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JP7544634B2 - Weighted search method for tunneling prediction model - Google Patents
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JP7544634B2 - Weighted search method for tunneling prediction model - Google Patents

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JP7544634B2 JP2021044246A JP2021044246A JP7544634B2 JP 7544634 B2 JP7544634 B2 JP 7544634B2 JP 2021044246 A JP2021044246 A JP 2021044246A JP 2021044246 A JP2021044246 A JP 2021044246A JP 7544634 B2 JP7544634 B2 JP 7544634B2
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Description

本発明は、掘進予測モデルの重み付け探索方法に関し、特に、人工知能による機械学習によってシールド掘進機の掘進予測モデルを作成する際に用いられる、説明変数の重み付けを決定するための掘進予測モデルの重み付け探索方法に関する。 The present invention relates to a weighting search method for an excavation prediction model, and in particular to a weighting search method for an excavation prediction model for determining the weighting of explanatory variables, which is used when creating an excavation prediction model for a shield tunneling machine through machine learning using artificial intelligence.

シールド掘進工法は、公知の土圧式や泥水式等のシールド掘進機の先端の切羽面を、泥土圧、泥水圧等によって押さえ付けて安定させつつ回転カッターによって地山を掘削すると共に、これらのシールド掘進機の後方にセグメントによるトンネル覆工体を一リング毎に組み立てながら、発進立坑から到達立坑に向けて、地中にトンネルを形成してゆく工法であり、都市部や平野部における主要なトンネル工事のための工法として広く採用されている。 The shield tunneling method involves excavating the ground with a rotating cutter while pressing down and stabilizing the face at the tip of a known earth pressure or slurry type shield machine using mud soil pressure, muddy water pressure, etc., and forming a tunnel underground from the starting shaft to the arrival shaft while assembling a tunnel lining made of segments ring by ring behind the shield machine. This method is widely adopted for major tunnel construction in urban areas and plains.

また、シールド掘進工法に用いる土圧式や泥水式等のシールド掘進機は、スキンプレートと呼ばれる金属製の外殻体の前部に切羽面を切削する回転カッターや、隔壁、カッター駆動装置、排土機構等を備えると共に、スキンプレートの後部に、シールドジャッキ、エレクター装置等を備えており、エレクター装置を用いてセグメントによるトンネル覆工体を一リング毎に組み立てて、組み立てたトンネル覆工体から反力をとりつつ、シールドジャッキによってスキンプレートと共に回転カッターを押し出すことで、切羽面を切削しながらシールドトンネルを掘進して行くようになっている。 Shield tunneling machines, such as earth pressure and slurry types, used in the shield tunneling method are equipped with a rotating cutter that cuts the tunnel face, a bulkhead, a cutter drive device, an earth removal mechanism, etc., at the front of a metal outer shell called a skin plate, and a shield jack and an erector device, etc., at the rear of the skin plate. The erector device is used to assemble the tunnel lining made of segments ring by ring, and while receiving a reaction force from the assembled tunnel lining, the shield jack pushes out the rotating cutter together with the skin plate, thereby excavating the shield tunnel while cutting the tunnel face.

このようなシールド掘進工法では、地中に設定された掘進計画延長線に沿って、精度良くシールド掘進機を掘進させて行く必要があるが、地中での施工になるため、周囲の地盤の地質の変化や環境状態の変化、個々のシールド掘進機の特性等に由来する何等かの種々の要因によって、掘進計画延長線に沿って精度良く掘進して行くように制御しながら運転することが難しく、一般に、掘進計画延長線に対する水平偏差や垂直偏差や方向偏差が、シールド掘進機の先端に生じることになる。特に、個々のシールド掘進機の特性等に由来する何等かの種々の要因は、個々の施工現場におけるシールド掘進機の「クセ」と呼ばれて、正確に把握することが難しく、従来は、熟練の作業員による経験と勘による運転の制御によって、掘進計画延長線に対する偏差が大きくならないように、シールド掘進機を掘進させるようになっていた。 In this type of shield tunneling method, it is necessary to precisely control the shield machine to excavate along the excavation plan extension line set underground, but because construction is carried out underground, various factors such as changes in the geological quality of the surrounding ground, changes in environmental conditions, and the characteristics of each shield machine make it difficult to control the operation so that the machine excavates precisely along the excavation plan extension line, and generally horizontal, vertical, and directional deviations from the excavation plan extension line occur at the tip of the shield machine. In particular, various factors resulting from the characteristics of each shield machine are called the "habits" of the shield machine at each construction site, and are difficult to grasp accurately. Conventionally, the shield machine was controlled by experienced workers using their experience and intuition to control operation so that the deviation from the excavation plan extension line would not become too large.

また、近年、IoT(Internet of Things)やAI(人工知能:Artificial Intelligence)の技術革新に基づき、大量のデータとAIの利用によって、第四次産業革命の実現が期待されており、シールド掘進工法においても、例えばAIを活用したシールド掘進計画支援システムが開発されている(例えば、非特許文献1参照)。非特許文献1のシールド掘進計画支援システムでは、AIが試行錯誤しながら自己学習することで最適解を導く強化学習手法により、シールドトンネルの線形に応じたシールド掘進機の操作の計画値や、セグメントの配置計画を導き出すことができるようになっている。 Furthermore, in recent years, the use of large amounts of data and AI based on technological innovations in IoT (Internet of Things) and AI (Artificial Intelligence) is expected to bring about the Fourth Industrial Revolution, and in the field of shield tunneling, for example, a shield tunneling planning support system that utilizes AI has been developed (see, for example, Non-Patent Document 1). In the shield tunneling planning support system of Non-Patent Document 1, a reinforcement learning method is used in which the AI self-learns through trial and error to arrive at an optimal solution, making it possible to derive planned values for the operation of the shield machine according to the linear shape of the shield tunnel and a segment placement plan.

AIを活用したシールド掘進計画支援システムを開発/企業情報/清水建設、2018年5月25日、〔2019年6月10日検索〕、インターネット(URL:https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2018/2018005/html)Developing a shield tunneling planning support system using AI / Corporate information / Shimizu Corporation, May 25, 2018, [Retrieved June 10, 2019], Internet (URL: https://www.shimz.co.jp/company/about/news-release/2018/2018005/html)

特開2021-14727Patent Publication No. 2021-14727

しかしながら、非特許文献1のシールド掘進計画支援システムは、施工現場で実際にシールド掘進工事を施工するのに先立って、計画線形に対するシールド掘進機の運転方法と、形状の異なる複数のセグメントの割り付け方法について事前シミュレーションを行って、これらの計画値を設定するものに過ぎないばかりか、学習済みモデルを作成するため教師データのデータ項目(パラメータ)は、限定された特定のものとなっているため、個々の施工現場において、周囲の地盤の地質の変化や環境状態の変化、あるいは個々のシールド掘進機の特性等に由来する種々の不確定な要因による、シールド掘進機の「クセ」と呼ばれる特質を反映させた精度の良い予測モデルを得て、地中に設定された掘進計画延長線に沿ってシールド掘進機が掘進して行くように、適切に管理することは困難である。 However, the shield tunneling planning support system in Non-Patent Document 1 merely performs a preliminary simulation of the operation method of the shield machine for the planned linear alignment and the allocation method of multiple segments of different shapes prior to actually carrying out shield tunneling work at the construction site, and sets these planned values. Furthermore, the data items (parameters) of the training data for creating the trained model are limited and specific, so it is difficult to obtain an accurate prediction model that reflects the characteristics of the shield machine, known as its "habits," which are due to various uncertain factors at each construction site, such as changes in the geology of the surrounding ground, changes in environmental conditions, or the characteristics of each shield machine, and to properly manage the shield machine so that it excavates along the planned extension line set underground.

一方、シールド掘進工法では、シールド掘進機の進行に応じた掘進状況を詳細に把握することを目的として、シールド掘進管理システムが導入されることが多くなっている。シールド掘進管理システムは、シールド掘進工事における測量データや、シールド掘進機に設置した各種センサーによる計測データ等の各種のデータの収集を行って、シールド掘進機の管理の一元化を担う公知のシステムであり、施工時の計測データの経時的変化やデータの統計処理の結果によって、地山の掘削土砂の状況やシールドマシンの負荷状況などを推測できるようになっており、また測量結果が入力されることにより、シールド掘進機やセグメントの位置を計算して、掘進計画延長線からの偏差を求めることができるようになっている。 Meanwhile, shield tunneling methods often use shield tunneling management systems to get a detailed understanding of the tunneling status as the shield machine progresses. Shield tunneling management systems are well-known systems that collect various data, such as survey data from shield tunneling work and measurement data from various sensors installed on the shield machine, and centralize the management of the shield machine. They are able to estimate the condition of the excavated soil in the ground and the load on the shield machine based on the results of changes over time in the measurement data during construction and statistical processing of the data, and by inputting the survey results, it is possible to calculate the position of the shield machine and segments and determine the deviation from the tunneling plan extension line.

