大国重器“盾构机”的工业互联网平台

刘玉焕 王洋慧

上天有神舟，下海有蛟龙，入地有盾构，作为大国重器，盾构机是隧道掘进超大型专用设备，在修路建桥、城市轨道交通等地下工程中发挥着至关重要的作用。中国盾构机从无到有，从有到优的自主创新与腾飞之路被很多人所熟知，然而以盾构机为主的地下工程服务却鲜少被人所了解。

中铁工服，初创时聚焦劳动密集型的盾构机安装服务，在夹缝中求生存。凭借对用户需求的深刻洞察，中铁工服创新盾构机租赁服务模式，并跨界融入盾构装备技术、土木施工技术和信息化技术，提升地下工程服务质量，并初步构建了以盾构云平台、掘进机租赁网、中铁工服MALL、共享工程师平台为主的工业互联网平台，为传统盾构机行业中的找设备、找人、找配件的难题提供了全新的解决方案，实现了“线上平台+线下业务”联动运营发展。2020年5月，人民日报接连刊登了两篇文章《中铁工服：跨界技术创新，快速转型升级》和《中铁工服：构建盾构工程工业互联网，提供全产业链专业服务》，文章指出，中铁工服从供给侧精准发力，投身地下空间开发智能化、数据化建设，走出了一条“新老结合”创新发展的道路。

基于大数据、互联网技术等新一代信息技术，中铁工服正在探索一条地下空间施工服务的数字化创新之路，成为推动盾构行业智能化、数字化转型的先行者和赋能者。作为一个传统的制造服务型企业，中铁工服是如何一步步实现跨界创新，成为专业的地下工程服务商，为大国重器盾构机装上大数据的翅膀？同时，中铁工服的数字化创新之路，又能为当下国有企业的数字化创新带来怎样的启示？

盾构机是集电气、机械、液压、气动、传感器于一体的大型自动化精密设备，零部件多达1万个，控制系统高达2000多个，被称作“工程机械之王”，广泛应用于城市轨道交通建设、地下空间建设、铁路及公路隧道工程建设、引水隧洞工程及军事防护工程建设。盾构机的技术始于英国，发展于日本、德国，在很长的一段时间内，中国都无法自主设计盾构机，只能依赖国外进口。2002年，国家科技部开始把盾构技术研究列入国家高技术研究发展计划（简称“863计划”），中铁隧道集团有限公司作为首批参与科技项目攻关的企业联合高校科研机构开始了盾构机的自主创新之路。2008年，中铁装备（前身中国隧道装备制造有限公司）成功研制出拥有自主知识产品的国内首台复合盾构机“中铁1号”，开启了国盾构机的自主创新和超越之路。

2010年，在中铁装备“一主多元化”战略的指导下，中铁装备机电有限公司（中铁工服的前身）成立，作为中铁装备的子公司从事盾构机的安装业务。然而，由于机电安装属于劳动密集型行业，技术门槛较低且竞争激烈，中铁工服业务进展困难，连续两年亏损，在夹缝中求生存。为了改变生存的困境，总经理牟松带领团队深入到盾构机施工企业一线，了解施工企业的具体需求。调研发现，国产盾构机在技术上不断突破，然而在销售上面临困境，很多施工企业不愿意购买国产盾构机。究其原因，一方面是施工企业对国内盾构机的技术质量是否过关存有疑虑，担心购买后出现问题无法正常完工，另一方面是盾构机属于超大型精密设备，价格昂贵，很多施工企业无法承担高昂的价格成本。另外，他们还发现不少施工企业自行购买的盾构机在完成一个项目时并不能立即投入下一个项目，因为很多工程项目要求施工企业使用新的盾构机或者对盾构机的使用里程有具体要求，而施工企业拥有的不满足要求的盾构机就会被闲置，无法得到高效利用。

如何解决施工企业面临的痛点问题呢？牟松团队决定采取“以租促售”的策略解决施工企业对國产盾构机质量不够信任的问题。经中铁装备集团同意，中铁工服搭建盾构机租赁平台，正式开展经营性租赁和以租代购业务，其中经营性租赁指的是根据施工企业的工程情况，量身定制合适的盾构机以租赁的形式供施工企业使用。以租代购业务是为先以租赁方式进行一定里程的盾构施工，然后按照双方约定的盾构剩余总价卖给施工企业。为了提升租赁平台上的盾构机数量，牟松先后与国新融资租赁有限公司、中铁金控等金融机构开展深度合作，由金融机构融资购买盾构机，而中铁工服则为其提供盾构机的经营租赁服务。同时，中铁工服鼓励施工企业把闲置的盾构机放入中铁工服的租赁平台中，由中铁工服为其寻找合适的工程项目，提高盾构机的使用效率。

