鐵路隧道盾構(gòu)司機(jī)智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

程海云

（廣州鐵路（集團(tuán)）公司 工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，廣東 廣州 510600）

鐵路隧道盾構(gòu)司機(jī)智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

程海云

（廣州鐵路（集團(tuán)）公司 工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，廣東 廣州 510600）

通過分析隧道盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)存在的問題與需求，提出盾構(gòu)司機(jī)智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)思路和體系架構(gòu)。介紹系統(tǒng)的主要內(nèi)容、特點(diǎn)及應(yīng)用案例，為形成規(guī)范的盾構(gòu)司機(jī)職業(yè)技能培訓(xùn)體系、高效培養(yǎng)合格盾構(gòu)司機(jī)、降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)支持。

鐵路隧道；盾構(gòu)司機(jī)；培訓(xùn)；智能仿真；TBM

1 培訓(xùn)現(xiàn)狀與必要性

1.1 司機(jī)素質(zhì)與盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)直接相關(guān)

國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)TBM施工技術(shù)水平不斷提高。盾構(gòu)TBM施工因其具有對(duì)周圍環(huán)境影響小、自動(dòng)化程度高、施工快速、優(yōu)質(zhì)高效、安全環(huán)保等突出特點(diǎn)，隧道運(yùn)營(yíng)后工程質(zhì)量隱患少，發(fā)展空間廣闊。尤其是在地層條件差、地質(zhì)情況復(fù)雜、地下水位高等情況下，盾構(gòu)法施工更具有明顯的優(yōu)越性，將在鐵路隧道施工中越來越受到重視和青睞。

盡管盾構(gòu)法隧道施工風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)低于礦山法，但由于隧道地質(zhì)情況隱蔽復(fù)雜，盾構(gòu)施工出現(xiàn)隧道坍塌、地面塌陷、突水突泥等災(zāi)害，人員傷亡事故屢見不鮮；隧道襯砌管片錯(cuò)牙及開裂、線性不順、滲漏水等質(zhì)量問題常見，施工過程風(fēng)險(xiǎn)防控十分重要。

根據(jù)研究分析[1]，“盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)”的權(quán)重分布為：水文地質(zhì)條件約占40%；盾構(gòu)設(shè)備約占30%；施工隊(duì)伍約占30%。控制盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的基本原則為“地質(zhì)是基礎(chǔ)、設(shè)備是關(guān)鍵、技術(shù)是支撐、人是根本”。隧道盾構(gòu)施工安全、工程質(zhì)量和進(jìn)度控制，與盾構(gòu)司機(jī)的規(guī)范操作、故障排除、應(yīng)急處理等技能密切相關(guān)。

因盾構(gòu)司機(jī)操作不規(guī)范引起的工程事故屢有發(fā)生[2]。例如，某單位承建的國(guó)內(nèi)某特長(zhǎng)水下鐵路隧道施工，由于盾構(gòu)司機(jī)操作失誤，在未確認(rèn)泥水倉(cāng)內(nèi)是否有工作人員的情況下打開泥漿門，大量泥漿涌入倉(cāng)內(nèi)，造成人員傷亡事故；某鐵路隧道采用泥水盾構(gòu)施工，在掘進(jìn)過程中遭遇大塊巖石致使出碴口堵塞，整個(gè)循環(huán)管路壓力劇烈波動(dòng)，盾構(gòu)司機(jī)對(duì)此突發(fā)情況準(zhǔn)備不足，誤將閥門關(guān)掉，形成的水錘效應(yīng)瞬間將管路擊穿，泥漿噴入變頻器致使其嚴(yán)重?fù)p壞。

1.2 司機(jī)傳統(tǒng)培訓(xùn)模式急需創(chuàng)新

1.2.1 司機(jī)供不應(yīng)求、缺口大

隨著國(guó)家“十三五”規(guī)劃和 “一帶一路”戰(zhàn)略全面鋪開，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，隧道盾構(gòu)法施工在建設(shè)領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用[2-3]。截至2020年，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)盾構(gòu)新增數(shù)量將達(dá)到1 200臺(tái)；每臺(tái)盾構(gòu)TBM司機(jī)按照5～6人配置，人數(shù)將達(dá)到6 000人，其中鐵路系統(tǒng)（含城際鐵路）盾構(gòu)機(jī)使用數(shù)量達(dá)410臺(tái)，人數(shù)約2 100人。