また、シールド掘進管理システムでは、シールドトンネルを形成するセグメントによる覆工体の各々のリングに対応する掘進が行なわれる際に、多数のパラメータ(データ項目)に関するデータが、例えば5秒程度の時間間隔毎に、或いはシールドジャッキによる10mm程度のジャッキストロ-ク毎に収集されて、大量の数のデータとして記憶されている。これらの大量の数のデータをAIによって解析させることにより、個々の施工現場における周囲の地盤の地質の変化や環境状態の変化、あるいは個々のシールド掘進機の特性等に由来する種々の不確定な要因による、シールド掘進機の「クセ」と呼ばれる特質を反映させて、シールド掘進機が地中に設定された掘進計画延長線に沿って掘進して行くように、適切に管理することが可能になると考えられる。 In addition, in the shield tunnel excavation management system, when excavation is carried out corresponding to each ring of the lining body made of segments that form the shield tunnel, data on numerous parameters (data items) is collected, for example, at time intervals of about 5 seconds, or for each jack stroke of about 10 mm by the shield jack, and stored as a large amount of data. By analyzing this large amount of data using AI, it is thought that it will be possible to appropriately manage the shield tunneling machine so that it excavates along the excavation plan extension line set underground, reflecting the characteristics of the shield tunneling machine, known as its "habits," which are due to various uncertain factors resulting from changes in the geology of the surrounding ground at each construction site, changes in environmental conditions, or the characteristics of each shield tunneling machine.

このようなことから、本願出願人は、例えば特許文献1において、シールド掘進管理システムから送られる施工計測データを教師データとする人工知能による機械学習の結果を利用して、シールド掘進機の掘進を管理するシールド掘進機の施工管理方法を提案している。特許文献1のシールド掘進機の施工管理方法では、施工現場におけるシールド掘進機の掘進計画延長線上に学習領域を設定し、設定された学習領域において、掘進方向後方側の一又は複数のリングを施工した際の施工計測データを説明変数として、掘進方向前方側の所定のリングを施工する際のシールド掘進機の先端の偏差を目的変数とする学習済みモデルを機械学習により作成し、学習領域よりも掘進方向前方側の本掘進領域において、作成された学習済みモデルを予測モデルとして、施工された掘進方向後方側の一又は複数のリングを施工した際の施工計測データを入力し、掘進方向前方側の所定のリングを施工する際のシールド掘進機の先端の偏差を出力させて、シールド掘進機の先端の掘進計画延長線からの偏差を予測しながらシールド掘進機の掘進を管理するようになっている。 For this reason, the applicant of the present application has proposed, for example, in Patent Document 1, a construction management method for a shield machine that uses the results of machine learning by artificial intelligence using construction measurement data sent from a shield excavation management system as teacher data to manage the excavation of the shield machine. In the construction management method for a shield machine in Patent Document 1, a learning area is set on the excavation plan extension line of the shield machine at the construction site, and in the set learning area, a learned model is created by machine learning with construction measurement data when constructing one or more rings on the rear side of the excavation direction as explanatory variables and the deviation of the tip of the shield machine when constructing a specified ring on the front side of the excavation direction as the objective variable. In the main excavation area forward of the excavation direction from the learning area, the created learned model is used as a prediction model, and construction measurement data when constructing one or more rings on the rear side of the excavation direction that have been constructed is input, and the deviation of the tip of the shield machine when constructing a specified ring on the front side of the excavation direction is output, so that the excavation of the shield machine is managed while predicting the deviation of the tip of the shield machine from the excavation plan extension line.

また、特許文献1では、学習領域において掘進方向後方側の一又は複数のリングで計測された施工計測データから、選択された所定のパラメータに関するデータを抽出し、抽出された所定のパラメータに関するデータを説明変数として、掘進方向前方側の所定のリングを施工する際のシールド掘進機の先端の偏差を目的変数とする予測モデルを作成し、本掘進領域において、作成された予測モデルに、選択された所定のパラメータに関する、掘進方向後方側の一又は複数のリングを施工した際の施工計測データを入力して、掘進方向前方側の所定のリングを施工する際のシールド掘進機の先端の偏差を出力させるようになっている。 In addition, in Patent Document 1, data related to selected specified parameters is extracted from the construction measurement data measured in one or more rings on the rear side of the excavation direction in the learning area, and a prediction model is created in which the data related to the extracted specified parameters is used as an explanatory variable and the deviation of the tip of the shield machine when constructing a specified ring on the front side of the excavation direction is used as the objective variable. In this excavation area, construction measurement data related to the selected specified parameters when constructing one or more rings on the rear side of the excavation direction is input to the created prediction model, and the deviation of the tip of the shield machine when constructing a specified ring on the front side of the excavation direction is output.

さらに、特許文献1では、選択された所定のパラメータは、学習領域において、掘進方向後方側の一又は複数のリングを施工した際の施工計測データから特定のパラメータに関するデータを削除したデータを確認用説明変数とし、掘進方向前方側の所定のリングを施工する際のシールド掘進機の先端の偏差を確認用目的変数とするパラメータ確認用モデルを、データを削除する特定のパラメータを入れ替えて複数作成し、学習済みモデルによるシールド掘進機の先端の偏差の出力データと、各々のパラメータ確認用モデルによるシールド掘進機の先端の偏差の出力データとを比較して選択された確認済みパラメータを含むようになっている。これによって、例えばシールド掘進機の先端の偏差を目的変数とする予測モデルの精度に悪影響を与えるパラメータや、精度に影響のないパラメータに関するデータを除いた教師データによる予測モデルを作成して、シールド掘進機が地中に設定された掘進計画延長線に沿って掘進して行くように、さらに効率良く、且つ精度良く適切に管理してゆくことができるようになっている。 Furthermore, in Patent Document 1, the selected predetermined parameters are created by replacing the specific parameters from the construction measurement data when constructing one or more rings on the rear side of the excavation direction in the learning area with data related to specific parameters deleted as the confirmation explanatory variable, and creating multiple parameter confirmation models with the deviation of the tip of the shield machine when constructing a specified ring on the front side of the excavation direction as the confirmation objective variable by replacing the specific parameters from which the data is deleted, and including confirmed parameters selected by comparing the output data of the deviation of the tip of the shield machine from the trained model with the output data of the deviation of the tip of the shield machine from each parameter confirmation model. This makes it possible to create a prediction model using teacher data that removes parameters that have a negative effect on the accuracy of a prediction model that uses the deviation of the tip of the shield machine as the objective variable, and parameters that do not affect the accuracy, and to more efficiently and accurately manage the shield machine so that it excavates along the excavation plan extension line set in the ground.

特許文献1のシールド掘進機の施工管理方法では、予測モデルを作成するための教師データの説明変数となるパラメータを、予測モデルの精度に影響があると思われるものに絞り込むことで、予測モデルの精度を向上させることが可能になるが、予測モデルの精度をより一層向上させるためには、選択された説明変数となるパラメータに適切な重み付けを設定した状態で、人工知能による機械学習によって、シールド掘進機の先端の偏差を予測する掘進予測モデルを作成することが望ましい。 In the construction management method for a shield tunneling machine in Patent Document 1, the accuracy of the prediction model can be improved by narrowing down the parameters that are explanatory variables of the training data used to create the prediction model to those that are thought to have an effect on the accuracy of the prediction model. However, in order to further improve the accuracy of the prediction model, it is desirable to create an excavation prediction model that predicts the deviation of the tip of the shield tunneling machine through machine learning using artificial intelligence, with appropriate weighting set on the parameters that are the selected explanatory variables.

しかしながら、説明変数となるパラメータは、予測モデルの精度に影響があると思われるものに絞り込んだ場合でも、パラメータの数は依然として相当数になることから、個々のパラメータの重み付けの適否を判定するために作成する確認用モデルの数が、膨大なものとなり、これによって人工知能による機械学習に多くの時間と手間を要することなる。このようなことから、シールド掘進工法において、シールド掘進管理システムから送られて説明変となるパラメータに設定される重み付けの適否を、より効率良く判定できるようにして、人工知能による機械学習によって作成される予測モデルの精度を、一層向上させることを可能にする技術の開発が望まれている。 However, even when the parameters that serve as explanatory variables are narrowed down to those that are thought to affect the accuracy of the predictive model, the number of parameters is still considerable, and therefore the number of confirmation models that need to be created to determine the appropriateness of the weighting of each parameter becomes enormous, which makes machine learning using artificial intelligence require a lot of time and effort. For this reason, there is a need for the development of technology that can more efficiently determine the appropriateness of the weighting set for the parameters that are sent from the shield tunneling management system and serve as explanatory variables in the shield tunneling method, thereby further improving the accuracy of predictive models created by machine learning using artificial intelligence.