由于瞄准了施工企业的痛点，中铁工服的盾构机租赁服务上线后受到很多施工企业的欢迎，中铁装备集团的国产盾构机销售也逐渐打开了局面。

2014年底，中铁工服盾构机租赁数量达16台，在提供租赁服务的过程中，其工作人员发现盾构机属于超大型精密设备，技术含量非常高，其操作和维修都需要专业的技术人员，而施工企业对专业技术人员的储备不足，难以应对日常操作过程中出现的问题，只能被动等待盾构机制造企业的售后服务。为了能够给施工方提供全方位的租赁服务，党委书记苏叶茂和总经理牟松果断决策开展跨界盾构机施工技术服务业务，为施工企业提供包括对前期的盾构机选择提供咨询服务（比如盾构机选型、施工方案制定、方案论证、技术攻关、掘进参数、掘进重难点处理），以及对盾构机施工过程提供技术支持（比如盾构机组装测试、操作技术支持、现场故障处理、掘进中的维护保养、掘进参数优化指导、油水检测、机况评估等业务）。中铁工服真正介入到盾构机施工技术服务业务时，才发现施工企业在使用盾构机时面临的根本矛盾在于：盾构机是高度标准化的精密设备，其配件和功能是相对固定的，然而不同的施工方法和土质条件对盾构机的配件和功能提出了个性化的需求，但现实情况是盾构机制造方缺少现场施工经验、难以对盾构机进行个性化定制，施工企业有需求却没有技术能力来解决难题。

为了解决地下空间开发过程中的难点和痛点，努力让地下空间施工技术和环境变得更安全舒适，中铁工服于2018年成立了中铁工服设计研究院，并尝试构建“产学研用”深度融合的技术创新体系，推动盾构机施工技术的创新。具体而言，中铁工服联合高等院校和施工企业共同组建科研联合攻关团队，形成了“由施工企业提出问题需求，高等院校科研团队负责基础研究，中铁工服负责科研成果转化和相关应用研究，施工企业负责实践验证”的全闭环“产学研用”科研联合攻关模式。该模式不仅明确了合作各方在技术联合创新的角色和作用，而且还构建了合作各方互惠互利的利益共同体，共享分享技术创新带来的收益。

在科研联合攻关模式的带动下，中铁工服先后于与西南交通大学、电子科技大学、四川大学、中国矿业大学、四川建筑职业技术学院等诸多高等院校联合建立了盾构/TBM装备摩擦学设计实验室、MEMS传感器联合研发实验室、盾构滚刀再制造保障技术研发项目、盾构增强现实智慧教学实验中心，从盾构机整机技术及其改造技术、盾构机专用机具与设备、盾构施工成套装备、盾构施工检测工具、盾构机操作人才培训等方面进行突破，在提升盾构工程的安全和效率、降低工人劳动的强度、提升地下空间开发的舒适性和环保性等方面产生了众多科研成果。

在这些科研成果中，有很多备受欢迎的“黑科技”。比如，基于芯片技术、大数据等新型技术的科研攻关与转化运用，中铁工服打造了以MEMS智能传感为技术支撑的盾构智慧工地检测系统，包括在线监测盾构机主轴承运行状态、可视化监测盾构机土仓刀盘旋转状态、地层土质信息、渣土流动信息等，实现了对地下盾构机施工技术的在线监测和追踪。联合攻关团队运用仿生学原理研发制造出盾构渣土环保处理系统，利用皮带机系统将刚掘出的渣土，从隧道深处运输至地面渣土分离系统的进料斗，进行渣土分级分离处理，实现了渣土回收再利用，节约了成本并提高了盾构机施工的环保性。为了让工人工作环境更舒适，联合攻关团队研发了盾构隧道环境温度控制系统，使隧道内的作业环境温度由40多度降低至28度，该系统推出后备受好评，成为地铁盾构施工领域的标配产品。

2018年，在为蒙华铁路白城隧道工程提供盾构施工技术服务时，中铁工服将上述研发的“黑科技”包括盾构机可视化检测系统、自动喷淋系统、隧道除尘系统、隧道冷风系统等应用于盾构工程的地下施工服务，彻底改变了隧道施工阴暗、潮湿、通风不畅的恶劣施工环境，让工程施工人员能够更加体面的工作，甚至可以在隧道施工的间隙喝上一杯热咖啡，成就了隧道深处咖啡香的美谈。蒙华铁路白城隧道工程项目因其创新的开挖模式、先进的施工理念和独具一格的作业环境，荣获2018年度国际隧道协会（ITA）颁发的“年度技术创新奖”，此奖项是国内首个问鼎ITA奖励的工程项目。

