提高 挖掘效率的一个重要 技术手段。在盾构的数据采集系统中存储了海量的数据，这些数据背后隐藏了大量的知识，但没有被深刻理解。数据挖掘可以从大量的数据中智能地、自 动地提取有价值的知识和信息，是当前相当活跃的研究领域。本文将数据挖掘技术引入到盾构机故障诊断中，以解决盾构故障的模式识别问题。盾构机故障诊断技术是利用盾构机的状态信息和历史状况通过分析和处理来定量识别其实时 技术状态并预测异常故障的未来技 术状态的一门 建立在多学科基础上的综 合技术。本文以 三菱土 压平衡 盾构机为 研究对象，在系 统的归 纳总结了现有的数据挖掘技术及分析了盾构机的工作原理、基本结构及检测数据项目的特征的基础上，针对盾构机的故障非线性的特点和神经网络所具有的很强的学习能力、适应能力和鲁棒性的优点，采用神经网络对盾构机进行故障分类。但由于特征向量的冗余，可能产生不可识别的故障，因此本文提出了应用粗糙集的数据挖掘技术对盾构的故障特征进行属性的约简。另外，考虑到盾构状 态监测系统所采集的 信息以 时间序列数据的形式记 录在数据库中，因此 本文引 入了 时间序列相似性 进行特征模式建 模，以此实 现盾构故障诊断中的预测问题，并使其具有一定的机器学习能力。最后，本文 在劝s u a 1 C 一 6.0 集成开发环境中对 盾构机的故障诊断系统 进行了软件实现。但是数据挖掘研究正处在发展阶段，数据挖掘本身以及其在盾构故障中的 应用还有许多问 题值得探讨，本文的 研究 工作是一 个尝 试，相关工作 还有待进一步深入。关键字:地 铁盾 构 机数据 挖掘 故 障 诊 断 模 式 识 别上海大学硕士学位论文ABS TRACT T 七 e Und er gr o unds hi el d isa sP 颐alto nne l di 细ng m a c h ine w h l ch inte gr a t esm eC b a n l cs，el e c t ri cs，h y d r a u l i cs，阳 d i n fo n 刀 ation t e c hn o l o gy.Withthe raPids t ePofd tyco ns tIUCt，m any S hi el dsw o rkato net l m e，w hi chn 以 刁 hi gh d O m and ofo pe r a t 1 0 n闭i ab ili ty.s hi d dknO wied g ea Cq u l reIn ent an dr ea l.t i ln efauitdi a gno sis isan加训n a n t m e a nto avo id s h i el dfa u l 七。招 u r eru nmn gsa fean d1 m P IO ve di 勿nge 伍 d en c y.There are b u 罗 d a taSa v edinthe d a t a collectionsyst eIn，b utth e vaiu a b l ej n fo n”a t i on hi ddenb e h i n d ofthe d a t a isn o t mi n d and us记e 月 七 c t i v e l y.D at a 而n i n g isoneof th em o st a c t l ve rese ar ch areas n o w a d a ys，w h i ch candi s cov er v a】u a b l e如。w l edg e andi n fo n 刀 ation i nte ili g e n t lyanda u t o m a t i 叼ly五.md at abas e.The p aperi n tr o d u 以 月the d a t am i n l n gt eC hoo lo gy i n t oS hi e ld fa u l t di a gn 0 sis to so 1 ve thep r o b l ems offa u l t P a tt。