盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)適應(yīng)性設(shè)計智能決策

王碧海，張 健，陳永亮，彭慶金，顧佩華

（1.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東 汕頭 515063；2.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；3.曼尼托巴大學(xué)機(jī)械工程系，曼尼托巴 溫尼伯 R3T 2N2）

螺旋輸送機(jī)是土壓平衡式盾構(gòu)的重要組成部分，是盾構(gòu)實現(xiàn)渣土輸送和土壓保持的核心功能部件之一。然而，盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的設(shè)計開發(fā)過程常常受到地質(zhì)情況、用戶需求和制造條件等因素的制約［1］。例如，對于不同類型的地層（如富水粉砂層、富水砂卵石層、軟黏土層、干細(xì)砂層和硬巖地層等），盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的排渣方式各不相同［2-7］，且實際的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，大多是由不同巖層組合而成的復(fù)雜地層。此外，不同類型隧道的開挖需求不一致，如地鐵隧道、海底隧道和穿山公路隧道等對盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)排渣量的要求也不同。另外，在制造工藝和耐磨塊的選取等與地質(zhì)條件不匹配的情況下，易出現(xiàn)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的螺旋軸疲勞斷裂和螺旋葉片磨損加劇的現(xiàn)象［8-9］。上述制約因素分別在結(jié)構(gòu)、功能和性能等方面對盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)提出不同的設(shè)計需求［10-12］。因此，在盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的設(shè)計過程中，常需要在已有設(shè)計方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計調(diào)整，以快速適應(yīng)新的需求。

設(shè)計調(diào)整廣泛存在于產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程中。設(shè)計調(diào)整是指對產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以使產(chǎn)品和設(shè)計適應(yīng)新的工作環(huán)境和用戶需求［13-14］。對于盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的設(shè)計調(diào)整，通常是對其已有的、功能相似的設(shè)計進(jìn)行指標(biāo)、結(jié)構(gòu)和參數(shù)上的調(diào)整，以滿足排渣、保壓和調(diào)速等方面的不同需求。傳統(tǒng)的基于直覺和經(jīng)驗的設(shè)計調(diào)整往往容易導(dǎo)致產(chǎn)品指標(biāo)發(fā)生變動，而過大的指標(biāo)變動會對盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的可靠性、安全性和可維護(hù)性等產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，產(chǎn)品指標(biāo)變動導(dǎo)致的部分影響存在于盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的全生命周期中，且通常難以在設(shè)計開發(fā)階段通過實驗與檢測發(fā)現(xiàn)，從而留下安全隱患。

重用已有的、經(jīng)過工程驗證的設(shè)計不但能夠有效利用現(xiàn)有知識與資源以及大量減少設(shè)計、制造和運(yùn)維等環(huán)節(jié)的重復(fù)性工作，而且能夠保障產(chǎn)品的可靠性、安全性和可維護(hù)性等全生命周期性能［15］。為最大化重用已有設(shè)計方案和降低設(shè)計調(diào)整的負(fù)面影響，筆者基于已有的設(shè)計數(shù)據(jù)提出一種盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)適應(yīng)性設(shè)計智能決策方法。該方法通過對產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)的依賴性和相關(guān)性的分析，以實現(xiàn)以下目的：1）設(shè)計調(diào)整影響范圍的準(zhǔn)確標(biāo)定；2）關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的有效識別；3）適應(yīng)性設(shè)計方案的智能求解。

1 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)設(shè)計需求分析

1.1 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的功能與結(jié)構(gòu)

螺旋輸送機(jī)是維持土壓平衡式盾構(gòu)密封艙土壓平衡和開挖面穩(wěn)定，以及控制地表沉陷的關(guān)鍵部件。尤其是在樓群密集、地下管線復(fù)雜等對地層穩(wěn)定性要求很高的地區(qū)，螺旋輸送機(jī)在盾構(gòu)安全施工方面發(fā)揮著重要作用［16］。盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)主要由螺旋軸、伸縮油缸、液壓馬達(dá)、觀察口和出渣閘門等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of shield screw conveyor

盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通螺旋輸送機(jī)基本一致，但是兩者的使用工況有較大區(qū)別：第一，盾構(gòu)密封艙內(nèi)壓力較大，盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)處于有背壓輸送狀態(tài)；第二，盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)作為控制盾構(gòu)密封艙壓力的關(guān)鍵部件，其對密封性能有很高的要求；第三，為了能通過控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對盾構(gòu)密封艙壓力的控制，要求盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)能精確地輸送渣土。

綜上，盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的主要功能為：1）排渣，從盾構(gòu)開挖艙內(nèi)將開挖下的渣土排出盾構(gòu)；2）保壓，渣土通過螺旋葉片輸送并被壓縮成密封土塞，以阻止泥土中的水流失，從而保持盾構(gòu)密封艙的土壓穩(wěn)定；3）調(diào)速，通過改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排渣量，以實現(xiàn)盾構(gòu)密封艙的土壓動態(tài)平衡。

1.2 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)

盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的功能、性能和工況要求等的變動往往體現(xiàn)在產(chǎn)品指標(biāo)的變動上。為滿足新的產(chǎn)品指標(biāo)需求，通常須對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行重新計算以及對零部件進(jìn)行重新選配。

表1列舉了盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的15個關(guān)鍵產(chǎn)品指標(biāo)，其在一定程度上表征了盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)在結(jié)構(gòu)、功能和性能等方面的設(shè)計要求。例如：在結(jié)構(gòu)方面，盾構(gòu)的內(nèi)部空間基本由開挖直徑確定，內(nèi)部空間的大小限制了盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的尺寸；在功能方面，渣土松散系數(shù)影響著盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)在排土、保壓和調(diào)速功能間的偏向，如沙礫漂石等地層條件下強(qiáng)調(diào)“排”，富水粉細(xì)砂層等地層條件下強(qiáng)調(diào)“塞”；在性能方面，盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的排渣能力必須與盾構(gòu)的渣土切削量相匹配，而盾構(gòu)的渣土切削量由其開挖直徑和最大掘進(jìn)速度所決定。

表1 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的關(guān)鍵產(chǎn)品指標(biāo)Table 1 Key product indicators of shield screw conveyor

表2列舉了盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的13個設(shè)計參數(shù)，其涵蓋盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)配置、動力配置和輔助配置三方面。其中：與結(jié)構(gòu)配置相關(guān)的設(shè)計參數(shù)為筒體內(nèi)徑、螺旋直徑、螺距、葉片厚度以及螺旋軸的長度、直徑和壁厚等；與動力配置相關(guān)的設(shè)計參數(shù)為電機(jī)的轉(zhuǎn)速、減速比、功率和扭矩等；與輔助配置相關(guān)的設(shè)計參數(shù)為油缸行程等；而排渣能力與結(jié)構(gòu)、動力和輔助配置均相關(guān)。

表2 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)Table 2 Main design parameters of shield screw conveyor

盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)之間存在著復(fù)雜的相互影響關(guān)系。一方面，單個產(chǎn)品指標(biāo)通常依賴于多個設(shè)計參數(shù)；另一方面，每個設(shè)計參數(shù)會對多個產(chǎn)品指標(biāo)產(chǎn)生不同程度的影響。例如：盾構(gòu)的渣土切削量主要依賴于盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的筒體內(nèi)徑、電機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距等設(shè)計參數(shù)；同時，筒體內(nèi)徑不僅會對盾構(gòu)的渣土切削量產(chǎn)生直接影響，還會對盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的成本、質(zhì)量等其他產(chǎn)品指標(biāo)產(chǎn)生不同程度的影響。在對盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行設(shè)計調(diào)整的過程中，僅靠人工經(jīng)驗有時難以準(zhǔn)確判定產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系，且易受個人經(jīng)驗局限以及主觀因素的影響。這種情況會導(dǎo)致設(shè)計調(diào)整過程中設(shè)計參數(shù)的選擇及取值對產(chǎn)品全生命周期性能的影響難以得到有效評估。

