上海市數(shù)字盾構(gòu)工程技術(shù)創(chuàng)新中心建設(shè)的實踐與探索

鄭敏潔（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

0 引 言

21 世紀(jì)以來，隨著我國交通行業(yè)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，我國隧道建設(shè)行業(yè)蓬勃發(fā)展。盾構(gòu)法隧道的工程建設(shè)水平體現(xiàn)了一個國家土木工程的綜合發(fā)展實力，其在施工過程中既不需要進行大面積拆遷，又不會阻斷交通，對周邊建構(gòu)筑物及環(huán)境影響小，因此盾構(gòu)法隧道施工是目前國際上最主流的方法。傳統(tǒng)的盾構(gòu)法隧道經(jīng)過多年發(fā)展，雖然在技術(shù)上取得了長足進步，但由于盾構(gòu)掘進仍是較傳統(tǒng)的方式，這使其處于一個多變且不可感知的環(huán)境。同時，對于盾構(gòu)機的操控也過度依賴盾構(gòu)司機的主觀判斷和經(jīng)驗，難以全程保證隧道軸線的精準(zhǔn)控制和周邊環(huán)境的安全，使盾構(gòu)駕駛階段成為施工中主要風(fēng)險點。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的不斷發(fā)展與運用，為滿足隧道施工行業(yè)的需求，在信息化盾構(gòu)的基礎(chǔ)上，需要開展對盾構(gòu)智造技術(shù)、人工智能技術(shù)、隧道施工管控技術(shù)和數(shù)字盾構(gòu)移動管理等多方面的研究，從而為數(shù)字化、智能化盾構(gòu)的發(fā)展鋪平道路。

從1992年開始，上海隧道工程有限公司（以下簡稱“上海隧道”）以“盾構(gòu)法隧道施工專家系統(tǒng)”作為起點，開始在盾構(gòu)法隧道工程領(lǐng)域開展數(shù)字化施工研究。數(shù)字盾構(gòu)融合了大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)和人工智能等，在對施工信息進行精準(zhǔn)感知的基礎(chǔ)上，快速判斷盾構(gòu)狀態(tài)并對周邊環(huán)境特征進行認(rèn)知，通過科學(xué)決策與智能控制，最終實現(xiàn)盾構(gòu)自動掘進。數(shù)字盾構(gòu)采用自主決策和自主掘進方式改變傳統(tǒng)的以人工操作為主的盾構(gòu)施工方法，采用信息化的云平臺和數(shù)字孿生的模型進行盾構(gòu)法施工過程的監(jiān)管、預(yù)警和自主操控，推動隧道建造模式的轉(zhuǎn)變，全面提高隧道工程施工的安全、質(zhì)量和效率。

1 創(chuàng)新中心的籌建

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出：優(yōu)化提升國家工程研究中心、國家技術(shù)創(chuàng)新中心等創(chuàng)新基地。科技部在《〈關(guān)于推進國家技術(shù)創(chuàng)新中心建設(shè)的總體方案（暫行）〉的通知》中要求：國家技術(shù)創(chuàng)新中心以關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)為核心使命，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同推動科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供源頭技術(shù)供給，為科技型中小企業(yè)孵化、培育和發(fā)展提供創(chuàng)新服務(wù)，為支撐產(chǎn)業(yè)向中高端邁進、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮戰(zhàn)略引領(lǐng)作用。

2021年年底，上海市科學(xué)技術(shù)委員會特發(fā)布2021年度“科技創(chuàng)新行動計劃”軟科學(xué)研究基地建設(shè)指南，借此契機，上海隧道開始籌備建設(shè)“上海市數(shù)字盾構(gòu)工程技術(shù)創(chuàng)新中心”（以下簡稱“創(chuàng)新中心”）。

2 創(chuàng)新中心管理體系建設(shè)

創(chuàng)新中心作為產(chǎn)學(xué)研協(xié)同推動科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化的平臺，為行業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供源頭技術(shù)供給。在創(chuàng)新中心的建設(shè)過程中，“如何結(jié)合依托單位在行業(yè)中的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，建立一系列適應(yīng)自身發(fā)展的管理模式”成為創(chuàng)新中心健康有序發(fā)展的核心要務(wù)。

上海隧道科技開發(fā)部是負(fù)責(zé)上海隧道科技創(chuàng)新管理工作的職能部門，也是其科研項目的管理部門。它以上海隧道科技創(chuàng)新管理體系為藍(lán)本，結(jié)合上海市科學(xué)技術(shù)委員會對創(chuàng)新中心的建設(shè)要求，規(guī)劃、編制了“創(chuàng)新中心”的管理制度體系，并根據(jù)多年科研管理和成果轉(zhuǎn)化經(jīng)驗，將創(chuàng)新中心管理體系的建設(shè)任務(wù)分為建立組織架構(gòu)、完善管理制度、創(chuàng)新運行機制。

