AI giải bài toán xây hầm đường sắt cao tốc ở Trung Quốc

Để làm tuyến đường sắt cao tốc phá thế biệt lập của Thổ Gia Ngũ Phong (tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc), bài toán khó nhất là xây đường hầm qua khu vực có địa hình hiểm trở. Và trí tuệ nhân tạo (AI) đã được ứng dụng hiệu quả để giải bài toán này.

Địa hình phức tạp

Thổ Gia Ngũ Phong vốn nổi tiếng với địa hình hiểm trở, địa hình dốc đứng, rừng rậm và dãy núi trùng điệp. Khu vực này gần như bị biệt lập trong nhiều thập kỷ vì giao thông đi lại khó khăn.

Tuy vậy, với công trình đường sắt tốc độ cao lên tới 350km/h, vùng đất này đang hứa hẹn sẽ có nhiều thay đổi.

Một trong những thách thức khi thực hiện tuyến đường sắt tại khu vực có địa chất phức tạp nhất Trung Quốc chính là xây đường hầm mang tên Yangcun cắt ngang trung tâm Ngũ Phong.

Ngũ Phong hiện ghi nhận hơn 120 di tích địa chất, gồm hang động, hố sụt, các cột đá và đây là minh chứng cho sự bất ổn của lớp địa chất bên dưới.

Nhóm dự án do kỹ sư cao cấp Ngô Gia Minh (Wu Jiaming) thuộc Viện Khảo sát và Thiết kế Đường sắt Trung Quốc Tư Nguyên đứng đầu. Các kỹ sư cho biết, thi công đường hầm là thách thức đặc biệt lớn vì công nhân có thể bất ngờ gặp khoang rỗng, túi nước.

Phương pháp thiết kế truyền thống phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chuyên gia nhưng khó thể áp dụng với hàng trăm đoạn hầm khác nhau. Chỉ một sai sót nhỏ cũng đủ gây sập hầm, ngập nước hoặc kéo dài tiến độ.

Dùng AI để ra quyết định

Để giải bài toàn khó nhằn, các kỹ sư không chỉ sử dụng sức người mà đa phần ứng dụng hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) để quyết định phương pháp thi công trước khi con người triển khai.

Đây là đường hầm cao tốc đầu tiên trên thế giới mà phương pháp thi công chủ yếu do một hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) quyết định trước khi được con người thực hiện ngoài thực địa.

Hệ thống AI do các nhà nghiên cứu của Viện Khảo sát và Thiết kế Đường sắt Trung Quốc Tư Nguyên phối hợp cùng Trung tâm Nghiên cứu kỹ thuật về công nghệ đào hầm và Đại học Địa chất Trung Quốc phát triển, sử dụng kho dữ liệu khổng lồ về các dự án đường hầm trước đây để huấn luyện.

Nhóm nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu gồm 1.700 đoạn hầm từ 251 đường hầm đường sắt cao tốc trên khắp Trung Quốc, được thu thập qua nhiều thập kỷ mở rộng hạ tầng. Mỗi đoạn hầm được mô tả bằng 19 yếu tố quan trọng: Loại đá, mực nước ngầm, đứt gãy, độ sâu chôn, hướng tuyến, khoảng cách tới cửa hầm…

Đó mới chỉ là phần nhỏ trong lượng dữ liệu mà Trung Quốc đang nắm giữ. Đến cuối năm 2024, Trung Quốc đã vận hành 18.997 đường hầm đường sắt, trong đó 4.917 là đường hầm đường sắt cao tốc.

Các nhà nghiên cứu khẳng định qua hàng thập kỷ xây dựng, Trung Quốc tích lũy kho dữ liệu thiết kế và kinh nghiệm thực tiễn vô cùng phong phú. Lợi thế dữ liệu khổng lồ giúp nhóm huấn luyện cho phép AI xử lý tốt cả những điều kiện rủi ro cao. Nhờ đó, hệ thống không chỉ nhận diện mẫu mà còn "hiểu" ngữ cảnh địa chất.

Độ chính xác cao

Khi được cung cấp dữ liệu địa chất thời gian thực của tuyến hầm Yangcun, AI không đưa ra một lựa chọn duy nhất. Thay vào đó, hệ thống chia đường hầm thành hàng trăm đoạn nhỏ, mỗi đoạn gợi ý một phương pháp thi công riêng.

Mô hình đạt độ chính xác 89,41% trong dự đoán phương pháp tối ưu, cao hơn gần 3 điểm phần trăm so với các mô hình máy học truyền thống như Random Forest hay SVM.

Đáng chú ý, độ chính xác trong dự đoán các tình huống hiếm nhưng nguy hiểm tăng từ gần 0 lên 64%.

Kế hoạch do AI tạo ra đã được các kỹ sư cấp cao rà soát và phê duyệt trước khi được triển khai hoàn toàn trong thi công.

Việc ứng dụng AI trong xây dựng đường hầm Yangcun đánh dấu bước ngoặt trong cuộc đua AI toàn cầu, cho thấy AI có thể đưa ra những quyết định kỹ thuật rủi ro cao vốn được xem là quá phức tạp hoặc quá mạo hiểm để tự động hóa.

Theo nhóm nghiên cứu của chuyên gia Ngô, hệ thống mô hình thông tin xây dựng (BIM) của đường hầm đưa các đề xuất phương pháp thi công do AI tạo ra dưới dạng metadata, hướng dẫn công nhân và máy móc theo thời gian thực. Sự thay đổi này có thể đẩy nhanh quá trình phát triển hạ tầng trên toàn cầu, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển có điều kiện địa hình tương tự.