隧道机械化施工中人机协同作业的优化与管理

张辉

（中铁十二局集团第四工程有限公司，西安 710000）

1 引言

隧道施工不仅涉及复杂的工程技术问题， 而且涉及多样的管理问题，如安全管理、风险控制、人员培训等。 因此，隧道施工的技术进步和管理优化成为提升隧道施工效率和质量的关键。

2 隧道施工与机械化施工概述

2.1 隧道施工的基本概念与方法

隧道施工是一项涉及工程学、 地质学和物理学等多学科知识的复杂工程项目，对技术要求较高，难度较大。 基于地质条件和施工需求，隧道施工通常可以分为两大类：明挖法和盾构法。 开挖法也称为传统的“攻击式”施工方法，是指先在地面开挖一个区域，然后从地面逐渐挖掘到地下，直到达到预定的深度和长度。 通常适用于地质条件较好，岩层稳定的地方，且对地面建筑物和环境影响较小， 需要经验丰富的技术人员和专门的设备，以确保施工过程中的安全。 相比之下，盾构法是一种新型的机械化施工方法，主要用于地质条件较差，存在大量水分或砂土等不稳定地层的地方。 在盾构法中，盾构机设备可用于地下进行连续的挖掘和支护，既加快了施工速度，又减小了对地面建筑物和环境的影响。 与明挖法不同，盾构法的施工过程更加复杂和精细， 需要更高的技术水平和更先进的设备。 但是，无论采用哪种施工方法，都需要在施工过程中不断进行地质勘查，以获取最新的地质信息，做出正确的决策。 隧道施工的成功与否取决于严格的质量控制和安全管理， 应确保施工过程中的每一步都符合相关规定和标准[1]。

2.2 机械化施工的发展和优势

随着科技的快速进步， 机械化施工在建筑行业中已经得到广泛的应用和发展，特别是在隧道施工中，机械化施工以其独特的优势赢得了认可，对隧道施工产生了深远影响，能够提高施工效率、改善工作环境、降低施工风险。 在早期的隧道施工中，人工挖掘是主要的施工方式，但这种方式施工速度慢、工作环境恶劣、施工风险高。 随着科技的发展，机械化施工逐渐取代了人工施工，机械化施工使用高度自动化的机械设备，如盾构机、凿岩机等，大大提高了隧道施工效率。 通过精确的机械设备，不仅施工质量更加稳定，还避免了人工施工中的误差和差异， 而且机械化施工还能更有效地应对复杂和危险的地质条件，如软土层、水下层、砂石层等。 机械化施工将人从重体力劳动中解放出来，降低了工人的劳动强度，提高了工作安全性。 通过智能化的管理系统， 还可以更精确地控制施工进度，避免施工中的延误和变更[2]。

3 人机协同作业的关键技术

3.1 自动化和智能化技术在隧道施工中的应用

自动化和智能化技术的应用改变了隧道施工的传统模式，优化了工作流程，提升了施工效率和质量。 这些技术并不仅使用了盾构机等高度自动化的设备， 更重要的是通过对数据的收集、处理和应用，使施工过程更加精确、高效和安全。 在现代隧道施工中， 自动化技术被广泛应用于机械设备的操作和控制中。 例如，盾构机可以根据预设参数自动挖掘和支护隧道，从而大大提高了施工速度和质量；自动化的测量和监控系统可以实时收集和处理各种施工数据，以指导施工过程，避免错误和延误。 智能化技术的应用则进一步提升了隧道的施工水平，人工智能和机器学习等技术可以对大量的施工数据进行深入的分析和处理，提出更优化的施工方案，预测和解决施工中的各种问题。 此外，自动化和智能化技术还在施工管理中发挥了重要作用。 通过建立数字化的施工管理系统，可以实时监控和调整施工进度，提高资源的利用率，降低施工成本。

3.2 人机接口设计

人机接口设计是隧道施工中的关键部分， 尤其在实现隧道施工过程中的自动化和智能化时更显重要。 有效的人机接口设计能帮助工程师和操作员更准确、 更有效地操作机械设备，提高施工效率，降低出错率，增强安全性。 人机接口设计是一种媒介，连接了人和机器，使施工人员能够以人性化、直观化的方式理解和控制复杂的机械设备和系统。 在隧道施工中，高度自动化的设备，如盾构机等，其复杂性和精确性要求人机接口设计要高度专业。 操作员需要通过人机接口获取关于机器状态、工作环境和施工进度的实时信息，同时通过接口下达命令，控制机器的工作。 因此，人机接口需要简洁、明了，能够准确地反映机器的工作状态， 同时能够清晰地显示需要操作员注意或操作的项目。 人机接口设计需要考虑用户的需求和习惯， 提供符合用户认知和操作习惯的界面和操作方式。 例如，接口的布局、颜色和标识都需要符合人的视觉习惯和理解方式，以方便用户快速识别和操作。 同时还需要考虑到施工环境的特殊性，例如，施工现场的噪声、光线和振动等可能影响操作员的注意力和判断， 接口设计需要考虑如何在这些环境下能够提供清晰、准确的信息。