1.2.2 傳統(tǒng)培訓(xùn)模式急需突破

盾構(gòu)司機(jī)原培訓(xùn)模式基本采用3種[2-3]：將人員輸送至國(guó)外設(shè)備廠家進(jìn)行學(xué)習(xí)、培訓(xùn)；由設(shè)備廠家安排人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)，施工單位安排人員跟班學(xué)習(xí)；隨老司機(jī)現(xiàn)場(chǎng)跟班學(xué)習(xí)。培訓(xùn)模式均存在周期長(zhǎng)（15～18個(gè)月）、培訓(xùn)不系統(tǒng)等缺陷，且容易傳承“老司機(jī)”操作陋習(xí)，對(duì)系統(tǒng)認(rèn)知不全面，操作不規(guī)范，已不能適應(yīng)盾構(gòu)裝備產(chǎn)業(yè)及施工技術(shù)快速發(fā)展需要。

1.2.3 行業(yè)技能培訓(xùn)體系亟待規(guī)范

相對(duì)于我國(guó)高鐵動(dòng)車司機(jī)和特種作業(yè)的成熟培訓(xùn)機(jī)制，目前國(guó)內(nèi)盾構(gòu)司機(jī)技能學(xué)習(xí)培訓(xùn)基本依賴于各施工企業(yè)的內(nèi)部“傳幫帶”，盾構(gòu)司機(jī)職業(yè)操作技能專業(yè)書籍缺乏，完整系統(tǒng)的盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)教程更為空白。

由此可見，面對(duì)盾構(gòu)使用日益廣泛、盾構(gòu)司機(jī)供不應(yīng)求的狀況，迫切需要形成規(guī)范的盾構(gòu)司機(jī)職業(yè)技能培訓(xùn)體系，以降低隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)，防控施工安全事故。

2 培訓(xùn)系統(tǒng)思路和體系架構(gòu)[2-3]

2.1 建設(shè)思路

盾構(gòu)機(jī)由于造價(jià)高、機(jī)型不同及地質(zhì)條件等限制，司機(jī)培訓(xùn)不能采用真機(jī)進(jìn)行。隨著科技的進(jìn)步，虛擬培訓(xùn)技術(shù)已經(jīng)在飛行員、動(dòng)車司機(jī)等培訓(xùn)中得到應(yīng)用。由于盾構(gòu)機(jī)的復(fù)雜性及工作的特殊性，其相關(guān)虛擬培訓(xùn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未開始研究。采用虛擬盾構(gòu)施工場(chǎng)景培訓(xùn)的方法，創(chuàng)建虛擬的盾構(gòu)機(jī)工作環(huán)境，并構(gòu)造一個(gè)高效、逼真的交互操作環(huán)境，使學(xué)員達(dá)到身臨其境的感覺，是建立標(biāo)準(zhǔn)的盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)體系的趨勢(shì)。

用計(jì)算機(jī)虛擬平臺(tái)模擬盾構(gòu)施工各種場(chǎng)景，通過理論考試、模擬平臺(tái)操作等方法進(jìn)行系統(tǒng)化考核，并根據(jù)考核內(nèi)容制定針對(duì)性的培訓(xùn)，確保司機(jī)能熟練掌握盾構(gòu)操作技能，正確應(yīng)對(duì)異常情況。

2.2 體系架構(gòu)

盾構(gòu)施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為交互層、展示層、邏輯層及知識(shí)層4大部分。

（1）交互層主要是主操控臺(tái)，培訓(xùn)方式可分為學(xué)習(xí)模式、操作模式和考試模式3種。

（2）展示層是指用戶能夠直接看到的內(nèi)容，包括盾構(gòu)機(jī)各個(gè)部件狀態(tài)和操作的顯示主界面。

（3）邏輯層主要用于數(shù)據(jù)的分析和處理，提供高效的算法，包括運(yùn)動(dòng)模型的動(dòng)作控制、模型的顯示方法等。

（4）知識(shí)層為系統(tǒng)提供理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的支撐，除了盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，還包括相關(guān)的操作、維護(hù)知識(shí)、盾構(gòu)施工案例、盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析及控制等。