2.1 組織架構(gòu)

組織架構(gòu)是創(chuàng)新中心流程運轉(zhuǎn)、部門設(shè)置及職能規(guī)劃等最基本的結(jié)構(gòu)依據(jù)，它通過界定創(chuàng)新中心的資源和信息流動的程序，明確創(chuàng)新中心內(nèi)部相互之間關(guān)系的性質(zhì)。組織結(jié)構(gòu)是否合理，對于創(chuàng)新中心的發(fā)展與生存起著至關(guān)重要的作用。因此，相關(guān)負(fù)責(zé)人對組織管理理論進行深入研究，按照部門運行規(guī)律，構(gòu)建合理的組織結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，確保組織架構(gòu)的適應(yīng)性和有效性。

創(chuàng)新中心采用主任負(fù)責(zé)制，主任由上海隧道董事長兼任，執(zhí)行副主任由上海隧道副總工程師兼任，科技開發(fā)、成果管理、科研經(jīng)費等科研活動由科技開發(fā)部主管，機械制造分公司和盾構(gòu)工程分公司落實其成果轉(zhuǎn)化、應(yīng)用和推廣等活動。

同時，成立技術(shù)委員會，作為創(chuàng)新中心常設(shè)性學(xué)術(shù)機構(gòu)，匯集地下工程、人工智能、信息工程、機械工程、電氣自動化等諸多專業(yè)領(lǐng)域的資深專家、學(xué)者，聚合國內(nèi)外盾構(gòu)法隧道行業(yè)優(yōu)勢資源，發(fā)揮科研“智庫”作用。

創(chuàng)新中心部門的設(shè)置采用“一部四中心”的配置，組織架構(gòu)如圖1所示。由綜合管理部、數(shù)據(jù)挖掘中心、數(shù)據(jù)應(yīng)用中心、盾構(gòu)管控中心和裝備研發(fā)中心構(gòu)成。其中，綜合管理部為創(chuàng)新中心管理部門，“四中心”開展科研、應(yīng)用、推廣、服務(wù)等工作，部門權(quán)責(zé)明確，共同搭建在數(shù)字盾構(gòu)工程領(lǐng)域具有前瞻性、開創(chuàng)性、引領(lǐng)性的技術(shù)創(chuàng)新中心。

2.1.1 綜合管理部

主要負(fù)責(zé)創(chuàng)新中心的行政管理、科研管理等工作，包括制訂發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、建立運營管理體系、科研項目申報與管理和專家委員會日常管理等。

2.1.2 數(shù)據(jù)挖掘中心

主要負(fù)責(zé)盾構(gòu)法隧道智能化制造的數(shù)據(jù)模型與軟件產(chǎn)品開發(fā)等工作，包括建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)評估體系、建設(shè)適合隧道智造的數(shù)據(jù)中心、開發(fā)數(shù)據(jù)分析預(yù)測與控制模型和開發(fā)智能預(yù)測與控制軟件系統(tǒng)。

2.1.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用中心

主要負(fù)責(zé)盾構(gòu)法隧道施工的智能化研發(fā)、測試與應(yīng)用等工作，包括建立歷史隧道特征案例庫、提出盾構(gòu)施工數(shù)字化需求、數(shù)模產(chǎn)品測試與示范應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用市場模式。

2.1.4 盾構(gòu)管控中心

主要負(fù)責(zé)盾構(gòu)智控產(chǎn)品的應(yīng)用保障、服務(wù)和推廣等工作，包括盾構(gòu)法管控平臺日常運營、數(shù)字盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集與維護、盾構(gòu)智控產(chǎn)品應(yīng)用與評價和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用服務(wù)保障。

2.1.5 裝備研發(fā)中心

主要負(fù)責(zé)裝備控制機構(gòu)的智能化研發(fā)、測試與應(yīng)用等工作，包括建立盾構(gòu)機裝備數(shù)據(jù)中心、提出裝備控制數(shù)字化需求、數(shù)模產(chǎn)品的測試與示范應(yīng)用和建設(shè)各類智能裝備試驗平臺。

2.2 管理制度

管理制度體系建設(shè)能促進創(chuàng)新中心的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，對提高管理水平有著重要的作用。加強管理制度建設(shè)是提高管理水平、推動穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)；是提高創(chuàng)新能力、打造前瞻型創(chuàng)新中心的要求；是促進部門協(xié)作的前提；是提高全員素質(zhì)、提升行業(yè)競爭力的手段。

