铁路隧道盾构司机智能仿真培训系统

程海云

（广州铁路（集团）公司 工程质量安全监督站，广东 广州 510600）

铁路隧道盾构司机智能仿真培训系统

程海云

（广州铁路（集团）公司 工程质量安全监督站，广东 广州 510600）

通过分析隧道盾构司机培训存在的问题与需求，提出盾构司机智能仿真培训系统的建设思路和体系架构。介绍系统的主要内容、特点及应用案例，为形成规范的盾构司机职业技能培训体系、高效培养合格盾构司机、降低盾构施工风险提供技术支持。

铁路隧道；盾构司机；培训；智能仿真；TBM

1 培训现状与必要性

1.1 司机素质与盾构施工风险直接相关

国内外盾构TBM施工技术水平不断提高。盾构TBM施工因其具有对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等突出特点，隧道运营后工程质量隐患少，发展空间广阔。尤其是在地层条件差、地质情况复杂、地下水位高等情况下，盾构法施工更具有明显的优越性，将在铁路隧道施工中越来越受到重视和青睐。

尽管盾构法隧道施工风险远低于矿山法，但由于隧道地质情况隐蔽复杂，盾构施工出现隧道坍塌、地面塌陷、突水突泥等灾害，人员伤亡事故屡见不鲜；隧道衬砌管片错牙及开裂、线性不顺、渗漏水等质量问题常见，施工过程风险防控十分重要。

根据研究分析[1]，“盾构施工风险”的权重分布为：水文地质条件约占40%；盾构设备约占30%；施工队伍约占30%。控制盾构施工风险的基本原则为“地质是基础、设备是关键、技术是支撑、人是根本”。隧道盾构施工安全、工程质量和进度控制，与盾构司机的规范操作、故障排除、应急处理等技能密切相关。

因盾构司机操作不规范引起的工程事故屡有发生[2]。例如，某单位承建的国内某特长水下铁路隧道施工，由于盾构司机操作失误，在未确认泥水仓内是否有工作人员的情况下打开泥浆门，大量泥浆涌入仓内，造成人员伤亡事故；某铁路隧道采用泥水盾构施工，在掘进过程中遭遇大块岩石致使出碴口堵塞，整个循环管路压力剧烈波动，盾构司机对此突发情况准备不足，误将阀门关掉，形成的水锤效应瞬间将管路击穿，泥浆喷入变频器致使其严重损坏。

1.2 司机传统培训模式急需创新

1.2.1 司机供不应求、缺口大

随着国家“十三五”规划和 “一带一路”战略全面铺开，基础设施建设蓬勃发展，隧道盾构法施工在建设领域将得到广泛应用[2-3]。截至2020年，我国基础建设行业盾构新增数量将达到1 200台；每台盾构TBM司机按照5～6人配置，人数将达到6 000人，其中铁路系统（含城际铁路）盾构机使用数量达410台，人数约2 100人。

1.2.2 传统培训模式急需突破

盾构司机原培训模式基本采用3种[2-3]：将人员输送至国外设备厂家进行学习、培训；由设备厂家安排人员现场进行指导，施工单位安排人员跟班学习；随老司机现场跟班学习。培训模式均存在周期长（15～18个月）、培训不系统等缺陷，且容易传承“老司机”操作陋习，对系统认知不全面，操作不规范，已不能适应盾构装备产业及施工技术快速发展需要。

1.2.3 行业技能培训体系亟待规范

相对于我国高铁动车司机和特种作业的成熟培训机制，目前国内盾构司机技能学习培训基本依赖于各施工企业的内部“传帮带”，盾构司机职业操作技能专业书籍缺乏，完整系统的盾构司机培训教程更为空白。

由此可见，面对盾构使用日益广泛、盾构司机供不应求的状况，迫切需要形成规范的盾构司机职业技能培训体系，以降低隧道盾构施工风险，防控施工安全事故。

2 培训系统思路和体系架构[2-3]

2.1 建设思路

盾构机由于造价高、机型不同及地质条件等限制，司机培训不能采用真机进行。随着科技的进步，虚拟培训技术已经在飞行员、动车司机等培训中得到应用。由于盾构机的复杂性及工作的特殊性，其相关虚拟培训技术在国内尚未开始研究。采用虚拟盾构施工场景培训的方法，创建虚拟的盾构机工作环境，并构造一个高效、逼真的交互操作环境，使学员达到身临其境的感觉，是建立标准的盾构司机培训体系的趋势。

