Когда 12-метровый щитовой проходческий комплекс (ТПМК) гигантского диаметра прокладывает путь глубоко под землей, даже отклонение в несколько миллиметров может привести к смещению сегментов обделки, оседанию поверхности или даже к аварии с прорывом. Как заставить эту громоздкую стальную махину двигаться «без единого отклонения» вдоль проектной оси? Когда данные, алгоритмы и физическое оборудование глубоко интегрируются в виртуальной и реальной среде, интеллектуальное строительство щитовых тоннелей наконец вступает в новую эру «глобальной оптимизации».

При строительстве щитовых тоннелей между десятками переменных, таких как усилие подачи, крутящий момент режущего колеса и скорость проходки, существуют сложные нелинейные взаимосвязи. Традиционная настройка параметров, основанная на опыте человека, часто приводит к компромиссам: оптимизация скорости проходки вызывает отклонение положения; устранение отклонения положения может привести к новым инженерным рискам. Существующие методы оптимизации, основанные на статистическом анализе и численном моделировании, либо не способны уловить нелинейные взаимодействия в условиях неоднородного грунта, либо требуют чрезмерных вычислительных затрат; в глубоком обучении алгоритмы также часто попадают в «локальный оптимум» — то есть так называемое «оптимальное решение», найденное алгоритмом, является наилучшим лишь в узком диапазоне, а не в глобальном смысле.

Столкнувшись с этой отраслевой проблемой, исследовательская группа доцента Кэ Чэня из Хуачжунского университета науки и технологии выдвинула смелую гипотезу: вместо того чтобы позволять алгоритму блуждать в темноте, лучше сначала позволить «двойнику» щитового проходческого комплекса в виртуальном мире перебрать все возможные варианты. Внедрив гибридную схему «многоуровневая архитектура + объяснимый ИИ + гибридная оптимизация», исследователи преодолели технологические ограничения традиционных методов.

Цифровой двойник + глобальная оптимизация ABC-NSGA-III

Многоуровневая архитектура цифрового двойника — предварительная проработка каждого реза в виртуальном мире

Эта структура объединяет сбор данных, предварительную обработку, моделирование и оптимизацию в единой четырехуровневой архитектуре, где каждый модуль выполняет свою функцию и работает в реальном времени. Уровень данных отвечает за очистку и структурирование массовых параметров проходки и данных о грунте, получаемых от сенсорных систем на объекте; уровень модели на основе исторических данных строит высокоточную модель цифрового двойника, отображающую многовариантные реакции физического щита и грунта; уровень оптимизации выполняет основные вычислительные задачи; уровень обратной связи динамически передает результаты оптимизации обратно на физическое оборудование, направляя корректировку фактического строительства. Стратегия полнопараметрической оптимизации означает, что структура не ограничивается настройкой локальных параметров, а включает все переменные, такие как усилие подачи, крутящий момент и скорость, в единую модель оптимизации, выполняя глобальный поиск в виртуальном пространстве цифрового двойника для нахождения оптимального решения, преодолевающего локальные ловушки.

Объяснимый ИИ SHAP — «надежный калькулятор» для принятия решений

Хотя прогностическая способность структуры цифрового двойника высока, как убедить инженеров на месте в ее выводах? Исследовательская группа внедрила метод объяснимого ИИ SHAP, который, количественно оценивая предельный вклад каждого параметра строительства в прогнозируемый результат, точно определяет ключевые регулируемые параметры, оказывающие наибольшее влияние на положение щита. Эта структура «объяснимого ИИ» превращает настройку параметров щита из «черного ящика» алгоритма в прозрачный, отслеживаемый и проверяемый инструмент для принятия инженерных решений.

Гибридный алгоритм оптимизации ABC-NSGA-III — более быстрое нахождение глобального оптимума

Это основной двигатель всей структуры. Исследователи органично объединили алгоритм искусственной пчелиной колонии (ABC) и генетический алгоритм недоминируемой сортировки третьего поколения (NSGA-III): ABC отвечает за быструю локализацию пространства возможных решений, избегая попадания в локальный оптимум; NSGA-III выполняет поиск многомерного фронта Парето в глобальном масштабе, находя недоминируемое множество решений Парето между несколькими конфликтующими целями (такими как отклонение положения, скорость проходки, энергопотребление). Их синергия обеспечивает как скорость сходимости, так и качество множества решений, что можно назвать эффектом синергии алгоритмов 1+1>2.