創(chuàng)新中心的管理制度脫胎于上海隧道科研管理體系，它既滿足上海隧道的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，又符合上海市科學(xué)技術(shù)委員會對創(chuàng)新中心的管理要求。為了使創(chuàng)新中心在科研開發(fā)及日常的管理工作中能有章可依，相關(guān)負(fù)責(zé)人員建立了一整套完整的管理制度體系，如表1所示。

表1 創(chuàng)新中心管理體系

通過將上海隧道科技創(chuàng)新平臺和創(chuàng)新中心云平臺對接，實現(xiàn)科研項目、科研經(jīng)費、成果的統(tǒng)一管理。同時，上海隧道科技開發(fā)部牽頭完成科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研合作，此外，對外服務(wù)、交流等則由創(chuàng)新中心根據(jù)管理制度落實。上海市科學(xué)技術(shù)委員會對創(chuàng)新中心的成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研合作等方面進行統(tǒng)一管理，進而實現(xiàn)科技人才、科研投入、成果應(yīng)用等的統(tǒng)一管理。

2.3 運行機制

運行機制是管理制度體系實施的具體方式和步驟，通過有效的運行機制，可以確保管理制度的有效實施，提高組織的運作效率和績效。

相關(guān)人員以上海市科學(xué)技術(shù)委員會對創(chuàng)新中心的建設(shè)要求為藍(lán)本，參照上海隧道科技開發(fā)部的管理理念，結(jié)合科研項目管理的沉淀數(shù)據(jù)，管理理念與沉淀數(shù)據(jù)雙驅(qū)動，為創(chuàng)新中心量身打造項目管理、成果轉(zhuǎn)化、用戶管理、人才管理等機制，以實現(xiàn)“科研—成果—市場—人才”的良性循環(huán)，提高組織的運作效率和績效。

創(chuàng)新中心利用項目管理機制，豐富技術(shù)儲備，完善研發(fā)流程，為科研發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)；利用成果轉(zhuǎn)化機制，順利開展科技成果的管理、轉(zhuǎn)化和運營；利用用戶管理機制，不斷改善和提高服務(wù)質(zhì)量，為客戶提供系統(tǒng)、全面、規(guī)范、滿意的服務(wù)；利用人才培養(yǎng)及激勵機制，建立獎勵機制和競爭機制，吸引國內(nèi)外數(shù)字盾構(gòu)領(lǐng)域的高素質(zhì)人才；利用教育培訓(xùn)和人才交流機制，提升技術(shù)創(chuàng)新能力，鼓勵科技工作人員參加數(shù)字盾構(gòu)前沿技術(shù)的交流、培訓(xùn)與進修活動；利用產(chǎn)學(xué)研協(xié)同機制，與地方和高校開展各具特色的產(chǎn)學(xué)研合作，用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，幫助企業(yè)增強市場競爭力；利用對外開放服務(wù)機制，對外提供開放服務(wù)，充分利用資源優(yōu)勢，促進科技資源的共享、流動和高效利用，達(dá)到互惠互利。上述循環(huán)運行機制如圖2所示。

圖2 循環(huán)運行機制圖

3 創(chuàng)新中心科技研發(fā)

3.1 總體目標(biāo)

建設(shè)盾構(gòu)法隧道施工大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)字盾構(gòu)工程的行業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)互認(rèn)，孵化和驗證大數(shù)據(jù)應(yīng)用算法和控制模型，推動數(shù)字平臺建設(shè)，提升盾構(gòu)法隧道智能化管理能級。

3.2 研發(fā)方向

3.2.1 數(shù)字平臺方向

通過認(rèn)知、感知建設(shè)盾構(gòu)法隧道施工大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)字盾構(gòu)工程的行業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)互認(rèn)和數(shù)字化工程施工，孵化和驗證大數(shù)據(jù)應(yīng)用算法和控制模型，進一步推動數(shù)字平臺建設(shè)，提升盾構(gòu)法隧道智能化管理能級，最終實現(xiàn)智能化工程施工。

3.2.2 智能裝備方向

深度融合先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)并應(yīng)用于盾構(gòu)裝備，提高掘進效率，提升盾構(gòu)自動化水平；構(gòu)建可靠、安全的盾構(gòu)設(shè)備健康管理系統(tǒng)，降低故障率，提高盾構(gòu)裝備使用率。