用计算机虚拟平台模拟盾构施工各种场景，通过理论考试、模拟平台操作等方法进行系统化考核，并根据考核内容制定针对性的培训，确保司机能熟练掌握盾构操作技能，正确应对异常情况。

2.2 体系架构

盾构施工虚拟培训系统结构分为交互层、展示层、逻辑层及知识层4大部分。

（1）交互层主要是主操控台，培训方式可分为学习模式、操作模式和考试模式3种。

（2）展示层是指用户能够直接看到的内容，包括盾构机各个部件状态和操作的显示主界面。

（3）逻辑层主要用于数据的分析和处理，提供高效的算法，包括运动模型的动作控制、模型的显示方法等。

（4）知识层为系统提供理论知识和经验知识的支撑，除了盾构机的结构和原理，还包括相关的操作、维护知识、盾构施工案例、盾构施工风险分析及控制等。

3 培训系统主要功能及特点

3.1 主要功能

3.1.1 盾构智能仿真培训操作平台

操作平台由模拟操控台、模拟培训软件子系统、在线考试子系统和知识库子系统4部分构成。模拟盾构TBM操作模式，针对施工期间潜在风险源，形成整套培训和考试系统。建立盾构司机预设类标准化操作考题和预设特殊情况现场考题2大类题库，同步实现模拟题库更新[3-4]。

3.1.2 盾构司机培训教程

教程以“基本常识、常规操作、简单判定”为主线，包含盾构基本知识，详细介绍盾构的发展史、施工特点及构造原理等；盾构操作技术，介绍盾构设备各系统操作技能，在国内首次系统性地编写《盾构司机规范化操作程序》《盾构施工安全事故预防与应急措施》《典型案例分析》，总结盾构操作重点事项，列举部分重要的应急预案与安全常识等。

3.1.3 建立盾构司机培训数据模型

模型立足多种型号盾构的工程实际案例和长期积累的庞大数据库，建立司机智能仿真操作数据模型，完善信息电子数据建档，实现全国盾构司机信息数据联网。

3.2 特点

3.2.1 仿真培训

创建“理论学习→模拟培训→实物操作→考试评价”为主线的培训体系，智能判断培训效果，实现在线练习、培训、实操和考试等功能。

3.2.2 系统软件研发

系统从8个方面研发：软件系统构成、学生站子系统、考官站子系统、在线理论培训考核子系统、知识库子系统、软件可靠性设计、系统安全性设计、系统运行配置要求。

3.2.3 盾构实操平台

模拟盾构实物智能仿真操作培训系统及方法，创新采用MQTT消息实时通信技术、Drools规则引擎技术、WPF界面技术，利用MCU控制主板和电机控制PLC。模拟内循环冷却泵、辅助液压、推进油缸泵、空压机、盾尾密封油脂、泡沫系统、螺旋输送机、皮带输送机、刀盘等9个模块实操。

3.2.4 培训体系

构建从理论学习与考试、模拟操控台的实践与考核等全套技术体系，直接形成盾构司机职业技能培训体系。

4 培训系统应用

4.1 经济和社会价值

传统培训方法，培养合格盾构司机需要一年半以上，且学习过程中存在因培训不系统、技能不熟练、操作不当而增加设备损耗及施工风险。通过智能仿真培训系统，盾构司机不用进入施工现场即可进行理论及操作学习，防止误操作风险，学习系统完整，培训熟练司机的上岗时间大大缩短（节省时间9个月以上），显著降低施工成本及安全风险。

该研究成果的应用形成规范的职业技能培训体系，将为国内盾构司机职业执照化创造条件；有助于盾构司机操作规范化、标准化，提升国内盾构司机队伍素质；打造盾构及掘进技术培训领域行业标杆，为盾构行业专业技术人员提供高端提升平台。通过盾构司机操作技能的提高，有效加强隧道盾构施工技术管理，大大降低盾构施工风险，防止隧道工程质量安全事故的发生，促进铁路工程建设又好又快的发展。