1.3 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的適應(yīng)性設(shè)計需求

不規(guī)范的盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)設(shè)計調(diào)整不僅會影響產(chǎn)品的可靠性、安全性和可維護(hù)性等全生命周期性能，而且無法充分利用現(xiàn)有的設(shè)計制造資源，這不利于產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)效率的提升。

設(shè)計的適應(yīng)性主要是指在設(shè)計調(diào)整過程中充分利用已有設(shè)計來滿足新需求的能力。開展適應(yīng)性設(shè)計能夠提高設(shè)計調(diào)整后的方案在功能和性能、制造工藝以及運(yùn)維條件等方面對原有方案的重用程度，減少大量重復(fù)性的設(shè)計開發(fā)工作，有效提升設(shè)計效率。此外，通過適應(yīng)性設(shè)計能夠有效重用經(jīng)過工程實踐驗證的設(shè)計方案，這在一定程度上也保證了產(chǎn)品的可靠性、安全性和性能穩(wěn)定性以及對新需求的響應(yīng)速度，降低了制造成本與使用維修難度。

為實現(xiàn)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的適應(yīng)性設(shè)計，首先要根據(jù)新的需求，準(zhǔn)確標(biāo)定設(shè)計調(diào)整的影響范圍，以避免不合理的、范圍過廣的設(shè)計調(diào)整，有效提高對已有設(shè)計的重用率。在此基礎(chǔ)上，須準(zhǔn)確識別關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，并開展關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的快速智能求解，在提高設(shè)計調(diào)整效率的同時避免不合理的設(shè)計決策，提高適應(yīng)性設(shè)計對新需求的達(dá)成度。

2 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)適應(yīng)性設(shè)計智能決策方法

盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的各項產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)之間的相互影響體現(xiàn)在產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)中。為最大化重用已有的、經(jīng)過工程驗證的設(shè)計方案，降低設(shè)計調(diào)整的負(fù)面影響，本文提出了基于歷史數(shù)據(jù)分析的盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)適應(yīng)性設(shè)計智能決策方法，其流程如圖2所示。首先，收集盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的歷史數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)，以構(gòu)成產(chǎn)品數(shù)據(jù)集。然后，根據(jù)產(chǎn)品指標(biāo)依賴于設(shè)計參數(shù)的特征，通過逐步回歸方法對其依賴性進(jìn)行量化分析，得到對應(yīng)的依賴性矩陣；同時，分析產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)之間的相關(guān)性，并通過相關(guān)性矩陣來描述兩者之間相互影響的程度。接著，以相關(guān)性矩陣作為距離的度量進(jìn)行層次聚類，并將產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)劃分到不同的集群中，以此標(biāo)定設(shè)計調(diào)整過程中產(chǎn)品指標(biāo)變動的影響范圍，并利用依賴性矩陣識別不同集群中產(chǎn)品指標(biāo)所依賴的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。最后，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建產(chǎn)品指標(biāo)-設(shè)計參數(shù)回歸預(yù)測模型，通過搜尋得到對新的產(chǎn)品指標(biāo)需求具有較好適應(yīng)性的設(shè)計方案。

圖2 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)適應(yīng)性設(shè)計智能決策流程Fig.2 Intelligent decision process for adaptive design of shield screw conveyor

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

所需準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)有2種：一種是反映產(chǎn)品性能并在一定程度代表用戶需求的產(chǎn)品指標(biāo)S=（S1，S2，…，S15），另一種是產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)P=（P1，P2，…，P13）。

收集盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)的原始數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)分別如表3和表4所示。其中，共采集了270臺盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的原始數(shù)據(jù)。剔除數(shù)據(jù)集中的無關(guān)內(nèi)容和不完整數(shù)據(jù)后，利用剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

