隧道盾构司机智能仿真培训系统课件

隧道盾构司机智能仿真培训系统

2017年10月第一页，共四十六页。

目前，我国铁路隧道施工多采用的矿山法施工，隧道施工安全事故多发、质量通病突出，工程质量隐患对运营安全构成威胁大，而盾构TBM法施工具有对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等突出特点，推广应用盾构、TBM法隧道施工，提升铁路隧道施工装备水平是大势所趋。广铁集团工程质量安全监督站牵头成功研制《铁路大型隧道盾构司机智能仿真培训系统》，本文介绍了“理论学习→模拟培训→实物操作→考试评价”为主线的创新培训体系及其主要内容，并以代表性案例阐述了其推广价值及应用效果。第二页，共四十六页。04技术、经济和社会价值03主要科技创新02研发内容01研究背景目录CONTENT05成果推广应用第三页，共四十六页。章第1研究背景第四页，共四十六页。城市地铁市政管线西气东输南水北调公路/地铁跨海隧道人防工程资源开发行业需求大地铁盾构750台跨江越海30台铁路隧道410台盾构需求1200台现有盾构约700台新增盾构约500台国家“十三五”规划出台，“一带一路”战略全面铺开，海绵城市建设积极推进，盾构TBM法施工应用日趋广泛，公路、铁路、市政等隧道或地下工程施工，盾构法已经成为主要工法。据统计至2020年，我国各行业新增盾构机约500台，平均单价5千万元/台。水利工程45台市政隧道15台第五页，共四十六页。1、铁路隧道施工迫切需要提升技术装备水平，以降低隧道施工风险，减少工程质量缺陷导致的运营安全隐患

⑴隧道施工安全事故多发。事故类型主要为隧道坍塌、突水突泥、爆炸。究其原因，客观上是地质和环境的复杂性；主观上是安全防范意识不牢、技术措施不落实、施工管理不标准、作业不规范等。

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⑵隧道质量通病突出。原因主要是作业人员多，作业工序复杂，施工质量过于依赖从业人员责任心和施工作业标准化程度、现场管理水平。

⑶隧道质量隐患对运营安全构成威胁。矿山法隧道施工由于施工管理、作业水平及检测手段所限，工程实体质量缺陷难以彻底消除和根治，对高铁运营安全和运输秩序构成严重威胁。

⑷铁路隧道施工装备水平需要提升。盾构TBM法施工因其对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等突出特点，隧道运营后工程质量隐患少，具有广阔的发展空间。第七页，共四十六页。2、隧道盾构施工迫切需要提升从业人员素质，以规范盾构作业行为，防控施工安全事故及提高质量效益⑴盾构施工风险防控十分重要。隧道地质情况隐蔽复杂，盾构施工出现隧道坍塌、地面塌陷、突水突泥等甚至人员伤亡事故不为少见，隧道衬砌管片错牙甚至开裂、线性不顺、渗漏水等质量问题亦常见，施工过程风险防控仍十分重要。第八页，共四十六页。

⑵防控盾构施工风险根本在于提高从业人员素质。盾构隧道施工安全、工程质量和进度控制，与相关从业人员（主要是司机）的规范操作、故障排除、应急处理技能等密切相关。⑶盾构机司机素质与施工安全直接相关。盾构施工在我国发展起步较晚，国内盾构机司机素质参差不齐、整体不高，成为盾构施工的安全隐患。2、隧道盾构施工迫切需要提升从业人员素质，以规范盾构作业行为，防控施工安全事故及提高质量效益第九页，共四十六页。

3、盾构法施工快速发展迫切需要突破司机传统培训模式，以规范行业技能培训体系，高效培训合格盾构从业人员。第十页，共四十六页。

⑴盾构及从业人员大量增加。随着国家“十三五”规划出台，“一带一路”战略全面铺开，到2020年，我国基础建设行业盾构使用数量将达到1200台；每台盾构TBM从业人员按照30人配置，从业人数将达到3.6万人，其中铁路系统（含城际铁路）盾构机使用数量达410台，相关从业人数达到1.23万人。第十一页，共四十六页。

⑶行业技能培训体系亟待规范。盾构机司机职业操作技能专业书籍缺乏，完整系统的盾构机司机培训教程空白，建设系统亟需形成规范的盾构从业人员职业技能培训体系。⑵传统盾构司机培训模式急需突破。原有盾构设备厂家指导和“一带一、老带新”的司机原培训模式，周期长（一般来说15～18个月），存在培训不全面、不系统等缺陷，已经远远不适应盾构装备产业及施工技术快速发展需要。第十二页，共四十六页。章第2研发内容第十三页，共四十六页。研发内容目前由广铁集团工程监督站牵头研发的《铁路大型隧道盾构司机智能仿真培训系统》，开发了国内外首创盾构司机智能仿真操作平台，配套出版了《盾构机司机培训教程》，形成“理论学习、实物操作、考试评价”的完整培训考试体系。研究成果能有效提升盾构司机等从业人员职业技能，对规范盾构施工作业行为、降低隧道盾构施工风险起到积极作用。第十四页，共四十六页。研发内容1）研发盾构司机智能培训平台