本発明は、シールド掘進工法において、シールド掘進管理システムから送られて説明変数となるパラメータに設定される重み付けの適否を、より効率良く判定できるようにして、人工知能による機械学習によって作成される予測モデルの精度を、一層向上させることのできる掘進予測モデルの重み付け探索方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for searching weightings for an excavation prediction model that can more efficiently determine the appropriateness of weightings set for parameters sent from a shield excavation management system and serving as explanatory variables in a shield excavation method, thereby further improving the accuracy of a prediction model created by machine learning using artificial intelligence.

本発明は、シールド掘進工法において、シールド掘進管理システムから送られる施工計測データを教師データとして、人工知能による機械学習によりシールド掘進機の先端の偏差を予測する掘進予測モデルを作成する際に用いられる、説明変数の重み付けを決定するための掘進予測モデルの重み付け探索方法であって、前記掘進予測モデルは、掘進方向後方側の一又は複数のリングを施工した際の前記施工計測データを説明変数とし、掘進方向前方側の所定のリングを施工する際のシールド掘進機の先端の偏差を目的変数とする、学習済みモデルとして作成されるようになっており、説明変数の重み付けの探索は、重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程と、設定された重み付け基本値及び重み付け係数によって重み付けされたデータを用いた複数のデータセットを説明変数とした、複数の重み付け探索用モデルを作成し、作成した複数の重み付け探索用モデルによる各々のシールド掘進機の先端の偏差の出力データを比較して、採用すべき重み付け探索用モデルに用いた前記データセットから、説明変数の重み付けを探索する工程とを含んでおり、前記重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程では、前記施工計測データから選択された、シールド掘進機の方向予測に関する所定の選択データを、方向予測の寄与度に応じて複数の探索グループにグループ分けすると共に、グループ分けされた各探索グループの各々の選択データに前記重み付け基本値を設定し、且つ各探索グループに対して、0.0~1.0の探索範囲における所定の数値となる、所定のパターン数の前記重み付け係数を設定するようになっており、前記説明変数の重み付けを探索する工程では、各探索グループに対して設定された、前記探索範囲における前記重み付け係数の各々のパターン数を掛け合わせた数の前記データセットによる、複数の前記重み付け探索用モデルが作成されるようになっており、各探索グループに対して設定された、前記探索範囲における前記重み付け係数の各々のパターン数を掛け合わせた数の前記データセットによる、複数の前記重み付け探索用モデルによる各々のシールド掘進機の先端の偏差の出力データを、実測値と比較して、採用すべき前記重み付け探索用モデルに用いた前記データセットから、説明変数の重み付けを決定するようになっている掘進予測モデルの重み付け探索方法を提供することにより、上記目的を達成したものである。 The present invention is a method for searching for weighting of an excavation prediction model for determining the weighting of explanatory variables, which is used in creating an excavation prediction model that predicts the deviation of the tip of a shield machine by machine learning using artificial intelligence, using construction measurement data sent from a shield excavation management system as teacher data in a shield tunneling method. The excavation prediction model is created as a learned model in which the construction measurement data when constructing one or more rings on the rear side of the excavation direction is used as the explanatory variable, and the deviation of the tip of the shield machine when constructing a specified ring on the front side of the excavation direction is used as the objective variable. The search for the weighting of explanatory variables includes a step of setting a weighting base value and a weighting coefficient, and a step of creating multiple weighting search models in which multiple data sets using data weighted by the set weighting base value and weighting coefficient are used as explanatory variables, comparing the output data of the deviation of the tip of the shield machine from each of the created multiple weighting search models, and searching for the weighting of explanatory variables from the data set used in the weighting search model to be adopted. In the step of setting the weighting base value and the weighting coefficient, The above-mentioned objective has been achieved by providing a weighting search method for an excavation prediction model, which divides predetermined selection data related to the direction prediction of a shield tunneling machine, selected from the data, into a plurality of search groups according to the degree of contribution of the direction prediction, sets the basic weighting value for each selection data of each grouped search group, and sets a predetermined number of patterns of the weighting coefficients for each search group, which are predetermined values in the search range of 0.0 to 1.0. In the process of searching for the weighting of the explanatory variables, a plurality of weighting search models are created using the data sets in a number obtained by multiplying the number of patterns of the weighting coefficients in the search range set for each search group, and compares the output data of the deviation of the tip of the shield tunneling machine by the plurality of weighting search models using the data sets in a number obtained by multiplying the number of patterns of the weighting coefficients in the search range set for each search group with actual measurements, and determines the weighting of the explanatory variables from the data sets used in the weighting search model to be adopted.

そして、本発明の掘進予測モデルの重み付け探索方法は、前記重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程において設定される、前記重み付け基本値及び前記重み付け係数が、シールドエンジアである作業員の知見に基づいて設定された値となっており、方向予測への寄与度が大きいほど、1.0に近くなっていることが好ましい。 In the weighting search method for an excavation prediction model of the present invention, the weighting base value and the weighting coefficient set in the step of setting the weighting base value and the weighting coefficient are values set based on the knowledge of a worker who is a shield engineer, and it is preferable that the greater the contribution to the directional prediction, the closer the weighting base value and the weighting coefficient are to 1.0.

また、本発明の掘進予測モデルの重み付け探索方法は、前記施工計測データから選択された、シールド掘進機の方向予測に関する所定の選択データが、方向予測の寄与度に応じて第1グループ、第2グループ、第3グループの3つの探索グループにグループ分けされると共に、第1グループ、第2グループ、第3グループの順で、より大きな前記重み付け基本値が設定されるようになっていることが好ましい。 In addition, it is preferable that the weighting search method for the excavation prediction model of the present invention is such that the predetermined selection data related to the directional prediction of the shield tunneling machine selected from the construction measurement data is grouped into three search groups, the first group, the second group, and the third group, according to the degree of contribution of the directional prediction, and the weighting basic value is set to be larger in the order of the first group, the second group, and the third group.

さらに、本発明の掘進予測モデルの重み付け探索方法は、前記第1グループの探索グループには、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0の5パターン数の重み付け係数が設定されており、前記第2グループの探索グループには、0.4、0.7、1.0の3パターン数の重み付け係数が設定されており、前記第3グループの探索グループには、0.5、1.0の2パターン数の重み付け係数が設定されており、各探索グループに設定された、前記探索範囲における前記重み付け係数のパターン数を掛け合わせた数として、30の前記データセットによる複数の前記重み付け探索用モデルが作成されるようになっていることが好ましい。 Furthermore, in the weighted search method for excavation prediction models of the present invention, five weighting coefficients, namely, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0, are set for the search groups of the first group, three weighting coefficients, namely, 0.4, 0.7, and 1.0, are set for the search groups of the second group, and two weighting coefficients, namely, 0.5 and 1.0, are set for the search groups of the third group, and a plurality of weighted search models are created using 30 of the data sets, the number being the product of the number of patterns of the weighting coefficients in the search range set for each search group.

さらにまた、本発明の掘進予測モデルの重み付け探索方法は、前記機械学習が、サポートベクターマシンをアルゴリズムとするニューラルネットワークによる機械学習であることが好ましい。 Furthermore, in the weighted search method for an excavation prediction model of the present invention, it is preferable that the machine learning is machine learning using a neural network that uses a support vector machine as an algorithm.

また、本発明の掘進予測モデルの重み付け探索方法は、目的変数となるシールド掘進機の先端の偏差が、水平偏差、垂直偏差、及び方向偏差であることが好ましい。 In addition, in the weighted search method for the excavation prediction model of the present invention, it is preferable that the deviation of the tip of the shield tunneling machine, which is the objective variable, is a horizontal deviation, a vertical deviation, and a directional deviation.

本発明の掘進予測モデルの重み付け探索方法によれば、シールド掘進工法において、シールド掘進管理システムから送られて説明変数となるパラメータ(選択データ)に付与され重み付けの適否を、より効率良く判定できるようにして、人工知能による機械学習によって作成される予測モデルの精度を、一層向上させることができる。 The weighting search method for an excavation prediction model of the present invention makes it possible to more efficiently determine the appropriateness of the weighting applied to parameters (selected data) that serve as explanatory variables sent from the shield excavation management system in a shield excavation method, thereby further improving the accuracy of the prediction model created by machine learning using artificial intelligence.

本発明の好ましい一実施形態に係る掘進予測モデルの重み付け探索方法が実施されるシステムネットワークの説明図である。1 is an explanatory diagram of a system network in which a weighted search method for an excavation prediction model according to a preferred embodiment of the present invention is implemented. FIG. 学習済みモデル作成工程の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of the trained model creation process. リング報の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of a ring report. 学習済みモデルを作成すための教師データとなる複数の変数(パラメータ)を例示する説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a plurality of variables (parameters) that serve as training data for creating a trained model. 施工データの位置関係の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of the positional relationship of construction data.