除了在盾构工程施工技术方面的创新，中铁工服还把施工技术方面的经验和技术创新反哺到盾构机装备技术创新上。2019年，融合了国内中铁工服首创的多项“黑科技”如主轴承在线监测技术、液压油智能诊断及实时清洁技术、刀盘防结泥饼立体冲刷技术、电瓶车安全監视技术、推进油缸防偏转装置、盾构机授权管理系统等的“铁工服1号、2号盾构机”成功在在杭州地铁7号线工程项目投入使用并顺利完成施工掘进任务。

随着中铁工服盾构机技术创新的不断提升，其管理的盾构机数量也在快速增加，2020年直管盾构机数量120台，代管盾构机数量约150台，管理资产约50亿元，服务范围遍布北京、上海、广州、深圳、成都、天津等全国35个城市。业务的快速发展也给中铁工服的盾构机管理和运营带来了诸多问题：一是中铁工服和盾构机托管企业想要随时了解租赁出去的盾构机的工作状态和设备运行状况，然而盾构机进入项目施工后，其运行数据并未保存上传到统一平台，这既造成了大量的数据流失，也使得施工方与盾构机业主存在严重的信息不对称 ；二是由于施工企业对盾构机有诸多个性化需求，使得一台盾构机结束上一个项目时短时间内难以匹配下一个施工项目的需求，从而导致盾构机的使用效率较低；三是盾构机的施工技术需要专业的技术人才，但由于施工地点分散且周期很长，中铁工服技术团队难以在全国范围内调配，面临较大的工作压力。

如何才能解决这些管理的难题呢？中铁工服团队多次深入行业调研，发现只有借助于信息化技术推动盾构机租赁和技术服务的数字化和智能化创新才能真正解决企业面临的难题。正如总经理牟松所说：“地下空间开发经历了‘钢钎铁锤、手持风镐、凿岩台车和盾构掘进’四次跨越，让地下空间开发更安全、高效、环保是行业发展的趋势，也是国家高端装备制造企业和施工企业的共同追求。”智慧互联、大数据、云平台、远程操作与诊断等这些前沿信息技术正在改变着传统的施工方式和施工设备管理模式，数字化和智能化是地下工程服务发展的趋势与未来。

为了解决施工企业和盾构机业主对盾构机数字化和智能化的需求，2016年，中铁工服自主研发的“盾构云平台”上线，该平台解决了横跨多学科技术交互（土木技术、机械技术、信息化技术）、现场管理与后台管控、现场运行反馈、设备全寿命周期管理与多区域个性化使用等不对称、不互联、不匹配的系统性问题，实现了盾构机施工的数字化和智能化操作。对盾构机施工方来说，盾构云平台可以实现“智能管数”—自动采集盾构机自身性能数据、地层地址数据、和施工环境数据，并上传到统一盾构云平台；“智能管事”—通过接入油水检测与盾构机健康诊断专家系统、龙门吊监测、基坑支撑轴力监测系统、降水井水位自动监测系统、渣土运输管理系统、环境收集净化系统、火灾报警系统等一系列子应用系统，实现对盾构机运行智能掘进、工序优化、进度与安全风险管控、健康检测、报警管理等功能的智能管理；“智术管人”—是通过人脸识别、智能WIFI、访客教育、一人一码、巡更系统实现对人员的全面管理；“智慧管档”—采用智能档案管理系统、自动生成项目进度表，实现智能化办公。为了方便施工企业管理者和盾构机所有方更直观地了解到每台盾构机的工作情况，中铁工服还设计了“盾构云实时监控系统”模块，实时展示每台盾构机的工作状态，通过手机盾构云APP即可了解工程状况、管控安全风险、监控项目进度、录入维保数据、上报停机原因、观看现场视频等，实现了管理人员与现场的零距离接触，提升了管理的效率。