模拟盾构操作模式，针对施工期间潜在的风险源，建立一套完善、系统的培训体系，并形成一套针对性强、“宽进严出”培训考试系统。培训系统主要包含施工理论培训、盾构实操培训两个方面；考试系统分为盾构理论考试和盾构实操考试两大部分。第十五页，共四十六页。研发内容9个模块实操模拟内循环冷却泵辅助液压推进油缸泵空压机盾尾密封油脂泡沫系统螺旋输送机皮带输送机刀盘设备技术参数主设备电源:AC220V-250V50Hz±5%；最大电流：1.5A；额定功率：90W；动力用电:DC-24V最大电流10A，额定电流3A；外观尺寸:2000*1700*1000（长*高*厚）mm；设备总重量：185Kg；动力控制方式:步进电机+光电监测转速反馈；通讯协议：TCP/IP。培训平台智能仿真功能第十六页，共四十六页。研发内容出版《盾构机司机培训教程》专著1本（中国建筑工业出版社）教程以“基本常识、常规操作、简单判定”为主线，包含盾构机基本知识、盾构司机操作知识、应急救缓处置方法、以及国内外盾构施工经典案例等内容。

2）编著专著第十七页，共四十六页。研发内容上级领导肯定和指导

盾构机司机培训对我国盾构施工技术水平的提高，尤其盾构机司机的专业素养提升，起到极大的促进和推动作用。盾构机司机培训教程编写委员会的专家积极响应习近平主席“把论文写在祖国的大地上，把科技成果应用在实现现代化的伟大事业中”的重要讲话，认真编写出《盾构机司机培训教程》，全面系统地论述了盾构机基础知识、工作原理、标准化操作、事故预防及应急知识，并结合大量国内盾构施工典型案例分析，在国内首次系统性地提出了盾构机司机规范化的操作程序，是实现盾构机司机培训标准化的有力之作，填补了当前国内外空白，达到国内领先水平，具有创新性和重要的实用、经济价值。中国科协副主席、工程院院士中国铁路总公司总工程师何华武第十八页，共四十六页。研发内容3）在线培训系统通过搭建盾构操控远程数据传输平台，创建了盾构培训教育网站，实现了盾构操控互联网在线培训。第十九页，共四十六页。研发内容4）构建盾构司机培训体系建立盾构司机预设类标准化操作考题和预设特殊情况现场考题两大类题库，提供从理论学习与考试、模拟台的实践与考核、盾构司机培训考核档案编制统计等全套技术支撑体系，可转换形成盾构司机职业技能培训体系。第二十页，共四十六页。章第3主要科技创新第二十一页，共四十六页。主要科技创新1）发明了盾构操控环境数字模拟技术，研制了人机交互智能虚拟操控平台，开发了成套系列盾构操控培训模块，实现了仿真条件下盾构操控培训。整体居国际领先水平，申请获得国家知识产权局2项专利。中国铁道科学研究院科技查新报告显示：国内外（含国际和国内）未见同类培训系统，