刀 R e c o gnit i o n.S hi el d 丘 lu l t di a gno sist e c ho 0 1 o gyisa co m p r e h ensi vet eC hoo l o gybuiltu pon m an ys u bj e c ts.Itcanbe q u a n t i fi c 硕叨目 l yl d ent i fi 目 t b ere a l.t i m et echnl d s t a te 朋d允 r e c as t edthe fu to reab加 rmalfa u l t with阮 s ta ti”mes s a g esand hi s t o rys t at usoftheS h l el d t h r o u gh an al vsis and h and l i n g.T h e M i t s u b i shi.时 h P n 治 s u r e b al a n 以 刃S hi el disthe m ai n s tU d y obj eCt in面s p 即er.A ft erconc】u d i ng and s u n”刀 a n z l n g t h e exi stingd ata 而nin gt 留hoo fo gies s y s t e m 1 cal1 y，ana 1 yZi n gt h ew。政访 gPrinciP l e，b as icco n s t ru c t an d the fe al 泊 r e o f d e t eC t ed d a t a i t e m s，th e p a pe r ad o Pts N eUr a 1 N e tw o r k(N N)toso rtthe s hi el d faults smceits non 一 h nearfe at u r e and N N、e 成s tu d 如 n gab ili ty，耐a P t a t l onand ro b us t n es s.O w i n g toth e r edu n d a n t d g e n v eC t o r，it m i ghl 妙s ome fa u l t s w h i chcannot be gniz ed.Therefo re，th e p aper如。Pts th e l eC hno l o gyb as edonD ata M i n i n g ofR o u ghS et for S hi el d fa u 1 t cha r a c t err ed u c t io IL B es i d eS，S h 1 e l d runmn g i n fo rmatio n co l l eC t edb y s t a tt 巧 m o n i t o r s y s t em are s a v 比in t h e d a to b ase with t h e tyP eofti m e sen es.so t h e t i m es eriess i mi l a ri ty 甲a tt e r ntomo d eling isaPP l i 目 tor ea l说 e the s hi el dfa u l t fo r e c as t.A n d l h e s y s t em h ass o m em朗h l n e l e a n”ng abil ities.Fi nallv，the s hi eld fa u l t di a gn o sis s ySteIn b as edon a b o veth eOri esisCOm e trUew i t h the 巧s u a 1 C 十+6.O d e v eI 0 p m ent envi ro nIn ent B utthe D ata Min l n g r eS ea rc h isouly o n the s t a g e o f d e v e】o P i n 乡Al o t o f P ro b 1 ems are wert h y o f di s