新一代盾构施工系统
实现从计划制定到实操的全自动化
清水建设通过AI结合尖端技术和熟练工的丰富经验，开发出了新一代隧道施工系统“Shimizu Shield AI”，实现了从盾构隧道掘进计划的制定到实操施工作业的全自动化，即节省了人力，又确保了施工的质量。
盾构机
该系统由清水建设与名古屋工业大学联合研发，AI能够以测量数据为基础，根据隧道线形推导出盾构机操作的计划值、管片拼装方案，并通过事先模拟盾构机如何作业和多个管片如何拼装来设定计划值。
2020年秋，清水建设将该系统首次应用在了关西地区的雨水排水渠盾构隧道建设中。
▲ 点击可查看大图
隧道施工时，曲线段的规划很重要，人工操作时很难把握盾构机与地层和管片之间的间隙，易导致盾构机损坏，通过AI技术能顺利解决这个问题。
采用AI辅助系统在可视化3D模型的形式下制定70环管片施工计划仅需10分钟左右，而一个熟练的技术工人需要2天左右的时间。
工作人员远程监督AI
在施工方面，“Shimizu Shield AI”能通过AI选择千斤顶以实现无人施工。该系统根据量化后的熟练工人的经验数据，协助操作盾构机并自动进行挖掘。工作人员只需要远程进行监督即可。
盾构机AI掘进系统
辅助确保开挖面稳定
东急建设、Automagi和协立电机共同开发了利用AI辅助盾构机操作的“盾构机AI掘进系统”，并在东京的隧道施工中进行了实证试验，证实了其有效性。
“盾构机AI掘进系统”管理画面
使用盾构机进行隧道施工时，如果开挖面压力过高，工作面正上方的地表面有可能会产生隆起，如果开挖面压力过低，就有可能会发生沉降，必须将开挖面的压力维持在适当的值才能确保盾构施工顺利。另外，还需要精确地控制盾构机的方向，以确保盾构按期完成施工。
迄今为止，根据掘进地层条件和盾构机的位置、姿态等控制隧道的掘进，一直依赖于操作员个人的经验和技能，如何继承该技术并确保安全和质量是一个亟待解决的问题。
自动控制模式实验
“盾构机AI掘进系统”着重于盾构机掘进控制中尤为重要的工作面压力调整和盾构机方向控制，旨在通过AI的辅助使之自动化。该系统由一个AI预测系统和一个AI辅助工具组成，前者通过接收和学习盾构机掘进过程中获得的各种测量数据以预测最佳控制量，后者则是将预测的控制数据以图形的形式可视化，并将其传输给盾构机。
此外，“盾构机AI掘进系统”具有两种模式：一种是“辅助控制模式”，工作人员在检查数据的同时操作机器；另一种是“自动控制模式”，AI在没有操作员的情况下自行控制机器。演示的结果显示它具有较高的预测精度，这对未来的实施是一个很大的进步。
盾构机AI方向控制系统
控制千斤顶自动修正盾构方向
大林组通过操作人员综合评估时使用的各种数据训练AI，开发出了盾构AI自动方向控制系统，可以自动判断修正盾构机方向所需的受力点，并自动选择相应的千斤顶。
因为AI能够准确地确定修正盾构机方向时所需的重要受力点，所以可以自动沿着规划的线路施工，而不会受到操作人员技能的极大影响。另外，施工时也避免了损伤管片，提高了隧道的质量。
方向修正中的盾构机千斤顶的操作实例
操作人员在调整受力点时，要确认大量复杂的掘进数据后，根据经验做出判断。该系统将操作人员用于评估的几十个项目的数据作为训练样本，使AI学会了自动确定受力点。在类似的情况下，AI能够做出与操作人员相同的决策。因此，该系统可以无误差地控制盾构机方向。
该系统确定受力点时会考虑到盾尾间隙的问题，防止盾构机与管片因间隙不足而发生接触造成磨损，降低管片出现裂缝和漏水的风险，保证隧道质量。
该系统可以安装在所有的盾构机上，不受盾构机类型、尺寸、形状、千斤顶数量和制造商的限制，也不受隧道长度和地层土质的影响，可适用于任何盾构施工。
结语
目前，各国都在积极推进隧道的无人化施工。国内，正在研发远程控制与自动巡航盾构，打造能够“自动无人驾驶”的智能设备。马来西亚研发的自主运行TBM系统也是一种能够实现TBM自主推进、转向与控制的智能化系统。
对此，你有什么看法呢？请大家也一起来讨论一下吧～