عندما تخترق آلة الحفر (TBM) الأنهار والبحار، تعمل قواطع الحفر الدوارة على قرص القاطع مثل "الأسنان"، حيث تقطع الصخور والتربة باستمرار، مما يؤدي إلى تآكلها السريع والحاجة إلى استبدالها بشكل متكرر. ولفترة طويلة، كان استبدال قاطع دوار واحد يتطلب 3 عمال للدخول إلى حجرة الضغط والعمل لأكثر من 4 ساعات، مع مواجهة مخاطر متعددة تهدد الحياة مثل انهيار التربة، وتدفق المياه والرمال، ومرض تخفيف الضغط. والآن، تغير هذا الوضع تمامًا - في 25 يونيو، تم تشغيل أول روبوت ذكي ثقيل الوزن لاستبدال قواطع الحفر في الصين رسميًا على آلة الحفر "شيا-جين هاو" في نفق طريق هوانداو التابع لجسر شيا-جين (قسم شيامن). وهذا يمثل دخول بناء أنفاق الحفر ذات القطر الكبير في الصين رسميًا إلى مرحلة جديدة من استبدال القواطع بدون طيار.

التحدي الدولي المتمثل في "صعوبة وخطورة استبدال القواطع"

آلة الحفر (TBM) هي أداة وطنية عملاقة لاختراق الأنهار والبحار. أثناء عملية حفر النفق، تعمل قواطع الحفر الدوارة على قرص القاطع مثل "الأسنان"، حيث تقطع الصخور والتربة باستمرار، مما يؤدي إلى تآكلها السريع والحاجة إلى استبدالها بشكل متكرر. ومع ذلك، واجهت عمليات استبدال القواطع التقليدية تحديات خطيرة لفترة طويلة.

يتطلب استبدال القواطع التقليدي دخول 3 عمال إلى حجرة الضغط، ويستغرق أكثر من 4 ساعات. تكون حجرة استبدال القواطع ضيقة المساحة، ومظلمة، وحارة ورطبة، والهواء فيها ملوث، مما لا يجعل حركة العمال صعبة فحسب، بل يعرضهم أيضًا لمخاطر سلامة متعددة مثل عدم استقرار وجه الحفر، والغازات الضارة، ومرض تخفيف الضغط.

يبلغ طول نفق طريق هوانداو التابع لجسر شيا-جين (قسم شيامن) 3291 مترًا، ويبلغ قطر الحفر 16.15 مترًا، مما يجعله أكبر نفق حفر بقطر في مقاطعة فوجيان حاليًا. يمر النفق تحت مناطق مكتظة بالسكان، ويخترق لمسافات طويلة طبقات أرضية مركبة (صلبة من الأعلى ولينة من الأسفل)، ويبلغ سمك الغطاء الترابي الأدنى 8.1 متر فقط، مع ارتفاع منسوب المياه الجوفية بالقرب من الخط الساحلي، مما يؤدي إلى سرعة تآكل القواطع. وقد تضاعفت حدة هذه المشكلة المعترف بها دوليًا في الصناعة والمتمثلة في "صعوبة وخطورة استبدال القواطع" هنا.

أربع تقنيات أساسية تحقق الانتقال من "وجود طيار" إلى "بدون طيار"

استجابةً لنقاط الضعف التقنية المذكورة أعلاه، قام الفريق التقني لشركة الصين للسكك الحديدية الرابعة عشرة (China Railway 14th Bureau) بعشرات المناقشات والدراسات ومشاريع بحثية متعددة المستويات، وبناءً على التطوير المتكرر لتقنيات استبدال القواطع تحت الضغط الجوي وتقنيات استبدال القواطع تحت الضغط المشبع بالهواء المضغوط، قام بتطوير روبوت ذكي لاستبدال القواطع، محققًا الجيل الرابع من الترقية في تقنية استبدال قواطع الحفر. مر هذا الجهاز بمراحل تطوير متكررة من النموذج الأولي المبدئي إلى النموذج الأولي الهندسي، وصولاً في النهاية إلى التطبيق الهندسي.

ذراع آلية هجينة ذات إحدى عشرة درجة حرية، تغطي أقراص قواطع الحفر من فئة 10 إلى 18 مترًا

يمتلك الروبوت الذكي لاستبدال القواطع 11 مفصلاً متحركًا يمكن التحكم به بشكل مستقل، ويتمتع بقدرة قوية على تجنب العوائق والتشغيل الدقيق. بفضل قدرته على حمل 500 كجم وهيكله القابل للتمدد بمرونة، يمكنه تغطية قرص القاطع بالكامل لآلات الحفر فائقة القطر التي تتراوح من 10 إلى 18 مترًا، والتقاط قواطع الحفر الثقيلة بسهولة وإكمال الاستبدال بدقة.

تحديد المواقع بالرؤية الحاسوبية ثلاثية الأبعاد بالأشعة تحت الحمراء، بدقة控制在 1 مم

في ظل الظروف المعقدة مثل الإضاءة الخافتة والرطوبة العالية وضعف الرؤية داخل الحجرة، يعتمد الروبوت على تقنية تحديد المواقع بالرؤية الحاسوبية ثلاثية الأبعاد بالأشعة تحت الحمراء، مما يمنح نفسه "عينًا مجسمة" عالية الدقة. يمكنه مسح وتحديد الموضع الدقيق وحالة التآكل لكل أداة قطع بسرعة، مع دقة تحديد موضع控制在 1 مم.