4.2 培训情况及效果

自2015年底盾构司机培训系统应用以来，已组织中国中铁股份有限公司、中国铁建股份有限公司等5大总公司、30多个工程局（集团）共400余名盾构司机进行培训。从培训效果来看，新司机通过理论学习与模拟操作，了解盾构机控制原理，结合不同环境下实例学习，系统掌握盾构掘进施工要领，有效缩短培养周期。如广珠城际铁路珠海—横琴段18名新司机参加培训，通过参加培训和跟班实习迅速成长为合格司机，培养周期缩短至3～5个月，且操作行为规范、系统。老司机通过培训，掌握盾构机设备各系统原理及逻辑关系，规范盾构操作各系统启动的先后顺序，明确各系统设备运行的前提条件，改变以往“设备能运转即可”等不规范操作模式，实现操作规范化、标准化，降低了设备故障率。如长株潭城际铁路盾构老司机通过系统培训，纠正原操作陋习，显著提升安全风险意识与现场解决问题的能力，降低设备故障率。据统计司机参加培训后，盾构设备故障率由原来的5%～7%降低至3%～5%，提高了施工效率。

5 培训系统创新

铁路隧道盾构司机智能仿真培训系统是基于人机交互模式，智能化模拟盾构施工的实际情况，通过本培训系统的学习，盾构司机在理论与实践方面，能全面系统地提升盾构掘进施工技术。培训系统主要创新点有：

（1）采用MQTT消息实时通信技术，将计算机指令发送到模拟设备，如刀盘、推进油缸、螺旋输送机等，模拟真实的盾构操作。操作指令正确设备正常运行，如设备的启动、调速、停止、正反转等；操作指令错误设备无法按要求运转，需要排查操作中的错误指令并纠正。对盾构模拟过程进行检验，并对培训人员操作指令正确与否做出判断，达到通过模拟设备替代真实机器培训人员的目的。

（2）模拟操控软件子系统采用基于RETE算法的Drools规则引擎对学员考核进行判定。规则引擎的使用使得考核试题的判断逻辑与软件模块分离，使得考核试题的编制更加灵活通用。学生站和考官站的软件系统用户界面采用了基于WPF技术的MVVM框架，界面美观，用户体验好。

（3）利用MCU控制板采集模拟控制面板各种原件（按钮、旋钮）的操作，将操作过程转换成电控信号与电脑进行数据交换，实现“实体操作”与“计算机语言”的转换，通过数据与计算机交换，在模拟电脑上实现盾构操作过程中各种作业界面，能使培训者更直观地感受到盾构掘进过程中的操作情况，能够更有效地提升培训效率。

（4）智能仿真培训平台具有仿真度高、适应性强等特点。

（5）理论与实践紧密结合，针对性强。结合国内铁路隧道盾构施工情况，编写《盾构司机培训认证教程》；立足于盾构司机培训考核的实际，提供了包括理论学习与考试、智能仿真培训平台的操作与考核、盾构司机培训考核档案编制与统计等全套的技术支撑。

[1] 陈馈，洪开荣，焦胜军. 国内外盾构法隧道施工实例[M]. 北京：人民交通出版社，2015.

[2] 盾构司机培训教程编写委员会. 盾构司机培训教程[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[3] 程海云，刘辉. 铁路大型隧道盾构司机培训和认证标准体系研究[J]. 企业技术开发，2016，35(9)：48-51.

[4] 张继清. 超浅埋大直径盾构穿越海河的设计施工关键技术[J]. 中国铁路，2015(7)：69-73.

6 结束语

铁路隧道盾构司机智能仿真培训系统是一套创新的、完善的盾构司机培训系统。通过本系统的培训，能够提高盾构司机的职业技能，降低盾构司机误操作带来的施工风险，形成业内认可度较高的盾构司机职业技能认证体系。

责任编辑 李葳

Intelligent Simulation Training System for Drivers of Railway Tunnel Shield Machines

CHENG Haiyun
（Engineering Quality and Safety Supervision Station，Guangzhou Railway (Group) Corporation，Guangzhou Guangdong 510600，China）

This paper analyzes the problems and requirements of training of drivers of tunnel shield machines, puts forward the idea and system architecture of intelligent simulation training system of shield drivers. It also introduces the main contents, characteristics and application cases of the system, and provides technical support for forming the standard vocational training system of shield drivers, cultivating qualified shield drivers and reducing risks of shield construction.

railway tunned；shield driver；training；intelligent simulation；TBM

U455；U458

：B

：1001-683X（2017）07-0040-04DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.07.040

2017-04-03

程海云（1974—），男，高级工程师。E-mail：gtdbchenghaiyun@126.com