cuss l n g a b O utD ata M i n i ngitsel f and itsa p P li c at 1 o n inshieI d fa u 1 t.T 五 e s tU d y of而s p aperis j ust toh a v e a try，rele v a n t w o r k n 以 刃 s fu rt h ers to d y.U n d er o u n d s hi eld;D ataM 而n g;F aultD i a gno si s;P attem上海大学硕士学位论原 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己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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。/分，分签 名 巡牛日 期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)签 名:导 师 签 名:_ 沐匕日 期:，又、_、上 海大学硕士学位论文第一章 绪论，.1论文选题及其研究意义 从20世纪80年代起，世界上一些发达国家在总结经验教训的基础上，开发和创立了设备诊断技术，它能在设备运行或基本不拆卸全部设备的 情况下，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测未来的技术状态，从而可在早期有效地发现，以及在后期及时地抵制故障，保障生产的可持续发展。因此，在生产中 运用现代设备故障诊断技术，可给企业带来巨大的经济效益，归纳起来可以 集中 体现在两个方面，即突发故障的降 低和维修费 用的减少 11，2，3 。国内 外许多资料表明，开展故障诊断的效益是明显的。据日 本统计，在采用诊断技术后，事故率减少75%，维修费降低25%一5 0%，英国 对2 0 以)个国营工厂的调查表明，采用诊断技术后每年节省维修费3 亿英镑，用于诊断技术的费用仅为0.5 亿英镑，收益为投入的6 倍。据有关部门统计，化肥生产中，1 套年产30万吨合成氨的 工厂，如果能将每年的 停车时间减少1 个月，就可以 增加6 0 0()多万吨的产量。我国 每年用于设备维修的费用仅冶金部门 就达2 50亿元，如果将故障诊断这项技术推广，每年可减少事故50%一7 0%，节约维修费 用1 0%一3 0%，效 益相当 可观 14，】。不 难 看出 从 事故 障 诊断 技术的 研究和安装诊断 系 统的 作用。然而随着计算机和电子技术的飞跃发展，促进了工业生产现代化和机器设备的大型化、连续化、高速化、自 动化，生产过程要求有极高的安全性和可靠性.地铁盾构机就是其中很典型的一种，它是一种综合了 机械制造、新材料、新工艺、电 子信息、自 动化等高新技术在内的、专用于地下隧道工程开挖的大型高科技施工设备，具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点，比 之传统的钻爆法隧道施工具有明显的优势，有着良 好的综合效益，目 前正朝着液压和电 气自 动控制、智能化和多功能化的方向发展。在盾构隧道施工中，随着施工工艺的日 趋成熟以 及技术水平的 不断提高，工程进度的 快慢很大程度上取决于盾构设备的完好性。盾构机由 于本身结构复杂，施工环境恶劣，因此设备的故障率较高.目 前，故障排除手段仍主要依赖于人工检修，故障及时修复率较低，经验表明:即使一个熟练的技术人员，在排除故障时，确定故障原因 和部位的时间约占 总时间的7 0%9 0%，而只有约1 溅 3 0%用于上海大学硕士学位论文因此，本文将数据挖掘技术引入到地铁盾构机的故障诊断中，具有一定的理论意义和现实意义。1.3本文安排 地铁盾构机是一个极为复杂的大型系统，要想对其进行全面的故障诊断研究很困难。目 前，虽然对盾构运 行状态在线监测十分重视，但是并没有建立 起大型全面的故障 数据库。另外，对 地铁盾构 机数据监测采集 系统所保存的数据利 用也远远不 够。