技术 | 杨华勇 李建斌 等：盾构机智能化技术概述
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科学
2024-09-14 09:48
北京
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经过近二十年的发展，中国盾构机自主设计制造技术日趋成熟，中国自主研制的盾构机已在隧道及地下空间开发中得到广泛应用。随着隧道施工需求的不断提升，盾构机技术还将不断突破新高度。(1)1963—2002 年是盾构机技术探索期，中国相继研制了多种类型的盾构机，开始了盾构机的自主生产制造。中国盾构机制造和应用始于1963 年，上海市隧道工程局(上海市隧道工程公司前身，1993 年，该公司改制为上海隧道工程股份有限公司)研制了1 台直径4.2m 的手掘式盾构机，这是中国首次进行完整的盾构机隧道掘进试验，并应用于上海地铁工程和越江隧道工程。1983 年，上海市隧道工程公司自行设计研制了网格型水力出土盾构机，这是在网格挤压型盾构机基础上改进而得到的一种盾构机，具有调控开挖面进土部位、面积和进土量的功能，可控制盾构机纠偏和控制地面沉降，还通过布设钢弦式土压计来随时监测开挖面部位土压值变化，这是我国首次在盾构机掘进过程中实现信息化施工。1987年，在消化吸收国外土压平衡盾构机原理和设计制造技术的基础上，中国研制了首台直径4.3m 加泥式土压平衡盾构机，用于上海市南站过江电缆隧道工程。之后的10余年间，又陆续设计制造了直径，38~6.34m 土压平衡式盾构机，用于取排水隧道、地铁隧道、电缆隧道等，掘进总长度约10km。(2)2003—2008 年是盾构机技术消化吸收阶段，中国成功研制了具有完全自主知识产权的盾构机。2002 年，国家“863”计划首次立项开展盾构机关键技术研究，正式拉开国家层面自主研发盾构机的序幕，国内首个盾构机产业化基地在河南新乡落成，正式掀开了盾构机产业研发的新篇章。2004 年10 月，上海隧道工程股份有限公司研发的中国首台具有完全自主知识产权的土压平衡盾构机“先行号”样机，在上海地铁2 号线西延伸段区间隧道始发。2008 年,中国首台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机“中国中铁1 号”在河南新乡成功下线(图1-1),实现了从盾构机关键技术到整机制造的历史跨越，打破了“洋盾构机”一统天下的局面,拉开中国盾构机产业化的序幕。(3)2009 年至今，是盾构机技术跨越式发展期，中国盾构机自主创新能力显著提升，实现盾构机产业化生产，国产盾构机开始走向世界。伴随着盾构机的应用推广，盾构机地质适应能力逐渐提升，相继在成都地区富水砂卵石地层、华南地区上软下硬地层、武汉地区全断面泥岩砂岩、华东地区极软土地层等典型地层中成功应用。土压平衡盾构机关键技术，如冷冻换刀技术、刀具状态在线监测系统、压力动态平衡技术、盾构机姿态纠偏技术等取得重大进展，其技术应用已经相当成熟。2015 年，亚洲最大直径土压平衡盾构机在沈阳下线，用于香港莲塘公路隧道，盾构机直径14.1m，配置了蛇形探测臂及三维模拟系统，可实时勘察开挖面。2016 年，由中铁装备设计制造、用于太原枢纽西南环线铁路隧道的直径12.14m 土压平衡盾构机下线，设备独头掘进4850m 卵石、圆砾、黄土、粉土地层,最大卵石粒径达870mm。中国铁建重工集团有限公司(简称铁建重工)首台采用永磁电机驱动的盾构机在武汉地铁27 号线成功始发，设备具有低能耗、方便维修保养等特点。