论文部分内容阅读
“要致富，先修路。”道路运输的畅通，影响着中国经济的发展。在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中提出，完善现代综合交通运输体系，构建布局合理、设施配套、功能完备、安全高效的现代城市基础设施体系。
近年来，我国在高铁和高速公路建设上紧跟政策的步伐，大力发展现代交通综合运输体系。然而，隧道挖掘普遍采用人工操作风钻凿岩机进行施工和人工测量隧道周边轮廓及爆破孔位置，存在施工人员劳动强度高、施工效率低、安全隐患大、施工质量差等问题。为解决这一系列难题，中国铁建重工集团股份有限公司研发的ZYS113全智能型凿岩台车的开发顺应了大量隧道施工的需要，打破了国外垄断，全面推进了隧道机械化挖掘速度。
中国铁建重工集团股份有限公司（以下简称“铁建重工”）成立于2007年，是专注于隧道施工智能装备、高端轨道设备装备的研究、设计、制造、服务于一体的专业化大型企业。
面对高难度的隧道地质开掘状况及迫切的隧道开挖需求，特别是面向如川藏铁路高地温差、多岩爆、多发泥石涌水等恶劣地质下的一批国家重大工程的建设项目，传统的施工装备已无法满足施工需要。而此前先进凿岩台车设计制造技术被少数国家垄断，我国尚处于一片空白。为此，铁建重工经过长期的技术攻关，终于在2016年3月研制出ZYS113全智能型三臂凿岩台车。
ZYS113全智能三臂凿岩台车集数据采集存储传输、行走、定位和钻孔作业等多项技能于一体。在研发过程中，铁建重工设计人员专门针对凿岩台车精准化施工要求，开发出一套新型隧道数字化设计技术，基于大量施工经验数据，研究孔位布置对掌子面岩石破碎影响规律，提出了最优孔位布置方法与孔序路线规划策略;开发出隧道设计静态数据与施工现场实测的动态数据管理系统，建立起隧道结构信息数字化模型，实现了隧道坐标系内任意空间坐标与对应里程的相互转换，形成了隧道设计的相关参数，包括里程、中桩坐标、隧道轴线、各施工阶段断面轮廓、炮眼设计位置等关键要素参数化管理方法，以满足凿岩台车定位需求，并依靠网络传输模式，能够将隧道设计参数标准化后，上传至凿岩台车控制系统，形成隧道设计参数的数字化建模与管理，从而大幅度提升了凿岩台车定位和作业准确性。
该智能凿岩台车拥有的台车隧道坐标智能定位技术，能够通过建立台车本地坐标系及标定方法，结合数字化隧道建模系统和对隧道内已知点的实际测量结果，通过三角测量算法，获得扫描仪和隧道之间的数据转换，再通过误差补偿与定位进度修正达到本车准确定位。该设备具有根据体征描述方法以及研究掌子面定位噪音干扰方式，建立起掌子面拟合模型;研究台车凿岩时与掌子面的最优匹配关系，通过台车与掌子面的相对运动控制算法，结合三维扫描定位技术和隧道坐标系的动态表征方法，最终实现台车在作业中实时智能定位功能。
大多数的凿岩台车臂架长、关节多、自身重量大，易发生柔性变形，且在加工与装配时极易引起尺寸误差。为解决这些问题，智能凿岩台车拥有的大惯量柔性臂架高精度定位技术，通过定位误差补偿，从根本上解决了臂架运动学模型难以满足臂架定位精度问题;运用机器人运动学建模方法，建立了凿岩台车臂架正向运动学模型;又结合臂架结构有限元分析和高精度测量识别技术，建立了臂架的柔性变形误差变化规律模型;结合臂架运动学标定模型，开发出了一套基于柔性误差补偿的大惯量臂架运动学参数标定系统，真正实现了臂架运动学参数最优匹配，满足了臂架运动学误差补偿，满足了钻孔定位精度的要求。
面对钻孔过程中出现的卡钻和空打等常见问题，设计人员为实现台车领孔、低冲、高冲、停止、回退、卡钻、冲洗等动作，开发出自适应钻孔技术，通过钻孔实验研究，获得不同地质下推进速度、推进压力、冲击压力等钻孔工作参数对钻孔效率的影响规律;同时针对不同钻孔阶段与钻孔时发生的卡钻、空打问题，研究出钻孔参数最优控制方案。新方案不仅提高了钻孔的工作效率，还降低了操作人员数量，其最快掘进速度可达每分钟3至5米，比传统人工钻孔效率提高2至3倍，原有的20人同时作业缩减至1至2人。
由于我国隧道地形特征多样化，隧道开挖极易出现超欠挖等问题，铁建重工专门开发出3D轮廓扫描及重建技术。通过三维扫描，获取隧道轮廓的三维点云数据;再经三维点云数据的拼接、分割、切片处理算法和干扰数据自识别算法，开发出了三维轮廓重建自动处理软件，据此精确计算出隧道超欠挖等数据，形成一套炮眼位置布置评价体系，提出炮眼最优化布置方法，从而实现扫描轮廓与设计轮廓的超欠挖对比，确保台车稳定、可靠的施工效率。
