给“钢铁蚯蚓” 装上“眼睛”和“大脑”

硬岩隧道掘进机(TBM)，是盾构机家族中“啃硬骨头”的成员，主要用于穿山越岭的硬质地层隧道建设，因技术附加值高、制作难度大而有着“掘进机之王”的称号。

山岭地区的地质勘探有很大局限性，无法详尽呈现地层状况，这使得TBM在掘进中经常面临着“摸黑”前行。地层状况的复杂多变和不可预知，增加了工程的难度和危险性。

作为“三个转变”的发源地，中铁装备集团联合多个科研院所研发出TBM-SMART智能掘进系统，攻克了上述难题，将“摸黑”掘进变成“透明”掘进、“智慧”掘进。

据悉，在掘进机产品智能化领域，中国企业已经和国际巨头处于“并跑”阶段，并且在个别技术上具有领先优势。

给“钢铁蚯蚓”点亮双眼

盾构机是隧道施工的最主要设备，城市地铁、山体隧洞、跨海隧道等等都离不开它。大型盾构机足有五六层楼高，是名副其实的大国重器。

TBM在盾构系列产品中“牙口”最好，削岩如泥。它工作起来就像一只巨大的“钢铁蚯蚓”，通过前端持续旋转的刀盘，将岩石“咬碎”，再把碎渣和岩粉通过螺旋叶片等输送到后方；一边挖洞，一边拼装管片加固隧道。

而另一方面，TBM也如蚯蚓一样只能“摸黑”前行，对前方的地质状况缺乏感知。

“虽然前期为了确定隧洞的路线，会做地质勘探，但由于条件限制，这种勘探取样会很‘稀疏’。”中铁装备集团智能院副院长荆留杰介绍，像一些山岭隧道的埋深很深，要从山顶向下钻孔取样，工作难度很大，通常只能隔一公里或两公里钻一个孔。但是这一两公里的间隔之内，地层状况又有着复杂变化。

如果在这期间遇到断层和破碎带，就可能导致局部塌方，使TBM的刀盘卡顿或损毁，对成本和工期都造成很大消耗。

“如果前方出现不良地层，而我们还一无所知，设备一头扎进去了，问题就很严重。”荆留杰表示，“这个时候我们对刀盘前面到底是一个什么样的地层、它是不是完整的、有没有很多地下水等等，这种‘往前想’‘往前看’的需求就特别强烈。”

在国家“973计划”支持下，中铁装备经过十年协同攻关，攻克了TBM施工过程中“岩体实时感知难”、“TBM掘进精确控制难”两大难题，研发了TBM-SMART智能掘进系统。该系统可将“黑箱”掘进，变成“透明”掘进。

“原来TBM的刀盘是牙齿，但是没有眼睛和皮肤去感受前方是什么。这套智能掘进系统就是把‘实时感知’功能加上去。”荆留杰介绍，TBM-SMART系统很像汽车的无人驾驶，后者加装激光扫描、摄像头、毫米波雷达等等，是为了探测路况。TBM-SMART系统则是通过一系列技术手段来感知地下的工况。

“比如说，我们通过加装视觉传感摄像头，对排出来的渣片形状进行识别，据此实时了解前方地层的变化。”荆留杰举例称，如果排出的是岩粉和形状规则的岩片，则表示前方地质情况较好；如果出现不规则的大块，或者含水量高，则预示着前方地层比较不稳定。

“这时系统就会实时地向司机发出安全预警，告知他现在进入了不良地层，掘进的速度，包括刀盘转速要慢下来，以便减少扰动。”荆留杰称。

“在岩体的实时感知方面，以及掘进参数的智能控制和优化方面，我们与国际同行相比是处于领先的。”荆留杰表示。

以大数据打造“智能决策”

目前“钢铁蚯蚓”还是需要司机来驾驶的。在地下施工中，尤其是在地质勘测不详尽的情况下，掘进过程中各种状况的处置，通常依赖于司机的个人经验。然而一方面经验丰富的操作员人数有限，另一方面，人的集中力、注意力会受到身体状况、外界环境等多种因素影响。

“我们正在研究实现掘进中的智能决策。”荆留杰介绍，通过将众多资深驾驶员的“经验”数字化，形成大数据系统，再用大数据来指导其他驾驶员的实践。

“将优秀驾驶员的操作以数字化方式记录下来，包括他在各种地层下分别采取哪些操作方式。慢慢地数据积累多了，就可以去开发一种驾驶经验模型。未来其他驾驶员遇到这种类似地层，就可以应用这种模型中的掘进方式，实现从人工经验到数字化控制或者自动化控制。”

另外，在掘进参数优化方面，大数据可以帮助找到掘进效率与设备使用寿命之间的最优解。“我们肯定是希望设备掘进效率高一点，但是高到什么程度，还是要有一定限制条件的，即要兼顾它的长期健康运转。”荆留杰介绍，TBM-SMART系统可以根据不同的地层，向司机推荐最优掘进参数，既高效又安全，也能保证长期掘进的时候设备不出故障。  

未来TBM能否实现“无人驾驶”？“其实现在最大的问题还是数据的量，或者数据获取的问题。”荆留杰表示。

在隧道建设领域，地质数据、施工数据、建筑结构三维模型等等分属于业主、施工方、设备制造方等各方参与者，在数据使用和归属方面仍存在不小的壁垒。“如果大家能建立一个‘数据池’‘数据湖’，实现共享，在这个基础上，智能制造才能更好地赋能到我们实际的业务中。”荆留杰表示。

（来源：中国网财经 ）