针对这种情况，作者 选用三菱土压盾构作为 研究对象，将数据 挖掘技术引 入到地铁盾构机的故障诊断中，进行相关应用研究。论文的具体组 织结 构为:第一章为绪论。介绍了本文选题的背景和意义，故障诊断及数据挖掘技术的研究现状等。第二章介绍了土压平衡式盾构结构与工作原理。具体分析了土压平衡盾构机的 工作原理、基本结 构及其 在推进 过程中的力学 模型。第三章介绍了盾 构机的 故障机 理及特征分析。对盾构机的故障 特点 及产生机理进行介绍，并分析了盾构机的动态实时检测项目及设计要点，提出了一种新型的地铁盾构机故障诊断方法一 一“能量分析原理o 第四章介绍了 基于数据挖掘技 术的 故障诊断 方法。提出了 一个基于数据挖掘技术的地铁盾 构机故障诊断方法，即 利用粗糙集进 行属性的约简，然后利用神经网 络进行故障的 识别，而利用时间 序列相似性查 询进行故障的 预测。第五章介绍了 数据挖掘技术在 盾构机故障诊 断中的 应用。将第四 章中 介绍过的三种 方法应用于地铁盾构机的故 障诊断中以 进行数据的 分析和知识的 挖掘。第 六章介 绍了 系统的软件实 现.选择劝s u a l c 一作为开 发平台，A C C E ss 作为数据 库，对地铁盾构机故障诊断 系统予以 实现。第 七章是总结和展望。分析了 数据挖掘应用于故障诊断的 广阔 前景，对论文存在的问 题作了 总结和分析，提出 进一步工作的方向。上海大学硕士学位论文第二章 土压平衡式盾构结构与工作原理 地铁盾构机是一种用于隧道掘进的集机、电、液、传感、信息技术于一体的专用工程机械，具有开 挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向 纠偏 等功能。目 前，盾 构已 广泛应用于城市建设的 隧道工程中 旧.近年来，随着我国开展大规模的城市市政工程建设、尤其是几个重要城市都已 开始了 地下铁 路的 建设工程，在这些 地下 工程中，由 于受到施工场地、道路交通等城市环境因 素的限 制，使得传统的施 工方法难以 普遍适用。在这种情况下，对城市正常机能影响很小的隧道施工方法盾构施工法得到了人们的普遍关注，并且 在一些地区己经 有了 较为广泛的使用。盾构 技术的 基本方法为在隧道的一端建造竖井，以供盾构机安装就位，盾构机从竖井的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线向 另一竖井推进。盾构推 进过程中所受 到的 地层阻 力通过液压缸传到盾构尾部的隧道衬砌结构。盾构每推进一个工作行程，就在盾尾支护下拼装一段衬砌，并 及时 地向靠近盾尾后面的 地层与 衬砌环外周之间的空隙中压注浆液，以 防止隧道 及地面下沉，同时不断从开 挖面排出土方 11 们.盾构机种类繁多，下面以本文的研究对象三菱土压平衡盾构为例，对盾构机的 工作原理 及基本构造进行介绍。2.1地铁盾构机工作原理 盾构施工的主 要原 理就是尽可能在不扰动 周围 岩块的前提下完成施工，从而最大限 度地减少 对地面 建筑物及地基内 埋没 物的 影响。为了 达到这一目 的，除了刀盘和盾构钢壳可以被 动地产生支护作用以 外，使用土砂房间内泥土 或泥 水压力平衡开 挖面上的作 用土 压力和水压力，使用壁 后注浆及时充填由开挖 产生的 盾尾空隙，主动地控制周围岩块应力释放和变形是盾构技术的关键。图2.1 为土压 平衡盾构机示意图。当 土压平衡盾构 机掘进时，由 刀盘切 削下来的 泥土进入土砂 房间，再通过螺旋机 不断向 后方 排土口 排出。由于 泥土通过刀盘切削 和扰动后会 增加 泥土的 塑流性，因此即 使粘结性较大的泥土在受到刀 盘旋转切削 扰动和螺旋输 送机传送扰动后也会变得更为 松软，具有较大的 流动性，因而能较好的充满土砂房间和螺旋机壳体内的全部空洞，使土砂房间内的土压能均匀传递，通过调节螺旋机转速及排土闸门大小或调节盾构推进液压缸的推进速上海大学硕士学位论文顶的推进速度控制。其配备的总推进动力为 3 7 840 k N(每单位挖掘面为1 2 o o k N/由 2)。推进的速度和行程通过安装在1、6、10和18号千斤顶上的传感器获取并显示在盾构控制室面板上。