本発明の好ましい一実施形態に係る掘進予測モデルの重み付け探索方法は、例えば図1に示す構成のシステムネットワークにおいて実施されるようになっている。図1に示す構成のシステムネットワークは、例えばシールド施工現場でシールド掘進機20(図2参照)の施工を管理するシールド掘進管理システム10と、LAN12を介して接続する、AI(人工知能:Artificial Intelligence)として好ましくはサポートベクターマシンをアルゴリズムとするニューラルネットワークを実装可能な公知の機械学習ツール(ソフトウェア)が組み込まれた、好ましくはクラウドサーバ11を用いて、例えばシールド掘進機20の先端の偏差を目的変数とする予測モデルを作成することで、シールド掘進機20が地中に設定された掘進計画延長線21(図2参照)に沿って掘進して行くように、適切に管理できるようにするものである。本実施形態の掘進予測モデルの重み付け探索方法は、好ましくは図1に示す構成のシステムネットワークにおいて、シールド施工現場のシールド掘進管理システム10から送られてクラウドサーバ11に記憶された、多数のパラメータに関する大量のデータ(施工計測データ)を用いることで、AIによる機械学習によって実施されると共に、説明変数となる選択された所定のパラメータ(選択データ)に設定される重み付けの適否を、より効率良く判定できるようにして、人工知能による機械学習によって作成される予測モデルの精度を、一層向上させることができるようにするものとなっている。 A weighted search method for an excavation prediction model according to a preferred embodiment of the present invention is implemented in a system network having a configuration as shown in FIG. 1. The system network shown in FIG. 1 uses a shield excavation management system 10 that manages the construction of a shield tunneling machine 20 (see FIG. 2) at a shield construction site, and preferably a cloud server 11 that is connected via a LAN 12 and has a known machine learning tool (software) that can implement a neural network with a support vector machine as an algorithm as AI (artificial intelligence), to create a prediction model that uses the deviation of the tip of the shield tunneling machine 20 as a target variable, for example, so that the shield tunneling machine 20 can be appropriately managed so that it excavates along an excavation plan extension line 21 (see FIG. 2) set underground. The weighting search method for an excavation prediction model of this embodiment is preferably implemented by machine learning using AI in a system network with the configuration shown in FIG. 1, using a large amount of data (construction measurement data) related to a large number of parameters sent from a shield excavation management system 10 at a shield construction site and stored in a cloud server 11, and enables more efficient determination of the appropriateness of the weighting set for selected, predetermined parameters (selected data) that serve as explanatory variables, thereby further improving the accuracy of the prediction model created by machine learning using artificial intelligence.

ここで、本実施形態では、公知のシールド掘進管理システム10として、例えば商品名「Arigataya」(株式会社演算工房製)を好ましく用いることができる。また、クラウドサーバ11は、例えばコンピュータを含んで構成されている。コンピュータは、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、I/F(Interface)、HDD(Hard Disk Drive)、記憶手段、入力手段、表示手段、出力手段等を備えている。CPUは、ROMに組み込まれた各種のプログラムに従って、RAMをワークエリアとして使用しながら、AIによる機械学習を制御する。また、CPUは、各種のコンピュータプログラムがROMに組み込まれていることにより、記憶手段、入力手段、表示手段、出力手段等を機能させると共に、シールド掘進管理システム10から送られる大量のデータやAIによる解析結果等を、例えばデータベース部に記憶させたり、所定の情報として、LAN12や現場に設置されたパーソナルコンピュータ13等を介して、例えば現場のディスプレイ14に表示させたり、プリンタから出力させたりできるようになっている。 Here, in this embodiment, for example, the product name "Arigataya" (manufactured by Calculation Studio Co., Ltd.) can be preferably used as a known shield excavation management system 10. The cloud server 11 is configured to include, for example, a computer. The computer includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), an I/F (Interface), a HDD (Hard Disk Drive), a storage means, an input means, a display means, an output means, etc. The CPU controls machine learning by AI while using the RAM as a work area according to various programs built into the ROM. In addition, the CPU, by having various computer programs built into the ROM, functions the storage means, input means, display means, output means, etc., and stores large amounts of data sent from the shield excavation management system 10 and analysis results by AI, for example, in a database unit, or displays them as specified information on, for example, a display 14 at the site via a LAN 12 or a personal computer 13 installed at the site, or outputs them from a printer.

そして、本実施形態の掘進予測モデルの重み付け探索方法は、シールド掘進工法において、シールド掘進管理システム10から送られる施工計測データを教師データとして、AIによる機械学習によりシールド掘進機20の先端の偏差を予測する掘進予測モデルを作成する際に用いられる、説明変数の重み付けを決定するための探索方法であって、掘進予測モデルは、好ましくは掘進方向後方側の一又は複数のリングN-1~N-5(図2参照)を施工した際の施工計測データを説明変数とし、好ましくは掘進方向前方側の所定のリングN~N+5を施工する際のシールド掘進機20の先端の偏差を目的変数とする、学習済みモデルとして作成されるようになっており、説明変数の重み付けの探索は、重み付け基本値(表1参照)及び重み付け係数(表2参照)を設定する工程と、設定された重み付け基本値及び重み付け係数によって重み付けされたデータを用いた複数のデータセットを説明変数とした、複数の重み付け探索用モデルを作成し、作成した複数の重み付け探索用モデルによる各々のシールド掘進機20の先端の偏差の出力データを比較して、採用すべき重み付け探索用モデルに用いたデータセットから、説明変数の重み付けを探索する工程とを含んでいる。 The weighting search method for the excavation prediction model of this embodiment is a search method for determining the weighting of explanatory variables used in creating an excavation prediction model that predicts the deviation of the tip of the shield tunneling machine 20 by machine learning using AI, using construction measurement data sent from the shield tunneling management system 10 as teacher data in a shield tunneling method. The excavation prediction model preferably uses construction measurement data from the construction of one or more rings N-1 to N-5 (see Figure 2) on the rear side of the excavation direction as explanatory variables, and preferably uses the construction measurement data from the construction of a predetermined ring N to N+5 on the front side of the excavation direction as explanatory variables. A trained model is created with the deviation of the tip as the objective variable, and the search for weighting of the explanatory variables includes the steps of setting a base weighting value (see Table 1) and a weighting coefficient (see Table 2), creating multiple weighting search models with multiple data sets using data weighted by the set base weighting value and weighting coefficient as explanatory variables, comparing the output data of the deviation of the tip of the shield tunneling machine 20 from each of the multiple weighting search models created, and searching for the weighting of the explanatory variables from the data set used in the weighting search model to be adopted.

重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程では、施工計測データ(図3、図4参照)から選択された、シールド掘進機20の方向予測に関する所定の選択データを、方向予測の寄与度に応じて複数の探索グループA,B,Cにグループ分けすると共に(表1参照)、グループ分けされた各探索グループA,B,Cの各々の選択データに重み付け基本値を設定し(表1参照)、且つ各探索グループA,B,Cに対して、0.0~1.0の探索範囲における所定の数値となる、所定のパターン数の重み付け係数を設定するようになっている(表2参照)。 In the process of setting the basic weighting value and the weighting coefficient, the predetermined selection data related to the directional prediction of the shield tunneling machine 20 selected from the construction measurement data (see Figures 3 and 4) is grouped into a number of search groups A, B, and C according to the degree of contribution to the directional prediction (see Table 1), and a basic weighting value is set for each of the selection data of each of the grouped search groups A, B, and C (see Table 1). In addition, a predetermined number of weighting coefficients are set for each of the search groups A, B, and C, which are predetermined numerical values in the search range of 0.0 to 1.0 (see Table 2).

説明変数の重み付けを探索する工程では、各探索グループA,B,Cに対して設定された、探索範囲における重み付け係数の各々のパターン数を掛け合わせた数のデータセットによる、複数の重み付け探索用モデルが作成されるようになっており、各探索グループA,B,Cに対して設定された、探索範囲における重み付け係数の各々のパターン数を掛け合わせた数のデータセットによる、複数の重み付け探索用モデルによる各々のシールド掘進機の先端の偏差の出力データを、実測値と比較して、採用すべき前記重み付け探索用モデルに用いたデータセットから、説明変数の重み付けを決定するようになっている。 In the process of searching for weights of explanatory variables, multiple weighting search models are created using data sets in which the number of weighting coefficients in the search range set for each search group A, B, C is multiplied by the number of patterns, and the output data of the deviation of the tip of each shield machine from the multiple weighting search models using data sets in which the number of weighting coefficients in the search range set for each search group A, B, C is multiplied by the number of patterns is compared with the actual measured value, and the weighting of the explanatory variables is determined from the data set used for the weighting search model to be adopted.