3.2.3 自主駕駛方向

開展不同地層下不同類型盾構(gòu)的施工控制系統(tǒng)研究，構(gòu)建基于人類行為理論的多層級盾構(gòu)自主掘進智能控制體系，通過數(shù)字盾構(gòu)智能掘進模型，實現(xiàn)盾構(gòu)自主駕駛，提高盾構(gòu)掘進質(zhì)量與效率，降低施工風(fēng)險。

3.2.4 施工配套方向

在超前地質(zhì)感知、隧道物料自動運輸、出渣智能測量、沉降自動監(jiān)測等方面開展研究，推動隧道施工輔助配套方面的無人化和智能化發(fā)展，全面提升盾構(gòu)掘進總體效率。

4 創(chuàng)新中心運行成效

2022年2月，創(chuàng)新中心正式成立。通過一年半的運行，逐步形成了良好的創(chuàng)新生態(tài)（如圖3所示），主要包括技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)平臺、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)合作平臺、成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用服務(wù)平臺和科研成果產(chǎn)業(yè)化平臺。

圖3 創(chuàng)新中心創(chuàng)新生態(tài)

通過技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)平臺，逐步形成了“總工程師—科技開發(fā)部—技術(shù)中心—創(chuàng)新中心—成果應(yīng)用中心”的科研模式；通過產(chǎn)業(yè)化技術(shù)合作平臺，與上海大學(xué)、同濟大學(xué)、上海微技術(shù)工業(yè)研究院等高校院所聯(lián)合攻關(guān)，開展了多個項目的研究；通過成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用服務(wù)平臺，將科研成果產(chǎn)品化并開展工程示范應(yīng)用，并推廣至不同類型盾構(gòu)機、不同地層、不同工況的隧道工程；通過科研成果產(chǎn)業(yè)化平臺，形成項目管理部、創(chuàng)新中心、數(shù)字項經(jīng)部、施工隊“四位一體”的數(shù)字化施工體系，探索數(shù)字盾構(gòu)賦能傳統(tǒng)隧道施工的產(chǎn)業(yè)模式。

在創(chuàng)新生態(tài)的影響下，創(chuàng)新中心形成了盾構(gòu)輔助駕駛系統(tǒng)和盾構(gòu)自主駕駛系統(tǒng)2大重點產(chǎn)品。其中，盾構(gòu)輔助駕駛系統(tǒng)已實現(xiàn)盾構(gòu)法隧道全覆蓋應(yīng)用，累計掘進超過30 km，積累了大量的智能控制模型數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗；盾構(gòu)自主駕駛系統(tǒng)已成功搭載于8臺（11臺次）土壓平衡盾構(gòu)，推廣應(yīng)用至上海、寧波、南京等城市，使用期間的盾構(gòu)自主駕駛率達(dá)85%以上，累計掘進超過10 km。目前，9 m級自主駕駛盾構(gòu)已實現(xiàn)平均推進速度70 mm/min，單日最大掘進里程達(dá)34.2 m，單月最大掘進里程達(dá)829.8 m，刷新了國內(nèi)9 m級土壓平衡盾構(gòu)單月最快掘進紀(jì)錄。

創(chuàng)新中心成立一年半以來，為適應(yīng)盾構(gòu)法隧道工程數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不斷對管理體制和運行機制進行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，豐富技術(shù)儲備和人才儲備，運用行業(yè)平臺優(yōu)勢，成功轉(zhuǎn)化一系列數(shù)字盾構(gòu)相關(guān)科研成果，繼而開展工程推廣應(yīng)用。隨著高度自主無人駕駛技術(shù)的不斷成熟，創(chuàng)新中心將圍繞上海隧道“十四五”規(guī)劃，根據(jù)重點研發(fā)方向，組建創(chuàng)新管理團隊，持續(xù)開展賦能盾構(gòu)工程行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的工作。

5 結(jié) 語

創(chuàng)新中心將持續(xù)將技術(shù)與管理相結(jié)合，推動管理體系與數(shù)字時代下全新管理要求相匹配，從盾構(gòu)施工沉降控制、軸線控制等質(zhì)量、安全維度出發(fā)，不斷提升工程管控水平、提高項目建設(shè)質(zhì)量；持續(xù)與商業(yè)模式相結(jié)合，依托數(shù)字技術(shù)，助力盾構(gòu)施工降本增效，促進市場發(fā)展與經(jīng)濟建設(shè)。上海隧道科技開發(fā)部將加大對創(chuàng)新中心的扶持力度，以數(shù)據(jù)為核心，以數(shù)智化點亮隧道產(chǎn)業(yè)，以重大科技工程為牽引，提升盾構(gòu)隧道行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展水平，推動行業(yè)的根本性變革。