【WRC 大咖观点】尚尔海《智能建筑与智慧矿山》

编者按：

2022世界机器人大会主论坛群星璀璨，产、学、研各领域大咖齐聚首，共话巅峰，为机器人未来发展领航。

峰会现场，铁十九局集团有限公司副总经理、总工程师尚尔海发表了题为《智能建筑与智慧矿山》的演讲。以下为尚尔海演讲内容的整理。

近年来，我局全力加强科技创新能力建设，持续完善科技创新体制机制，大力提升自主和协同创新水平，开发一批具有自主知识产权科技成果，其中在绿色智慧矿山、隧道智慧建造和城轨交通、智慧装备等领域，取得了多项国内领先乃至国际领先核心技术成果。

首先绿色智慧矿山，在露天矿山开采领域，中铁十九局坚持创新引领，基于5G+数字化技术，建立了拥有自主知识产权的“智慧矿山一体化智控中心”，率先突破了传统采矿行业脏乱差的工作环境，变革了施工安全隐患大的现状，实现了可以西装革履、全机械化地完成采矿，开启了矿山建设的新纪元。该中心由两种模型和四套系统组成。两种模型其中之一是数字地形模型，采用无人机携带彩色数码摄像机，通过航拍抓取地表信息，组合形成高分辨率全景影像，并将遥感勘测高层与算法结合，生成矿区的数字地形模型。该系统相对人工测量、技工扫描等手段具有高效率、高精度、数据可靠度高、覆盖面大等显著优势，作业机动性和环境适应性极强。第二种模型是三维地质模型。三维地质建模是将地质、测井、地球物理资料或概念模型综合生成三维定量随机模型。首先将不同阶段的地勘数据通过算法分别建立岩相和物性模型，最终形成矿山资源品位的三维地质模型并数字孪生，为精准开采提供科学依据。

四个系统首先是控制爆破系统。 炸药爆炸是一个高温、高压、高速的瞬态过程，爆破条件也复杂多变，因此精准地控制爆破难度极大。我们反复尝试提高爆破能量利用率，形成了一系列大数据研究成果，开发了精准控制爆破系统并成功应用。第二项系统是精准筛分系统，为解决在混爆区电铲对矿、岩爆堆难，以实施精确铲装的问题，基于等时线定向抛掷理论，研发定向堆积技术，实现矿石和岩石定向堆积分类，降低矿石的贫化率。第三个系统是智能配矿系统，该系统可根据开采方向、出矿量、品位、选取矿料铲装位置等要求精细化设定下矿部位，并结合实际需求设置配矿约束条件，采用目标规划和动态算法精细化配矿方案，得出每小时下矿量，提高配矿精确度。当采场或卸点任何一方出现供需变化，系统将自动激活调整，支持生产实时情况自适应配矿约束条件。第四个系统是微震监测系统。 该系统主要用于露天矿边坡稳定性监测，全自动采集、计算数据后通过无线网络传输到系统终端，并自动分析边坡变形数据。该系统对边坡表面变形量的监测精度达亚毫米级，可全天候运行，无需接近被测目标区域，无需安装反射器，30分钟快速布设，水平扫描210度，垂直扫描90度，实用性极高，安全效益显著。

以上是智慧矿山一体化指控中心两种模型和四套核心系统，目前取得良好应用效果，服务客户覆盖了欧亚大陆、西非、南美等多个国家。我们联合清华大学等高校开发了智能调度系统，开展了纯电动卡车无人驾驶技术研究，目前已经实现了导航标定、转弯导巡、主动避障、定点泊车等功能。我们展区还有物联网智能安全帽、巡检机器人等适用于危险性较大应用场景的产品。

我交流第二部分是隧道智慧建造。

当前我国高铁与地下工程建设已经进入了全新阶段，并逐步向中西部地区发展，出现了更多长大、特长性隧道，目前川藏铁路隧道施工难度极高，促使隧道建造领域逐步有信息化向智慧化发展，以应对更为复杂多变建设现状。为此，我们围绕隧道动态施工组织、质量、安全、成本管控四个模块搭建的信息化管控系统，将各施工工序、材料、设备等建立起“互联”“共享”的“智能物联”关系，提供一套以“智慧建造”为核心的全施工周期解决方案。

