新书发布 | 杨华勇 李建斌 等：智能盾构理论与方法（附作者专访视频）
文摘
科学
2024-09-14 09:48
北京
在这个科技飞速发展的时代，人工智能已经成为推动各行各业变革的重要力量。当我首次接触到《智能盾构理论与方法》这本书时，我深感其对于盾构机智能化领域的深远意义。
本书由杨华勇院士和李建斌正高级工程师牵头组织，汇聚了来自多所知名高校和企业的数十名专家学者，共同探讨了AI技术在盾构机研发、设计、制造与应用中的创新应用。他们秉持“产学研用”的研发方法，以提升盾构机的整体性能为目标，深入挖掘新技术，推动技术创新。
书中详细介绍了AI技术如何赋予盾构机更加准确识别地质条件的能力，如何降低刀盘切削土体所用能耗，以及如何提升开挖面压力平衡控制的精准性等多个方面的研究成果。这些成果不仅展示了智能盾构机的巨大潜力，也为未来的盾构机智能化发展指明了方向。
此外，本书还对智能盾构机给出了初步定义，旨在方便对盾构机智能化的研究，也有利于今后完善智能盾构机的内涵。全书内容丰富，结构清晰，是行业科研人员的智慧结晶。
我坚信，《智能盾构理论与方法》这本书将成为盾构机智能化领域的一部重要著作，为相关研究人员提供宝贵的参考和启示。同时，我也期待更多的读者能够关注并投入到这一领域的研究中来，共同推动盾构机智能化的进一步发展。
人民交通出版社总编辑 陈志敏
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总编荐书：专访《智能盾构理论与方法》作者李建斌
Introduction to the author
杨华勇，1961年1月出生，中国工程院院士，流体传动与控制领域专家，浙江大学教授，浙江大学机械工程学院院长，流体动力与机电系统国家重点实验室(浙江大学)主任，国家电液控制工程技术研究中心主任。
长期从事电液控制方面的理论研究、基础元件和系统开发、盾构与液压电梯关键技术研发以及工程化等工作，先后主持了国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金、国家科技支撑计划等项目。在国内外重要学术刊物发表论文260余篇，获得中国发明专利150 余项，出版多部著作。
李建斌，1962年10月出生，正高级工程师，国家重点基础研究发展计划(973计划)首席科学家，中国中铁股份有限公司高级专家，中铁工程装备集团重大专项研究院院长。曾任中铁工程装备集团有限公司董事长、党委书记，中铁高新工业股份有限公司总经理。
长期致力于盾构机技术创新和推广应用，作为多个型号盾构机总设计师，带领团队历经8年研制出我国第一台复合式土压平衡盾构机，历经15年实现了中铁装备的盾构机产销量中国第一，历经20年实现了盾构机产销量世界第一，各型号盾构机被广泛用于铁路隧道、海底隧道、地铁、国防等国家重大工程。先后获国家科技进步一等奖、国家科技进步二等奖、国家专利金奖等科技奖项，出版著作7部。
近年来，全球人工智能( Artificial Intelligence,AI) 技术快速发展，成为引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力。在此背景下，中铁工程装备集团有限公司等盾构机制造厂商、中铁隧道局集团有限公司等施工企业联合浙江大学、上海交通大学、清华大学、中南大学、华中科技大学、大连理工大学、山东大学等相关高校开展了盾构机智能化的研究。研究团队秉持“ 产学研用”的研发方法，以提升盾构机的整体性能为目标，探索将新一代人工智能技术融入盾构机的研发、设计、制造与应用之中，充分挖掘利用新技术来推动技术创新，打造新时期的大国重器。相关研究成果如下：AI 技术赋予盾构机更加准确识别地质条件的能力。岩石和土壤的类型繁多，掘进之前无法掌握隧道每个位置的地质数据，还要考虑隧道埋深、含水量、岩体裂隙发育等条件，可以说世界上没有哪两座隧道是完全一样的。盾构机在掘进过程中会产生大量的掘进数据，包括刀盘转速、推进力、刀盘扭矩、推进速度等。采用BP神经网络等算法，可逐步建立盾构机掘进参数集和地质条件之间的关系,解决地质条件难识别的问题。