大國重器“盾構機”的工業互聯網平臺

劉玉煥 王洋慧

上天有神舟，下海有蛟龍，入地有盾構，作為大國重器，盾構機是隧道掘進超大型專用設備，在修路建橋、城市軌道交通等地下工程中發揮著至關重要的作用。中國盾構機從無到有，從有到優的自主創新與騰飛之路被很多人所熟知，然而以盾構機為主的地下工程服務卻鮮少被人所了解。

中鐵工服，初創時聚焦勞動密集型的盾構機安裝服務，在夾縫中求生存。憑借對用戶需求的深刻洞察，中鐵工服創新盾構機租賃服務模式，并跨界融入盾構裝備技術、土木施工技術和信息化技術，提升地下工程服務質量，并初步構建了以盾構云平臺、掘進機租賃網、中鐵工服MALL、共享工程師平臺為主的工業互聯網平臺，為傳統盾構機行業中的找設備、找人、找配件的難題提供了全新的解決方案，實現了“線上平臺+線下業務”聯動運營發展。2020年5月，人民日報接連刊登了兩篇文章《中鐵工服：跨界技術創新，快速轉型升級》和《中鐵工服：構建盾構工程工業互聯網，提供全產業鏈專業服務》，文章指出，中鐵工服從供給側精準發力，投身地下空間開發智能化、數據化建設，走出了一條“新老結合”創新發展的道路。

基于大數據、互聯網技術等新一代信息技術，中鐵工服正在探索一條地下空間施工服務的數字化創新之路，成為推動盾構行業智能化、數字化轉型的先行者和賦能者。作為一個傳統的制造服務型企業，中鐵工服是如何一步步實現跨界創新，成為專業的地下工程服務商，為大國重器盾構機裝上大數據的翅膀？同時，中鐵工服的數字化創新之路，又能為當下國有企業的數字化創新帶來怎樣的啟示？

盾構機是集電氣、機械、液壓、氣動、傳感器于一體的大型自動化精密設備，零部件多達1萬個，控制系統高達2000多個，被稱作“工程機械之王”，廣泛應用于城市軌道交通建設、地下空間建設、鐵路及公路隧道工程建設、引水隧洞工程及軍事防護工程建設。盾構機的技術始于英國，發展于日本、德國，在很長的一段時間內，中國都無法自主設計盾構機，只能依賴國外進口。2002年，國家科技部開始把盾構技術研究列入國家高技術研究發展計劃（簡稱“863計劃”），中鐵隧道集團有限公司作為首批參與科技項目攻關的企業聯合高校科研機構開始了盾構機的自主創新之路。2008年，中鐵裝備（前身中國隧道裝備制造有限公司）成功研制出擁有自主知識產品的國內首臺復合盾構機“中鐵1號”，開啟了國盾構機的自主創新和超越之路。

2010年，在中鐵裝備“一主多元化”戰略的指導下，中鐵裝備機電有限公司（中鐵工服的前身）成立，作為中鐵裝備的子公司從事盾構機的安裝業務。然而，由于機電安裝屬于勞動密集型行業，技術門檻較低且競爭激烈，中鐵工服業務進展困難，連續兩年虧損，在夾縫中求生存。為了改變生存的困境，總經理牟松帶領團隊深入到盾構機施工企業一線，了解施工企業的具體需求。調研發現，國產盾構機在技術上不斷突破，然而在銷售上面臨困境，很多施工企業不愿意購買國產盾構機。究其原因，一方面是施工企業對國內盾構機的技術質量是否過關存有疑慮，擔心購買后出現問題無法正常完工，另一方面是盾構機屬于超大型精密設備，價格昂貴，很多施工企業無法承擔高昂的價格成本。另外，他們還發現不少施工企業自行購買的盾構機在完成一個項目時并不能立即投入下一個項目，因為很多工程項目要求施工企業使用新的盾構機或者對盾構機的使用里程有具體要求，而施工企業擁有的不滿足要求的盾構機就會被閑置，無法得到高效利用。

如何解決施工企業面臨的痛點問題呢？牟松團隊決定采取“以租促售”的策略解決施工企業對國產盾構機質量不夠信任的問題。經中鐵裝備集團同意，中鐵工服搭建盾構機租賃平臺，正式開展經營性租賃和以租代購業務，其中經營性租賃指的是根據施工企業的工程情況，量身定制合適的盾構機以租賃的形式供施工企業使用。以租代購業務是為先以租賃方式進行一定里程的盾構施工，然后按照雙方約定的盾構剩余總價賣給施工企業。為了提升租賃平臺上的盾構機數量，牟松先后與國新融資租賃有限公司、中鐵金控等金融機構開展深度合作，由金融機構融資購買盾構機，而中鐵工服則為其提供盾構機的經營租賃服務。同時，中鐵工服鼓勵施工企業把閑置的盾構機放入中鐵工服的租賃平臺中，由中鐵工服為其尋找合適的工程項目，提高盾構機的使用效率。