Figure 0007544634000001
Figure 0007544634000001

Figure 0007544634000002
Figure 0007544634000002

また、本実施形態では、施工計測データ(図3、図4参照)から選択された、シールド掘進機20の方向予測に関する所定の選択データは、表1に示すように、方向予測の寄与度に応じて第1グループA、第2グループB、第3グループの3つの探索グループにグループ分けされると共に、第1グループA、第2グループB、第3グループCの順で、より大きな重み付け基本値が設定されるようになっている。 In addition, in this embodiment, the predetermined selection data related to the directional prediction of the shield tunneling machine 20 selected from the construction measurement data (see Figures 3 and 4) is grouped into three search groups, the first group A, the second group B, and the third group, according to the degree of contribution of the directional prediction, as shown in Table 1, and the larger weighting basic values are set in the order of the first group A, the second group B, and the third group C.

さらに、本実施形態では、表2に示すように、第1の探索グループAには、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0の4パターン数の重み付け係数が設定されており、第2グループの探索グループBには、0.4、0.7、1.0の3パターン数の重み付け係数が設定されており、第3グループの探索グループCには、0.5、1.0の2パターン数の重み付け係数が設定されている。本実施形態では、各探索グループA,B,Cに設定された、探索範囲における重み付け係数のパターン数を掛け合わせた数として、5×3×2=30のデータセットによる複数の重み付け探索用モデルが作成されるようになっている。 Furthermore, in this embodiment, as shown in Table 2, four weighting coefficient patterns, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0, are set for the first search group A, three weighting coefficient patterns, 0.4, 0.7, and 1.0, are set for the second search group B, and two weighting coefficient patterns, 0.5 and 1.0, are set for the third search group C. In this embodiment, multiple weighted search models are created using 5 x 3 x 2 = 30 data sets, which is the product of the number of weighting coefficient patterns in the search range set for each search group A, B, and C.

さらにまた、本実施形態では、重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程において設定される、重み付け基本値及び前記重み付け係数は、シールドエンジアである作業員の知見に基づいて設定された値となっており、方向予測への寄与度が大きいほど、1.0に近くなっている。 Furthermore, in this embodiment, the weighting base value and the weighting coefficient set in the process of setting the weighting base value and the weighting coefficient are values set based on the knowledge of the shield engineer worker, and the greater the contribution to the directional prediction, the closer the value is to 1.0.

本実施形態では、シールド施工現場において、シールド掘進管理システム10から送られる教師データとなるトンネル掘進時の施工計測データは、例えばシールド掘進管理システム10により「リング報」(図3参照)として出力可能な多数のデータ項目から、好ましくはシールドエンジニアの知見によって、シールド掘進機20の方向制御に関するものとして選別された、例えば図4に示す187項目程度の、多数のパラメータに関するデータとなっている。これらのデータは、シールドトンネルを構成する覆工体の各々のリング毎に、まとまったデータとして収集され、好ましくは5秒毎にクラウドサーバ11に送られて、例えば記憶部に蓄積されるようになっている。すなわち、シールド掘進工法では、一リング分の長さに対応する掘進長で、シールド掘進機20の先端の回転カッター20aにより切羽面を掘削しつつ、シールドジャッキ20bを伸長させながら掘進したら、シールド掘進機20の掘進作業を一旦中断し、スキンプレート20cの後部において、エレクター装置20dを用いてセグメント20eによる一リング分のトンネル覆工体が組み立てられることで、一リング毎に掘進作業が行なわれることから、好ましくは施工計測データは、一リング毎にまとまったデータとして処理されるようになっている。 In this embodiment, the construction measurement data during tunnel excavation at the shield construction site, which serves as teacher data sent from the shield excavation management system 10, is data on a large number of parameters, for example, about 187 items shown in Figure 4, selected as those related to directional control of the shield tunneling machine 20, preferably based on the knowledge of a shield engineer, from a large number of data items that can be output by the shield excavation management system 10 as "ring reports" (see Figure 3). These data are collected as a set of data for each ring of the lining that makes up the shield tunnel, and are sent to the cloud server 11 preferably every 5 seconds and stored, for example, in a memory unit. That is, in the shield tunneling method, the shield tunneling machine 20 excavates the tunnel face with the rotary cutter 20a at the tip of the shield tunneling machine 20 while extending the shield jack 20b for an excavation length corresponding to the length of one ring, and then the excavation work of the shield tunneling machine 20 is temporarily stopped and one ring's worth of tunnel lining is assembled from the segments 20e using the erector device 20d at the rear of the skin plate 20c. Since excavation work is carried out ring by ring, the construction measurement data is preferably processed as a set of data for each ring.

また、本実施形態では、選別された好ましくは187のデータ項目(パラメータ)の施工計測データは、シールド掘進機20の位置の把握に関する合計44点の掘進データ(前胴、中胴、後胴、ジャイロコンパス、座標、偏差、変位量などに関するもの)50Aと、シールド掘進機20の方向制御に関する合計120点の掘進データ(シールドジャッキ、中折れジャッキ、コピーカッタなどに関するもの)50Bと、土質などその他の合計23点の掘進データ(記録日時、カッタビット加速度、テールクリアランスなどに関するもの)50Cとに分類されるようになっている。これらの分類されたデータ項目は、上述にように、例えば5秒毎にシールド掘進管理システム10を介してクラウドサーバ11に送られることで、経時的変化を伴うデータとして収集されて、例えば記憶部に記憶されるようになっている。なお、図4中、「※」で示されるシールド掘進機20の先端の水平偏差、先端の垂直偏差、及び方位偏差(方向偏差)は、目的変数となるものである。 In this embodiment, the selected construction measurement data of preferably 187 data items (parameters) is classified into a total of 44 pieces of excavation data (related to the front body, middle body, rear body, gyrocompass, coordinates, deviation, displacement, etc.) 50A related to grasping the position of the shield tunneling machine 20, a total of 120 pieces of excavation data (related to the shield jack, center bending jack, copy cutter, etc.) 50B related to the directional control of the shield tunneling machine 20, and a total of 23 pieces of excavation data (related to the recording date and time, cutter bit acceleration, tail clearance, etc.) 50C related to soil quality, etc. These classified data items are collected as data that changes over time by being sent to the cloud server 11 via the shield tunneling management system 10, for example, every 5 seconds, as described above, and are stored in, for example, a memory unit. Note that the horizontal deviation of the tip of the shield tunneling machine 20, the vertical deviation of the tip, and the azimuth deviation (directional deviation) indicated by "*" in FIG. 4 are the objective variables.

これらの施工計測データは、好ましくはセグメント20eの組立て位置のリングNo.を表題として、収集されるようになっている。すなわち、図5に示すように、データ項目によっては、データが収集される位置が、例えば回転カッター20aが配置されるシールド掘進機20の先端の切羽面の位置やスキンプレート20cの後方の裏込め材の注入位置と、シールドジャッキ20bの伸縮部に配置されるセグメント20eによる各リングの組立て位置とが、1リング分の長さよりも離れた位置となっている。これらの1リング分の長さよりも離れた位置のデータについても、セグメントの組立て位置のリングNo.を表題とする、当該リングNo.の組立て位置のリング幅を確保するための切羽面の掘削作業中のデータや、当該リングNo.の組立て位置のリングにおける組立て作業中のデータとして、シールド掘進管理システム10に送られて収集されるようになっている。 These construction measurement data are preferably collected with the ring number of the assembly position of the segment 20e as the title. That is, as shown in FIG. 5, depending on the data item, the position where the data is collected is more than one ring length away from the position of the face at the tip of the shield tunneling machine 20 where the rotary cutter 20a is placed, the position where the backfill material is injected behind the skin plate 20c, and the assembly position of each ring by the segment 20e placed in the expansion and contraction part of the shield jack 20b. The data for positions more than one ring length are also sent to the shield tunneling management system 10 and collected as data during excavation work on the face to ensure the ring width at the assembly position of the ring number, and data during assembly work on the ring at the assembly position of the ring number, with the ring number of the segment assembly position as the title.

さらに、本実施形態では、シールド掘進機の構造又は機械設備の性能に関する前提条件データが、予めシールド掘進管理システム10やクラウドサーバ11に入力されて登録されている。シールド掘進機の構造に関する前提条件データとして、例えばカッタ面板の直径や、シールドジャッキや中折れジャッキ本数、配置等を挙げることができる。これらのシールド掘進機の構造に関する前提条件データは、説明変数として直接入力されるのではなく、シールド掘進管理システム10から送られるトンネル掘進時の施工計測データと組み合わせて、特徴量エンジニアリングを行うことにより正規化してから、入力することができる。またシールド掘進機の機械設備の性能に関する前提条件データとして、例えば各々のシールドジャッキや中折れジャッキの最大圧力や、伸縮の最大速度、最大ストローク等を挙げることができる。これらのシールド掘進機の機械設備の性能に関する前提条件データは、最大値を1.0に換算して入力されて、シールド掘進管理システム10から送られるトンネル掘進時の施工計測データを、0.0~1.0の値で正規化して評価するために用いることができる。 Furthermore, in this embodiment, prerequisite data regarding the structure of the shield tunneling machine or the performance of the mechanical equipment is input and registered in advance in the shield tunneling management system 10 or the cloud server 11. Examples of prerequisite data regarding the structure of the shield tunneling machine include the diameter of the cutter face plate, the number and arrangement of shield jacks and bending jacks, etc. These prerequisite data regarding the structure of the shield tunneling machine are not directly input as explanatory variables, but can be combined with construction measurement data during tunnel excavation sent from the shield tunneling management system 10 and normalized by performing feature engineering before being input. Examples of prerequisite data regarding the performance of the mechanical equipment of the shield tunneling machine include the maximum pressure, maximum speed of extension and contraction, and maximum stroke of each shield jack and bending jack. These prerequisite data regarding the performance of the mechanical equipment of the shield tunneling machine are input with the maximum value converted to 1.0, and can be used to normalize and evaluate the construction measurement data during tunnel excavation sent from the shield tunneling management system 10 with values between 0.0 and 1.0.