随着盾构机数据采集量的增多，如何利用大数据挖掘盾构机运行数据为施工企业提供科学的指导成为中铁工服现在的工作重点。通过组建大数据团队并与高校建立大数据挖掘联合攻关团队，中铁工服于2020年推出盾构机大数据应用产品“盾构机掘进指导曲线”。该指导曲线利用类比匹配技术，辅以人工修正，结合“机器学习”，对盾构机施工中地质组段划分数据、盾构机自身性能数据以及施工环境数据进行全面分析，对土压、总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、掘进速度、注浆量等关键参数进行预测，并在掘进时根据实时数据自动调整预测结果。预测结果将被实时推送到盾构掘进司机室，为盾构司机参数设置提供指导建议，若实际掘进参数与预测结果发生较大偏离，系统将在第一时间预警，并对可能发生的潜在风险进行预测，给出合理化纠正建议。

除了盾构云平台，中铁工服尝试把互联网平台思维和技术深度嵌入到公司的每一项业务中，对原有业务进行数字化转型升级。例如，为了推动盾构资源的高效配置，中铁工服依托原有的盾构机租赁业务搭建了线上平台“盾构掘进机租赁平台”，线上打通盾构所有者和需求者的供需信息，以盾构机租赁为中心，辐射吊装运输、维修保养、监测评估、配件销售、改造升级等11项辅助业务，实现“平台服务实体，实体支撑平台”的运行模式，构造了盾构机上下游全产业链的生态圈。在盾构机租赁线上平台上，盾构所有者可以发布拥有盾构的详细信息，专业盾构支持服务商也可以发布相关支持设备信息或服务信息，项目施工方则会发布施工项目的具体信息，所需盾构规格和相关施工服务信息，金融机构可以为有资金困难的机构提供资金保障。为了促成供需双方的交易，中铁工服则扮演平台管理咨询方，联合中铁装备、科研院所等专家技术团队，为供需双方的交易提供专业的管理咨询和技术服务。截至2021年10月，中铁工服已经与78家企业建立了联系，加入平台的盾构设备815台，盾构品牌超过20个，实现了在全国范围内进行统筹调配盾构机，有效满足供需双方的需要，提高盾构机设备使用率60%，提升设备周转率30%，推动了盾构行业资源的精准配置。

盾构云平台和盾构机租赁平台的顺利运行给中铁工服团队带来了很大的启发，他们发现互联网信息技术对传统地下工程服务业的转型升级至关重要，不仅能够提升产业链各方的工作效率，更重要的是能够促进各方的互联互通，提升传统地下工程服务行业的数字化和智能化发展。为了更深入地解决地下工程服务行业长久以来存在的专业技术人才难题，中铁工服搭建了“共享工程师平台”，尝试通过互联网分享平台实现盾构机工程师与施工单位的高校优质匹配。该平台设置了三大功能模块：一是学院，即由平台和资深用户提供丰富的地下工程专业知识供用户浏览学习；二是论坛，即专家、工程师们可以自由讨论行业各专业相关的问题；三是任务，即工程师们在遇到棘手的问题时，可通过发布悬赏任务寻求行业内具有相关经验的专家、工程师帮助解决。

另外，为了更好地解决盾构机专业维修零配件交易的难题，中铁工服联合京东云共同开发了 “工服Mall电商平台”，该电商平台以构建盾构服务产业生态链为目标，精心打造运用“B2B+O2O”的运营模式，提供一站式综合解决方案。目前，中铁工服联合京东集团等多家优质物流公司，建立了成都、郑州、广州等十余个售后保障基地，以高效优质的采购、储备、物流等服务，让所有采购方省心、省时、省力、省钱。截至2021年10月，工服MALL基础商品库零部件数量已达3224项，累计注册用户256家，认证企业256家，入驻供应商170家，收录品牌253个。

中铁工服搭建的四大平台很好地解决了盾构行业长期以来存在的难题，构建了盾构工程工业互联网，推动了盾构产业从传统施工方式向智能化、数字化的新经济形态转变，也帮助中铁工服从传统的机电安装劳动密集型行向平台型高科技服务公司转型，形成了“装备技术+土木技术+信息化技术”跨界技术创新格局。2017年，中铁工服从中铁装备下属子公司独立出来，成为中铁工业下属的二级子公司，致力于成为专业的地下工程服务商。

至此，盾构工业互联网基础平台初步搭建完成，中铁工服的数字化创新也迈出了第一步，然而如何实现各个平台的协同发展成为中铁工服后续面临的关键挑战。特别是，现有四大互联网平台（盾构云、盾构租赁平台、共享工程师平台、工服Mall电商平台）想要互补协同发展，真正推动地下工程服务行业的数字化和智能化转型，中铁工服还有很多挑战需要去面对。

本文受国家自然科学基金（71802165）项目的资助