2018 年，中铁工程装备集团有限公司(简称中铁装备)研制的直径15.03m 泥水平衡盾构机在汕头海湾隧道始发,这是我国自主研制的首台15m 级大直径泥水平衡盾构机，开创了国产超大直径盾构机服役于越江跨海隧道建设的新篇章。2019年，中铁装备研制的开挖直径为15.8m 的超大直径泥水平衡盾构机“春风号”下线(图1-2)，首次在大直径盾构机上应用滚齿破碎机技术，是高端泥水平衡盾构机的代表。2020 年，分别由铁建重工和中交天和机械设备制造有限公司研制的开挖直径为16. 07m 的2 台超大直径泥水平衡盾构机下线，这是目前中国自主研发的最大直径盾构机，已成功应用于北京东六环提升改造工程。目前,盾构机已发展成为集合多种技术的自动化控制机械设备,基本实现了掘进、衬砌、排土等施工工艺的全机械化和自动化,以及自动检测、自动纠偏和故障诊断等功能,几乎不受地形、气候等环境因素的影响,能够在复杂地质条件下工作,在长距离、大直径隧道施工中具有明显优势。随着社会与经济的飞速发展,中国隧道及地下工程将获得更大的发展空间,逐渐呈现建设标准高、速度快、长度长、断面大、地质复杂、工期短等显著特点,为适应不同工程领域及市场需求,盾构机技术也将不断创新发展。(1)隧道施工地层复杂多变,盾构机可能需要穿越软硬不均、硬岩、孤石、断层破碎带及水底浅覆土等多种地层,面临局部高水压、高地应力、软岩大变形等多种不良地质,为解决传统单一模式工法无法应对复杂多样地质条件的问题,土压-泥水、TBM(岩石隧道掘进机)-土压等双模盾构机应运而生。如土压-泥水双模盾构机同时具备土压和泥水盾构机优点,土压模式下采用土仓内渣土稳定掌子面并利用螺旋输送机出渣,泥水模式下采用土仓内泥浆平衡掌子面并利用泥浆管道出渣,适用于黏土、砂土、软硬不均、高含水等地层。土压-泥水双模盾构机成功应用于广州轨道交通7 号线、沈阳地铁4 号线、成都铁路紫瑞隧道等工程,TBM-土压双模盾构机应用于深圳地铁13 号线、福州地铁4 号线等工程,实践证明双模盾构机具有良好的地质适应性和经济性。此外,国内对多功能、多模式盾构机也开展了一些初步工作,TBM-土压平衡-泥水平衡3 种掘进模式兼顾TBM 和盾构机的优点,能够适应长距离高效掘进,抗风险能力强,未来将成为复杂地质、海底长大隧道等复杂工程项目的首选。(2)当盾构机在地下水位高、泥水压力大等地质条件下掘进时,刀盘刀具检查和刀具更换作业安全风险大,带压进仓作业耗时长。因此,为了控制和降低带压进仓作业风险,提高刀具更换效率,各盾构机制造商研发了常压换刀刀盘,并在我国武汉地铁、佛莞狮子洋隧道、汕头苏埃通道以及土耳其伊斯坦布尔海峡隧道等项目取得了良好的应用效果,实现了每把滚刀在3 ~4h 完成更换。为了更好地对刀具状态进行监控,有些制造厂商已开发出刀具监测系统,能够对刀具转动、温度、磨损量进行监测,盾构机司机可随时通过上位机软件查看刀具运行状态;还开发了土仓可视化监控系统,能够对土仓、刀盘刀具、掌子面等部位进行观测,实现开挖仓可视化。(3)盾构机在砂层、淤泥、断层等复杂地质环境中掘进时,或者在穿越建筑物、铁路、管线、江河湖海等特殊地段时,为避免出现地面塌陷、构筑物变形等重大事故,需采取特殊的加固措施,如冷冻刀盘技术。该技术是将冷冻法应用于盾构机掘进,在刀盘周围形成冻结体,以隔绝地下水,增加土体强度和稳定性。虽然盾构机自动化施工技术水平不断提高,但在盾构机掘进信息化、智能化方面缺乏深入研究与工程实践,盾构机掘进过程中地质与设备状态信息获取滞后,缺少有效的数据规律挖掘方法,决策控制依赖人为经验,致使盾构机盲目掘进,导致盾构机掘进与地层条件不适应、掘进效率低、人工劳动强度大、施工作业调度不及时、施工安全事故时有发生等问题一直存在。