隧道機械化施工中人機協(xié)同作業(yè)的優(yōu)化與管理

張輝

（中鐵十二局集團第四工程有限公司，西安 710000）

1 引言

隧道施工不僅涉及復雜的工程技術問題， 而且涉及多樣的管理問題，如安全管理、風險控制、人員培訓等。 因此，隧道施工的技術進步和管理優(yōu)化成為提升隧道施工效率和質(zhì)量的關鍵。

2 隧道施工與機械化施工概述

2.1 隧道施工的基本概念與方法

隧道施工是一項涉及工程學、 地質(zhì)學和物理學等多學科知識的復雜工程項目，對技術要求較高，難度較大。 基于地質(zhì)條件和施工需求，隧道施工通?？梢苑譃閮纱箢悾好魍诜ê投軜?gòu)法。 開挖法也稱為傳統(tǒng)的“攻擊式”施工方法，是指先在地面開挖一個區(qū)域，然后從地面逐漸挖掘到地下，直到達到預定的深度和長度。 通常適用于地質(zhì)條件較好，巖層穩(wěn)定的地方，且對地面建筑物和環(huán)境影響較小， 需要經(jīng)驗豐富的技術人員和專門的設備，以確保施工過程中的安全。 相比之下，盾構(gòu)法是一種新型的機械化施工方法，主要用于地質(zhì)條件較差，存在大量水分或砂土等不穩(wěn)定地層的地方。 在盾構(gòu)法中，盾構(gòu)機設備可用于地下進行連續(xù)的挖掘和支護，既加快了施工速度，又減小了對地面建筑物和環(huán)境的影響。 與明挖法不同，盾構(gòu)法的施工過程更加復雜和精細， 需要更高的技術水平和更先進的設備。 但是，無論采用哪種施工方法，都需要在施工過程中不斷進行地質(zhì)勘查，以獲取最新的地質(zhì)信息，做出正確的決策。 隧道施工的成功與否取決于嚴格的質(zhì)量控制和安全管理， 應確保施工過程中的每一步都符合相關規(guī)定和標準[1]。

2.2 機械化施工的發(fā)展和優(yōu)勢

隨著科技的快速進步， 機械化施工在建筑行業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應用和發(fā)展，特別是在隧道施工中，機械化施工以其獨特的優(yōu)勢贏得了認可，對隧道施工產(chǎn)生了深遠影響，能夠提高施工效率、改善工作環(huán)境、降低施工風險。 在早期的隧道施工中，人工挖掘是主要的施工方式，但這種方式施工速度慢、工作環(huán)境惡劣、施工風險高。 隨著科技的發(fā)展，機械化施工逐漸取代了人工施工，機械化施工使用高度自動化的機械設備，如盾構(gòu)機、鑿巖機等，大大提高了隧道施工效率。 通過精確的機械設備，不僅施工質(zhì)量更加穩(wěn)定，還避免了人工施工中的誤差和差異， 而且機械化施工還能更有效地應對復雜和危險的地質(zhì)條件，如軟土層、水下層、砂石層等。 機械化施工將人從重體力勞動中解放出來，降低了工人的勞動強度，提高了工作安全性。 通過智能化的管理系統(tǒng)， 還可以更精確地控制施工進度，避免施工中的延誤和變更[2]。

3 人機協(xié)同作業(yè)的關鍵技術

3.1 自動化和智能化技術在隧道施工中的應用

自動化和智能化技術的應用改變了隧道施工的傳統(tǒng)模式，優(yōu)化了工作流程，提升了施工效率和質(zhì)量。 這些技術并不僅使用了盾構(gòu)機等高度自動化的設備， 更重要的是通過對數(shù)據(jù)的收集、處理和應用，使施工過程更加精確、高效和安全。 在現(xiàn)代隧道施工中， 自動化技術被廣泛應用于機械設備的操作和控制中。 例如，盾構(gòu)機可以根據(jù)預設參數(shù)自動挖掘和支護隧道，從而大大提高了施工速度和質(zhì)量；自動化的測量和監(jiān)控系統(tǒng)可以實時收集和處理各種施工數(shù)據(jù)，以指導施工過程，避免錯誤和延誤。 智能化技術的應用則進一步提升了隧道的施工水平，人工智能和機器學習等技術可以對大量的施工數(shù)據(jù)進行深入的分析和處理，提出更優(yōu)化的施工方案，預測和解決施工中的各種問題。 此外，自動化和智能化技術還在施工管理中發(fā)揮了重要作用。 通過建立數(shù)字化的施工管理系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控和調(diào)整施工進度，提高資源的利用率，降低施工成本。

