摘 要：分析智能化盾構(gòu)的概念，包括智能盾構(gòu)的含義和總體技術(shù)架構(gòu)，探討盾構(gòu)裝備智能化轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)，包括發(fā)展基礎(chǔ)不穩(wěn)、人才基礎(chǔ)薄弱和裝備性能有待提升等。在重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容部分，詳細(xì)探討了實(shí)時(shí)感知與識(shí)別復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境及裝備實(shí)際狀態(tài)、智能決策參數(shù)的優(yōu)化、關(guān)鍵性工序自動(dòng)執(zhí)行的智能機(jī)器人研發(fā)、智能化盾構(gòu)裝備的施工保障以及邊云協(xié)同的實(shí)現(xiàn)等方面。研究結(jié)果表明：通過感知層、平臺(tái)層和應(yīng)用層的協(xié)同工作，智能盾構(gòu)裝備可以實(shí)現(xiàn)自主感知、決策和控制。實(shí)時(shí)感知與識(shí)別技術(shù)能有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和裝備實(shí)際狀態(tài)的變化，優(yōu)化智能決策參數(shù)能夠提升施工效率和質(zhì)量，研發(fā)智能機(jī)器人則能顯著提高關(guān)鍵工序的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)裝備；智能化；轉(zhuǎn)型；施工效率；安全性

中圖分類號(hào)：F426.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2024）07-0040-03

0 引言

智能化轉(zhuǎn)型旨在通過應(yīng)用先進(jìn)的信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和自主決策算法等，使盾構(gòu)裝備具備自主感知、自主學(xué)習(xí)和自主決策的能力，提高盾構(gòu)施工的效率、質(zhì)量和安全性。智能化轉(zhuǎn)型涉及多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方面，包括感知與感知融合、自主決策與規(guī)劃、控制與執(zhí)行等。通過這些技術(shù)的集成與創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)裝備的自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，推動(dòng)盾構(gòu)施工向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型。

1 智能化盾構(gòu)概念簡(jiǎn)析

1.1 智能盾構(gòu)含義

智能盾構(gòu)是指在傳統(tǒng)盾構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入了先進(jìn)的智能化技術(shù)和系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)設(shè)備和工程的智能化管理和控制。智能盾構(gòu)通過應(yīng)用傳感器、自動(dòng)控制算法和人機(jī)交互界面等技術(shù)，使盾構(gòu)設(shè)備具備自主感知、自主決策和自主控制的能力。智能盾構(gòu)通過安裝各類傳感器，如位移傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等，實(shí)時(shí)采集盾構(gòu)施工過程中的各種數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和分析，可以及時(shí)評(píng)估盾構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)異常情況。

智能盾構(gòu)引入自動(dòng)控制技術(shù)和算法，通過分析數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)設(shè)備和系統(tǒng)的自動(dòng)化控制和調(diào)節(jié)。例如，根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)和參數(shù)，智能盾構(gòu)可以自主調(diào)整推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速和液壓力等參數(shù)，以提高施工效率和質(zhì)量。智能盾構(gòu)具備故障診斷與維護(hù)功能。通過對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)分析和比對(duì)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備中的故障和異常，并進(jìn)行相應(yīng)的診斷和判斷。智能盾構(gòu)還可以根據(jù)自身情況提供維護(hù)建議和措施，以降低設(shè)備損壞和維修成本。

1.2 智能盾構(gòu)的總體技術(shù)架構(gòu)

智能盾構(gòu)的總體技術(shù)架構(gòu)包括感知層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。這些層次相互配合，共同實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)設(shè)備的智能化管理和控制。智能盾構(gòu)智能化控制如圖1所示。

1.2.1 感知層

感知層是智能盾構(gòu)的底層，主要負(fù)責(zé)感知和采集盾構(gòu)施工過程中的各類數(shù)據(jù)。該層通過布置傳感器，如位移傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集盾構(gòu)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境變量和工作負(fù)荷等數(shù)據(jù)。這些傳感器將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)層進(jìn)行處理和分析。