3 培訓(xùn)系統(tǒng)主要功能及特點(diǎn)

3.1 主要功能

3.1.1 盾構(gòu)智能仿真培訓(xùn)操作平臺(tái)

操作平臺(tái)由模擬操控臺(tái)、模擬培訓(xùn)軟件子系統(tǒng)、在線考試子系統(tǒng)和知識(shí)庫(kù)子系統(tǒng)4部分構(gòu)成。模擬盾構(gòu)TBM操作模式，針對(duì)施工期間潛在風(fēng)險(xiǎn)源，形成整套培訓(xùn)和考試系統(tǒng)。建立盾構(gòu)司機(jī)預(yù)設(shè)類標(biāo)準(zhǔn)化操作考題和預(yù)設(shè)特殊情況現(xiàn)場(chǎng)考題2大類題庫(kù)，同步實(shí)現(xiàn)模擬題庫(kù)更新[3-4]。

3.1.2 盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)教程

教程以“基本常識(shí)、常規(guī)操作、簡(jiǎn)單判定”為主線，包含盾構(gòu)基本知識(shí)，詳細(xì)介紹盾構(gòu)的發(fā)展史、施工特點(diǎn)及構(gòu)造原理等；盾構(gòu)操作技術(shù)，介紹盾構(gòu)設(shè)備各系統(tǒng)操作技能，在國(guó)內(nèi)首次系統(tǒng)性地編寫《盾構(gòu)司機(jī)規(guī)范化操作程序》《盾構(gòu)施工安全事故預(yù)防與應(yīng)急措施》《典型案例分析》，總結(jié)盾構(gòu)操作重點(diǎn)事項(xiàng)，列舉部分重要的應(yīng)急預(yù)案與安全常識(shí)等。

3.1.3 建立盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)數(shù)據(jù)模型

模型立足多種型號(hào)盾構(gòu)的工程實(shí)際案例和長(zhǎng)期積累的龐大數(shù)據(jù)庫(kù)，建立司機(jī)智能仿真操作數(shù)據(jù)模型，完善信息電子數(shù)據(jù)建檔，實(shí)現(xiàn)全國(guó)盾構(gòu)司機(jī)信息數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。

3.2 特點(diǎn)

3.2.1 仿真培訓(xùn)

創(chuàng)建“理論學(xué)習(xí)→模擬培訓(xùn)→實(shí)物操作→考試評(píng)價(jià)”為主線的培訓(xùn)體系，智能判斷培訓(xùn)效果，實(shí)現(xiàn)在線練習(xí)、培訓(xùn)、實(shí)操和考試等功能。

3.2.2 系統(tǒng)軟件研發(fā)

系統(tǒng)從8個(gè)方面研發(fā)：軟件系統(tǒng)構(gòu)成、學(xué)生站子系統(tǒng)、考官站子系統(tǒng)、在線理論培訓(xùn)考核子系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)子系統(tǒng)、軟件可靠性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行配置要求。

3.2.3 盾構(gòu)實(shí)操平臺(tái)

模擬盾構(gòu)實(shí)物智能仿真操作培訓(xùn)系統(tǒng)及方法，創(chuàng)新采用MQTT消息實(shí)時(shí)通信技術(shù)、Drools規(guī)則引擎技術(shù)、WPF界面技術(shù)，利用MCU控制主板和電機(jī)控制PLC。模擬內(nèi)循環(huán)冷卻泵、輔助液壓、推進(jìn)油缸泵、空壓機(jī)、盾尾密封油脂、泡沫系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、刀盤等9個(gè)模塊實(shí)操。

3.2.4 培訓(xùn)體系

構(gòu)建從理論學(xué)習(xí)與考試、模擬操控臺(tái)的實(shí)踐與考核等全套技術(shù)體系，直接形成盾構(gòu)司機(jī)職業(yè)技能培訓(xùn)體系。