3.2 人機接口設計

人機接口設計是隧道施工中的關鍵部分， 尤其在實現(xiàn)隧道施工過程中的自動化和智能化時更顯重要。 有效的人機接口設計能幫助工程師和操作員更準確、 更有效地操作機械設備，提高施工效率，降低出錯率，增強安全性。 人機接口設計是一種媒介，連接了人和機器，使施工人員能夠以人性化、直觀化的方式理解和控制復雜的機械設備和系統(tǒng)。 在隧道施工中，高度自動化的設備，如盾構(gòu)機等，其復雜性和精確性要求人機接口設計要高度專業(yè)。 操作員需要通過人機接口獲取關于機器狀態(tài)、工作環(huán)境和施工進度的實時信息，同時通過接口下達命令，控制機器的工作。 因此，人機接口需要簡潔、明了，能夠準確地反映機器的工作狀態(tài)， 同時能夠清晰地顯示需要操作員注意或操作的項目。 人機接口設計需要考慮用戶的需求和習慣， 提供符合用戶認知和操作習慣的界面和操作方式。 例如，接口的布局、顏色和標識都需要符合人的視覺習慣和理解方式，以方便用戶快速識別和操作。 同時還需要考慮到施工環(huán)境的特殊性，例如，施工現(xiàn)場的噪聲、光線和振動等可能影響操作員的注意力和判斷， 接口設計需要考慮如何在這些環(huán)境下能夠提供清晰、準確的信息。

4 人機協(xié)同作業(yè)的優(yōu)化

4.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法

數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法正在逐漸改變隧道施工的全貌。 在這個信息化的時代，大量的數(shù)據(jù)被不斷生成并用于分析決策，從而使施工過程更加精確、 高效和安全。 其關鍵在于通過收集、分析和應用各種施工數(shù)據(jù)實現(xiàn)對施工過程的優(yōu)化。 在隧道施工中，可以收集到來自地質(zhì)勘查、設備監(jiān)測、施工監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測等多個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，如地質(zhì)數(shù)據(jù)、施工設備數(shù)據(jù)、施工進度數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，涵蓋施工過程的各個方面。 通過對這些數(shù)據(jù)的深入分析，可以發(fā)現(xiàn)施工過程的模式和規(guī)律，預測施工中可能出現(xiàn)的問題和風險，為施工決策提供有力的支持。 數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法可以在施工過程中的各個環(huán)節(jié)發(fā)揮作用。在施工前期，可以通過對地質(zhì)數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)化施工方案和施工路徑，減少施工風險；在施工過程中，通過對設備數(shù)據(jù)和施工進度數(shù)據(jù)的分析，實時調(diào)整施工參數(shù)，提高施工效率；在施工后期，通過對施工結(jié)果和環(huán)境影響的數(shù)據(jù)分析，評估施工質(zhì)量，改進施工方法。 此外，數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法也可以與其他現(xiàn)代技術相結(jié)合，以實現(xiàn)更高級別的優(yōu)化。 其與人工智能和機器學習技術相結(jié)合， 能夠?qū)崿F(xiàn)對施工數(shù)據(jù)的自動化分析和預測；與物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對施工設備和施工環(huán)境的實時監(jiān)控和遠程控制。

4.2 基于仿真的優(yōu)化方法

基于仿真的優(yōu)化方法是將實際的施工過程抽象為數(shù)學模型，然后在計算機中模擬施工過程，以分析和優(yōu)化施工方案，在不影響實際施工的情況下， 對施工過程進行深入研究和改進，從而提高施工效率和質(zhì)量，降低施工風險。 基于仿真的優(yōu)化方法可以用于隧道施工中的各個環(huán)節(jié)， 從施工方案的選擇到施工參數(shù)的調(diào)整，再到施工結(jié)果的評估，都可以通過仿真進行優(yōu)化。 施工前期，通過仿真對各種施工方案進行預測和比較，選擇最佳的施工方案；在施工過程中，應用仿真優(yōu)化方法對施工參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整， 以適應地質(zhì)條件和施工環(huán)境的變化；在施工后期，應用該方法對施工結(jié)果進行評估，找出施工中的問題，提出改進措施。 基于仿真的優(yōu)化方法，優(yōu)勢在于其本身的靈活性和準確性，可以模擬各種復雜的地質(zhì)條件和施工環(huán)境，預測各種不確定性的影響，從而準確預測施工結(jié)果。 同時，也可以模擬各種可能的施工方案，找出最優(yōu)的施工方法，使施工管理人員能夠預知施工結(jié)果，避免施工中的錯誤和延誤。