由于瞄準了施工企業的痛點，中鐵工服的盾構機租賃服務上線后受到很多施工企業的歡迎，中鐵裝備集團的國產盾構機銷售也逐漸打開了局面。

2014年底，中鐵工服盾構機租賃數量達16臺，在提供租賃服務的過程中，其工作人員發現盾構機屬于超大型精密設備，技術含量非常高，其操作和維修都需要專業的技術人員，而施工企業對專業技術人員的儲備不足，難以應對日常操作過程中出現的問題，只能被動等待盾構機制造企業的售后服務。為了能夠給施工方提供全方位的租賃服務，黨委書記蘇葉茂和總經理牟松果斷決策開展跨界盾構機施工技術服務業務，為施工企業提供包括對前期的盾構機選擇提供咨詢服務（比如盾構機選型、施工方案制定、方案論證、技術攻關、掘進參數、掘進重難點處理），以及對盾構機施工過程提供技術支持（比如盾構機組裝測試、操作技術支持、現場故障處理、掘進中的維護保養、掘進參數優化指導、油水檢測、機況評估等業務）。中鐵工服真正介入到盾構機施工技術服務業務時，才發現施工企業在使用盾構機時面臨的根本矛盾在于：盾構機是高度標準化的精密設備，其配件和功能是相對固定的，然而不同的施工方法和土質條件對盾構機的配件和功能提出了個性化的需求，但現實情況是盾構機制造方缺少現場施工經驗、難以對盾構機進行個性化定制，施工企業有需求卻沒有技術能力來解決難題。

為了解決地下空間開發過程中的難點和痛點，努力讓地下空間施工技術和環境變得更安全舒適，中鐵工服于2018年成立了中鐵工服設計研究院，并嘗試構建“產學研用”深度融合的技術創新體系，推動盾構機施工技術的創新。具體而言，中鐵工服聯合高等院校和施工企業共同組建科研聯合攻關團隊，形成了“由施工企業提出問題需求，高等院校科研團隊負責基礎研究，中鐵工服負責科研成果轉化和相關應用研究，施工企業負責實踐驗證”的全閉環“產學研用”科研聯合攻關模式。該模式不僅明確了合作各方在技術聯合創新的角色和作用，而且還構建了合作各方互惠互利的利益共同體，共享分享技術創新帶來的收益。

在科研聯合攻關模式的帶動下，中鐵工服先后于與西南交通大學、電子科技大學、四川大學、中國礦業大學、四川建筑職業技術學院等諸多高等院校聯合建立了盾構/TBM裝備摩擦學設計實驗室、MEMS傳感器聯合研發實驗室、盾構滾刀再制造保障技術研發項目、盾構增強現實智慧教學實驗中心，從盾構機整機技術及其改造技術、盾構機專用機具與設備、盾構施工成套裝備、盾構施工檢測工具、盾構機操作人才培訓等方面進行突破，在提升盾構工程的安全和效率、降低工人勞動的強度、提升地下空間開發的舒適性和環保性等方面產生了眾多科研成果。

在這些科研成果中，有很多備受歡迎的“黑科技”。比如，基于芯片技術、大數據等新型技術的科研攻關與轉化運用，中鐵工服打造了以MEMS智能傳感為技術支撐的盾構智慧工地檢測系統，包括在線監測盾構機主軸承運行狀態、可視化監測盾構機土倉刀盤旋轉狀態、地層土質信息、渣土流動信息等，實現了對地下盾構機施工技術的在線監測和追蹤。聯合攻關團隊運用仿生學原理研發制造出盾構渣土環保處理系統，利用皮帶機系統將剛掘出的渣土，從隧道深處運輸至地面渣土分離系統的進料斗，進行渣土分級分離處理，實現了渣土回收再利用，節約了成本并提高了盾構機施工的環保性。為了讓工人工作環境更舒適，聯合攻關團隊研發了盾構隧道環境溫度控制系統，使隧道內的作業環境溫度由40多度降低至28度，該系統推出后備受好評，成為地鐵盾構施工領域的標配產品。

2018年，在為蒙華鐵路白城隧道工程提供盾構施工技術服務時，中鐵工服將上述研發的“黑科技”包括盾構機可視化檢測系統、自動噴淋系統、隧道除塵系統、隧道冷風系統等應用于盾構工程的地下施工服務，徹底改變了隧道施工陰暗、潮濕、通風不暢的惡劣施工環境，讓工程施工人員能夠更加體面的工作，甚至可以在隧道施工的間隙喝上一杯熱咖啡，成就了隧道深處咖啡香的美談。蒙華鐵路白城隧道工程項目因其創新的開挖模式、先進的施工理念和獨具一格的作業環境，榮獲2018年度國際隧道協會（ITA）頒發的“年度技術創新獎”，此獎項是國內首個問鼎ITA獎勵的工程項目。