(1)盾构机掘进地质与设备信息感知不足。一方面,盾构机对地质条件变化的适应性较差,施工中经常会遇到影响进度和安全的各种不良地质情况,如空洞、障碍物、孤石等不良地层,易发生卡机、地表塌陷、机械损坏等严重后果;另一方面,尽管盾构机上装有上千种传感元器件,能够记录上百种设备运行参数,但设备状态如刀具、密封、出渣等信息依然无法实时获取,导致设备故障频发、运维措施滞后、成本和工期难以控制。(2)盾构机掘进信息传递不及时、数据挖掘分析不深入。在盾构机施工过程中,由于缺乏合适的信息管理平台,长期以来施工中产生的海量信息和事故教训无法得到记录和挖掘,或者未被充分利用,不能更好地反馈给装备设计、制造、施工等相关人员,导致盾构机施工风险加大。(3)盾构机掘进决策控制不科学。受制于盾构机多系统集成的复杂性和耦合性,即使主控室上位机系统能够提供上百种设备运行参数信息,但操作者对当前地质状态、设备运行状态以及两者是否匹配等情况依然掌握不足,在面对富水砂卵石地层、上软下硬地层等复杂地质环境时,只能根据主观经验进行人工控制,缺乏科学决策依据。(4)盾构机施工工艺流程复杂,再加上地质环境复杂、作业条件差,对操作人员经验和素质要求高,限于人员技术水平、施工标准不一等原因,易造成施工不当而引起地面沉降、隆起、中心线偏离、管片破损、隧道渗漏、非正常停机、设备损坏等事故,长期影响隧道内作业人员健康,同时也制约盾构机的施工效率。如何有效避免这些问题,加快盾构机施工进度,降低人力成本,提高施工智能化水平,是盾构机行业一直关心的问题和研究探索方向。总的来说,随着盾构机在地铁、电力、电信、地下管廊、海底隧道、岩石隧道等更多领域得到应用,对盾构机技术的要求也越来越高,盾构机不仅要适应长距离、大直径和大深度的施工要求,还要在高压条件下完成施工,更要具备克服复杂施工条件的能力,实现施工的信息化和智能化,提高掘进速度和掘进效率,提高施工安全性,以及提高空间利用率,确保得到断面更为合理、空间利用率更高的异形断面。因此,能够适应多种地质条件和土层结构的复合式盾构机和断面尺寸多样化的超大型和微小型盾构机是未来的发展趋势;同时,盾构机的智能化,即采用先进的感知技术、大数据、深度学习、机器人控制技术,对盾构机掘进进行智能化变革也是其未来的发展方向。传感器、大数据、云计算、人工智能(AI)、物联网、机器人等新一代信息技术发展迅速,智能建造理念已发展至地下工程领域,盾构机智能化施工是隧道及地下工程建设的必然趋势和未来发展方向。国外如日本、法国等在盾构机智能化研究领域起步较早,目前一些知名盾构机生产企业在盾构机智能化方面颇有建树。在智能感知与检测方面,法国布依格集团于2015 年将开发的Mobydic 刀具监测、蛇形机器人、Telemach 换刀机器人等多项新技术应用于香港屯门隧道盾构机。Mobydic 刀具监测系统安装于盾构机刀盘上,可记录刀具受力、转速、温度等,并可通过数据计算反映出掘进中遇到的孤石、桩基等障碍物,同时能够分析出地层环境并绘制模拟图,制定相应的施工措施,最终反馈给盾构机。蛇形机器人的机械臂末端装有摄像机、照明设备、切割设备、高压水枪等,可以清理刀盘,消除堵塞。Telemach 换刀机器人专门用于更换刀具,可以在盾构机开挖仓内部拆卸已经磨损的刀头,并更换安装新刀具。除此之外,在开挖仓还配备了视频系统,在工人进入时可提供实时监控画面。在盾构机智能控制方面,日本于20 世纪90 年代初就开发了盾构机自动掘进系统。佐藤工业公司研制开发了盾构机专家系统,利用人工智能技术判断盾构机选型和施工方法;在船桥市地下输电管道工程中,基于模糊理论和人工智能自主掘进系统开发了盾构机自动掘进系统,通过控制出土量、线流纠偏量等实现了盾构机自动操纵管理。