上海市数字盾构工程技术创新中心建设的实践与探索

郑敏洁（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

0 引 言

21 世纪以来，随着我国交通行业和城市建设的快速发展，我国隧道建设行业蓬勃发展。盾构法隧道的工程建设水平体现了一个国家土木工程的综合发展实力，其在施工过程中既不需要进行大面积拆迁，又不会阻断交通，对周边建构筑物及环境影响小，因此盾构法隧道施工是目前国际上最主流的方法。传统的盾构法隧道经过多年发展，虽然在技术上取得了长足进步，但由于盾构掘进仍是较传统的方式，这使其处于一个多变且不可感知的环境。同时，对于盾构机的操控也过度依赖盾构司机的主观判断和经验，难以全程保证隧道轴线的精准控制和周边环境的安全，使盾构驾驶阶段成为施工中主要风险点。

随着物联网和5G技术的不断发展与运用，为满足隧道施工行业的需求，在信息化盾构的基础上，需要开展对盾构智造技术、人工智能技术、隧道施工管控技术和数字盾构移动管理等多方面的研究，从而为数字化、智能化盾构的发展铺平道路。

从1992年开始，上海隧道工程有限公司（以下简称“上海隧道”）以“盾构法隧道施工专家系统”作为起点，开始在盾构法隧道工程领域开展数字化施工研究。数字盾构融合了大数据、5G技术和人工智能等，在对施工信息进行精准感知的基础上，快速判断盾构状态并对周边环境特征进行认知，通过科学决策与智能控制，最终实现盾构自动掘进。数字盾构采用自主决策和自主掘进方式改变传统的以人工操作为主的盾构施工方法，采用信息化的云平台和数字孪生的模型进行盾构法施工过程的监管、预警和自主操控，推动隧道建造模式的转变，全面提高隧道工程施工的安全、质量和效率。

1 创新中心的筹建

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出：优化提升国家工程研究中心、国家技术创新中心等创新基地。科技部在《〈关于推进国家技术创新中心建设的总体方案（暂行）〉的通知》中要求：国家技术创新中心以关键技术研发为核心使命，产学研协同推动科技成果转移转化与产业化，为产业发展提供源头技术供给，为科技型中小企业孵化、培育和发展提供创新服务，为支撑产业向中高端迈进、实现高质量发展发挥战略引领作用。

2021年年底，上海市科学技术委员会特发布2021年度“科技创新行动计划”软科学研究基地建设指南，借此契机，上海隧道开始筹备建设“上海市数字盾构工程技术创新中心”（以下简称“创新中心”）。

2 创新中心管理体系建设

创新中心作为产学研协同推动科技成果转移转化与产业化的平台，为行业产业的发展提供源头技术供给。在创新中心的建设过程中，“如何结合依托单位在行业中的技术领先优势，建立一系列适应自身发展的管理模式”成为创新中心健康有序发展的核心要务。

上海隧道科技开发部是负责上海隧道科技创新管理工作的职能部门，也是其科研项目的管理部门。它以上海隧道科技创新管理体系为蓝本，结合上海市科学技术委员会对创新中心的建设要求，规划、编制了“创新中心”的管理制度体系，并根据多年科研管理和成果转化经验，将创新中心管理体系的建设任务分为建立组织架构、完善管理制度、创新运行机制。

2.1 组织架构

组织架构是创新中心流程运转、部门设置及职能规划等最基本的结构依据，它通过界定创新中心的资源和信息流动的程序，明确创新中心内部相互之间关系的性质。组织结构是否合理，对于创新中心的发展与生存起着至关重要的作用。因此，相关负责人对组织管理理论进行深入研究，按照部门运行规律，构建合理的组织结构系统，确保组织架构的适应性和有效性。

创新中心采用主任负责制，主任由上海隧道董事长兼任，执行副主任由上海隧道副总工程师兼任，科技开发、成果管理、科研经费等科研活动由科技开发部主管，机械制造分公司和盾构工程分公司落实其成果转化、应用和推广等活动。

同时，成立技术委员会，作为创新中心常设性学术机构，汇集地下工程、人工智能、信息工程、机械工程、电气自动化等诸多专业领域的资深专家、学者，聚合国内外盾构法隧道行业优势资源，发挥科研“智库”作用。