除了在盾構工程施工技術方面的創新，中鐵工服還把施工技術方面的經驗和技術創新反哺到盾構機裝備技術創新上。2019年，融合了國內中鐵工服首創的多項“黑科技”如主軸承在線監測技術、液壓油智能診斷及實時清潔技術、刀盤防結泥餅立體沖刷技術、電瓶車安全監視技術、推進油缸防偏轉裝置、盾構機授權管理系統等的“鐵工服1號、2號盾構機”成功在在杭州地鐵7號線工程項目投入使用并順利完成施工掘進任務。

隨著中鐵工服盾構機技術創新的不斷提升，其管理的盾構機數量也在快速增加，2020年直管盾構機數量120臺，代管盾構機數量約150臺，管理資產約50億元，服務范圍遍布北京、上海、廣州、深圳、成都、天津等全國35個城市。業務的快速發展也給中鐵工服的盾構機管理和運營帶來了諸多問題：一是中鐵工服和盾構機托管企業想要隨時了解租賃出去的盾構機的工作狀態和設備運行狀況，然而盾構機進入項目施工后，其運行數據并未保存上傳到統一平臺，這既造成了大量的數據流失，也使得施工方與盾構機業主存在嚴重的信息不對稱 ；二是由于施工企業對盾構機有諸多個性化需求，使得一臺盾構機結束上一個項目時短時間內難以匹配下一個施工項目的需求，從而導致盾構機的使用效率較低；三是盾構機的施工技術需要專業的技術人才，但由于施工地點分散且周期很長，中鐵工服技術團隊難以在全國范圍內調配，面臨較大的工作壓力。

如何才能解決這些管理的難題呢？中鐵工服團隊多次深入行業調研，發現只有借助于信息化技術推動盾構機租賃和技術服務的數字化和智能化創新才能真正解決企業面臨的難題。正如總經理牟松所說：“地下空間開發經歷了‘鋼釬鐵錘、手持風鎬、鑿巖臺車和盾構掘進’四次跨越，讓地下空間開發更安全、高效、環保是行業發展的趨勢，也是國家高端裝備制造企業和施工企業的共同追求。”智慧互聯、大數據、云平臺、遠程操作與診斷等這些前沿信息技術正在改變著傳統的施工方式和施工設備管理模式，數字化和智能化是地下工程服務發展的趨勢與未來。

為了解決施工企業和盾構機業主對盾構機數字化和智能化的需求，2016年，中鐵工服自主研發的“盾構云平臺”上線，該平臺解決了橫跨多學科技術交互（土木技術、機械技術、信息化技術）、現場管理與后臺管控、現場運行反饋、設備全壽命周期管理與多區域個性化使用等不對稱、不互聯、不匹配的系統性問題，實現了盾構機施工的數字化和智能化操作。對盾構機施工方來說，盾構云平臺可以實現“智能管數”—自動采集盾構機自身性能數據、地層地址數據、和施工環境數據，并上傳到統一盾構云平臺；“智能管事”—通過接入油水檢測與盾構機健康診斷專家系統、龍門吊監測、基坑支撐軸力監測系統、降水井水位自動監測系統、渣土運輸管理系統、環境收集凈化系統、火災報警系統等一系列子應用系統，實現對盾構機運行智能掘進、工序優化、進度與安全風險管控、健康檢測、報警管理等功能的智能管理；“智術管人”—是通過人臉識別、智能WIFI、訪客教育、一人一碼、巡更系統實現對人員的全面管理；“智慧管檔”—采用智能檔案管理系統、自動生成項目進度表，實現智能化辦公。為了方便施工企業管理者和盾構機所有方更直觀地了解到每臺盾構機的工作情況，中鐵工服還設計了“盾構云實時監控系統”模塊，實時展示每臺盾構機的工作狀態，通過手機盾構云APP即可了解工程狀況、管控安全風險、監控項目進度、錄入維保數據、上報停機原因、觀看現場視頻等，實現了管理人員與現場的零距離接觸，提升了管理的效率。