该技术配合地震波法、电磁法等地质预报技术组成地质预报与综合预警系统，提高施工安全性。神经网络和边缘计算技术可降低盾构机刀盘切削土体所用能耗。驱动系统是驱动刀盘完成土体切削的动力来源，其制造成本高且工作能耗高，该系统的状态监控、维护和运行参数优化需要大量的监测数据，利用大数据分析和人工智能可以准确及时地找出潜在故障点,实时分析运行状态，协助现场或远程技术人员给出最佳的解决方案。利用边缘计算节点，可以识别刀盘是否出现结泥饼等问题，也可以实现异形盾构机多刀盘智能运转。AI 技术提升了盾构机开挖面压力平衡控制的精准性。盾构机开挖面压力失衡会对地表建筑物、人身安全造成严重损害，水土压力大于盾构机密封仓压力会造成地表塌陷事故，反之会引发地表隆起(土压平衡盾构机) 或泥水击穿地表(泥水平衡盾构机) 事故。在实际工程中，由于需要监测和控制的变量参数多、调节的频率高,因此操作人员的工作量很大，长时间高强度的工作容易因疲劳导致误操作。当遭遇掘进地层水土总压力突变等极端工况时，人工操作的反应通常不够迅速和高效。国内外学者已开展了盾构机开挖面压力动态平衡智能控制方面的研究，有望实现无人化控制。除了地质条件识别、刀盘驱动系统控制、开挖面压力控制等领域，AI技术可还应用于出渣、管片拼装、通风、通信等方面，具体研究成果将在本书相关章节予以阐释。鉴于目前还没有关于“智能盾构机” 的明确定义，作者在此给出一个智能盾构机初步定义：能够根据各类信息感知和反馈，自主判断隧道地质状况，自主决策掘进参数，具有自学习和自适应能力，可实现自主导航，自主开展搭载实验和无人(少人) 驾驶的盾构机。提出这一定义仅是抛砖引玉，旨在方便对盾构机智能化的研究，也有利于今后完善智能盾构机的内涵。智能盾构机的研发只有起点，没有终点。智能盾构机研究将是漫漫长路，已取得的一些成果只是开始，仍有很多挑战考验着研究者的信心和能力。回想中国盾构机发展之路可谓艰难而又辉煌，中国首台复合式盾构机的研发历经八年，又经过十几年产销量达到世界第一。在此期间培养了一大批盾构机人才，形成了一支支科研团队，在工程现场、生产车间、实验室汇聚成了中国盾构机研发力量，打造了“产学研用” 协同创新样板。实现盾构机智能化将为盾构机插上“飞翔的翅膀”，相关科研团队需要继续孜孜以求，携手应对新挑战。本书由杨华勇院士和李建斌正高级工程师牵头组织，邀请了来自浙江大学、中铁高新工业股份有限公司、中铁工程装备集团有限公司、华中科技大学、上海交通大学、清华大学、中南大学、天津大学、中铁工程服务有限公司等相关高校、企业的数十名专家学者共同编写,是行业科研人员的智慧结晶。全书共分16章：第1章为智能盾构机概述；第2章~第15章分别介绍AI技术在盾构机导向系统、地质预报与综合预警系统、驱动系统、切削系统、压力平衡控制、姿态控制、管片拼装系统、通风系统、排水系统、注浆系统、安全系统、物料运输系统、检测系统和通信系统的研发和应用情况；第16章主要介绍了盾构智能化管控平台。人工智能技术经过三次技术浪潮的发展，其算法、算力和数据开发均实现了突破，2016年阿尔法围棋(AlphaGo) 击败围棋世界冠军事件成为AI 技术里程碑，2023年ChatGPT4、华为盘古等AI大模型发布应用。AI技术正在深刻地改变着今天的生产生活，其图像识别、语音识别等技术已在城市管理、科学研究、无人驾驶等众多领域得到应用。AI 技术在盾构机设计和施工领域的应用虽已起步，透射出未来之光，但许多研究工作似在迷雾中前行，充满不确定性，这也赋予了这项研究神秘感和吸引力。随着AI 技术基础理论的不断发展，以及在盾构机领域的应用得到拓展，必将出现盾构机智能选型和智能设计、盾构机维修方案智能设定和掘进寿命智能预测等更加丰富的功能应用。
新书出版之际，我们诚挚向各位亲爱的读者征集您对智能盾构发展的观点与见解。
点击文末“写留言”即可参与。其中，留言被精选后点赞量前10名的读者，将获赠《智能盾构理论与方法》1本（李建斌亲签版）。
活动截止时间：9月23日12点。
技术|王华伟 等：某大直径盾构隧道安全穿越风险源微扰动控制技术