表3 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)產(chǎn)品指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)Table 3 Raw data of product indicators of shield screw conveyor

表4 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)設(shè)計參數(shù)的原始數(shù)據(jù)Table 4 Raw data of design parameters of shield screw conveyor

2.2 產(chǎn)品指標(biāo)對設(shè)計參數(shù)的依賴性分析

本文通過因果關(guān)系分析算法來識別盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)對設(shè)計參數(shù)的依賴性。逐步回歸算法是一種常用的因果關(guān)系分析算法。該算法針對單一產(chǎn)品指標(biāo)，將設(shè)計參數(shù)逐個引入模型，且每引入一個設(shè)計參數(shù)時均進(jìn)行F檢驗，并對已引入的設(shè)計參數(shù)逐個進(jìn)行T檢驗，當(dāng)已引入的設(shè)計參數(shù)因后續(xù)設(shè)計參數(shù)的引入而變得不再顯著時，則將已引入的設(shè)計參數(shù)刪除。通過顯著性檢驗，逐步回歸算法可對產(chǎn)品指標(biāo)潛在依賴的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地添加和刪除［17］。

利用逐步回歸算法構(gòu)建盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)-設(shè)計參數(shù)回歸方程，將顯著變量標(biāo)記為1，即認(rèn)為該產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)之間存在依賴性，否則標(biāo)記為0，即認(rèn)為不存在依賴性。由此得到每個產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)之間的依賴關(guān)系。盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)之間依賴性的熱力圖如圖3所示。通過觀察圖3所示熱力圖中的深色區(qū)域即可獲取存在依賴關(guān)系的產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)，其可為關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的識別提供依據(jù)。

圖3 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)產(chǎn)品指標(biāo)-設(shè)計參數(shù)依賴性熱力圖Fig.3 Heatmap of dependence between product indicators and design parameters of shield screw conveyor

2.3 產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)來研究多個隨機(jī)變量間相關(guān)關(guān)系的一種數(shù)據(jù)挖掘方法。相關(guān)關(guān)系可以用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計指標(biāo)來表示，比如相關(guān)性系數(shù)等。統(tǒng)計學(xué)中常見的3種相關(guān)性系數(shù)為Spearman相關(guān)系數(shù)、Pearson相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)。其中：Pearson相關(guān)系數(shù)可反映2組變量的線性相關(guān)程度，適用于定距變量的分析；Spearman相關(guān)系數(shù)可反映2組變量等級的線性相關(guān)程度，適用于定序變量的分析；Kendall相關(guān)系數(shù)可衡量2組變量等級的一致程度，適用于定類變量的分析［18-19］。Spearman相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)適用于復(fù)雜的產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)的相關(guān)性分析。

Pearson相關(guān)系數(shù)ρX，Y的計算式如下：

式中：X、Y為待計算的一對設(shè)計變量；cov(X，Y)為X、Y的協(xié)方差；σX、σY分別為X、Y的標(biāo)準(zhǔn)差。

Spearman相關(guān)系數(shù)ρ的計算式如下：

式中：di為X、Y中第i個數(shù)據(jù)之差；n為X、Y的數(shù)據(jù)個數(shù)。

Kendall相關(guān)系數(shù)τ的計算式如下：

式中：C為X、Y中擁有一致性的元素對數(shù)（2個元素為一對）；D為X、Y中擁有不一致性的元素對數(shù)。

本文選擇Kendall相關(guān)系數(shù)對盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析，對應(yīng)的熱力圖如圖4所示。在該熱力圖上，顏色越深表示兩者之間的相關(guān)性越強(qiáng)；顏色越淺表示兩者之間的相關(guān)性越弱。

圖4 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)產(chǎn)品指標(biāo)-設(shè)計參數(shù)相關(guān)性熱力圖Fig.4 Heatmop of correlation between product indicators and design parameters of shield screw conveyor

