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走进新国企·智造中国| 给“钢铁蚯蚓”装上“眼睛”和“大脑”

2021-05-07 10:15:42 中国网财经 

编者按:“推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变”的重要指示,为我国制造业高质量发展提供了前进方向和根本遵循。今年5月10日,“三个转变”重要指示将迎来七周年。中国网财经记者跟随国资委新闻中心主办的“走进新国企·智造中国”采访活动,实地探访中国制造企业践行“三个转变”的最新成果。

中国网财经5月7日讯(记者 李春晖)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。

隧道掘进机工作流程(视频由中铁装备提供)

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,中铁装备联合北京工业大学、山东大学、武汉大学、浙江大学、中国水利水电科学研究院等TBM施工领域著名科研院所,成立TBM智能化掘进联合攻关团队,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。

在山东文登抽水蓄能电站工程中,TBM-SMART系统搭载到由中铁装备集团自主研制的世界首台超小转弯半径硬岩掘进机——“文登号”上。在施工过程中,岩体参数预测准确度平均88.9%,成功预警卡机风险5次,实现了直线段最高日进尺20.548米,曲线段最高日进尺11.165米施工记录,相比同类产品下掘进效率提升30%,保障了TBM安全、高效掘进。

“对于地下工程来说,对地质的掌握,才是智能化的基础。”中铁装备集团副总经理王杜娟表示。

实现隧道掘进机的实时感知、智能决策、超前探测等,是全球掘进机行业都在试图攻克的技术制高点。

王杜娟表示,在掘进机的产品智能化方面,中国企业与国际巨头已经处于“并跑”阶段,个别技术上做到领先。“比如说我们的TBM-SMART 2.0已经在好几个项目上得到应用,国际同行中还没有。”

“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。

硬岩TBM (中铁装备供图)

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。”

中铁装备集团做了大量的掘进实验,收集不同地层需要什么样的参数,再通过历史数据的反衍,通过大数据分析,对未来的掘进施工进行指导。

以大数据为依托,TBM-SMART系统可以帮助司机轻松掌握前方的岩体情况,实时监测设备卡机风险,同时提供最佳操作建议,实现“智慧”掘进。

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。

那么未来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。

随着数字经济时代到来,“数据”已经成为一种重要的资产和生产要素,甚至有了数据即“石油”、数据即财富的说法。

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。

“现在我们正在探索一些模式,看看能不能实现数据的分享,让数据支撑在产品智能化方面发挥更大的作用。”王杜娟表示。

(责任编辑:李显杰 )
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