千斤顶油压分4 个区域控制。上部7 个长行程千斤顶用以拼装封顶块。2.2.4铰接装置 铰接装置是在进行曲 线施工时，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 用铰接千斤顶连接，根据需要，使前筒和后筒弯曲的装置。连接部设有防止晃动挡块，可防止前、后筒的晃动。该盾构左右方向的最大偏转角度为1.50，上下方向的最大偏转角度为0.50。前、后筒连接部配置有16个铰接千斤顶，借以形成、维持铰接状态。2.2.5管片拼装机 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，平移千斤顶负责水平方向的移动，保持千斤顶可防止管片偏移。举重臂装置可左右旋转，由2台油压马达经齿轮驱动。旋转角度为左右各2 2 00，通过电缆盘限 位开关限位。转速有常用和高速两种，可互相切换。操作方式无线或有线皆可。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，如图2.3 所示。图2.3形状保持装置上海大学硕士学位论文第三章 盾构机的故障机理及特征分析 地铁盾构 机是集机、电、液和控制于一体的 机电 大型系统。其结构庞大，层次多，光驱动电 机就达十 几个，电 磁阀 数百 个，液压泵及液压 缸几十个。各个 单元、部件间互相关联及元部件的多样性使系统建模困难。由于设备系统的复杂性，其故障 表现呈现的突发 性、随 机性，无序性给维修造成困 难。在课题调研过程中，很多故障案例说明了盾构机设备个别器件失效引起的系统故障，因排障过程时间过 长而直接影响 到生产 效益和工程进度，造成巨 大损失。3.1地铁盾构机故障特点 机电系统的结构层次多，各个单元、部件间互相关联及元部件的多样性使系统建模困 难。同 时在故障 诊断过程中，由 于故 障的 突发性、随 机性强，系统可靠性能分布统计特征不稳定及故障表现形式的多态性，给故障诊断推理逻辑的设计、故障源的 正确定位带 来困难。盾构机的工况条件变 化大、并存在过程不确定和外部干扰等因 素，所以 使得大多数 基于系统模型的传 统故障检测与诊断方法在此中难以实现，或在简化条件下实现也无法实际使用。根据盾构机的机电 系统结构 特点及工作原理，运用领域专家知识，整个盾构机的 故障主要可以 分成 三个单元故障 刀盘单元、推进单元以 及螺旋机单元。现将盾构机这三个单元的主要故障源及故障表现形式用故障树形式表 现，如图3.l to3.3所示。上海大学硕士学位论文 刀盘尸 一 一，一 匕 一 一，一 一，禹电 吸目 月 瑰肠钧 砚日 门龙.份里且么，.饭川撇聋甘份-育白妞行份.胜曲口该d故.谊.卜故.电倪位.以知笋小予匀协1白L个口.砚不ILL.刀晌份自扭不臼.翻+加电抚不升亩.份不角.大合吐.盛厂 崖 勺一.令月.喇吧尸n见.叨户八万祖的.曲.坏食.叨口翻自幼柑杏井几耳吐.已盆.钾n公.赶芭比曲.令开勇写恤比故.古肠坏料林习禹“扑图3.1刀盘单元故障树 推进尸一-一二尸一一一一 一，再牛 斤月甲.一日千斤 旧刀趁 名.峪月 一禹占电.目内价勺-盈.过压日.翻曲.吮创三翻狡创召娜出侧过压.内节砧-坏草-口肠年电气曲-卜千峪口.电.坏(妙:份.盛-月封”洲介禹琪暇，.，.1|胜|ILM，理谁口lesJ二户开一伙.rt气 竺 日压 思月 性 一力.姗日住曰公盆长开比曲.状母协抽苗石压电妞三右舀压电妞口曰毖状份肠坦行肠一叨.妞侣绍后讯扭几由肠难角.助.叻幼力爪元盈口“勺日舀压晚定班元曲.自门的.只有死电.饭5血，无.血口傲岛尸 叭盛从班.产t价叮芯任压吸尾用盛盛竹翻交全.故.班洲D给空且且目，失之，内班声t侧泊龙的IPeZ勺白申-个曲.耗。.砂的占1故.宜全目砂”坏图3.2推进单元故障树上海大学硕士学位论文妞 旋机.艘盆不箱门泣盆箱动无力门日络目 班先只泊压 太任一井，呵 贵锅，尸 一 11 1 镶昨!”;奉 蔑!1 1 1占 去 从占介娜护戮占尸共翻压任接向阅甲21.油.马达内，严盈吐自节倪目(切切比)胜仲 ，卫泊压任成无-艘向阅(钾洲甘故阶1lesJ迫怕引拐.IlweJ，.