さらにまた、本実施形態では、シールド掘進管理システム10から送られるトンネル掘進時の施工計測データのうち、特徴量エンジニアリングや正規化により加工して入力される計測データは、例えば作業者の操作に関するデータとして、シールドジャッキや中折れジャッキの圧力やストロークに関するデータ、カッタ回転に関するデータ等を挙げることができる。また、例えばシールド掘進機の位置や方向に関するデータとして、水平変位量、垂直変位量、方向変位量等に関するデータ等を挙げることができる。さらに、例えば周辺環境がシールド掘進機に影響を与えるデータとして、切羽水圧やテールクリアランス等に関するデータ等を挙げることができる。 Furthermore, in this embodiment, the measurement data processed by feature engineering and normalization and input from the construction measurement data during tunnel excavation sent from the shield tunneling management system 10 includes, for example, data related to the operation of the operator, such as data related to the pressure and stroke of the shield jack and the center bending jack, and data related to the cutter rotation. Also, for example, data related to the position and direction of the shield tunneling machine includes data related to the horizontal displacement amount, vertical displacement amount, directional displacement amount, etc. Furthermore, for example, data related to the surrounding environment affecting the shield tunneling machine includes data related to the face water pressure, tail clearance, etc.

また、本実施形態では、シールド掘進管理システム10から送られるトンネル掘進時の施工計測データには、正側と負側の値をとるデータが含まれている。このような正側と負側の値をとるデータとして、例えば前胴のピッチング角やローリング角、後胴のピッチング角やローリング角、カッタ回転、カッタトルク等に関するデータを挙げることができる。例えばカッタトルクのように正側(右回転)と負側(左回転)とがある場合、正規化後の最小値は-0.5、最大値は+0.5とすることができる(最小と最大の差が1.0)。カッタトルクの最大値が300kN・mで、150kN・mで右回転した場合に、正規化後の値を+0.25とすることができる。 In addition, in this embodiment, the construction measurement data during tunnel excavation sent from the shield excavation management system 10 includes data that takes positive and negative values. Examples of such data that takes positive and negative values include data related to the pitching angle and rolling angle of the front body, the pitching angle and rolling angle of the rear body, cutter rotation, cutter torque, etc. For example, in the case of cutter torque, where there is a positive side (right rotation) and a negative side (left rotation), the minimum value after normalization can be -0.5 and the maximum value can be +0.5 (the difference between the minimum and maximum is 1.0). If the maximum value of the cutter torque is 300 kN·m and it rotates right at 150 kN·m, the normalized value can be +0.25.

そして、本実施形態では、所定のシールド施工現場において、シールド掘進機20の掘進計画延長線21上に設定された、例えば70リング分(1リング=1.5m)の延長の初期の施工区間を第1週の学習領域(例えば125m)とし、図2に示すように、掘進方向後方側の好ましくは5リングN-1~N-5を施工した際の、各探索グループA,B,Cに設定された、探索範囲における重み付け係数のパターン数を掛け合わせた数として、30のデータセットによる施工計測データを説明変数とし、好ましくは掘進方向前方側の6箇所のリングN~N+5の6リングを各々施工する際の、シールド掘進機20の先端の3偏差(水平偏差、垂直偏差、方向偏差)の各々を目的変数とする、合計540(30×6×3)の学習済みモデルを、重み付け探索用モデルとして各々作成する。ここで、掘進方向後方側の好ましくは5リングN-1~N-5を施工した際にシールド掘進管理システム10から送られる、説明変数となる施工計測データのうちの、シールド掘進機20の構造又は機械設備の性能に関する所定のデータは、正規化されたものや、特徴的エンジニアリングによって意味のある合成データに変換されたものを含んでいることが好ましい。 In this embodiment, at a given shield construction site, the initial construction section set on the excavation plan extension line 21 of the shield tunneling machine 20, for example, an extension of 70 rings (1 ring = 1.5 m), is set as the learning area for the first week (for example, 125 m), and as shown in Figure 2, the construction measurement data from 30 data sets is used as the explanatory variable, which is the number obtained by multiplying the number of patterns of weighting coefficients in the search range set for each search group A, B, C when constructing preferably five rings N-1 to N-5 on the rear side of the excavation direction, and each of the three deviations (horizontal deviation, vertical deviation, directional deviation) of the tip of the shield tunneling machine 20 when constructing each of the six rings, preferably six rings N to N+5 on the front side of the excavation direction, is used as the objective variable. A total of 540 (30 x 6 x 3) trained models are created as weighted search models. Here, among the construction measurement data serving as explanatory variables sent from the shield tunneling management system 10 when constructing preferably five rings N-1 to N-5 on the rear side in the tunneling direction, it is preferable that certain data relating to the structure of the shield tunneling machine 20 or the performance of the mechanical equipment includes data that has been normalized or converted into meaningful synthetic data by characteristic engineering.

また、本実施形態では、目的変数となるシールド掘進機20の先端の偏差として、水平偏差、垂直偏差、及び方向偏差の3偏差は、掘進方向前方側の6箇所のリングN~N+5を各々施工する際に得られた施工計測データに基づいて、例えばシールド掘進機20に取り付けられたジャイロコンパスによる計測データ等の、所定の測量データに関するデータから、所定の計算式に従って算定された、好ましくはシールド掘進機20の先端のカッター中心の、シールドトンネルの掘進計画延長線21からの水平偏差や垂直偏差や方向偏差の値とすることができる。 In addition, in this embodiment, the three deviations of the tip of the shield tunneling machine 20, which are the objective variables, namely the horizontal deviation, vertical deviation, and directional deviation, can be calculated according to a predetermined formula from data related to predetermined surveying data, such as measurement data from a gyrocompass attached to the shield tunneling machine 20, based on the construction measurement data obtained when constructing each of the six rings N to N+5 on the forward side of the excavation direction, and can be values of the horizontal deviation, vertical deviation, and directional deviation from the planned extension line 21 of the shield tunnel, preferably the center of the cutter at the tip of the shield tunneling machine 20.

ここで、本実施形態では、重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程において、施工計測データ(図3、図4参照)から選択された、シールド掘進機20の方向予測に関する所定の選択データは、方向予測の寄与度に応じて複数の探索グループA,B,Cにグループ分けされるようになっており、第1グループの探索グループAに属するものは、表1に示すように、好ましくは水平変異量(先)、水平変異量(後)、中折角度(左右)、水平偏差(後端)、水平方向のカッタ面の傾き、水平方向のモーメント、及び水平方向の余掘量の、7データとなっている。これらの選択データには、重み付け基本値として、水平変異量(先)及び水平変異量(後)に0.8が、中折角度(左右)、水平偏差(後端)、水平方向のカッタ面の傾き、水平方向のモーメント、及び水平方向の余掘量に0.5が、各々設定されている。 Here, in this embodiment, in the process of setting the weighting base value and the weighting coefficient, the predetermined selection data related to the direction prediction of the shield tunneling machine 20 selected from the construction measurement data (see Figures 3 and 4) is grouped into multiple search groups A, B, and C according to the degree of contribution to the direction prediction, and the first group, search group A, belongs to seven data, preferably the horizontal deviation amount (front), horizontal deviation amount (rear), bend angle (left and right), horizontal deviation (rear end), horizontal inclination of the cutter face, horizontal moment, and horizontal overexcavation amount, as shown in Table 1. For these selection data, 0.8 is set as the weighting base value for the horizontal deviation amount (front) and horizontal deviation amount (rear), and 0.5 is set for the bend angle (left and right), horizontal deviation (rear end), horizontal inclination of the cutter face, horizontal moment, and horizontal overexcavation amount, respectively.