目前，我们联合科研院所开发完成了“智慧隧眼”、“智隧三维激光点云处理分析”、“隧道智慧交通调度”、“智慧隧道通风”等多个系统，下面我向大家逐一推介。一是智慧隧眼，智慧隧眼可在三分钟内完成掌子面地质素描，识别岩层节理、断层、产状等信息，并进行掌子面稳定分析、建立地质信息模型，实现了掌子面地质信息的全自动采集和分析。二是智隧三维激光点云处理分析系统。依托三维激光扫描测量机器人，搭配智隧点云处理分析系统对光爆半孔率、超欠挖值、净空限界、衬砌钢筋、沉降收敛变形等数据进行自动采集、计算并分析，完成对隧道施工全过程的指导和管控，这个系统在展区有实时应用场景演示，有兴趣朋友下午可以前往了解。三是隧道智慧交通调度系统，针对特长隧道施工，大型机械设备交叉干扰影响多，我们研发了隧道智慧交通调度系统。该系统通过定位模块实现机械车辆的精确定位，后台对车辆的行动轨迹自动运算，远程操控智能交通信号模块，完成智能联动交通控制指挥，大幅提高隧道施工物流组织效率和安全管控风险的能力。四是智慧隧道通风系统。依托跃龙门隧道工程，我们自主研发了智慧隧道通风系统，按照主通风+逐步通风系统组合模式，独创国内外首例“特长型高瓦斯隧道阶段型动态”施工通风技术，实现了高效智能通风管理，彻底解决了特长型复杂隧道施工通风技术难题。系统应用光电传输和系统控制理论，采用模糊智能控制系统和防爆远程控制箱，远程控制洞内外所有空风机，有毒有害气体监测系统的数据共享识别，系统根据识别数据和设计通风方案对应通风量，自动对各作业面通风智能调节风量，并以最低能耗确保隧道施工安全。

我们在隧道智慧建造方面科研成果，已经在成兰铁路跃龙门隧道长达十年的建造周期实现了高效应用。跃龙门隧道地处汶川特大地震核心区，穿越著名的龙门山高裂度地震活动断裂带，是龙门山地区第一长越岭隧道，隧道不良地质复杂多变，建造难度属世界罕见，风险极高。截止2022年4月，该隧道全部贯通，刷新了四项隧道建造全国纪录。

我交流第三部分是智能装备。

近年来，隧道与TBM施工技术已逐步成为隧道施工主要方法，淡淡一模式设备掘进无法满足日益复杂的地质条件，因此对装备技术的先进性有了更高要求。我们联合铁建重工、大连理工大学等单位，开展双模式智能设备设计与应用研究，在设备选型、刀盘到具合理性配置及刀具优化、设备适用性技术改造及维保等方面开展系统深入的研究，并取得了较好的技术成果。

其中单护盾-土压平衡双模式掘进机，和敞开式-单护盾双模式TBM分别在广佛环线城际铁路及引水隧洞工程得到成功应用，填补了国内外相关领域技术空白。单护盾-土压平衡双模式掘进机，参与国产首台铁路大直径土压-TBM双模掘进机设计并成功应用。在长距离穿越软硬交替复杂地质时，单一模式的盾构机在极端硬岩地层掘进效率低，而单护盾或双护盾TBM无法在复合地层中掘进。为此，我们与铁建重工联合在双模掘进机共用一刀盘上进行了研究；同时通过在线模式转换设计，在有限的主机空间范围内，实现螺旋输送机与主机皮带机共存，极大提高模式转换效率。针对不同类型、不同位置刀具的破岩机理与运行轨迹展开研究，探明掘削参数与刀具磨耗的相互关系，建立了刀具磨耗预测模型，根据现场刀具更换数据统计对预测模型进行验证，实现刀具减磨设计；同时通过对刀圈材质、形式及刃厚等参数进行优化，使刀具既满足掘进施工需求又降低磨损率，形成了一套大直径盾构机刀具配置理论体系。

目前，该设备在十九局承建的广佛东环大源站～太和站区间得到成功应用。在穿越黏土较多的复合地层、无地表加固条件的滞水凹槽及全断面硬岩夹杂破碎带地层，主机皮带、接渣斗、溜渣槽均运转良好，土仓石渣基本无堆积，达到设计预期，既满足了软土地层、极端上软下硬地层掘进，又满足了长距离超硬岩地层掘进的多功能需求，特别是中风化片麻岩段，最大饱和抗压强度约155MPa，最大掘进速度达60毫米每分钟，整机可靠性高、耐久性强，能够一机多用，效益显著，在我们展区有该设备1：6方针模型，欢迎大家参观给予意见。

二是敞开式—单护盾双模式TBM。为了提高TBM设备对复杂地质条件适用性，为了提高TBM设备对复杂地质条件适用性，我们通过对敞开式TBM刀盘扩挖、护盾、支撑推进系统、钢管片拼装系统及泡沫系统设计安装等技术改造，将单一敞开式TBM施工模式转换为单护盾施工模式，并在TBM穿过软岩破碎带后，在洞内完成了由单护盾施工模式转换为敞开式TBM模式掘进，实现了双模自由转换。该技术改造在中铁十九局承建的新疆某水利工程得到验证应用，成功解决了TBM长距离24公里独头掘进中卡机、岩泥裹刀、高承压水及高地应力岩爆等技术难题，丰富了现有国内设备改造技术，为今后长大隧道施工，尤其是川藏铁路、引江补汉等水利工程建设提供了宝贵的经验。同时，我们针对智能设备维保，与中科院联合研究基于维保数据与刀具磨损数据的保养热点发现技术，建立规划停机维保方案，构建双模式、敞开式、单护盾模式TBM复杂装备维保历史信息库，实现故障频发的装备部件信息反馈设计。并对刀具的结构型式、排列组合进行优化改良设计，以提高工作效率，降低工程成本。

—— 尚尔海