用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法及系统与流程

本发明涉及盾构施工工程领域，特指一种用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法及系统。

背景技术：

1、盾构机作为隧道施工的主要设备，具有施工效率高、可靠性强、安全性高和集成化程度高等优点。盾构机由众多的子系统组成，其中，液压推进系统是盾构机的关键子系统之一，主要用于克服推进阻力、维持机体掘进状态、调向纠偏和姿态控制。在盾构机作业过程中，可能会会受到地质条件、工作载荷、工作环境等因素的影响，导致液压推进系统在工作过程中发生各种故障。液压元件磨损产生的金属粉末和工作环境中的各种杂质也会污染液压设备中的液压油，使液压油的性能不稳定，影响盾构机的正常工作状态。被污染的液压油还会加剧液压元件的磨损，形成恶性循环，影响盾构机的推进效率甚至产生安全隐患。因此，在盾构机运行过程中进行液压推进系统的实时故障诊断是十分必要的。

2、但由于盾构机运行工况的复杂性，有些故障发生在液压推进系统的内部，具有高度的随机性、隐蔽性和复杂性，无法通过较直观的数据进行故障判断，即使判断出了故障类型，也无法快速获取最优的故障解决方案，导致故障持续时间较长，严重的甚至需要将盾构机停止运行并进行维修，严重影响施工进度。

3、现有技术中，通常是在盾构机由于故障严重出现停机后，对故障进行检测，且由于不清楚故障发生位置，需要对盾构机多个部分进行检测以确定故障点，从而增加故障修复时间，延缓施工进度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法及系统，解决现有的通常是在盾构机由于故障严重出现停机后，对故障进行检测，且由于不清楚故障发生位置，需要对盾构机多个部分进行检测以确定故障点，从而增加故障修复时间，延缓施工进度的问题。

2、实现上述目的的技术方案是：

3、本发明提供了一种用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，包括如下步骤：

4、对液压系统进行监测获取监测数据，将所述监测数据转化为权重故障概率，设定概率限额，若所述权重故障概率在概率限额范围内，则判定为正常，若所述权重故障概率在概率限额范围外，则判定液压系统出现故障；

5、在判定液压系统出现故障后，计算液压系统的各个功能模块的故障贡献指数，通过故障贡献指数确定出现故障的功能模块；

6、计算出现故障的功能模块的各个变量的变量贡献指数，通过变量贡献指数确定出现故障的变量，从而定位出现故障的功能模块的变量，完成故障的检测和诊断。

7、本发明用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法的进一步改进在于，在获取监测数据后，计算监测数据的平方预测误差和霍特林统计量，将平方预测误差和霍特林统计量转化为权重故障概率。

8、本发明用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法的进一步改进在于，计算平方预测误差和霍特林统计量包括如下步骤：

9、将各个功能模块分为主元空间和残差空间；

10、根据所述主元空间，得到负载矩阵和得分矩阵，即：

11、

12、其中t＝[t1,t2,...,tn]为得分矩阵，p＝[p1,p2,...,pn]为负载矩阵，tpt为主元空间，e为残差空间，ti为得分矩阵中的主元得分向量；pi为负载矩阵中的主元负载向量；

13、根据所述负载矩阵和得分矩阵计算平方预测误差和霍特林统计量，即：

14、

15、其中ei为残差e的第i行，pk＝[p1,p2,...,pk]是前k个主元负载向量组成的矩阵，spesub为平方预测误差；

16、

17、其中t＝[t1,t2,...,tk]为计算得到的主成分得分向量，dk＝diag(λ1,λ2,...,λk)是由x的协方差矩阵的前k的主元的特征值组成的对角矩阵，为霍特林统计量。

18、本发明用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法的进一步改进在于，将所述监测数据转化为权重故障概率包括如下步骤：

19、

20、其中和的数值根据贝叶斯因式分解和核密度估计法获得；

21、通过权重故障概率对各个功能模块的故障状态进行评估，即：

22、

23、本发明用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法的进一步改进在于，在计算各个功能模块的故障贡献指数时，根据阈值αc计算指数τsub，

24、

25、根据指数τsub计算累加指数γsub，

26、

27、根据累加指数γsub计算功能模块的故障贡献指数，

28、

29、fci即为故障贡献指数。

30、本发明用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法的进一步改进在于，在计算出现故障的功能模块的变量的变量贡献指数时，出现故障的功能模块有多个变量，根据变量的时序观测值xnew,sub计算指数ωsub,i，

31、

32、i为变量；

33、根据指数ωsub,i计算累加指数ωb，

34、

35、根据累加指数ωb计算故障功能模块的变量贡献指数，

36、

37、vci即为变量贡献指数；

38、判定vci最高的变量为故障变量。

39、本发明用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法的进一步改进在于，在将所述监测数据转化为权重故障概率前，还包括如下步骤：