2019 年,清水建设株式会社与名古屋工业大学联合研制了盾构机操作AI 系统,该系统通过深度学习建立了模型化工作流程,模拟人脑判断,实现了管片自动配置和盾构机自主运行控制的最优辅助。马来西亚MMCGamuda 公司研发了自主运行TBM 系统(Autonomous TBM,简称A-TBM),它是一种能实现盾构机自主推进、转向与控制的智能化系统,该系统采用即插即用模块组建,通过可编程逻辑控制器(PLC)的反馈信息实现盾构机轴线的自动转向控制和盾构机参数自动控制推进,并在吉隆坡KV 地铁2 号线中13. 5km 隧道的建设中得到成功应用。在智能导向方面,日本ENZNA 公司开发的Robotec 测量系统利用全站仪自动搜索盾构机内固定安装的棱镜,通过几何关系计算盾构机坐标,实现盾构机掘进方向的自动测量;日本Gyro 系统运用陀螺仪对盾构机进行方位检测,能自动测量方位角和倾斜角,实现盾构机位姿管理;德国VTM 自动导向系统通过引入带自动锁定棱镜功能的全站仪和激光标靶,并结合仿真技术,可将土层中向前掘进的盾构机模拟成清晰可见的图形,并辅以文字标识,实时展示在盾构机司机面前。此外,德国VTM 公司还研发了TUnIS 地面监控系统、SLuM 自动盾尾间隙测量系统、RCMS 自动管环收敛测量系统、VDMS 数据管理系统、管环平整度检测系统、管模和管片三维激光扫描检测系统等,对盾构机施工起到了很好的辅助作用,大大提高了施工质量。在管片自动拼装方面,1995 年日本日立公司采用光学图像、激光与传感器检测技术,研制了7 自由度管片自动拼装机器人,实现了全自动化管片拼装。德国海瑞克股份公司研发了管片自动拼装系统,采用比例控制的回转型真空吸盘,实现管片拼装过程的精确、安全和快速。法国布依格集团2015 年研发了Atlas 管片拼装机器人,能够自动抓取运输车上的管片,将其定位至拼装位置,并准确插入完成拼装,拼装区内无需工人在场,成功应用于巴黎地铁的盾构机施工。中国盾构机智能化发展起步较晚,但一直在不断探索。在智能感知方面,冯欢欢等在2013 年研究了通过对电瓶车渣斗进行分格量化来统计出渣量进而调节螺旋输送机转速控制出渣;夏俭2017 年总结了研制土压平衡盾构机出土计量装置的经验;北京玖瑞科技有限公司2019 年研发了盾构机刀盘状态检测系统,可在线实时测量盾构机刀盘上滚刀的磨损、转速及刀盘的温度;中铁装备2021 年研制了刀具智能诊断系统,通过采用磁传感器测量滚刀转速,计算转速比间接得出刀具磨损量,同时具有温度检测功能,可实现刀具状态的智能诊断。在盾构机信息化平台方面,上海隧道工程股份有限公司研发了盾构机隧道信息化施工智能管理系统,2002 年应用于上海轨道交通明珠线二期工程和南京地铁1 号线工程;中国矿业大学(北京)2003 年开始研发盾构机施工实时管理信息系统,设计了具有施工进度、沉降分析、掘进参数显示、数据分析、材料消耗、数据传输等功能的盾构机施工实时管理系统,2008 年全面应用于北京地铁盾构机隧道施工的实时监控管理工作;随后,国内各装备制造、施工企业相继开发了功能相近的盾构机信息管理系统,如中铁十八局集团有限公司基于地铁项目研发的盾构机施工三维信息管理系统、中铁一局集团有限公司的盾构机集群远程监控与智能决策支持系统、中铁工程服务有限公司的盾构机云、上海大学基于建筑信息模型(BIM)的盾构机隧道施工管理三维可视化辅助系统、中交一公局集团有限公司的盾构机集群化监控与异地决策管理系统、济南轨道交通集团有限公司的盾构机施工多源信息实时移动交互平台、中铁装备盾构机远程指挥中心、盾构及掘进技术国家重点实验室盾构机TBM 工程大数据中心等众多盾构机信息管理系统等。