电.故除-一减可肠故防一 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刀盘离合器沮度物 石 刀盘离合器谧度吻 7 刀盘离合器盆度No 名 刀盘离合毅沮度刀盘离合器压力土砂房间土 压让)土砂房间土压汗)土砂房间土压佐)土砂房间土压(右)推进 单 元刀盘单元N al 千斤顶行程冲 6 千斤 顶行程物 1 0 千斤 顶行程掬 1 吕 千斤 顶行程冲 1 千斤顶速度物 6 千斤顶速度No 1 0 千斤顶透度吻.1 日 千斤顶速度峨斜角度 后构机)旋转角度 后构机)后构机推力盾构机P U电滚抓旋机压力点旋机转邃点旋机出土量缘旋机阳门开百分比姗旋机P U电流匡龙 元 麒 旋 姗 图3.4地铁盾构机三故障单元 检测 项目3.4地铁盾构机故障分类及诊断 方法设计要点 地铁盾构机故障 类型划 分可按 单元功能，或按机、电、液性质等多 种规则 进行 分类，这里所提的故障分类是根据故障 呈现的 基本特征进 行划分。按 盾构 故障源的 性质，有一种故障是由 个别零部件的 突发性失效引 起的突发故障，故障 发生前，无 法观察到其前兆症状，这种故障经常是由电 磁阀、控制继电器、交流 接触器等器 件失效所引 起的。另一类是故障的发生 有一定的 演化的 过程，其呈 现的 形式是性能参数趋于下降，故此故障的前兆症状可以在其盾构设备运行状态检测数据记录中有所呈现。但是，盾构机的数据记录多达一百多项，数据记 录每 2 3秒就刷新一次，这种信息往往被淹没在海量的数据堆中，这种故障经常是发生在上海大学硕士学位论文刀盘电 机、推进用 千斤顶、螺旋 机油 马达、液压泵等 此类部 件中。因 而，应针 对此二类 特点，配之以 不同的故障诊断 方法。考虑到每个零部件的故障发生概率是个重要的推理判据，而盾构机结构的复杂性使得无 法通过分 析手段得到该 类数值。基于相关 领域知识和使用经验可为 其提供一个定性 概念，如“经常发生”、“不常见”等的语言描 述。根据统计理论，对一个随机发生 事件的 概率分布参数的 估计是需要有样本 数据。因 而，上述的定性概念不能用于概率分布参数的估计。鉴于上述情况，需要有一个能结合相关领域知识和使 用经验的定 性概 念，并能 对故 障发生概率分布 参数进行估计的算法，而主观贝叶斯方法是一个有效的算法工具。运用主观贝叶斯方法，结合相关领域知识和使用经验的定性概念，以此类经验去确定一 个初始概率 缺省 值，以 此作为一 个故障先验概率参数估 计值，形成故障树自 动 搜索时 的规则 判断其后在系 统运行中 结合实际故障事 件的 统计数据，形成对故障发生的后验概率参数的估计值。该值可以通过系统故障维护功能，作为对敌障树自动搜索规则判据的修正和调整。通过此种方法来处理第一类故障。在设备的使用过 程中，上述第二类故障的引 发机理相当复杂，是器件、设备结构、使用工况及操 作模式等各 类因素的综 合作 用。但其故障前兆 症状可以 在其设备运行状态检测数 据记录中 有所呈现，这需 要我们能利用这些包 含故障诊断后验知识信息的数据.在故障 诊断理论研究中 是一种知 识发 现方法，本文仅对第二种故障及其诊断进行研究。根据对数 据挖掘理论的研究，可以 在海量的数据记录中 挖掘故 障前兆的时间系列模式及其 特征表达，进行模式识别和 类分析、属性提取等工 作:同时 通过对各单元的数据 进行相关分析方法研究，建立故障分 析推理的综合测度参量。在此基本前提下，再进一 步用知识发现方法归纳提升为 故障 诊断知识，建立故障诊断动态知识库，这样就可以用来处理第二 类故 障.3.5基于能量分析原理的盾构机故障诊断方法 对于盾构机三个故障单元中任何一个单元，其上的零部件在运行过程中组成一个动力传递 链，如果 在传递过程中 有部分零部件 功能 退化，将使动力传递效率降低，致使原 动机功耗 增加。因而，对3 个单元的原动机功 耗值数据的时 间序列进行分析，由于输入的能量应与输出的能量保持一个恒定的关系，而当这种关系上海大学硕_t 学位论文发生变化超出一定范围时，则可认为故障发生，这样就可以进行故障模式识别，我们将这种分析方法称为“能量分析原理气 盾构挖掘隧道过 程，可以 将其简化成多 刃铣刀的圆 孔铣削过程，其刀盘上的切削 力主 要是克 服土层与 刀盘刀片 之间的摩擦 力。