また、シールド掘進機20の方向予測に関する所定の選択データのうち、第2グループの探索グループBに属するものは、好ましくはシールドジャッキ圧力、推力、カッタビット加速度1X軸、及びカッタビット加速度1Y軸の、4データとなっている。これらの4項目の選択データには、重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程において、重み付け基本値として、0.3が、各々設定されている。 Furthermore, of the predetermined selection data related to the direction prediction of the shield tunneling machine 20, the data belonging to the second search group B are preferably four data items: shield jack pressure, thrust, cutter bit acceleration 1X axis, and cutter bit acceleration 1Y axis. In the process of setting the weighting base value and weighting coefficient, 0.3 is set as the weighting base value for each of these four items of selection data.

さらに、シールド掘進機20の方向予測に関する所定の選択データのうち、第3グループの探索グループCに属するものは、好ましくは方位偏差、方位変位量、及び後胴方位の、3データとなっている。これらの3項目の選択データには、重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程において、重み付け基本値として、0.2が、各々設定されている。 Furthermore, among the predetermined selection data related to the direction prediction of the shield tunneling machine 20, the data belonging to the third search group C preferably consists of three data items: azimuth deviation, azimuth displacement, and rear body azimuth. In the process of setting the weighting base value and weighting coefficient, 0.2 is set as the weighting base value for each of these three items of selection data.

なお、上述の探索グループA,B,Cに属する選択データのうち、水平方向のカッタ面の傾き、水平方向のモーメント、及び水平方向の余掘量は、特徴的エンジニアリングにより変換された合成データとなっており、シールドジャッキ圧力、推力等は、正規化されたデータとなっている。 Of the selected data belonging to the above-mentioned search groups A, B, and C, the horizontal cutter face inclination, horizontal moment, and horizontal overcut amount are composite data converted using characteristic engineering, and the shield jack pressure, thrust, etc. are normalized data.

さらにまた、本実施形態では、重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程において、上述のように、方向予測への寄与度が大きい第1グループの探索グループAには、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0の5パターン数の重み付け係数が設定されており、方向予測への寄与度が中程度の第2グループの探索グループBには、0.4、0.7、1.0の3パターン数の重み付け係数が設定されており、方向予測への寄与度が小さい第3グループの探索グループCには、0.5、1.0の2パターン数の重み付け係数が設定されており、後述する説明変数の重み付けを探索する工程においては、各々の探索グループA,B,Cに設定された、探索範囲における重み付け係数のパターン数を掛け合わせた数として、5×3×2=30のデータセットによる複数の学習済みモデルが、重み付け探索用モデルとして作成されるようになっている。 Furthermore, in this embodiment, in the process of setting the weighting base value and weighting coefficients, as described above, five weighting coefficients of 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0 are set for the first group of search group A, which has a large contribution to directional prediction, three weighting coefficients of 0.4, 0.7, and 1.0 are set for the second group of search group B, which has a medium contribution to directional prediction, and two weighting coefficients of 0.5 and 1.0 are set for the third group of search group C, which has a small contribution to directional prediction. In the process of searching for weights for explanatory variables described later, multiple trained models are created as weighted search models using 5 x 3 x 2 = 30 data sets, which is the product of the number of weighting coefficient patterns in the search range set for each of the search groups A, B, and C.

すなわち、本実施形態では、説明変数の重み付けを探索する工程において、正規化されたデータや、特徴的エンジニアリングによって変換された合成データを含む上述の30のデータセットを説明変数として、好ましくはサポートベクターマシンをアルゴリズムとするニューラルネットワークによる機械学習を行うことで、掘進方向後方側の5リングN-1~N-5の、30のデータセットによる説明変を入力データとし、掘進方向前方側の6箇所のリングN~N+5を各々施工する際のシールド掘進機20の先端の、水平偏差、垂直偏差、及び方向偏差の3偏差の各々を出力データとする、30×6×3=540の合計540の学習済みモデルを、重み付け探索用モデルとして作成することができる。 In other words, in this embodiment, in the process of searching for weights of explanatory variables, the above-mentioned 30 data sets, including normalized data and synthetic data converted by feature engineering, are used as explanatory variables, and machine learning is preferably performed using a neural network with a support vector machine algorithm. In this way, a total of 540 trained models (30 x 6 x 3 = 540) can be created as models for weighting search, in which the explanatory variables from the 30 data sets for the five rings N-1 to N-5 on the rear side of the excavation direction are used as input data, and each of the three deviations (horizontal deviation, vertical deviation, and directional deviation) of the tip of the shield tunneling machine 20 when constructing each of the six rings N to N+5 on the front side of the excavation direction is used as output data.

また、本実施形態では、シールド施工現場における上述の学習領域で計測されて、シールド掘進管理システム10からクラウドサーバ11に送られて記憶・蓄積されている、掘進方向後方側の一又は複数のリングN-1~N-5を施工した際の施工計測データから選択された、上述の選択データを、作成した合計540の重み付け探索用モデルの各々に、説明変数として入力し、目的変数である、掘進方向前方側の所定のリングN~N+5を施工した際のシールド掘進機20の先端の3偏差(水平偏差、垂直偏差、及び方向偏差)を出力させる。このようにして、各々の重み付け探索用モデルから出力させた3偏差を、実測されてクラウドサーバ11に記憶されている、シールド掘進機30の先端の偏差の実測値と比較することで、これらの540(水平偏差用:180モデル、垂直偏差用:180モデル、方向偏差用:180モデル)の重み付け探索用モデルから、好ましくは最も実測値に近い水平偏差や垂直偏差や方向偏差を出力したものを選定する。選定した所定の重み付け探索用モデルを作成する際に用いたデータセットを構成する、各々の選択データに設定された重み付けから、各々の選択データに設定されるべき最適な重み付けを探索して、決定することが可能になる。 In addition, in this embodiment, the above-mentioned selected data selected from the construction measurement data when one or more rings N-1 to N-5 on the rear side of the excavation direction are constructed, which are measured in the above-mentioned learning area at the shield construction site and sent from the shield excavation management system 10 to the cloud server 11 and stored/accumulated, is input as explanatory variables to each of the total 540 weighted search models created, and the three deviations (horizontal deviation, vertical deviation, and directional deviation) of the tip of the shield tunneling machine 20 when a predetermined ring N to N+5 on the front side of the excavation direction is constructed, which is the objective variable, are output. In this way, by comparing the three deviations output from each weighted search model with the actual measured value of the deviation of the tip of the shield tunneling machine 30 that is actually measured and stored in the cloud server 11, the weighted search model that preferably outputs the horizontal deviation, vertical deviation, and directional deviation closest to the actual measured value is selected from these 540 (horizontal deviation: 180 model, vertical deviation: 180 model, directional deviation: 180 model) models. It becomes possible to search for and determine the optimal weighting to be set for each selected data from the weighting set for each selected data that constitutes the data set used to create the selected predetermined weighting search model.

また、これらの重み付けは、水平偏差用の180の重み付け探索用モデル、垂直偏差用の180の重み付け探索用モデル、又は方向偏差用の180の重み付け探索用モデルから、各々の偏差の実測値に最も近い水平偏差や垂直偏差や方向偏差を出力したものを選定して、各々の重み付け探索用モデルを作成する際に用いたデータセットを構成する、各々の選択データに設定された重み付けから、各々の選択データに設定されるべき最適な重み付けを探索して、決定することも可能になる。 In addition, these weights can be determined by selecting from 180 weighting search models for horizontal deviations, 180 weighting search models for vertical deviations, or 180 weighting search models for directional deviations the model that outputs the horizontal deviation, vertical deviation, or directional deviation that is closest to the actual measured value of each deviation, and searching for and determining the optimal weighting to be set for each selected data from the weightings set for each selected data that constitute the data set used to create each weighting search model.

これらによって、本実施形態の掘進予測モデルの重み付け探索方法によれば、個々のパラメータに設定すべき重み付けの適否を判定するための、膨大な数の確認用モデルを作成することなく、好ましくはシールドエンジアの知見に基づいて、選択データを予めグループ分けしたり、グループ分けした選択データに重み付け基本値や重み付け係数を付与したりすることを可能にして、シールド掘進管理システムから送られて説明変数となるパラメータ(選択データ)に設定される重み付けの適否を、より効率良く判定できるようにして、人工知能による機械学習によって作成される予測モデルの精度を、一層向上させることが可能なる。 As a result, according to the weighting search method for an excavation prediction model of this embodiment, it is possible to pre-group selected data and assign weighting base values and weighting coefficients to the grouped selected data, preferably based on the knowledge of shield engineers, without creating a huge number of confirmation models to determine the appropriateness of the weighting to be set for each parameter, thereby making it possible to more efficiently determine the appropriateness of the weighting set for the parameters (selected data) that are sent from the shield excavation management system and serve as explanatory variables, and further improve the accuracy of the prediction model created by machine learning using artificial intelligence.