铁建重工研发的远程操控技术解决了隧道掘进距离过长、干扰因素多、环境复杂等诸多施工安全问题，突破了信号采集、传输、控制效率低稳定性差等难题，通过采用信息融合技术，获取现场状态的最优估算值，为决策与操作提供特征值和依据;并通过分析影响数据传输实时性因素，研究提高数据精度、远程图像视野、降低信噪比等各个方案的实施效果，提出了最优硬件设备配置方案;研究适应隧道工况特点的大容量数据可靠传输和交互网络方案，分析对比不同通信方式和传输交互数据格式在远程操控系统中的效率，为确保系统工作稳定性和安全可靠性，实现凿岩台车故障预警，并为远程脱困操作做出决策。
好的技术也要有好的管理。妥善做好凿岩台车信息化管理是工人施工安全的后方保障。研究智能化安全管理技术以计算机技术、网络技术、电气控制技术及传感器技术为硬件基础，形成了一套集设备监控、塌方监控、粉尘监控、火灾监控、视频监控、安全防范及电话通信系统为一体的可视化综合监控系统，并形成包括传感器信息管理、故障报警信息管理、日志记录等数据管理平台，将隧道施工数据自动上传;最终将各個项目采集到的检测数据，通过互联网上传到云端服务器，建立起大数据专家评估系统，实现了总体施工安全信息智能化评估、隧道施工智能化安全管理体系。
全智能凿岩台车配置全封闭式带空调驾驶室，操作人员距离掌子面5米之远。驾驶室刚度好，具备防倾覆、防砸功能，大幅降低了隧道事故发生造成的人员伤害;驾驶室内噪音低于78dB，粉尘低，可明显提升操作人员的作业环境，减少职业病发生。
ZYS113全智能三臂凿岩台车研发成功后，率先在宜兴铁路、川藏铁路等工程开展了示范应用，使施工速度得到了极大提升。该设备自投入市场以来，以优良的工作性能，加上极具竞争力的价格和高品质售后服务，得到了国内客户的高度认可，实现了技术和产品的快速产业化推广。
目前，全智能三臂凿岩台车占据国内90%的市场份额，近三年累计销售100余台，销售金额高达10余亿元，不仅为公司带来了的效益，也为我国交通建设降低了成本。全智能三臂凿岩台车不仅以全新的技术推动了我国基础设施建设的步伐，还填补了我国工程机械行业在隧道工程施工装备领域的空白，带动了一批其它隧道机械化设备的进步。
近年来，我国在高铁和高速公路建设上紧跟政策的步伐，大力发展现代交通综合运输体系。然而，隧道挖掘普遍采用人工操作风钻凿岩机进行施工和人工测量隧道周边轮廓及爆破孔位置，存在施工人员劳动强度高、施工效率低、安全隐患大、施工质量差等问题。为解决这一系列难题，中国铁建重工集团股份有限公司研发的ZYS113全智能型凿岩台车的开发顺应了大量隧道施工的需要，打破了国外垄断，全面推进了隧道机械化挖掘速度。
中国铁建重工集团股份有限公司（以下简称“铁建重工”）成立于2007年，是专注于隧道施工智能装备、高端轨道设备装备的研究、设计、制造、服务于一体的专业化大型企业。
面对高难度的隧道地质开掘状况及迫切的隧道开挖需求，特别是面向如川藏铁路高地温差、多岩爆、多发泥石涌水等恶劣地质下的一批国家重大工程的建设项目，传统的施工装备已无法满足施工需要。而此前先进凿岩台车设计制造技术被少数国家垄断，我国尚处于一片空白。为此，铁建重工经过长期的技术攻关，终于在2016年3月研制出ZYS113全智能型三臂凿岩台车。
ZYS113全智能三臂凿岩台车集数据采集存储传输、行走、定位和钻孔作业等多项技能于一体。在研发过程中，铁建重工设计人员专门针对凿岩台车精准化施工要求，开发出一套新型隧道数字化设计技术，基于大量施工经验数据，研究孔位布置对掌子面岩石破碎影响规律，提出了最优孔位布置方法与孔序路线规划策略;开发出隧道设计静态数据与施工现场实测的动态数据管理系统，建立起隧道结构信息数字化模型，实现了隧道坐标系内任意空间坐标与对应里程的相互转换，形成了隧道设计的相关参数，包括里程、中桩坐标、隧道轴线、各施工阶段断面轮廓、炮眼设计位置等关键要素参数化管理方法，以满足凿岩台车定位需求，并依靠网络传输模式，能够将隧道设计参数标准化后，上传至凿岩台车控制系统，形成隧道设计参数的数字化建模与管理，从而大幅度提升了凿岩台车定位和作业准确性。