这些系统都集成了目前先进的计算机技术和移动通信技术,实现了盾构机参数采集与存储、多源数据融合、远程监控、数据分析、姿态管控、故障预防预警、可视化显示、沉浸式漫游、进度、质量与风险管理、掘进历史档案存储与查询等功能。在智能决策方面,2007 年杨宏燕建立了一个具有自主知识产权的盾构机方向控制模型,并将其应用在了实际的掘进施工中;2008 年李惠平对盾构机掘进时的运动特性进行分析,并建立了盾构机推进时的运动数学模型;2011 年李守巨等基于现场观测数据提出了盾构机掘进决策支持系统模型,能够实现复杂地层特征在线辨识、土仓压力自适应预测、盾构机姿态调整、掘进参数优化等;2014 年龚国芳等使用双闭环反馈自动控制对液压缸的速度进行控制;2018年周奇才等依据盾构机施工排土量与注浆量数据对地表沉降进行预测。在智能控制方面,上海隧道基于信息化大数据平台、第5 代移动通信技术(5G)、AI 智能学习技术、传感技术研发的盾构机自动巡航技术多元化管控平台,实现盾构机一键启动、管控中心远程操控工地端盾构机主要掘进动作及油脂与浆液注入,达到自动巡航掘进。2018 年杨华勇等针对全断面隧道掘进装备智能化提出了无人值守的具体概念,2019 年中铁装备提出了盾构机无人化,2020 年王同军指出铁路隧道智能建造的核心是无人化或少人化等,2021 年赵洪岩等将盾构机智能化划分为辅助巡航、间歇性自动巡航、常态化自动巡航、自动控制和智能掘进5 个阶段。综上所述,国内外盾构机智能化仍处于初期探索阶段。国外的盾构机智能化大多是针对单个系统、单个部件的智能检测、智能诊断及智能运行,自主控制系统仍然以特定工程的数据样本为主,未能得以推广应用。受限于传感器技术、人工智能、大数据技术等发展水平,与国外同类企业相比,中国盾构机生产企业的智能化技术储备与产品的整体自动化、智能化水平依然处于劣势。国内盾构机主要依靠人工操控进行掘进,只有极少部分功能如同步注浆、管片拼装等可实现少人化,还需继续研究自动巡航、智能掘进等技术。智能盾构机是具有自判断、自感知、自学习、自适应各种地质、自决策掘进参数和无人驾驶等功能的掘进机。智能盾构机关键技术可细分为智能传感器技术、数据传输与通信技术、大数据与云计算技术、数据融合与平台开发技术、盾构机智能控制技术、盾构机施工智能机器人技术。随着智慧设备和先进技术的发展应用,未来盾构机也能实现无人驾驶,工程建设安全性和施工效率也会随之提高。众多隧道掘进工程实践证明,盾构机智能化施工必须满足以下条件:(1)能够实时感知工程水文地质、地层受力、设备运行等多源信息。(2)快速全面融合多源信息,准确判断地质与设备状态。(3)信息快速传递与科学决策。盾构机借助物联网、大数据和人工智能等信息化、智能化技术,可以解决施工过程中信息采集和传递不及时、信息分析处理不完善、信息共享和利用不充分等问题,依据地质与设备状态信息,为盾构机掘进提供科学合理的施工参数。(4)掘进过程智能控制。基于信息化平台,充分利用机器人等先进智能控制技术,实现盾构机智能掘进与自主巡航,实现盾构机安全高效施工;最终形成“以施工环境和盾构机信息感知为基础,以多源海量信息融合平台建设为中心,以盾构机掘进智能控制为应用目标”的盾构机智能化施工体系,实现盾构机掘进少人化或无人化施工。智能盾构机是在当前盾构机设备基础上,进行新一代信息技术与隧道建造工业化深度融合的技术变革,围绕盾构机安全、高效施工目标,突破岩土体与盾构机掘进状态智能感知互馈、掘进智能控制与优化决策、智能平台建设、多系统协调自动控制等一批行业重大技术难题,实现盾构机超前探测、开挖、出渣、注浆、运输、管片拼装支护以及通风等掘进全过程的无人或少人的智慧生产。