[发明专利]一种用于隧道掘进的掘进机器人及远程移动终端指挥系统

说明书

本发明公开了一种用于隧道掘进的掘进机器人及远程移动终端指挥系统，其中，该机器人包括：掘进机器人的本体掘进机、设置在掘进机上的感知单元、智能决策单元和控制单元，感知单元与智能决策单元通信连接，智能决策单元与控制单元通信连接；感知单元实时感知在当前周期，掘进机根据设定掘进参数信息进行掘进作业时的掘进作业数据；智能决策单元接收感知单元发送的掘进作业数据，并根据预设预测算法、掘进作业数据和期望掘进效果预测生成下一周期的设定掘进参数信息；控制单元接收并根据设定掘进参数信息控制掘进机进行下一个周期的掘进作业。该机器人可对掘进过程进行在线监测、自主决策反馈控制和无人掘进操作，实现掘进机无人操作或远程控制。

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，特别涉及一种用于隧道掘进的掘进机器人及远程移动终端指挥系统。

背景技术

目前我国已是世界第二大经济体，对水资源跨域配置、水电开发、交通建设的需求量大。一批批水利水电工程、铁路、公路交通工程等重大基础设施相继开工建设，而隧洞是水利水电、交通建设的关建控制性工程。

我国水利水电建设对掘进机的需求将爆发式增长，如规划中的南水北调西线第一期工程深埋长隧洞总长264km，最长洞段73km，最大埋深1150m，掘进机需求数量近20台；规划中的滇中引水工程总长超过650km，该工程由60多座隧洞构成，将采用2台掘进机掘进；已开工的引汉济渭引水隧洞全长98.30km，最大埋深超过2000m，其穿越秦岭主脊段39.08km，采用了2台掘进机；雅鲁藏布江下游水电开发，总规模达6000万kW，其玉松水库电站拥有6条引水隧洞，单洞长约30km，估计需要6台掘进机。

交通工程建设重点将向地形地质复杂的西部山区和水域阻隔的东部海峡地区转移，今后将修建大量的艰险山区隧道和跨江越海隧道。据统计，到2030年我国将建成高铁4.5万公里，未来10年我国将修建上万公里公路铁路隧道，特长隧道超过2000公里。这些待建的深长交通隧道工程将越来越多采用掘进机施工，以论证中的渤海海峡跨海隧道为例，规划全长约120公里，经过中国工程院论证认为最佳方案是“以掘进机为主，以钻爆法为辅”，共需约15台掘进机。

相对于常规钻爆法，掘进机施工对不良地质洞段的适应性较差，在大埋深长隧洞施工中容易受到断层破碎带、软弱地层、突涌水、高地应力等不良地质洞段的影响，存在掘进机主轴承刀盘异常损毁、破岩效率低、掘进速度慢甚至卡机、被困等施工风险，损失动辄数千万甚至上亿元，更甚者导致整机报废，人员伤亡的灾难性后果。此外，传统的施工方式中，主控室操控人员通过缓慢试掘进过程评估围岩状态参数，再通过反复调整掘进参数直到掘进参数保持稳定，最后掘进机的执行机构由主控室操控人员下达指令进行动作实施。这样的操作方式一方面会导致大量施工时间的花费，另一方面当围岩情况发生巨变时，无法对当前围岩的实际参数情况进行实时有效的感知，导致掘进参数无法适应当前掘进环境，造成刀具的非正常磨损和刀盘系统破岩性能的下降，严重情况下将导致硬岩掘进机关键部件的破坏及停机，影响硬岩掘进机的正常使用寿命，人为控制掘进机执行机构实施掘进动作带来的误差甚至错误对于掘进机的精细化控制相当不利，轻则导致掘进施工质量达不到预期，重则引起机毁人亡的重大施工事故。

为解决隧洞建设面临的复杂地质条件下大断层、破碎带、高地应力、岩爆、突涌水等不良地质洞段的施工难题以及上述其他问题，研发一种智能隧道掘进机器人(TunnelBoring Robot,TBR)，探索掘进机掘进参数智能决策理论与优化控制方法，最终形成一套掘进机施工不良地质实时超前探测与掘进智能决策的基础理论、实用方法、支撑软件和关键技术，规避和防止掘进机掘进重大灾害事故，保障掘进机安全、高效、优质掘进，对提升我国隧洞智能建造和掘进机制造的核心竞争力具有极其重要的意义。

针对目前隧洞建设面临的复杂地质条件下大断层、破碎带、高地应力、岩爆、突涌水等不良地质洞段的施工难题，相关的操作方式中仅能凭借主控室操控人员的人为经验猜测围岩状态参数，依靠不断尝试不同掘进参数导致的耗时耗力、掘进机刀具与刀盘不正常磨损甚至破坏、掘进机其他关键部件破坏等技术问题，人为控制掘进机执行机构实施掘进动作带来的掘进施工质量达不到预期甚至引发重大施工事故的问题。