1.2.2 平臺(tái)層

平臺(tái)層是智能盾構(gòu)的核心部分，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、決策控制和系統(tǒng)管理。在平臺(tái)層中，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和算法，對(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得出有關(guān)盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)、施工環(huán)境和工效等方面的信息。根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)和參數(shù)，平臺(tái)層可以自主進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，以優(yōu)化盾構(gòu)施工過程的效率和質(zhì)量。平臺(tái)層還負(fù)責(zé)盾構(gòu)設(shè)備的系統(tǒng)管理和維護(hù)。它可以對(duì)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障和異常情況，并提供相應(yīng)的維護(hù)和保養(yǎng)建議[1]。平臺(tái)層還能處理設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的功能。

1.2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是智能盾構(gòu)的最頂層，需根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)和開發(fā)具體的應(yīng)用系統(tǒng)和功能模塊。應(yīng)用層的設(shè)計(jì)可以針對(duì)盾構(gòu)施工中的不同方面，如安全管理、工效優(yōu)化、故障診斷等，實(shí)現(xiàn)智能化的應(yīng)用功能。在應(yīng)用層中，可以通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)智能盾構(gòu)的圖形化監(jiān)測(cè)和操作，方便操作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。應(yīng)用層還可以引入人工智能、大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)施工過程的數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)能力，提供更加智能化的決策和推薦。

2 盾構(gòu)裝備智能化轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)

2.1 發(fā)展基礎(chǔ)不穩(wěn)

盾構(gòu)裝備智能化轉(zhuǎn)型需要先進(jìn)的技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)支持，然而，當(dāng)前智能化技術(shù)在盾構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展基礎(chǔ)相對(duì)不穩(wěn)定。智能化轉(zhuǎn)型涉及到傳感器、控制算法、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，其中的關(guān)鍵技術(shù)還存在許多待解決的問題和瓶頸。缺乏穩(wěn)定的發(fā)展基礎(chǔ)會(huì)限制智能盾構(gòu)裝備的快速推廣和應(yīng)用。

2.2 人才基礎(chǔ)薄弱

盾構(gòu)技術(shù)本身就要求操作人員具備豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，而盾構(gòu)裝備的智能化轉(zhuǎn)型對(duì)操作人員的要求更高。需要具備掌握智能化裝備操作、數(shù)據(jù)分析與處理、故障診斷與維修等技能。然而，目前人才的供給和培養(yǎng)滯后于智能盾構(gòu)的快速發(fā)展，人才基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，這是智能盾構(gòu)裝備普及的一個(gè)重要瓶頸。

2.3 裝備性能有待提升

目前的盾構(gòu)裝備智能化轉(zhuǎn)型主要關(guān)注設(shè)備感知、自主分析決策、智能控制和數(shù)字化等方面。在某些方面，許多盾構(gòu)裝備的性能還有待提升。例如，傳感器的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性仍需改進(jìn)；自主分析決策的算法需要更高的智能度和適應(yīng)性；智能控制系統(tǒng)需要更好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性；數(shù)字化平臺(tái)需要更完善的數(shù)據(jù)管理和運(yùn)行模式等。這些問題都需要在裝備設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)中得到解決。

3 盾構(gòu)裝備的智能化轉(zhuǎn)型重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容

3.1 實(shí)時(shí)感知及識(shí)別復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境及裝備實(shí)際狀態(tài)

在盾構(gòu)施工過程中，地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和裝備的實(shí)際狀態(tài)信息對(duì)工程的安全和效率有重要影響。因此，研究復(fù)雜條件下的地質(zhì)環(huán)境及裝備實(shí)際狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)感知及識(shí)別是智能化盾構(gòu)裝備轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)之一。復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的實(shí)時(shí)感知與識(shí)別是關(guān)鍵。通過布置各類傳感器，如地質(zhì)構(gòu)造傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等，可以實(shí)時(shí)獲取地質(zhì)環(huán)境的數(shù)據(jù)[2]。這些傳感器應(yīng)具備高精度、高靈敏度以及抗干擾能力，以確保準(zhǔn)確感知地質(zhì)環(huán)境。

對(duì)于地質(zhì)層析結(jié)構(gòu)的分析和識(shí)別，可以應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)、超聲波成像等非侵入式檢測(cè)技術(shù)，提供更全面和準(zhǔn)確的地質(zhì)信息。裝備實(shí)際狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)感知與識(shí)別也至關(guān)重要。通過在盾構(gòu)裝備上安裝各種傳感器，如振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝備的運(yùn)行狀態(tài)。利用這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)評(píng)估盾構(gòu)機(jī)的健康狀況，發(fā)現(xiàn)潛在故障和異常情況。