5 人機協(xié)同作業(yè)的管理

5.1 人機協(xié)同作業(yè)的規(guī)劃與調(diào)度

人機協(xié)同作業(yè)的規(guī)劃與調(diào)度在隧道施工中的應用是實現(xiàn)效率、安全和質(zhì)量目標的關鍵手段，需要根據(jù)施工任務、施工環(huán)境和設備條件等因素，明確每個施工角色的任務和順序，制訂詳細的施工方案和時間表。 其間， 還要考慮各種因素的影響，如地質(zhì)條件、施工技術、設備性能和人員技能等，同時也需要考慮各種可能出現(xiàn)的風險和應急措施。 在人機協(xié)同作業(yè)的調(diào)度階段，根據(jù)施工進度和實際情況，動態(tài)調(diào)整施工方案和時間表，以適應施工環(huán)境的變化，保證施工任務的順利完成；實時收集和分析各種施工數(shù)據(jù)，如設備狀態(tài)、工作環(huán)境和施工質(zhì)量等，通過智能決策，快速并準確地下達指令，控制設備的工作及指導人員的操作。

5.2 管理策略和工具

管理策略和工具在隧道工程中的應用可以有效地協(xié)調(diào)和控制施工過程，提高施工效率、降低施工風險、保證施工質(zhì)量。管理策略是對施工過程的宏觀指導，決定了施工的目標、路徑和方式。 在隧道施工中，管理策略包括項目管理策略，如定義項目目標、組織項目團隊、制訂項目計劃；施工管理策略，如選擇施工方法、調(diào)度施工資源、控制施工質(zhì)量；風險管理策略，如識別施工風險、評估風險影響、制定風險應對措施；環(huán)境管理策略，如評估環(huán)境影響、制定環(huán)保措施、執(zhí)行環(huán)保法規(guī)。 管理工具是實施管理策略的具體手段，可以使管理工作更加方便、準確和高效。在隧道施工中，管理工具包括計劃工具，如甘特圖，用于制定和展示施工進度；控制工具，如質(zhì)量控制圖，用于監(jiān)控和控制施工質(zhì)量；決策工具，如決策樹，用于分析和選擇施工方案；信息工具，如信息管理系統(tǒng)，用于收集、存儲和傳遞施工信息。

5.3 安全管理和風險控制

在隧道施工中， 安全管理和風險控制不僅關乎工程人員和公眾的生命安全，而且直接影響工程的進度和成本。 安全管理是一種預防性的管理策略， 目標是建立和執(zhí)行安全規(guī)章制度、提供安全培訓和教育、營造安全的工作環(huán)境，以預防和減少施工事故； 風險控制則是對可能影響施工安全和效率的風險進行識別、評估和管理。 為了保證施工安全，必須遵循一套嚴謹?shù)陌踩芾眢w系，該體系包括嚴格的施工規(guī)章制度、定期的安全培訓和教育，以及全面的安全監(jiān)控和審查。 施工規(guī)章制度是工程人員在施工過程中必須遵循的規(guī)則， 旨在減少不安全的行為和操作； 安全培訓和教育則是增強工程人員的安全意識和技能，使其了解和掌握安全規(guī)章制度，避免不安全的行為；安全監(jiān)控和審查是對施工過程和結(jié)果的實時檢查，以發(fā)現(xiàn)和糾正不安全的狀況。 風險控制則是對施工風險的識別、評估和管理，需要識別所有可能影響施工安全和效率的風險，如地質(zhì)條件、施工技術、設備性能和人員技能等，然后對這些風險進行評估，確定風險發(fā)生的可能性及風險結(jié)果的嚴重性，確定應對的優(yōu)先級，并制訂風險管理計劃，包括預防措施和應對措施，以降低風險的可能性和影響。 隨著科技的發(fā)展，安全管理和風險控制也有了新的發(fā)展和創(chuàng)新，例如，通過使用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術，可以實時監(jiān)測施工現(xiàn)場的安全狀況、工作環(huán)境、設備狀態(tài)和人員行為等。 通過使用大數(shù)據(jù)和人工智能技術，可以對施工數(shù)據(jù)進行深入分析，預測可能出現(xiàn)的安全問題，提前采取預防措施。

6 結(jié)語

本文深入分析了隧道施工中各個關鍵領域的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，探討了各種技術和策略的應用和影響。 這些技術和策略的綜合應用，可以顯著提高隧道施工的效率和質(zhì)量，降低施工風險，提升施工的安全性和可靠性，提高施工人員的技術能力，協(xié)調(diào)施工過程，保障施工目標的實現(xiàn)，推動隧道施工的科技進步和持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)隧道施工的智能化、精細化和綠色化，為我國的隧道施工技術和管理水平提供更強大的支撐。