通過相關(guān)性分析可獲得盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)與設(shè)計參數(shù)之間相關(guān)系數(shù)絕對值所構(gòu)成的相關(guān)性矩陣，并將其作為距離的度量，用于后續(xù)的層次聚類分析，以支持設(shè)計調(diào)整影響范圍的標(biāo)定。

2.4 產(chǎn)品指標(biāo)變動的影響范圍標(biāo)定

某一產(chǎn)品指標(biāo)的變動可能會影響其他產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)。在這種情況下，有必要在調(diào)整某一產(chǎn)品指標(biāo)的同時，分析該產(chǎn)品指標(biāo)對其他產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)的潛在影響，以標(biāo)定產(chǎn)品指標(biāo)變動的影響范圍。

層次聚類算法是按由遠(yuǎn)到近的方式逐步將所有元素聚類到一起的無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。采用層次聚類方法可靈活地設(shè)置集群元素之間的距離閾值［20］。以相關(guān)性絕對值作為距離的度量值，對產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)進(jìn)行層次聚類分析，可得到包含產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)的不同集群，并使同一集群中元素具有強(qiáng)相關(guān)性，不同集群間相關(guān)性弱或不相關(guān)。綜上，集群可作為產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)的影響邊界，修改集群中元素造成的影響僅限于集群元素之間。

本文設(shè)層次聚類方法中的距離閾值為1.55，將產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)劃分到不同集群中，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5結(jié)果，可在一定規(guī)模上劃分盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)的原始數(shù)據(jù)間相互影響的邊界。對圖5結(jié)果進(jìn)行整理，得到不同集群所包含的產(chǎn)品指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)，如表5所示。

表5 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)產(chǎn)品指標(biāo)-設(shè)計參數(shù)的層次聚類結(jié)果Table 5 Hierarchical clustering result of product indicators and design parameters of shield screw conveyor

圖5 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)產(chǎn)品指標(biāo)-設(shè)計參數(shù)的層次聚類樹狀圖Fig.5 Hierarchical clustering denalrogram of product indicators and design parameters of shield screw conveyor

2.5 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)識別

在標(biāo)定產(chǎn)品指標(biāo)變動的影響范圍時，主要借助相關(guān)性分析和層次聚類分析。調(diào)整某一產(chǎn)品指標(biāo)往往是改變與之密切相關(guān)的設(shè)計參數(shù)。然而，數(shù)據(jù)上的相關(guān)性存在偶然性，不足以說明其實際關(guān)系，因此考慮物理上的依賴性作為補(bǔ)充。若產(chǎn)品指標(biāo)Sj(j=1，2，…，15)和設(shè)計參數(shù)Pi(i=1，2，…，13)屬于同一個集群，且兩者之間存在依賴關(guān)系，則定義設(shè)計參數(shù)Pi為產(chǎn)品指標(biāo)Sj的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

結(jié)合盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)產(chǎn)品指標(biāo)對設(shè)計參數(shù)依賴性的分析結(jié)果以及層次聚類結(jié)果，可識別各產(chǎn)品指標(biāo)所對應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。以集群1（C1={S1，S4，S6，S7，S10，S11，P1，P2，P3，P5}）為例，通過依賴性矩陣與層次聚類結(jié)果的相交，對該集群中各產(chǎn)品指標(biāo)對應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進(jìn)行識別，結(jié)果如下：

通過分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品指標(biāo)S1、S7、S10對應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)相同，均為P1、P2、P3和P5；S4對應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)為P2；S6對應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)為P3；S11對應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)為P2、P3和P5。其他集群以此類推。由于產(chǎn)品指標(biāo)與關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)存在依賴關(guān)系，調(diào)整關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)可以改變產(chǎn)品指標(biāo)。同時，關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)與其他集群中元素的相關(guān)性較低，改變關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對其他集群中元素產(chǎn)生的影響較小。因此，為調(diào)整產(chǎn)品指標(biāo)并減小產(chǎn)品指標(biāo)變動的影響范圍，須對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進(jìn)行智能求解。