该智能凿岩台车拥有的台车隧道坐标智能定位技术，能够通过建立台车本地坐标系及标定方法，结合数字化隧道建模系统和对隧道内已知点的实际测量结果，通过三角测量算法，获得扫描仪和隧道之间的数据转换，再通过误差补偿与定位进度修正达到本车准确定位。该设备具有根据体征描述方法以及研究掌子面定位噪音干扰方式，建立起掌子面拟合模型;研究台车凿岩时与掌子面的最优匹配关系，通过台车与掌子面的相对运动控制算法，结合三维扫描定位技术和隧道坐标系的动态表征方法，最终实现台车在作业中实时智能定位功能。
大多数的凿岩台车臂架长、关节多、自身重量大，易发生柔性变形，且在加工与装配时极易引起尺寸误差。为解决这些问题，智能凿岩台车拥有的大惯量柔性臂架高精度定位技术，通过定位误差补偿，从根本上解决了臂架运动学模型难以满足臂架定位精度问题;运用机器人运动学建模方法，建立了凿岩台车臂架正向运动学模型;又结合臂架结构有限元分析和高精度测量识别技术，建立了臂架的柔性变形误差变化规律模型;结合臂架运动学标定模型，开发出了一套基于柔性误差补偿的大惯量臂架运动学参数标定系统，真正实现了臂架运动学参数最优匹配，满足了臂架运动学误差补偿，满足了钻孔定位精度的要求。
面对钻孔过程中出现的卡钻和空打等常见问题，设计人员为实现台车领孔、低冲、高冲、停止、回退、卡钻、冲洗等动作，开发出自适应钻孔技术，通过钻孔实验研究，获得不同地质下推进速度、推进压力、冲击压力等钻孔工作参数对钻孔效率的影响规律;同时针对不同钻孔阶段与钻孔时发生的卡钻、空打问题，研究出钻孔参数最优控制方案。新方案不仅提高了钻孔的工作效率，还降低了操作人员数量，其最快掘进速度可达每分钟3至5米，比传统人工钻孔效率提高2至3倍，原有的20人同时作业缩减至1至2人。
由于我国隧道地形特征多样化，隧道开挖极易出现超欠挖等问题，铁建重工专门开发出3D轮廓扫描及重建技术。通过三维扫描，获取隧道轮廓的三维点云数据;再经三维点云数据的拼接、分割、切片处理算法和干扰数据自识别算法，开发出了三维轮廓重建自动处理软件，据此精确计算出隧道超欠挖等数据，形成一套炮眼位置布置评价体系，提出炮眼最优化布置方法，从而实现扫描轮廓与设计轮廓的超欠挖对比，确保台车稳定、可靠的施工效率。
铁建重工研发的远程操控技术解决了隧道掘进距离过长、干扰因素多、环境复杂等诸多施工安全问题，突破了信号采集、传输、控制效率低稳定性差等难题，通过采用信息融合技术，获取现场状态的最优估算值，为决策与操作提供特征值和依据;并通过分析影响数据传输实时性因素，研究提高数据精度、远程图像视野、降低信噪比等各个方案的实施效果，提出了最优硬件设备配置方案;研究适应隧道工况特点的大容量数据可靠传输和交互网络方案，分析对比不同通信方式和传输交互数据格式在远程操控系统中的效率，为确保系统工作稳定性和安全可靠性，实现凿岩台车故障预警，并为远程脱困操作做出决策。
好的技术也要有好的管理。妥善做好凿岩台车信息化管理是工人施工安全的后方保障。研究智能化安全管理技术以计算机技术、网络技术、电气控制技术及传感器技术为硬件基础，形成了一套集设备监控、塌方监控、粉尘监控、火灾监控、视频监控、安全防范及电话通信系统为一体的可视化综合监控系统，并形成包括传感器信息管理、故障报警信息管理、日志记录等数据管理平台，将隧道施工数据自动上传;最终将各個项目采集到的检测数据，通过互联网上传到云端服务器，建立起大数据专家评估系统，实现了总体施工安全信息智能化评估、隧道施工智能化安全管理体系。
全智能凿岩台车配置全封闭式带空调驾驶室，操作人员距离掌子面5米之远。驾驶室刚度好，具备防倾覆、防砸功能，大幅降低了隧道事故发生造成的人员伤害;驾驶室内噪音低于78dB，粉尘低，可明显提升操作人员的作业环境，减少职业病发生。
ZYS113全智能三臂凿岩台车研发成功后，率先在宜兴铁路、川藏铁路等工程开展了示范应用，使施工速度得到了极大提升。该设备自投入市场以来，以优良的工作性能，加上极具竞争力的价格和高品质售后服务，得到了国内客户的高度认可，实现了技术和产品的快速产业化推广。
目前，全智能三臂凿岩台车占据国内90%的市场份额，近三年累计销售100余台，销售金额高达10余亿元，不仅为公司带来了的效益，也为我国交通建设降低了成本。全智能三臂凿岩台车不仅以全新的技术推动了我国基础设施建设的步伐，还填补了我国工程机械行业在隧道工程施工装备领域的空白，带动了一批其它隧道机械化设备的进步。