第二十二页，共四十六页。主要科技创新通过国内外289个隧道盾构海量施工数据的大数据分析与挖掘，揭示了不同地层条件下盾构操作关键参数的映射匹配规律，建立了全断面硬岩、软硬不均、软土黏土、砂卵石等多种典型地层下盾构操作参数选取准则和范围阈值体系。基此发明了盾构操控环境数字化模拟技术，实现了盾构施工场景虚拟再现，研制了人机交互智能虚拟操控平台。形成了盾构刀盘系统、循环冷却系统、驱动系统、推进系统、保压系统、盾尾密封系统、泡沫系统、出渣系统等9类成套系列盾构操控培训模块，实现仿真条件下土体切削、土碴运送、隧道衬砌、导向纠偏的盾构操控培训。第二十三页，共四十六页。主要科技创新2）揭示了盾构典型故障与掘进参数的映射关系，发明了盾构故障数字化模拟技术，研制了盾构故障模拟发生装置，实现了多种故障工况的智能培训。第二十四页，共四十六页。主要科技创新综合理论分析、仿真及现场掘进数据处理结果，利用故障树分析技术，建立了盾构故障逻辑关系图，揭示了盾构典型故障与掘进参数的映射关系；基于嵌入式技术，发明了具有逻辑运算、存储、顺序控制、定时、计数等功能于一体的盾构故障模拟发生装置，实现了盾构故障的数字化模拟；开发了盾构故障处理模拟操作软硬件系统，通过设定故障场景功能，强化培训人员的应变能力，使盾构模拟操作真实体现施工现场实际；通过预设硬件故障功能，操控人员自行分析排查，实现快速提升盾构操控人员应对突发故障的处置能力。第二十五页，共四十六页。主要科技创新3）集成了云平台、数据远距离传输、司机数字化培训等技术，建立了盾构掘进操控数据库，实现了盾构操控互联网在线培训。onetwo第二十六页，共四十六页。主要科技创新盾构从业人员培训是降低盾构施工风险的主要途径之一，传统课堂教学枯燥乏味、理解困难，现场实操又存在安全隐患、且影响生产，互联网智能化培训有效性高、且经济性好。本项目通过对以往盾构教学资源的挖掘，将海量数据通过云存储功能融入盾构从业人员培训系统，实现了资源共享；通过对盾构各种动作的特征提取，建立了盾构掘进操控数据库；通过建立盾构虚拟样机，构建了施工虚拟环境；通过盾构操控面板开发，搭建了用户与盾构虚拟培训系统交互接口，实现了盾构操控的虚拟培训；通过多级模糊综合评判算法，实现了盾构操控理论测试与实际操作的智能评判，形成了“理论学习→模拟培训→实物操作→考试评价”的培训体系；通过搭建盾构操控远程数据传输平台，创建了盾构培训教育网站，实现了盾构操控互联网在线培训。第二十七页，共四十六页。章第4技术、经济、社会价值第二十八页，共四十六页。技术价值（软著登字第号）实用新型专利号2.6发明创造专利号（2.9）专利：国家软件著作权授权1项、国家发明专利1项、国家实用新型专利1项。第二十九页，共四十六页。技术价值《铁路大型隧道盾构司机智能仿真培训系统》科研成果获中国铁道学会2016年度科学技术一等奖广铁集团2015年度科学技术进步一等奖中国铁路总公司科技部和铁科院推荐，《铁路大型隧道盾构司机智能仿真培训系统》作为技术创新类项目，分别参加第十三届（北京）、十四届（上海）中国国际现代化铁路技术装备展览会。第三十页，共四十六页。经济价值通过智能仿真培训系统，盾构司机不用进入施工现场即可进行理论及操作学习，防止误操作风险，学习系统完整，培训熟练司机的上岗时间大大缩短（节省时间9个月以上），显著降低施工成本及安全风险。按以往普通方式培训盾构司机需成本20万元/人，采用智能仿真系统培训仅需成本3万元/人，人均节约17万元/人。全国需培盾构从业人员6000人（其中司机3000人），可为国家节约培训成本10亿多元。第三十一页，共四十六页。社会价值

研究成果推广后，形成规范的职业技能培训认证体系，将为国内盾构司机职业执照化创造条件；有助于盾构司机操作规范化、标准化，提升国内盾构司机队伍素质；打造盾构及掘进技术培训领域行业标杆，为盾构行业从业人员提供高端提升平台。通过盾构从业人员(尤其司机))素质提升，规范隧道盾构施工标准化管理，有效降低盾构施工风险，防止事故发生，促进工程建设又好又快发展，具备良好社会效益。第三十二页，共四十六页。章第5成果推广应用第三十三页，共四十六页。成果推广应用1）

推广应用原则益公立德服务建设行业，填补盾构司机职业培训体系空白，降低盾构施工风险，把科技论文写在祖国建设的大地上,实现公益价值。

著书立言面向建筑市场，编著出版《盾构机司机培训教程》，作为国内盾构施工从业人员培训教材和工具书，扩大社会效益。

固本立新立足国内、面向世界，紧密跟踪隧道盾构行业发展需求，不断创新完善培训系统，提高科研成果适应性，保持科研成果先进性。育人立功为盾构司机职业工种执照化探路，高效培训合格盾构司机，提高盾构司机队伍整体素质，有效降低隧道施工风险，创造经济价值。

第三十四页，共四十六页。成果推广应用2）推广应用措施办班设立培训基地，响应施工企业需求，经常性举办盾构司机培训班，高效培训合格的盾构司机，有效缓解当前盾构司机缺乏状况，提升盾构司机队伍整体素质装备在保护知识产权的前提下，面向建筑市场提供盾构模拟操作平台，为施工企业自培盾构司机提供技术装备和智力支持。

建网构建互联网在线培训系统，实现在线练习、培训和考试等功能。出书组织专家编著盾构机司机培训教程，面向建筑市场公开出版发行，作为盾构施工技术人员工具书和盾构司机培训教材。

交流结合课题创新发展需要，适时举办盾构施工交流会议，组织国内外盾构施工技术专家研讨，促进盾构施工技术水平提高。第三十五页，共四十六页。成果推广应用3）推广应用情况举办盾构司机培训班