与 切削加工相 似，影响切削力的主要因素有背吃刀量、进给量和切削速度，另外还与切削液等相关，而切削力主 要由电 机产生，因此影响 刀盘电 机电 流的相关测量 包括土砂房间土压、刀盘转速、盾构机推进速度，加泥 加水项目 等。另外，值得一 提的 是刀盘单元的8 个刀盘电 机电 流对其均值的 偏差变化 情况，可以 对个别电 机的 不正常状态进行一定的概率风险预测。由 于刀盘电 机电 流的工况可以 反映刀 盘电 机的功率变化，而由 功率公式P二F v 可知，土砂房间土压x刀盘转速与刀盘电机电流必定相关，但将刀盘电机电流和土砂房间土压x刀盘转速进行曲线拟合发现两者的相关性并不好。此外，由 第二章 式2 一可 知，刀盘扭矩与盾构 机推力成正比，因 此刀盘电 流的变化可能也与盾构机推力相关，因此我们将刀盘电机电流和土砂房间土压乘以刀盘转速再加上盾构 机推力作曲 线回归再进行 相关性比较，图3.5 是上海轨道交通杨浦线周家渡工 地的 三菱土 压盾构于2 0 05年5 月12日 挖掘的从214 环至2 23环这十环正常运行时的曲线，可以看出两者的变化趋势大致相同，其相关系数分别为 0.9 0 1 7 2，0.5 9 0 9 7，0.5 3 9 5 1，0.4 弘以，0.4 5 7 7 7，0 5 以2 5，0.64 2 0 1，0.5 3 5 花，0.71928，0.573，从中 可以 发 现有些环的 相关性较差，这主 要是由 于在盾构挖掘过程中，为了保持开挖面的平衡，要进行加泥注水，这势必会导致土层土体私聚力及内摩擦角等发生变化.当盾构机刀盘单元发生故障时，刀盘单元原动机输出功率参数运行曲线，即八个电机电流的运行曲线将不能和单元终端负荷参数运行曲 线有这种对应关 系，也 就是说两者相关性会变得很差，图3.6为 周家 渡工地施工 时 盾 构 机 刀 盘 单 元 发生 故 障 时 两 者的 相关 曲 线，其 相 关 系 数 分别 为 毛 0.2 12 81，0.2 7 7 1 2，0.3 9 7 3 4，0.3 3 0 7 9，02 9 3 7 7，0.1 4 9 1 1，0(X)1 646 9，0.3 6 9 1，0.3 1 2 9 8，一 仍 51 93，因 此 可以 利 用 刀 盘电 机电 流 和 土 砂 房 间 土 压 乘以 刀 盘 转 速 加 上 盾 构机推力这两项进行相关性比较，当两者的相关性较差时，可以认为盾构机刀盘单元发生故障。上海大学硕士学位论文摊 粼图3.5刀 盘单元正常工作时 孤 _.洲肠 厂一件 似甲 一 rr，_ _“一_ _“_ .。二 _ 尸 一 尸 一 r l”尸1 0D印40加，田叨礼印40、一。一2山 第 副 6严。_ 刚 图3.6刀盘单元发 生故障时 推进 单元的 推进速度可认为是刀 盘的进给 速度。在推进过程中，主要是克 服盾构推 进中 所受到的两个阻力，一是盾 构机与 隧道间 的摩擦力，二是刀 盘刀片 切削中产生的 轴向 进给抗力.由 上章分析 可知，对于推力 单元中的 故障主 要可 选用上海大学硕 七 学位论文土砂房间 土压、千斤 顶推进速度、刀盘转速、加泥 加水 项目，盾构机P U电 流等进行分析。由 于盾构机P U电流 是反映了 盾构 机千斤 顶单元液压泵电 机电 流，同样由 功率公式可知它可以 和千斤顶压力、千斤顶推 进速度进行联合分析，其中千斤顶压力、千斤顶推进速度是自变量，盾构机 P U电流是因变量。图 3.7盾构机所处的工况与图3.5 相同，也是从21 4 环至223 环 这十环的 盾构机P U电 流与 千斤顶压力乘以千斤顶推进速度曲线拟合后的相关性曲线，从图中可以看出用千斤顶压力与千斤顶推 进速度可以很好的反映出盾 构机的P U电 流变化，其相关系数分别为凌 0.8 5 941，0.8 4 7 9，0.7 3 7 9 9，0.5 8 9 4 2，0.5 科6，0.5 的3 1，0.7 1 8 1 9，0.5 8 6 9 6，0.80 19 8，0.90 211 。