智能盾构机应用场景如图1-3 所示。借助于物联网、传感器、人工智能、云计算等新技术的发展,智能盾构机必将是信息化、自动化和智能化的高度融合。鉴于盾构机的设备多系统、多学科的特点及复杂、恶劣的工作环境,智能盾构机将会全面实现盾构机施工过程关键系统的数字化精准实时采集、各类施工数据的网络化实时传输以及可视化展示,通过盾构智能平台完成数据的智能化分析,最后面向不同的客户、不同的需求提供精准服务,盾构机工作所有相关信息可在多种终端多种场合多维展示。智能盾构机整体技术架构可分为设备感知层、数据传输层、盾构机智能平台层及应用层(图1-4)。设备感知层主要负责盾构机工作时的多源数据采集,主要包括设备数据、岩土体数据、安全环境监测数据及智能感知终端数据等,实现对盾构机作业环境、设备自身等参数的全面感知以及“人—机—环境”之间的交互感知。基于获取的海量数据,一方面可以快速获取超前地质信息和围岩状态信息,避免盾构机施工中出现重大安全事故;另一方面可以实时采集设备运行信息,实现设备关键部件的健康状态实时监测,降低设备出现故障概率。针对盾构机施工现场网络信号覆盖面小、干扰源多、感知点布置复杂等难点,研制高实时性、高稳定性、高透明性的盾构机通信网络系统,建立数据通信互联网与盾构机物联网集成的体系架构。构建网络负载稳定、短帧数据传送、信息交换高速的由现场总线、控制系统以及互联网组成的复杂现场通信系统,解决复杂环境下网络传输数据包时延、抖动、丢包等问题。同时,为保障施工数据的安全性和数据的一致性,采取数据终端暂存与远程传输同步进行两种方式。当网络稳定工作时,可实时将盾构机现场数据传输至平台;当网络出现故障时,所采集数据将暂存本地,待网络修复后续传回云平台。盾构机智能平台针对盾构机作业数字化、网络化、智能化的需求,在传统云平台的基础上叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术,可实现盾构机全生命周期的技术、经验、知识的模型化、软件化和复用化需求。以该平台为载体,基于多源数据集成、海量数据治理、工业数据利用等手段,可对盾构机施工、运维等全过程数据进行可视化表达与展示,提供盾构机集群管理、项目管理、运维管理、风险管理、预测性维护等服务,形成生产管控、智能运维、协同演进的高端掘进装备应用新模式。在盾构机智能化需求的背景下,依托智能盾构机平台所挖掘的相关机理模型及规律,围绕控制自动化、决策智能化、监测实时化、管理信息化四个目标进行应用层设计,可构建盾构机安全掘进过程中的“掘进、出渣、拼装、排水、通风、运输、预警”等主要环节的智能控制方案。在盾构机自动化控制的基础上,集成地质环境和设备多源在线感知信息,研发自动推进、自动导向、自动注浆等系统,实现盾构机掘进全过程的智能化、无人化控制。智能传感器(intelligent sensor)是传感器与微处理器赋予智能的结合,兼有信息检测与信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机,具有信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能,是传感器集成化与微处理机相结合的产物。相对于仅提供表征待测物理量大小的模拟电压信号的传统传感器,充分利用当代集成技术、微处理器技术等的智能传感器,其本质特征在于其集感知、信息处理与通信于一体,能提供以数字量方式传播具有一定知识级别的信息,具有自诊断、自校正、自补偿等功能。智能传感器首先借助于传感单元,感知测量,并将之转换成相应的电信号。