自2015年底培训系统推广应用以来，在长株潭城际、珠三角城际、广珠城际珠海机场延长线、广州地铁等项目，组织开展从理论到实际操作的全方位培训。依托《盾构机司机培训教程》和模拟操控平台，讲解盾构施工知识，通过影像资料、PPT、动画等，以通俗的语言、文字、图画简明扼要的进行授课培训；结合施工现场实际情况，引用相应的施工案例，采用技能竞赛、知识竞答、交流讨论、理论考试、模拟操作等形式，促使培训人员掌握盾构操作相关要点。发行《盾构机司机培训教程》专著

由中国建筑工业出版社已于2016年国内公开出版发行，首印8000册。。

第三十六页，共四十六页。培训效果全国盾构司机培训2016至2017年，在盾构及掘进技术国家重点实验室（郑州），组织7期全国盾构司机培训班。国内隧道盾构专业施工及相关装备等100余名专家进行课程辅导，中铁工总、中铁建、中交和中建等等30家施工单位，珠三角城际、湖南城际公司等10多家建设单位，北京铁研等20家监理公司共450多名盾构司机参加培训学习。国家铁路局、中国铁路总公司工程监督总站、中国土木工程学会、广铁工程监督站、湖南城际公司、中铁隧道局等单位相关负责人参加并指导。第三十七页，共四十六页。培训效果广铁集团工程监督站联合盾构及掘进技术国家重点实验室、中铁隧道集团公司，已组织中铁工总、铁建、中交和中建等5大总公司30多个局（集团）管理和作业人员，现场进行培训或再教育。新司机通过理论学习与模拟操作，了解盾构机控制原理，结合不同环境下实例学习，系统掌握盾构掘进施工要领，有效缩短培养周期；老司机通过培训，掌握盾构机设备各系统原理及逻辑关系，规范盾构操作各系统启动的先后顺序，明确各系统设备运行的前提条件，改变以往“设备能运转即可”不规范操作模式，操作规范化、标准化，有效降低设备故障率。现场集中培训效果

第三十八页，共四十六页。培训效果㈠在新司机培养方面⑴施工安全风险控制珠机城际I号工作井始发段，浅覆土层（6m厚）为粗砂和人工填土，自稳性差。2#盾构机司机通过培训班学习后上机操作，由于学习掌握了该类似地层掘进参数，司机对在土体改良上、超挖控制上有比较理性的认识，操作得当，后期2号机通过该地层过程中路面沉降值控制在2cm以内，事故率为零，安全高效通过始发段。第三十九页，共四十六页。培训效果㈠在新司机培养方面⑵隧道成型质量控制2#盾构机司机通过培训系统学习管片拼装选型及常见问题处理处理措施，掘进过程中重点对盾构姿态、盾构掘进参数、注浆等进行控制，管片拼装的过程中更加注重细节的控制，左线始发段+小半径+浅埋段施工成型隧道质量方面均控制在设计及规范要求范围内，隧道施工质量明显提高。⑶缩短司机培训周期

珠机城际3#、4#、5#号盾构机相关人员通过培训系统学习，以“先理论、后模拟实际操作、再现场操作”的培养模式，3个月左右即能独立开展作业操作。3#、4#、5#机盾构司机经过培训的“学员”均已独立负责一个班组掘进工作。该项目部分学员输送到合肥、郑州、南宁地铁项目担任盾构司机。第四十页，共四十六页。雷锋大道站市政府站滨江新城站捞刀河调车场搬迁工程CZTZH-1标起点开福寺站跃进湖特大桥长沙站改造联络线特大桥CZTZH-1标终点培训效果㈡在“老司机”作业行为规范方面长株潭城际铁路工程盾构老司机通过系统培训，纠正原操作陋习，显著提升安全风险意识和现场解决问题的能力，降低设备故障率，提高了施工效率。第四十一页，共四十六页。培训效果⑴操作明显规范

原盾构机司机在以往操作中，往往存在“设备能运转即可”的操作观念，而在培训中强调启动推进最佳方式，刀盘电机必须运转起来后，扭矩降至掘进时的正常扭矩方可启动刀盘，从而避免因电机启动过程中启动推进系统导致扭矩瞬时过大安全销切断的故障。通过系统培训，司机操作得以规范，扭转原操作“陋习”，设备故障率由原来的5%-7%降低至3%-5%（如下图）。设备故障率统计分析时间表第四十二页，共四十六页。培训效果⑵安全风险意识增强

经过系统培训，司机对盾构掘进中的出渣、注浆、线路调整等重要参数“红线”意识大大提高，对地质变化等异常情况应对能坚守安全“底限”，防止掘进时出安全事故。司机通过培训学习盾构施工风险及预防知识，掌握盾构施工出渣、注浆等方面控制的“底限”和“红线”后，应