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、学習済みモデルを作成するための説明変数となる施工計測データは、掘進方向後方側の直前の5リングから得られるものである必要は必ずしもなく、掘進方向後方側の一又は複数のリングを適宜選択して、これらのリングから得られる施工計測データとすることもできる。目的変数となるシールド掘進機の先端の偏差が計測されるリングは、掘進方向前方側の直後の6リングうちのいずれかである必要は必ずしも無く、7リング以上前方側のリングにおけるシールド掘進機の先端の偏差であっても良い。学習済みモデルやパラメータ確認用モデルや予測モデルを作成するための機械学習は、サポートベクターマシンをアルゴリズムとするニューラルネットワークによるものである必要は必ずしも無く、大量の施工計測データを解析することが可能な、その他の種々のアルゴリズムによるものであっても良い。 The present invention is not limited to the above embodiment and can be modified in various ways. For example, the construction measurement data that is the explanatory variable for creating the trained model does not necessarily have to be obtained from the five rings immediately preceding the rear side of the excavation direction, and one or more rings on the rear side of the excavation direction can be appropriately selected and the construction measurement data obtained from these rings can be used. The ring in which the deviation of the tip of the shield tunneling machine, which is the objective variable, is measured does not necessarily have to be one of the six rings immediately following the front side of the excavation direction, and may be the deviation of the tip of the shield tunneling machine in a ring seven rings or more forward. Machine learning for creating the trained model, parameter confirmation model, and prediction model does not necessarily have to be based on a neural network that uses a support vector machine as an algorithm, and may be based on various other algorithms that are capable of analyzing large amounts of construction measurement data.

10 シールド掘進管理システム
11 クラウドサーバ
12 LAN
13 パーソナルコンピュータ
14 ディスプレイ
20 シールド掘進機
20a 回転カッター
20b シールドジャッキ
20c スキンプレート
20d エレクター装置
20e セグメント
21 掘進計画延長線
22 学習領域
N~N+5,N-1~N-5 リング
10 Shield tunneling management system 11 Cloud server 12 LAN
13 Personal computer 14 Display 20 Shield tunneling machine 20a Rotary cutter 20b Shield jack 20c Skin plate 20d Erector device 20e Segment 21 Excavation plan extension line 22 Learning area N to N+5, N-1 to N-5 Ring

Claims (6)

シールド掘進工法において、シールド掘進管理システムから送られる施工計測データを教師データとして、人工知能による機械学習によりシールド掘進機の先端の偏差を予測する掘進予測モデルを作成する際に用いられる、説明変数の重み付けを決定するための掘進予測モデルの重み付け探索方法であって、
前記掘進予測モデルは、掘進方向後方側の一又は複数のリングを施工した際の前記施工計測データを説明変数とし、掘進方向前方側の所定のリングを施工する際のシールド掘進機の先端の偏差を目的変数とする、学習済みモデルとして作成されるようになっており、
説明変数の重み付けの探索は、重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程と、設定された重み付け基本値及び重み付け係数によって重み付けされたデータを用いた複数のデータセットを説明変数とした、複数の重み付け探索用モデルを作成し、作成した複数の重み付け探索用モデルによる各々のシールド掘進機の先端の偏差の出力データを比較して、採用すべき重み付け探索用モデルに用いた前記データセットから、説明変数の重み付けを探索する工程とを含んでおり、
前記重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程では、前記施工計測データから選択された、シールド掘進機の方向予測に関する所定の選択データを、方向予測の寄与度に応じて複数の探索グループにグループ分けすると共に、グループ分けされた各探索グループの各々の選択データに前記重み付け基本値を設定し、且つ各探索グループに対して、0.0~1.0の探索範囲における所定の数値となる、所定のパターン数の前記重み付け係数を設定するようになっており、
前記説明変数の重み付けを探索する工程では、各探索グループに対して設定された、前記探索範囲における前記重み付け係数の各々のパターン数を掛け合わせた数の前記データセットによる、複数の前記重み付け探索用モデルが作成されるようになっており、各探索グループに対して設定された、前記探索範囲における前記重み付け係数の各々のパターン数を掛け合わせた数の前記データセットによる、複数の前記重み付け探索用モデルによる各々のシールド掘進機の先端の偏差の出力データを、実測値と比較して、採用すべき前記重み付け探索用モデルに用いた前記データセットから、説明変数の重み付けを決定するようになっている掘進予測モデルの重み付け探索方法。
A method for weighting an excavation prediction model for determining weights of explanatory variables, the method being used in creating an excavation prediction model for predicting the deviation of the tip of a shield machine by machine learning using artificial intelligence using construction measurement data sent from a shield excavation management system as teacher data in a shield tunneling method, comprising:
The excavation prediction model is created as a trained model in which the construction measurement data when constructing one or more rings on the rear side of the excavation direction is used as an explanatory variable, and the deviation of the tip of the shield machine when constructing a predetermined ring on the front side of the excavation direction is used as a target variable,
The search for weighting of explanatory variables includes a step of setting a weighting base value and a weighting coefficient, and a step of creating a plurality of weighting search models using a plurality of data sets using data weighted by the set weighting base value and weighting coefficient as explanatory variables, comparing output data of deviation of the tip of each shield machine from the created plurality of weighting search models, and searching for weighting of explanatory variables from the data sets used in the weighting search model to be adopted,
In the step of setting the weighting basic value and the weighting coefficient, predetermined selection data related to the direction prediction of the shield machine, selected from the construction measurement data, is grouped into a plurality of search groups according to the degree of contribution of the direction prediction, the weighting basic value is set for each selection data of each grouped search group, and a predetermined number of patterns of the weighting coefficients, which are predetermined numerical values in a search range of 0.0 to 1.0, are set for each search group;
In the step of searching for weighting of the explanatory variables, a plurality of weighting search models are created using the data set in a number obtained by multiplying the number of patterns of each of the weighting coefficients in the search range set for each search group, and the output data of the deviation of the tip of each of the shield tunneling machines using the plurality of weighting search models using the data set in a number obtained by multiplying the number of patterns of each of the weighting coefficients in the search range set for each search group is compared with actual measured values, and the weighting of the explanatory variables is determined from the data set used for the weighting search model to be adopted.
前記重み付け基本値及び重み付け係数を設定する工程において設定される、前記重み付け基本値及び前記重み付け係数は、シールドエンジアである作業員の知見に基づいて設定された値となっており、方向予測への寄与度が大きいほど、1.0に近くなっている請求項1記載の掘進予測モデルの重み付け探索方法。 The weighting search method for an excavation prediction model according to claim 1, wherein the weighting base value and the weighting coefficient set in the step of setting the weighting base value and the weighting coefficient are values set based on the knowledge of a shield engineer, and the greater the contribution to the direction prediction, the closer the weighting base value is to 1.0. 前記施工計測データから選択された、シールド掘進機の方向予測に関する所定の選択データは、方向予測の寄与度に応じて第1グループ、第2グループ、第3グループの3つの探索グループにグループ分けされると共に、第1グループ、第2グループ、第3グループの順で、より大きな前記重み付け基本値が設定されるようになっている請求項1又は2記載の掘進予測モデルの重み付け探索方法。 A weighting search method for an excavation prediction model according to claim 1 or 2, in which the predetermined selection data related to the direction prediction of the shield machine selected from the construction measurement data is grouped into three search groups, the first group, the second group, and the third group, according to the degree of contribution of the direction prediction, and the weighting basic value is set to be larger in the order of the first group, the second group, and the third group. 前記第1グループの探索グループには、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0の5パターン数の重み付け係数が設定されており、前記第2グループの探索グループには、0.4、0.7、1.0の3パターン数の重み付け係数が設定されており、前記第3グループの探索グループには、0.5、1.0の2パターン数の重み付け係数が設定されており、各探索グループに設定された、前記探索範囲における前記重み付け係数のパターン数を掛け合わせた数として、30の前記データセットによる複数の前記重み付け探索用モデルが作成されるようになっている請求項3記載の掘進予測モデルの重み付け探索方法。 The weighting search method for an excavation prediction model as described in claim 3, wherein five weighting coefficients of 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0 are set for the search groups of the first group, three weighting coefficients of 0.4, 0.7, and 1.0 are set for the search groups of the second group, and two weighting coefficients of 0.5 and 1.0 are set for the search groups of the third group, and a plurality of weighting search models are created using 30 of the data sets, the number being the product of the number of patterns of the weighting coefficients in the search range set for each search group. 前記機械学習が、サポートベクターマシンをアルゴリズムとするニューラルネットワークによる機械学習である請求項1~4のいずれか1項記載の掘進予測モデルの重み付け探索方法。 The weighted search method for an excavation prediction model according to any one of claims 1 to 4, wherein the machine learning is machine learning using a neural network with a support vector machine as an algorithm. 目的変数となるシールド掘進機の先端の偏差が、水平偏差、垂直偏差、及び方向偏差である請求項1~5のいずれか1項記載の掘進予測モデルの重み付け探索方法。 A weighted search method for an excavation prediction model according to any one of claims 1 to 5, in which the deviation of the tip of the shield tunneling machine, which is the objective variable, is a horizontal deviation, a vertical deviation, and a directional deviation.
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