الإدارة الذكية بالتوأم الرقمي، التخطيط التلقائي للمسار الأمثل لاستبدال القواطع

بناءً على معلومات تحديد موضع القواطع، يستقبل نظام الإدارة الذكية بالتوأم الرقمي المثبت البيانات في الوقت الفعلي، ويخطط تلقائيًا للتسلسل الأمثل لاستبدال القواطع ومسار حركة الذراع الآلية. يتم تحقيق اتخاذ القرار والتنفيذ الذكي بالكامل طوال عملية استبدال القواطع.

نسبة 100% من البرامج والأجهزة محلية الصنع، مع حقوق ملكية فكرية مستقلة تمامًا

تم تحقيق نسبة 100% من البرامج والأجهزة للروبوت محلية الصنع، مع حقوق ملكية فكرية مستقلة تمامًا. تم حتى الآن تقديم 38 طلب براءة اختراع اختراع و5 طلبات براءة اختراع نموذج منفعة، وتسجيل 7 حقوق برمجيات.

زيادة كفاءة استبدال القواطع بأكثر من 50%، والقضاء التام على مخاطر السلامة البشرية

أدى تشغيل الروبوت الذكي لاستبدال القواطع إلى تحقيق اختراق ثوري في بعدين:

ثورة في الكفاءة: تم تقليل الوقت المستغرق لاستبدال قاطع دوار واحد من أكثر من 4 ساعات تقليديًا إلى ما بين 25 و 40 دقيقة، مع زيادة كفاءة التشغيل الإجمالية بأكثر من 50%.

ثورة في السلامة: لا تتطلب العملية بأكملها دخول أي أفراد إلى حجرة الضغط لآلة الحفر، مما يقضي على مخاطر السلامة المرتبطة باستبدال القواطع تحت الضغط البشري من جذورها، ويعزز بشكل شامل مستوى السلامة الجوهرية لأعمال بناء الأنفاق.

صرح الأكاديمي في الأكاديمية الصينية للهندسة، تشيان تشي هو، أن تطوير الروبوت الذكي لاستبدال القواطع قد حقق نتائج في مجالات السلامة والكفاءة والتكلفة، مما مهد الطريق لتطوير معدات هندسة النقل الصينية نحو الاستقلالية والتشغيل بدون طيار والذكاء، كما وضع الأساس للتطبيقات الصناعية. صرح الأكاديمي في الأكاديمية الصينية للهندسة، شياو مينغ تشينغ، أن شركة الصين للسكك الحديدية (China Railway Construction Corporation) استغرقت 6 سنوات في تطوير تقنية الروبوت الذكي لاستبدال القواطع، وقد حقق تشغيله الناجح قفزة في استبدال قواطع الحفر من "العمل بطيار" إلى "العمل بدون طيار".

من جسر شيا-جين إلى مشاريع أنفاق الحفر فائقة القطر عبر البحار على المستوى الوطني

حاليًا، أكمل الروبوت الذكي لاستبدال قواطع الحفر الضبط والاختبار على آلة الحفر "شيا-جين هاو" من فئة 16 مترًا، وتم قبول جميع معايير الحركة. في 27 يونيو، بدأت آلة الحفر "شيا-جين هاو" في حفر المسار الأيسر للنفق، وتم تشغيل الروبوت الذكي لاستبدال القواطع في وقت واحد للعمل الفعلي.

صرح تشنغ ليان شياو، مدير قسم المشروع لجسر شيا-جين (قسم شيامن) التابع لشركة شيامن لوجياو للهندسة (Xiamen Road and Bridge Engineering Company)، أن التطبيق الفعلي للروبوت الذكي لاستبدال القواطع يوفر ضمانًا قويًا للحفر الآمن والفعال للنفق. سيدعم فريق المشروع بالكامل التطبيق الهندسي للتقنيات الجديدة، وسيعملون معًا على إنشاء حلول ذكية لاستبدال القواطع قابلة للتكرار والتعميم، لتكون نموذجًا لمشاريع أنفاق الحفر فائقة القطر عبر البحار على المستوى الوطني.

آفاق تطبيق هذا الاختراق التقني واسعة:

بناء الممرات عبر البحار: يمكن تطبيقه على نطاق واسع في بناء أنفاق الحفر فائقة القطر في مشاريع الممرات عبر البحار الكبرى الجاري تنفيذها محليًا؛

الأنفاق الحضرية العميقة: توفير ضمان آمن وفعال لاستبدال القواطع في أعمال الحفر تحت الظروف الجيولوجية المعقدة في المناطق الحضرية الأساسية؛

تسويق المعدات الذكية: توفير دعم أساسي بالمعدات للترقية الذكية لسلسلة أعمال حفر الأنفاق بأكملها، ودفع معدات هندسة النقل الصينية نحو التقدم المتسارع في اتجاه الاستقلالية والتشغيل بدون طيار والذكاء.

من "وجود طيار" إلى "بدون طيار"، ومن "4 ساعات" إلى "25 دقيقة"، ومن "تحت الضغط البشري" إلى "بدون طيار طوال العملية" - هذا الروبوت "الطبيب" المزود بذراع آلية ذات إحدى عشرة درجة حرية، ورؤية ثلاثية الأبعاد بالأشعة تحت الحمراء، وعقل توأم رقمي، يعيد تعريف معايير السلامة والكفاءة في هندسة الأنفاق الصينية.