创新中心部门的设置采用“一部四中心”的配置，组织架构如图1所示。由综合管理部、数据挖掘中心、数据应用中心、盾构管控中心和装备研发中心构成。其中，综合管理部为创新中心管理部门，“四中心”开展科研、应用、推广、服务等工作，部门权责明确，共同搭建在数字盾构工程领域具有前瞻性、开创性、引领性的技术创新中心。

2.1.1 综合管理部

主要负责创新中心的行政管理、科研管理等工作，包括制订发展战略规划、建立运营管理体系、科研项目申报与管理和专家委员会日常管理等。

2.1.2 数据挖掘中心

主要负责盾构法隧道智能化制造的数据模型与软件产品开发等工作，包括建立数据标准及数据评估体系、建设适合隧道智造的数据中心、开发数据分析预测与控制模型和开发智能预测与控制软件系统。

2.1.3 数据应用中心

主要负责盾构法隧道施工的智能化研发、测试与应用等工作，包括建立历史隧道特征案例库、提出盾构施工数字化需求、数模产品测试与示范应用和产业化推广应用市场模式。

2.1.4 盾构管控中心

主要负责盾构智控产品的应用保障、服务和推广等工作，包括盾构法管控平台日常运营、数字盾构数据采集与维护、盾构智控产品应用与评价和产业化推广应用服务保障。

2.1.5 装备研发中心

主要负责装备控制机构的智能化研发、测试与应用等工作，包括建立盾构机装备数据中心、提出装备控制数字化需求、数模产品的测试与示范应用和建设各类智能装备试验平台。

2.2 管理制度

管理制度体系建设能促进创新中心的规范化、标准化管理，对提高管理水平有着重要的作用。加强管理制度建设是提高管理水平、推动稳定发展的基础；是提高创新能力、打造前瞻型创新中心的要求；是促进部门协作的前提；是提高全员素质、提升行业竞争力的手段。

创新中心的管理制度脱胎于上海隧道科研管理体系，它既满足上海隧道的内控标准，又符合上海市科学技术委员会对创新中心的管理要求。为了使创新中心在科研开发及日常的管理工作中能有章可依，相关负责人员建立了一整套完整的管理制度体系，如表1所示。

表1 创新中心管理体系

通过将上海隧道科技创新平台和创新中心云平台对接，实现科研项目、科研经费、成果的统一管理。同时，上海隧道科技开发部牵头完成科技成果转化和产学研合作，此外，对外服务、交流等则由创新中心根据管理制度落实。上海市科学技术委员会对创新中心的成果转化和产学研合作等方面进行统一管理，进而实现科技人才、科研投入、成果应用等的统一管理。

2.3 运行机制

运行机制是管理制度体系实施的具体方式和步骤，通过有效的运行机制，可以确保管理制度的有效实施，提高组织的运作效率和绩效。

相关人员以上海市科学技术委员会对创新中心的建设要求为蓝本，参照上海隧道科技开发部的管理理念，结合科研项目管理的沉淀数据，管理理念与沉淀数据双驱动，为创新中心量身打造项目管理、成果转化、用户管理、人才管理等机制，以实现“科研—成果—市场—人才”的良性循环，提高组织的运作效率和绩效。

创新中心利用项目管理机制，丰富技术储备，完善研发流程，为科研发展打下坚实基础；利用成果转化机制，顺利开展科技成果的管理、转化和运营；利用用户管理机制，不断改善和提高服务质量，为客户提供系统、全面、规范、满意的服务；利用人才培养及激励机制，建立奖励机制和竞争机制，吸引国内外数字盾构领域的高素质人才；利用教育培训和人才交流机制，提升技术创新能力，鼓励科技工作人员参加数字盾构前沿技术的交流、培训与进修活动；利用产学研协同机制，与地方和高校开展各具特色的产学研合作，用高新技术改造传统产业，帮助企业增强市场竞争力；利用对外开放服务机制，对外提供开放服务，充分利用资源优势，促进科技资源的共享、流动和高效利用，达到互惠互利。上述循环运行机制如图2所示。