通過裝備狀態(tài)識(shí)別算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以判斷裝備是否存在異常狀況，并提前采取相應(yīng)的維護(hù)或修復(fù)措施。對(duì)于復(fù)雜條件下的地質(zhì)環(huán)境及裝備實(shí)際狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)感知與識(shí)別，需要借助先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與分析算法以及多源數(shù)據(jù)的融合，提供高精度、高可靠性的地質(zhì)信息和裝備狀態(tài)識(shí)別結(jié)果，為智能化盾構(gòu)裝備轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵支持。

3.2 研究并優(yōu)化智能決策參數(shù)

在智能化盾構(gòu)裝備轉(zhuǎn)型的過程中，研究智能決策及參數(shù)的優(yōu)化是十分重要的。通過對(duì)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析，盾構(gòu)裝備可以做出更加智能化的決策，并優(yōu)化施工過程中的相關(guān)參數(shù)，以提高施工效率和質(zhì)量[3]。

通過對(duì)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，智能盾構(gòu)可以根據(jù)地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)要求和實(shí)際施工情況等因素，自主做出決策并調(diào)整施工策略。例如在遇到特定地質(zhì)層時(shí)，盾構(gòu)裝備可以自動(dòng)調(diào)整推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)，從而適應(yīng)地質(zhì)變化，減少鉆進(jìn)阻力和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

通過機(jī)器學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)算法，可以對(duì)施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警和預(yù)測(cè)，提前采取相應(yīng)的措施，減少事故的發(fā)生。施工參數(shù)的優(yōu)化也是重要的一部分。通過對(duì)感知數(shù)據(jù)的分析和歷史數(shù)據(jù)的積累，可以優(yōu)化盾構(gòu)施工過程中的各項(xiàng)參數(shù)，如推進(jìn)速度、注漿壓力、螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速等。通過對(duì)這些參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，可以提高施工效率，減少能耗和物料浪費(fèi)，并提高隧道質(zhì)量。通過優(yōu)化參數(shù)來減少對(duì)環(huán)境的影響，如降低噪聲、振動(dòng)和塵埃污染等。

智能決策及參數(shù)的優(yōu)化研究在智能化盾構(gòu)裝備轉(zhuǎn)型中具有重要作用。通過對(duì)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析，盾構(gòu)裝備可以做出更加智能化的決策，并優(yōu)化施工過程中的相關(guān)參數(shù)，以提高施工效率和質(zhì)量。這需要解決數(shù)據(jù)采集與處理、模型訓(xùn)練、優(yōu)化算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成與控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，以實(shí)現(xiàn)智能化盾構(gòu)裝備的優(yōu)化施工和可持續(xù)發(fā)展。

3.3 積極研發(fā)關(guān)鍵性工序自動(dòng)執(zhí)行的智能機(jī)器人

在智能化盾構(gòu)裝備轉(zhuǎn)型的過程中，積極研發(fā)關(guān)鍵性工序自動(dòng)執(zhí)行的智能機(jī)器人是十分重要的。智能機(jī)器人可以利用先進(jìn)的感知技術(shù)和自主決策算法，自動(dòng)完成盾構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵工序，提高施工的效率、質(zhì)量和安全性。

智能機(jī)器人在刀盤更換方面的研發(fā)十分重要。刀盤更換是盾構(gòu)施工中的一項(xiàng)關(guān)鍵工序，傳統(tǒng)的刀盤更換往往需要人工操作，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間成本。通過研發(fā)智能機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)刀盤更換的自動(dòng)化。智能機(jī)器人可以利用傳感器和視覺系統(tǒng)感知刀盤的位置和狀態(tài)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)和規(guī)劃算法進(jìn)行路徑規(guī)劃和操作規(guī)劃，完成刀盤更換過程。

智能機(jī)器人在掘進(jìn)進(jìn)出洞方面的研發(fā)也非常重要。掘進(jìn)進(jìn)出洞是盾構(gòu)施工中非常關(guān)鍵的步驟，對(duì)施工進(jìn)度和質(zhì)量有著重要影響。智能機(jī)器人可以利用視覺系統(tǒng)和激光傳感器感知洞口的位置和形狀，通過自主決策和定位算法精確定位并控制機(jī)器人的進(jìn)出洞動(dòng)作[4]。