40、提供液压系统的各个功能模块的样本数据，根据所述样本数据对所述监测数据进行筛选。

41、本发明用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法的进一步改进在于，计算样本数据的平方预测误差的极限值和霍特林统计量的极限值，若监测数据的平方预测误差和霍特林统计量超过样本数据的平方预测误差的极限值和霍特林统计量极限值，则放弃该组监测数据，若监测数据的平方预测误差和霍特林统计量未超过样本数据的平方预测误差的极限值和霍特林统计量的极限值，则保留该组监测数据。

42、本发明用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法的进一步改进在于，计算平方预测误差的极限值和霍特林统计量的极限值包括如下步骤：

43、

44、其中cα是正态分布在显著性水平α下，标准正态分布的阈值，λj为协方差矩阵σ＝xtx较小的几个特征根，spesub,lim为平方预测误差的极限值；

45、

46、其中m代表用于模型建立的采样样本的个数，fα(k,m-k)表示的是自由度为k和k-m的f分布上的置信度为α的临界点，为霍特林统计量的极限值。

47、本发明还提供一种用于盾构机液压系统的故障检测与诊断系统，包括：

48、监测单元，用于监测液压系统的各个功能模块形成监测数据；

49、处理单元，与所述监测单元连接，将所述监测数据转化为权重故障概率，设定概率限额，对所述权重故障概率进行故障判断，若所述权重故障概率在概率限额范围内，则判定为正常，若所述权重故障概率在概率限额范围外，则判定液压系统出现故障，在判定液压系统出现故障后，计算各个功能模块的故障贡献指数，判断各个功能模块中出现故障的功能模块，计算出现故障的功能模块的变量的变量贡献指数，判断故障功能模块中出现故障的变量。

50、本发明的有益效果是：对液压系统进行实时监测，获取监测数据，将监测数据转化为权重故障概率，设定概率限额，判断液压系统是否出现故障，当判断结果为是，则进一步计算故障贡献指数，判断出现故障的功能模块，再进一步计算变量贡献指数，进一步判断功能模块出现故障的变量，通过实时监测、精准定位和细化分析，有效解决了现有技术中的滞后性、定位难和效率低等问题，对于提升隧道施工效率、降低维护成本具有重要意义。

技术特征：

1.一种用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，其特征在于，在获取监测数据后，计算监测数据的平方预测误差和霍特林统计量，将平方预测误差和霍特林统计量转化为权重故障概率。

3.如权利要求2所述的用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，其特征在于，计算平方预测误差和霍特林统计量包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，其特征在于，将所述监测数据转化为权重故障概率包括如下步骤：

5.如权利要求4所述的用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，其特征在于，在计算各个功能模块的故障贡献指数时，根据阈值αc计算指数τsub，

6.如权利要求5所述的用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，其特征在于，在计算出现故障的功能模块的变量的变量贡献指数时，出现故障的功能模块有多个变量，根据变量的时序观测值xnew,sub计算指数ωsub,i，

7.如权利要求3所述的用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，其特征在于，在将所述监测数据转化为权重故障概率前，还包括如下步骤：

8.如权利要求7所述的用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，其特征在于，计算样本数据的平方预测误差的极限值和霍特林统计量的极限值，若监测数据的平方预测误差和霍特林统计量超过样本数据的平方预测误差的极限值和霍特林统计量极限值，则放弃该组监测数据，若监测数据的平方预测误差和霍特林统计量未超过样本数据的平方预测误差的极限值和霍特林统计量的极限值，则保留该组监测数据。

9.如权利要求8所述的用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，其特征在于，计算平方预测误差的极限值和霍特林统计量的极限值包括如下步骤：

10.一种应用权利要求1所述的用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法的系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及一种用于盾构机液压系统的故障检测与诊断方法，包括如下步骤：对液压系统进行监测获取监测数据，将监测数据转化为权重故障概率，设定概率限额，若权重故障概率在概率限额范围内，则判定为正常，若权重故障概率在概率限额范围外，则判定液压系统出现故障；在判定液压系统出现故障后，计算液压系统的各个功能模块的故障贡献指数，通过故障贡献指数确定出现故障的功能模块；功能模块包括多个变量，计算出现故障的功能模块的变量的变量贡献指数，通过变量贡献指数确定出现故障的变量，从而定位出现故障的功能模块的变量，完成故障的检测和诊断；解决了滞后性、定位难和效率低等问题，对于提升隧道施工效率、降低维护成本具有重要意义。

技术研发人员：袁向华,陈鼎,顾旭莹,严仁亮,翟一欣,徐晓磊,潘汪洋,方正,琚俊,杨祯乐,盛炤霖,董宾,李维浩,张峰垚
受保护的技术使用者：上海隧道工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5