图2 循环运行机制图

3 创新中心科技研发

3.1 总体目标

建设盾构法隧道施工大数据中心，实现数字盾构工程的行业数据标准互认，孵化和验证大数据应用算法和控制模型，推动数字平台建设，提升盾构法隧道智能化管理能级。

3.2 研发方向

3.2.1 数字平台方向

通过认知、感知建设盾构法隧道施工大数据中心，实现数字盾构工程的行业数据标准互认和数字化工程施工，孵化和验证大数据应用算法和控制模型，进一步推动数字平台建设，提升盾构法隧道智能化管理能级，最终实现智能化工程施工。

3.2.2 智能装备方向

深度融合先进制造技术、信息技术和智能技术并应用于盾构装备，提高掘进效率，提升盾构自动化水平；构建可靠、安全的盾构设备健康管理系统，降低故障率，提高盾构装备使用率。

3.2.3 自主驾驶方向

开展不同地层下不同类型盾构的施工控制系统研究，构建基于人类行为理论的多层级盾构自主掘进智能控制体系，通过数字盾构智能掘进模型，实现盾构自主驾驶，提高盾构掘进质量与效率，降低施工风险。

3.2.4 施工配套方向

在超前地质感知、隧道物料自动运输、出渣智能测量、沉降自动监测等方面开展研究，推动隧道施工辅助配套方面的无人化和智能化发展，全面提升盾构掘进总体效率。

4 创新中心运行成效

2022年2月，创新中心正式成立。通过一年半的运行，逐步形成了良好的创新生态（如图3所示），主要包括技术和产品研发平台、产业化技术合作平台、成果转化应用服务平台和科研成果产业化平台。

图3 创新中心创新生态

通过技术和产品研发平台，逐步形成了“总工程师—科技开发部—技术中心—创新中心—成果应用中心”的科研模式；通过产业化技术合作平台，与上海大学、同济大学、上海微技术工业研究院等高校院所联合攻关，开展了多个项目的研究；通过成果转化应用服务平台，将科研成果产品化并开展工程示范应用，并推广至不同类型盾构机、不同地层、不同工况的隧道工程；通过科研成果产业化平台，形成项目管理部、创新中心、数字项经部、施工队“四位一体”的数字化施工体系，探索数字盾构赋能传统隧道施工的产业模式。

在创新生态的影响下，创新中心形成了盾构辅助驾驶系统和盾构自主驾驶系统2大重点产品。其中，盾构辅助驾驶系统已实现盾构法隧道全覆盖应用，累计掘进超过30 km，积累了大量的智能控制模型数据和应用经验；盾构自主驾驶系统已成功搭载于8台（11台次）土压平衡盾构，推广应用至上海、宁波、南京等城市，使用期间的盾构自主驾驶率达85%以上，累计掘进超过10 km。目前，9 m级自主驾驶盾构已实现平均推进速度70 mm/min，单日最大掘进里程达34.2 m，单月最大掘进里程达829.8 m，刷新了国内9 m级土压平衡盾构单月最快掘进纪录。

创新中心成立一年半以来，为适应盾构法隧道工程数字化转型，不断对管理体制和运行机制进行优化。在此基础上，丰富技术储备和人才储备，运用行业平台优势，成功转化一系列数字盾构相关科研成果，继而开展工程推广应用。随着高度自主无人驾驶技术的不断成熟，创新中心将围绕上海隧道“十四五”规划，根据重点研发方向，组建创新管理团队，持续开展赋能盾构工程行业数字化转型的工作。

5 结 语

创新中心将持续将技术与管理相结合，推动管理体系与数字时代下全新管理要求相匹配，从盾构施工沉降控制、轴线控制等质量、安全维度出发，不断提升工程管控水平、提高项目建设质量；持续与商业模式相结合，依托数字技术，助力盾构施工降本增效，促进市场发展与经济建设。上海隧道科技开发部将加大对创新中心的扶持力度，以数据为核心，以数智化点亮隧道产业，以重大科技工程为牵引，提升盾构隧道行业数字化、网络化、智能化发展水平，推动行业的根本性变革。