4 培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值

傳統(tǒng)培訓(xùn)方法，培養(yǎng)合格盾構(gòu)司機(jī)需要一年半以上，且學(xué)習(xí)過程中存在因培訓(xùn)不系統(tǒng)、技能不熟練、操作不當(dāng)而增加設(shè)備損耗及施工風(fēng)險(xiǎn)。通過智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，盾構(gòu)司機(jī)不用進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)即可進(jìn)行理論及操作學(xué)習(xí)，防止誤操作風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)習(xí)系統(tǒng)完整，培訓(xùn)熟練司機(jī)的上崗時(shí)間大大縮短（節(jié)省時(shí)間9個(gè)月以上），顯著降低施工成本及安全風(fēng)險(xiǎn)。

該研究成果的應(yīng)用形成規(guī)范的職業(yè)技能培訓(xùn)體系，將為國(guó)內(nèi)盾構(gòu)司機(jī)職業(yè)執(zhí)照化創(chuàng)造條件；有助于盾構(gòu)司機(jī)操作規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，提升國(guó)內(nèi)盾構(gòu)司機(jī)隊(duì)伍素質(zhì)；打造盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)桿，為盾構(gòu)行業(yè)專業(yè)技術(shù)人員提供高端提升平臺(tái)。通過盾構(gòu)司機(jī)操作技能的提高，有效加強(qiáng)隧道盾構(gòu)施工技術(shù)管理，大大降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)，防止隧道工程質(zhì)量安全事故的發(fā)生，促進(jìn)鐵路工程建設(shè)又好又快的發(fā)展。

4.2 培訓(xùn)情況及效果

自2015年底盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用以來，已組織中國(guó)中鐵股份有限公司、中國(guó)鐵建股份有限公司等5大總公司、30多個(gè)工程局（集團(tuán)）共400余名盾構(gòu)司機(jī)進(jìn)行培訓(xùn)。從培訓(xùn)效果來看，新司機(jī)通過理論學(xué)習(xí)與模擬操作，了解盾構(gòu)機(jī)控制原理，結(jié)合不同環(huán)境下實(shí)例學(xué)習(xí)，系統(tǒng)掌握盾構(gòu)掘進(jìn)施工要領(lǐng)，有效縮短培養(yǎng)周期。如廣珠城際鐵路珠?！獧M琴段18名新司機(jī)參加培訓(xùn)，通過參加培訓(xùn)和跟班實(shí)習(xí)迅速成長(zhǎng)為合格司機(jī)，培養(yǎng)周期縮短至3～5個(gè)月，且操作行為規(guī)范、系統(tǒng)。老司機(jī)通過培訓(xùn)，掌握盾構(gòu)機(jī)設(shè)備各系統(tǒng)原理及邏輯關(guān)系，規(guī)范盾構(gòu)操作各系統(tǒng)啟動(dòng)的先后順序，明確各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的前提條件，改變以往“設(shè)備能運(yùn)轉(zhuǎn)即可”等不規(guī)范操作模式，實(shí)現(xiàn)操作規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，降低了設(shè)備故障率。如長(zhǎng)株潭城際鐵路盾構(gòu)老司機(jī)通過系統(tǒng)培訓(xùn)，糾正原操作陋習(xí)，顯著提升安全風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)解決問題的能力，降低設(shè)備故障率。據(jù)統(tǒng)計(jì)司機(jī)參加培訓(xùn)后，盾構(gòu)設(shè)備故障率由原來的5%～7%降低至3%～5%，提高了施工效率。

5 培訓(xùn)系統(tǒng)創(chuàng)新

鐵路隧道盾構(gòu)司機(jī)智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是基于人機(jī)交互模式，智能化模擬盾構(gòu)施工的實(shí)際情況，通過本培訓(xùn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，盾構(gòu)司機(jī)在理論與實(shí)踐方面，能全面系統(tǒng)地提升盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)。培訓(xùn)系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：