同 样，当 盾 构 机 推 进单 元 发 生 故 障 时，盾构 机P u电 流 与 千斤顶压 力乘以 千斤 顶推进速度 两者间的 相关 性会变得 很差，如图3.8 所示，其相关系数 分别为卜 0 0 5 9 5 7 6，一 0.0 3 6 9 7 2，一1 0 7 5 7，一 0 1 3 7 5 2，一 0.3 5 4 1 7，0.1 2 4 5 5，0.1 4 6 6 9，刁.1 2 7 5 6，一 0 00 2 5 0 1，0.3 7 3 1 7 ，因 此 可 以 利 用 盾 构 机P u电 流 与 千 斤顶压力乘以千斤顶推进速度这两者间的相关性进行比较，当两者的相关性较差时，可以认为盾构机推进单元发生故障。卿尸 沐 多分，呜乃 拟如一尸俨 一 户 碑图3.7推进单元正常工作时上海大学硕士学位论文篇，众 5 环知?6 环礴 印2 习 集幻 3 环L 于月，J 叼，护 卜，叭 卜卜下)一!r“丫一 下“)!I t 汇1 叹 溯 澳 二 旧 启 玉 不努 5 1 4 环2 0 第 日 C 日 不 4 呢卜 ，、，.卜.二 一 一)一 一4一_才 一一r 一 1拍 右，环珊 乡嘟 仰绷 图3.8推进单 元发生故障时 螺 旋机单 元的转 速是土压 平衡控制的主要控制 量，按照 土压平衡的原 理，其转 速的 控制是 土层土压设定 值与 螺旋机后部土 压差的函 数(PID 控 制、D项值一般是设 定零，无作用)通过对其进行非线性回归分 析(压差的积分 环+压差比例环)，如实际运行时，波动范围超越一定的限度，则可认为是螺旋机单元的故障征兆。同推 进单元中的 盾构 机的P U电 流一样，螺旋 机P U电 流也反映了螺旋机液压泵电 机电 流，因 此将千斤顶压力、螺旋机转速看作是自 变量，然后和螺旋机P U电流进行联合分析。图3.9的工况与前面相同，是十环螺旋机 P U电流与螺旋机转速乘以 螺旋机压力进行曲线拟合后的相关性曲线，其相关系数分别为诬 0.8 8 7 8 6，0 9 3 7 0 2，0.8 8 4 8 9，0 9 5 5 7 5，0.9 4 6 8，0.9 4 6 0 8，0 9 3 9 8 4，0.9 3 042，0 9 2 0 3 3，0.90 32 5，从 图中 可以 看出 用 螺 旋 机 转 速 与 螺 旋 机 压 力 可 以 很 好的 反 映 出 螺 旋 机的PU 电 流变 化。同 样，当 螺旋机单元发生故障时，螺旋机P U电 流与螺旋 机转速乘以 螺旋机压力两者间的 相关性会 变得很差，如图 3.10 所示，其相关 系数分别为 0.2 l 0()7，0.1 4 5 3 7，0.3 犯3 3，0.4 7 6 2 4，0 4 1 3 1 5，0.6 7 9 6 3，0.5 7 6 5 1，0.4 7 2 2 9，0.78 55 6，0.28 26 2，因 此可 以 利 用 螺 旋 机P u电 流 与 螺 旋 机 转 速 乘以 螺 旋 机 压 力两者间的 相关性进行比较，当 两者的相关 性较差时，可以 认为螺旋机单 元发生故障。上 海 大 学 硕 卜学位 论 文气溉。一一廿 行一今一一 r ”!气 一 一 花 苏 一 可 石 亥-扁图3.9螺旋机单元正常工作时一瓶、作 榨 翔韶 妇吧灵r，屹午、朴一档，刀印 如1 色 O4 O1 扣日 0 连 自一 尸 卜 不 户 护 州 洲 贮喇喇酬朽解一卜州州一印凡阂印和姗第 场环 珊溯田4o 2 吸，哪 如。印。图3.1 0螺旋机单元发生故障时3.6本章小结 要进行地铁盾构 机的故障诊断，必须首先弄清楚 其故障的机理。本章对盾构机的 故障特点及产生 机理进行分析，将故障分成两大 类，根据不同的 故障特点 提出 采用不同的方法，最后 分析了 盾构机的动态实时检 测项目，并提出了 一种新型的地铁盾构机故障诊断方法能量分析原理。上海大学硕:学位论文第四章 基于数据挖掘技术的故障诊断方法 由 上一章分析可 知，地铁 盾构机的故障可分为两 类，即突发 性和非突发 性故障，本文主要 研究第二 类故障，即 其故 障前 兆症状可以在其设备 运行状态中 有所呈现，而盾构数据 采集系统所保存的 海量数据就隐藏了此类 症兆的 时间