隨著盾構機數據采集量的增多，如何利用大數據挖掘盾構機運行數據為施工企業提供科學的指導成為中鐵工服現在的工作重點。通過組建大數據團隊并與高校建立大數據挖掘聯合攻關團隊，中鐵工服于2020年推出盾構機大數據應用產品“盾構機掘進指導曲線”。該指導曲線利用類比匹配技術，輔以人工修正，結合“機器學習”，對盾構機施工中地質組段劃分數據、盾構機自身性能數據以及施工環境數據進行全面分析，對土壓、總推力、刀盤扭矩、刀盤轉速、掘進速度、注漿量等關鍵參數進行預測，并在掘進時根據實時數據自動調整預測結果。預測結果將被實時推送到盾構掘進司機室，為盾構司機參數設置提供指導建議，若實際掘進參數與預測結果發生較大偏離，系統將在第一時間預警，并對可能發生的潛在風險進行預測，給出合理化糾正建議。

除了盾構云平臺，中鐵工服嘗試把互聯網平臺思維和技術深度嵌入到公司的每一項業務中，對原有業務進行數字化轉型升級。例如，為了推動盾構資源的高效配置，中鐵工服依托原有的盾構機租賃業務搭建了線上平臺“盾構掘進機租賃平臺”，線上打通盾構所有者和需求者的供需信息，以盾構機租賃為中心，輻射吊裝運輸、維修保養、監測評估、配件銷售、改造升級等11項輔助業務，實現“平臺服務實體，實體支撐平臺”的運行模式，構造了盾構機上下游全產業鏈的生態圈。在盾構機租賃線上平臺上，盾構所有者可以發布擁有盾構的詳細信息，專業盾構支持服務商也可以發布相關支持設備信息或服務信息，項目施工方則會發布施工項目的具體信息，所需盾構規格和相關施工服務信息，金融機構可以為有資金困難的機構提供資金保障。為了促成供需雙方的交易，中鐵工服則扮演平臺管理咨詢方，聯合中鐵裝備、科研院所等專家技術團隊，為供需雙方的交易提供專業的管理咨詢和技術服務。截至2021年10月，中鐵工服已經與78家企業建立了聯系，加入平臺的盾構設備815臺，盾構品牌超過20個，實現了在全國范圍內進行統籌調配盾構機，有效滿足供需雙方的需要，提高盾構機設備使用率60%，提升設備周轉率30%，推動了盾構行業資源的精準配置。

盾構云平臺和盾構機租賃平臺的順利運行給中鐵工服團隊帶來了很大的啟發，他們發現互聯網信息技術對傳統地下工程服務業的轉型升級至關重要，不僅能夠提升產業鏈各方的工作效率，更重要的是能夠促進各方的互聯互通，提升傳統地下工程服務行業的數字化和智能化發展。為了更深入地解決地下工程服務行業長久以來存在的專業技術人才難題，中鐵工服搭建了“共享工程師平臺”，嘗試通過互聯網分享平臺實現盾構機工程師與施工單位的高校優質匹配。該平臺設置了三大功能模塊：一是學院，即由平臺和資深用戶提供豐富的地下工程專業知識供用戶瀏覽學習；二是論壇，即專家、工程師們可以自由討論行業各專業相關的問題；三是任務，即工程師們在遇到棘手的問題時，可通過發布懸賞任務尋求行業內具有相關經驗的專家、工程師幫助解決。

另外，為了更好地解決盾構機專業維修零配件交易的難題，中鐵工服聯合京東云共同開發了 “工服Mall電商平臺”，該電商平臺以構建盾構服務產業生態鏈為目標，精心打造運用“B2B+O2O”的運營模式，提供一站式綜合解決方案。目前，中鐵工服聯合京東集團等多家優質物流公司，建立了成都、鄭州、廣州等十余個售后保障基地，以高效優質的采購、儲備、物流等服務，讓所有采購方省心、省時、省力、省錢。截至2021年10月，工服MALL基礎商品庫零部件數量已達3224項，累計注冊用戶256家，認證企業256家，入駐供應商170家，收錄品牌253個。

中鐵工服搭建的四大平臺很好地解決了盾構行業長期以來存在的難題，構建了盾構工程工業互聯網，推動了盾構產業從傳統施工方式向智能化、數字化的新經濟形態轉變，也幫助中鐵工服從傳統的機電安裝勞動密集型行向平臺型高科技服務公司轉型，形成了“裝備技術+土木技術+信息化技術”跨界技術創新格局。2017年，中鐵工服從中鐵裝備下屬子公司獨立出來，成為中鐵工業下屬的二級子公司，致力于成為專業的地下工程服務商。

至此，盾構工業互聯網基礎平臺初步搭建完成，中鐵工服的數字化創新也邁出了第一步，然而如何實現各個平臺的協同發展成為中鐵工服后續面臨的關鍵挑戰。特別是，現有四大互聯網平臺（盾構云、盾構租賃平臺、共享工程師平臺、工服Mall電商平臺）想要互補協同發展，真正推動地下工程服務行業的數字化和智能化轉型，中鐵工服還有很多挑戰需要去面對。

本文受國家自然科學基金（71802165）項目的資助