4 人机协同作业的优化

4.1 数据驱动的优化方法

数据驱动的优化方法正在逐渐改变隧道施工的全貌。 在这个信息化的时代，大量的数据被不断生成并用于分析决策，从而使施工过程更加精确、 高效和安全。 其关键在于通过收集、分析和应用各种施工数据实现对施工过程的优化。 在隧道施工中，可以收集到来自地质勘查、设备监测、施工监控和环境监测等多个环节的数据，如地质数据、施工设备数据、施工进度数据、环境数据等，涵盖施工过程的各个方面。 通过对这些数据的深入分析，可以发现施工过程的模式和规律，预测施工中可能出现的问题和风险，为施工决策提供有力的支持。 数据驱动的优化方法可以在施工过程中的各个环节发挥作用。在施工前期，可以通过对地质数据的分析，优化施工方案和施工路径，减少施工风险；在施工过程中，通过对设备数据和施工进度数据的分析，实时调整施工参数，提高施工效率；在施工后期，通过对施工结果和环境影响的数据分析，评估施工质量，改进施工方法。 此外，数据驱动的优化方法也可以与其他现代技术相结合，以实现更高级别的优化。 其与人工智能和机器学习技术相结合， 能够实现对施工数据的自动化分析和预测；与物联网和云计算技术相结合，能够实现对施工设备和施工环境的实时监控和远程控制。

4.2 基于仿真的优化方法

基于仿真的优化方法是将实际的施工过程抽象为数学模型，然后在计算机中模拟施工过程，以分析和优化施工方案，在不影响实际施工的情况下， 对施工过程进行深入研究和改进，从而提高施工效率和质量，降低施工风险。 基于仿真的优化方法可以用于隧道施工中的各个环节， 从施工方案的选择到施工参数的调整，再到施工结果的评估，都可以通过仿真进行优化。 施工前期，通过仿真对各种施工方案进行预测和比较，选择最佳的施工方案；在施工过程中，应用仿真优化方法对施工参数进行动态调整， 以适应地质条件和施工环境的变化；在施工后期，应用该方法对施工结果进行评估，找出施工中的问题，提出改进措施。 基于仿真的优化方法，优势在于其本身的灵活性和准确性，可以模拟各种复杂的地质条件和施工环境，预测各种不确定性的影响，从而准确预测施工结果。 同时，也可以模拟各种可能的施工方案，找出最优的施工方法，使施工管理人员能够预知施工结果，避免施工中的错误和延误。

5 人机协同作业的管理

5.1 人机协同作业的规划与调度

人机协同作业的规划与调度在隧道施工中的应用是实现效率、安全和质量目标的关键手段，需要根据施工任务、施工环境和设备条件等因素，明确每个施工角色的任务和顺序，制订详细的施工方案和时间表。 其间， 还要考虑各种因素的影响，如地质条件、施工技术、设备性能和人员技能等，同时也需要考虑各种可能出现的风险和应急措施。 在人机协同作业的调度阶段，根据施工进度和实际情况，动态调整施工方案和时间表，以适应施工环境的变化，保证施工任务的顺利完成；实时收集和分析各种施工数据，如设备状态、工作环境和施工质量等，通过智能决策，快速并准确地下达指令，控制设备的工作及指导人员的操作。

5.2 管理策略和工具

管理策略和工具在隧道工程中的应用可以有效地协调和控制施工过程，提高施工效率、降低施工风险、保证施工质量。管理策略是对施工过程的宏观指导，决定了施工的目标、路径和方式。 在隧道施工中，管理策略包括项目管理策略，如定义项目目标、组织项目团队、制订项目计划；施工管理策略，如选择施工方法、调度施工资源、控制施工质量；风险管理策略，如识别施工风险、评估风险影响、制定风险应对措施；环境管理策略，如评估环境影响、制定环保措施、执行环保法规。 管理工具是实施管理策略的具体手段，可以使管理工作更加方便、准确和高效。在隧道施工中，管理工具包括计划工具，如甘特图，用于制定和展示施工进度；控制工具，如质量控制图，用于监控和控制施工质量；决策工具，如决策树，用于分析和选择施工方案；信息工具，如信息管理系统，用于收集、存储和传递施工信息。

5.3 安全管理和风险控制

在隧道施工中， 安全管理和风险控制不仅关乎工程人员和公众的生命安全，而且直接影响工程的进度和成本。 安全管理是一种预防性的管理策略， 目标是建立和执行安全规章制度、提供安全培训和教育、营造安全的工作环境，以预防和减少施工事故； 风险控制则是对可能影响施工安全和效率的风险进行识别、评估和管理。 为了保证施工安全，必须遵循一套严谨的安全管理体系，该体系包括严格的施工规章制度、定期的安全培训和教育，以及全面的安全监控和审查。 施工规章制度是工程人员在施工过程中必须遵循的规则， 旨在减少不安全的行为和操作； 安全培训和教育则是增强工程人员的安全意识和技能，使其了解和掌握安全规章制度，避免不安全的行为；安全监控和审查是对施工过程和结果的实时检查，以发现和纠正不安全的状况。 风险控制则是对施工风险的识别、评估和管理，需要识别所有可能影响施工安全和效率的风险，如地质条件、施工技术、设备性能和人员技能等，然后对这些风险进行评估，确定风险发生的可能性及风险结果的严重性，确定应对的优先级，并制订风险管理计划，包括预防措施和应对措施，以降低风险的可能性和影响。 随着科技的发展，安全管理和风险控制也有了新的发展和创新，例如，通过使用传感器和物联网技术，可以实时监测施工现场的安全状况、工作环境、设备状态和人员行为等。 通过使用大数据和人工智能技术，可以对施工数据进行深入分析，预测可能出现的安全问题，提前采取预防措施。

6 结语

本文深入分析了隧道施工中各个关键领域的现状和挑战，探讨了各种技术和策略的应用和影响。 这些技术和策略的综合应用，可以显著提高隧道施工的效率和质量，降低施工风险，提升施工的安全性和可靠性，提高施工人员的技术能力，协调施工过程，保障施工目标的实现，推动隧道施工的科技进步和持续发展，实现隧道施工的智能化、精细化和绿色化，为我国的隧道施工技术和管理水平提供更强大的支撑。