该信号通过放大、滤波等调理后,经过模拟/ 数字(A/ D)转换,接着基于应用算法进行信号处理,获得待测量大小等相关信息。然后,将分析结果保存起来,通过接口将它们交给现场用户或借助于通信将之告知给系统或上位机。由此可知,智能传感器主要完成信号感知与调理、信号处理和通信三大功能。盾构机施工工况常处于电磁屏蔽严重、温度高、湿度大、高冲击等恶劣环境下,传感器选取及数据传输存在较多难以解决的问题,现有传感感知技术对盾构机设备状态的实时监测难度很大。因而,未来智能传感器将向着精度与可靠性高、品种多、功能丰富、复合型、集成化与微型化等方向发展。第一,研究新型敏感材料、探索新颖感知方法,敏感元件的阵列化与复合化将成为智能传感器感知技术未来发展的主要方向。新的敏感材料、感知方法意味着感知范围的扩大或感知可选择性的增强。敏感元件的阵列化是智能传感器高精度、高可靠性的必要源泉。第二,以定义法、基于数据融合技术与模式识别理论的综合法为代表的粗信号处理方法和利用专家系统、神经网络、自适应等理论的细信号处理方法目前主要研究的是如何精确、可靠地实现智能传感器的“感知”“认知”这两大信号处理功能。分析法则研究了让智能传感器如何低成本地去完成其“感知”功能。分析法充分地体现了智能传感器中信号处理的能力,它有利于智能传感器的集成化、微型化。随着计算机技术、控制技术、数字信号处理技术的发展,智能传感器的信号处理将变得日益精密、可靠。第三,以智能传感器为节点构成的智能传感网络是重要发展方向,在多功能、高精度的复杂分布式测控系统中将显示出其强大的生命力并起着非常重要的基础作用。智能传感器的通信技术将会随着总线技术、网络技术、通信技术的发展而不断丰富。目前,市场上盾构机数据采集一般采用“上位机+ 下位机”模式,盾构机搭载的众多传感器信号均通过下位机PLC 进行采集,在PLC 中进行逻辑与数学运算后传输至上位机工控机进行显示。此外,盾构机可选配的成套化系统,如导向系统、不良地质超前探测系统、渣土体积测量与识别系统可以直接与上位机工控机通信。PLC 与成套化系统一起通过特定适配协议接入盾构机施工数据采集终端,进一步发送至远程服务器。盾构机施工过程中如设备维保、刀具更换、材料消耗、地层加固等信息由现场一线人员记录,按既定规则上传相关信息至数据库中。然而,上述基于光纤+无线传输的数据传输与通信方式,存在传输链条过长、稳定性不足等技术问题。数据传输与通信技术在发展过程中表现出智能化和自动化特征,这也是盾构机数据传输与通信技术在未来一段时期内的主要发展方向。随着盾构机施工预警系统、远程调度系统、机器人等智能子系统的出现,有线传输无法满足大量传感设备布设的需要,高速宽带无线通信技术是未来盾构机数据传输与通信的主要应用方式,也是智能盾构机发展的必经之路。传统的低频窄带无线通信受到带宽限制而无法满足使用需要,5G 通信技术具备低时延、高带宽、接入点数多的性能,为盾构机数据传输与通信提供技术支持。新一代的高频宽带Wi-Fi6 通信技术基于802. 11. ax 协议,可实现物理层最高带宽2974Mbit/ s,支持6G 频段且接入点数高达上千个,满载数据通信时延为10ms 左右,完全满足盾构机施工智能化数据接入的需要,为解决异构数据高效采集与处理瓶颈提供了核心技术支撑,有力促进了盾构机施工数字化、信息化和智能化发展。 大数据与云计算技术是面向信息3. 0 时代的IT 关键技术,泛指网络服务支撑技术和海量数据的管理、存储、计算、分析等技术,是信息技术领域的平台性、支撑性技术,关乎国家IT 基础设施的建设,也关乎推动国家经济社会发展的关键技术体系的建设。