（1）采用MQTT消息實(shí)時(shí)通信技術(shù)，將計(jì)算機(jī)指令發(fā)送到模擬設(shè)備，如刀盤、推進(jìn)油缸、螺旋輸送機(jī)等，模擬真實(shí)的盾構(gòu)操作。操作指令正確設(shè)備正常運(yùn)行，如設(shè)備的啟動(dòng)、調(diào)速、停止、正反轉(zhuǎn)等；操作指令錯(cuò)誤設(shè)備無(wú)法按要求運(yùn)轉(zhuǎn)，需要排查操作中的錯(cuò)誤指令并糾正。對(duì)盾構(gòu)模擬過程進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)培訓(xùn)人員操作指令正確與否做出判斷，達(dá)到通過模擬設(shè)備替代真實(shí)機(jī)器培訓(xùn)人員的目的。

（2）模擬操控軟件子系統(tǒng)采用基于RETE算法的Drools規(guī)則引擎對(duì)學(xué)員考核進(jìn)行判定。規(guī)則引擎的使用使得考核試題的判斷邏輯與軟件模塊分離，使得考核試題的編制更加靈活通用。學(xué)生站和考官站的軟件系統(tǒng)用戶界面采用了基于WPF技術(shù)的MVVM框架，界面美觀，用戶體驗(yàn)好。

（3）利用MCU控制板采集模擬控制面板各種原件（按鈕、旋鈕）的操作，將操作過程轉(zhuǎn)換成電控信號(hào)與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)“實(shí)體操作”與“計(jì)算機(jī)語(yǔ)言”的轉(zhuǎn)換，通過數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)交換，在模擬電腦上實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)操作過程中各種作業(yè)界面，能使培訓(xùn)者更直觀地感受到盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的操作情況，能夠更有效地提升培訓(xùn)效率。

（4）智能仿真培訓(xùn)平臺(tái)具有仿真度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

（5）理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，針對(duì)性強(qiáng)。結(jié)合國(guó)內(nèi)鐵路隧道盾構(gòu)施工情況，編寫《盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)認(rèn)證教程》；立足于盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)考核的實(shí)際，提供了包括理論學(xué)習(xí)與考試、智能仿真培訓(xùn)平臺(tái)的操作與考核、盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)考核檔案編制與統(tǒng)計(jì)等全套的技術(shù)支撐。

[1] 陳饋，洪開榮，焦勝軍. 國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)法隧道施工實(shí)例[M]. 北京：人民交通出版社，2015.

[2] 盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)教程編寫委員會(huì). 盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)教程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[3] 程海云，劉輝. 鐵路大型隧道盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2016，35(9)：48-51.

[4] 張繼清. 超淺埋大直徑盾構(gòu)穿越海河的設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國(guó)鐵路，2015(7)：69-73.

6 結(jié)束語(yǔ)

鐵路隧道盾構(gòu)司機(jī)智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是一套創(chuàng)新的、完善的盾構(gòu)司機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)的培訓(xùn)，能夠提高盾構(gòu)司機(jī)的職業(yè)技能，降低盾構(gòu)司機(jī)誤操作帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)，形成業(yè)內(nèi)認(rèn)可度較高的盾構(gòu)司機(jī)職業(yè)技能認(rèn)證體系。

責(zé)任編輯 李葳

Intelligent Simulation Training System for Drivers of Railway Tunnel Shield Machines

CHENG Haiyun
（Engineering Quality and Safety Supervision Station，Guangzhou Railway (Group) Corporation，Guangzhou Guangdong 510600，China）

This paper analyzes the problems and requirements of training of drivers of tunnel shield machines, puts forward the idea and system architecture of intelligent simulation training system of shield drivers. It also introduces the main contents, characteristics and application cases of the system, and provides technical support for forming the standard vocational training system of shield drivers, cultivating qualified shield drivers and reducing risks of shield construction.

railway tunned；shield driver；training；intelligent simulation；TBM

U455；U458

：B

：1001-683X（2017）07-0040-04DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.07.040

2017-04-03

程海云（1974—），男，高級(jí)工程師。E-mail：gtdbchenghaiyun@126.com