智能機(jī)器人還可以通過路徑規(guī)劃和避障算法確保施工過程的平穩(wěn)進(jìn)行，減少人為誤差的可能性。智能機(jī)器人的研發(fā)還可以針對(duì)其他關(guān)鍵工序進(jìn)行，如注漿過程的自動(dòng)化、洞口襯砌的精準(zhǔn)排列等。

3.4 提供智能化盾構(gòu)裝備的施工保障

為智能化盾構(gòu)裝備的施工保障提供支持是智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵任務(wù)之一。這需要在運(yùn)行維護(hù)、故障診斷與修復(fù)、設(shè)備數(shù)據(jù)管理等方面提供全面支持，以確保盾構(gòu)裝備的穩(wěn)定運(yùn)行和長(zhǎng)期可靠性。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)是施工保障的重要環(huán)節(jié)。

利用傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)裝備的運(yùn)行狀態(tài)，例如振動(dòng)、溫度、壓力、液位等參數(shù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理。通過建立運(yùn)行狀態(tài)模型和使用機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，可以預(yù)測(cè)盾構(gòu)裝備的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)潛在的故障和異常，提前采取維護(hù)和修復(fù)措施，避免因故障而導(dǎo)致的生產(chǎn)停頓和損失。

故障自診斷與預(yù)防是施工保障的另一重要方面。通過故障診斷技術(shù)對(duì)盾構(gòu)裝備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)故障的根本原因，提出相應(yīng)的解決方案。利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)，可以建立故障模型，從而實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)診斷與預(yù)防。通過持續(xù)收集和分析裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)，識(shí)別故障的特征模式，快速辨認(rèn)故障形態(tài)，并及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，減少故障對(duì)施工的影響。

此外還需要建立設(shè)備數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對(duì)盾構(gòu)裝備的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和分析。該系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)ρb備的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析和展示。通過數(shù)據(jù)分析，可以了解設(shè)備的歷史運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)問題和趨勢(shì)，并進(jìn)行優(yōu)化決策和策略制定。通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，提高施工的便捷性和靈活性。

3.5 實(shí)現(xiàn)智能化盾構(gòu)裝備的邊云協(xié)同

隨著科技的不斷發(fā)展，依托高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化盾構(gòu)裝備的邊云協(xié)同成為了可能。邊云協(xié)同可以實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)裝備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析與決策支持，并提供遠(yuǎn)程操作和優(yōu)化控制等功能，從而提高施工效率、質(zhì)量和安全性。邊云協(xié)同可以實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)裝備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過裝備上安裝傳感器和監(jiān)控設(shè)備，可以實(shí)時(shí)獲取盾構(gòu)裝備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等關(guān)鍵信息。這些信息可以通過邊緣計(jì)算的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，得出裝備的健康狀況和工作狀態(tài)，提供實(shí)時(shí)的監(jiān)控和報(bào)警功能。

邊緣計(jì)算可以將數(shù)據(jù)以較低的延遲發(fā)送到云端，使得監(jiān)控系統(tǒng)能夠更加迅速地響應(yīng)和處理異常情況。邊云協(xié)同可以實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)裝備數(shù)據(jù)的集中管理和分析。通過邊緣計(jì)算設(shè)備的協(xié)同工作，可以將盾構(gòu)裝備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行統(tǒng)一管理和分析。

在云端，可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能算法對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和挖掘，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的規(guī)律、趨勢(shì)和異常狀況[5]。例如，可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析裝備數(shù)據(jù)，建立預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工過程中的故障預(yù)測(cè)與預(yù)警，提前采取相應(yīng)的維修措施，避免設(shè)備故障引發(fā)的生產(chǎn)延誤和安全事故。邊云協(xié)同還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化盾構(gòu)裝備的遠(yuǎn)程操作和優(yōu)化控制。

4 結(jié)束語

智能化轉(zhuǎn)型對(duì)于盾構(gòu)裝備的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。通過引入先進(jìn)的感知技術(shù)、自主決策算法和控制系統(tǒng)，可以提升盾構(gòu)施工過程中的效率、質(zhì)量和安全性。隨著研究的深入和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，相信智能化盾構(gòu)裝備將為城市建設(shè)提供更加可靠、高效的地下開挖技術(shù)。

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