2.6 設(shè)計方案智能決策

為了對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進(jìn)行智能求解，首先，將集群中的設(shè)計參數(shù)作為輸入，產(chǎn)品指標(biāo)作為輸出，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并構(gòu)建產(chǎn)品指標(biāo)-設(shè)計參數(shù)回歸預(yù)測模型。假設(shè)根據(jù)新的設(shè)計要求，盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的渣土切削量S4、最大通過顆粒長度S6和最大通過顆粒寬度S7發(fā)生變動，其具體數(shù)值的變化如下：

然后，在數(shù)據(jù)集范圍內(nèi)，針對變動的產(chǎn)品指標(biāo)S4、S6、S7，為每個關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)P1、P2、P3和P5分別采用20，3，200和150個離散值，并建立新的設(shè)計參數(shù)輸入矩陣，從而產(chǎn)生1 800 000種不同的設(shè)計參數(shù)組合。在該輸入矩陣中，非關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)保持為當(dāng)前設(shè)計值。最后，將設(shè)計參數(shù)矩陣輸入到訓(xùn)練好的回歸預(yù)測模型中，通過全局搜索獲得多組產(chǎn)品指標(biāo)預(yù)測值。將產(chǎn)品指標(biāo)預(yù)測值與其需求值的平均絕對百分比誤差（mean absolute percentage error，MAPE）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，可得到能夠較好滿足產(chǎn)品指標(biāo)需求的10組適應(yīng)性設(shè)計推薦方案，如表6所示。

表6 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)適應(yīng)性設(shè)計推薦方案Table 6 Recommended schemes for adaptive design of shield screw conveyor

最佳的適應(yīng)性設(shè)計方案所對應(yīng)的產(chǎn)品指標(biāo)的預(yù)測值對需求值應(yīng)具有較高的達(dá)成度。達(dá)成度ε等于1與MAPE之差。通過分析表6結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：第1組適應(yīng)性設(shè)計方案所對應(yīng)的產(chǎn)品指標(biāo)的達(dá)成度最高，即為盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的最佳適應(yīng)性設(shè)計方案。該方案中，關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)及對應(yīng)產(chǎn)品指標(biāo)的當(dāng)前值、需求值和預(yù)測值對比表7所示。

表7 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的最佳適應(yīng)性設(shè)計方案Table 7 Optimal adaptive design scheme of shield screw conveyor

由表7可知：

1）通過對比產(chǎn)品指標(biāo)的預(yù)測值與需求值發(fā)現(xiàn)，達(dá)成度為96.04%，基本滿足設(shè)計要求。

2）將盾構(gòu)開挖直徑S1、渣土切削量S4、最大通過顆粒長度S6和最大通過顆粒寬度S7等產(chǎn)品指標(biāo)與筒體內(nèi)徑P1、螺旋直徑P2、螺距P3和排渣能力P5等設(shè)計參數(shù)歸為一個集群進(jìn)行調(diào)整，符合盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)設(shè)計經(jīng)驗，由此說明利用相關(guān)性、依賴性分析可合理地縮小設(shè)計范圍。

3）螺距P3和排渣能力P5對渣土切削量S4以及最大通過顆粒長度S6有重要影響，與盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)的分析結(jié)果一致［3，10，12，16］，說明上述關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的識別結(jié)果合理、準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

1）提出了盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)適應(yīng)性設(shè)計智能決策方法，能夠準(zhǔn)確標(biāo)定其產(chǎn)品指標(biāo)變動的潛在影響范圍，快速識別滿足不同集群中各產(chǎn)品指標(biāo)所依賴的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，并實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的智能求解，有效避免不合理的、范圍過廣的設(shè)計調(diào)整，提高對已有的、經(jīng)過工程驗證的設(shè)計方案的重用。

2）該方法不僅能夠應(yīng)用于盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的適應(yīng)性設(shè)計調(diào)整，也可以為滿足個性化、差異化需求的產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計提供技術(shù)借鑒。