Проект соединительной линии Шанхайского аэропорта показал высокие результаты

Структура была полностью проверена на проекте соединительной линии Шанхайского аэропорта. Проект расположен в зоне сложных грунтовых условий под землей между районом Пудун и транспортным узлом Хунцяо, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к контролю положения щита. Сравнительный анализ различных схем оптимизации показал, что «полнопараметрическая оптимизация» достигла наилучших результатов с общим показателем оптимизации 32,02%; в сравнительном анализе с множеством целей данная структура значительно превзошла существующие базовые методы как по скорости сходимости, так и по качеству решений, уменьшив отклонение положения щита на 2,21%–17,13%. Стратегия полнопараметрической оптимизации позволяет структуре одновременно улавливать синергетические эффекты нескольких переменных, решая отраслевую проблему «компромиссов».

Открытие нового пути для интеллектуального строительства щитовых тоннелей

Переход строительства щитовых тоннелей от «человеческого опыта» к «глобальной оптимизации»

Щитовая проходка включает нелинейную связь десятков переменных, и традиционные методы приводят к компромиссам. В данном исследовании впервые осуществлена глубокая интеграция алгоритма искусственной пчелиной колонии и NSGA-III, предложена полная структура цифрового двойника и гибридной оптимизации, эффективно решена проблема поиска многомерного фронта Парето, предоставлены новые теоретические методы и технологические инструменты для оптимизации параметров строительства тоннелей. Данная структура, как эффективный инструмент поддержки принятия решений при щитовой проходке, открывает новый технологический путь для интеллектуального управления щитами в сложных геологических условиях.

Обеспечение технологической поддержки для высококачественного развития городского подземного пространства

С быстрым расширением строительства городской подземной инфраструктуры щитовой метод широко применяется благодаря эффективности строительства, безопасности эксплуатации и малому воздействию на окружающую среду, однако неправильная настройка параметров может привести к отклонению положения, траектории и даже структурным повреждениям. Данная структура, благодаря «взаимодействию виртуального и реального», обеспечивает совместную оптимизацию многомерных целей, предоставляя теоретическую поддержку для безопасного и эффективного освоения городского подземного пространства, и может быть распространена на сложные проекты метро по всей стране.

Ускорение изменения стандартов интеллектуального строительства

В настоящее время строительство щитовых тоннелей в Китае в основном зависит от опыта операторов, и качество и безопасность строительства сильно зависят от «человека». Исследовательская группа Хуачжунского университета науки и технологии создала интеллектуальную систему оптимизации, поддерживающую многовариантное применение. Ее структура значительно превосходит существующие базовые методы как по скорости сходимости, так и по качеству множества решений, предоставляя «алгоритмическое решение» для стандартизации и модернизации отрасли интеллектуального строительства. В рецензируемой статье в ключевом журнале Engineering Index (EI) США отмечается, что данный метод, благодаря итеративной обратной связи оптимизированных параметров в модель цифрового двойника для направления корректировки параметров, демонстрирует хорошую сходимость.

Верификация данной структуры проводилась на проекте соединительной линии Шанхайского аэропорта, ориентированном на управление строительством сверхбольших щитовых проходческих комплексов в сложных грунтовых условиях. На следующем этапе команда планирует распространить ее на большее количество проектов метро в сложных геологических условиях по всему Китаю и изучить глубокую интеграцию с новыми информационными технологиями, такими как 5G-дистанционное управление и периферийный интеллект, чтобы сделать «управление на основе данных, взаимодействие виртуального и реального» новой нормой будущего интеллектуального строительства.

«Столкнувшись с проблемой поиска многомерного фронта Парето при оптимизации параметров щита, алгоритм ABC-NSGA-III обеспечивает как скорость сходимости, так и качество множества решений, что можно назвать эффектом синергии алгоритмов 1+1>2». — Исследовательская группа Кэ Чэня, Хуачжунский университет науки и технологии, 2026 г.

Это исследование знаменует переход строительства щитовых тоннелей от традиционной модели, основанной на «опыте и ручном труде», к новому интеллектуальному этапу, «управляемому данными и осуществляющему поиск в глобальном пространстве», обеспечивая прочную технологическую основу для высококачественного развития городского подземного пространства.