云计算是互联网时代信息基础设施与应用服务模式的重要形态,是新一代信息技术集约化发展的必然趋势;大数据是以互联网为核心的信息化建设达到一定规模的自然产物,具有数据规模大、来源丰富、类型复杂、变化迅速等诸多特征,使得云计算成为大数据处理的主要基础设施。盾构机施工数据类型多元、关系复杂,包括地质、岩体、设备、维修保养、预警等基础数据,以及岩-机相互作用产生的衍生数据和计算分析产生的中间数据,其特点如下:(1)空间性。盾构机施工数据以里程为主要标识。对于同一段掘进里程,反映盾构机设备运行参数特征的数据和反映该段里程地质信息的数据由于产生和获取途径不同,分别存放于不同类型文件下,通过标记掘进方向和距离桩号相关联。(2)实时性。盾构机设备数据产生于安装在盾构机设备上的传感器,传感器实时跟踪记录盾构机设备运行时产生的数据,一般按秒级采集,能实时反映当前地质环境变化和设备运行状态。(3)多源异构性。盾构机施工数据涉及多种不同类型的数据,如盾构机设备数据存放于txt 文件中,工程地质资料以excel、doc、图片等格式存放,施工监控保存了大量视频资料,这些数据的格式和标准多样,且结构化、非结构化数据量差异巨大,不便采用统一的格式进行管理。(4)海量性。盾构机拥有近千个传感器点位,一般按秒级进行记录,同时配有成套的视频监控、感知检测系统等,每台盾构机每天产生的传感数据和视频图片等超过2. 5G。以每年接入100 台计, 每年的数据量约为2. 5G × 100 ×360 =90T。盾构机施工数据体量大、类型多、生成快速和价值密度低,符合大数据基本特征,如图1-5 所示,可利用大数据技术解决盾构机数据采集、存储和挖掘所面临的难题。云计算能够整合巨大的计算资源池,根据客户需求弹性分配虚拟化资源,满足用户海量数据传输、存储和计算等需求,是支撑大数据的关键技术。云计算架构主要分为三个层次,基础设施服务(IaaS)提供网络通信、数据存储和计算资源,平台服务(PaaS)提供访问共享和大数据环境,应用服务(SaaS)提供基础信息服务和数据挖掘等多种应用。分层服务很好地支撑了盾构机施工大数据的各类需求,使平台运行更加稳定,如图1-6 所示。大数据和云计算的应用对盾构机施工数据管理、存储、计算与分析起到了巨大的推动作用,但仍存在不少问题有待解决。大数据方面存在数据存储管理与安全性问题。在对数据进行采集和处理的过程中,用户的隐私数据有可能被非法泄露。另一方面,由于大数据的数据量大且复杂,各种类型的数据在存储过程中极易发生错位等数据错乱问题,进而失去了数据原有的价值。因此在大数据的未来发展中,如何加强对用户信息的保护和存储管理将成为重中之重。云计算在计算量、网络性能等方面仍存在着不足之处。因而,随着盾构机施工数据越来越多,云计算的计算能力和网络性能亟待提高。物联网(Internet of Things,IoT)的信息采集需要多种传感网支持,由于感知的数据格式还没有达成一致标准,数据结构不同,语义各异,不同数据包格式需分别定义各自解析方式,增加了数据采集时的工作量、成本和时间。传感器数据持续采集形成了海量数据,如果不能提出统一数据集成及融合方案,将导致反馈信息慢,反馈信息不完整等问题,物联网平台难以开发实现多业务应用。根据数据来源及获取途径,盾构机施工数据可分为盾构设备数据和现场采集数据两大类。如图1-7 所示,这两类数据的数据格式、采集频率、采集方式、保密程度均存在较大差异,需要预先对其进行分级分类,并建立标准化的参数字典库、合理且区分度高的采集方式及存储方案,从而为大数据储存、调用、分析、挖掘等提供标准化入口。盾构机施工数据标准化示意如图1-8 所示。（本文节选自《智能盾构理论与方法》，本号将陆续推送智能盾构理论与方法的相关专题文章）。
