智能建造技術在鐵路工程建設中的研究與應用

王可飛，郝蕊，盧文龍，王輝麟

（1.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

0 引言

當前，人工智能正引領著新一輪的科技革命與產業(yè)變革，建筑信息模型（BIM）、大數(shù)據、物聯(lián)網、移動互聯(lián)等新技術陸續(xù)涌現(xiàn)，為行業(yè)融合、經濟發(fā)展、社會進步等帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，現(xiàn)今社會已從信息時代走向智能時代[1]。鐵路是綜合交通運輸體系的骨干和主要交通方式之一[2]，同樣面對前所未有的技術創(chuàng)新需求和發(fā)展機遇，在此背景下，“智能鐵路”的概念應運而生，未來世界范圍內高速鐵路領域的競爭將在很大程度上取決于數(shù)字化和智能化水平[3]。

1 國內外研究及發(fā)展狀況

全球范圍內有關鐵路智能建造的研究已全面開啟，國外高速鐵路逐漸形成了以德國（ICE）、法國（TGV）、日本（新干線）3 個高鐵技術原創(chuàng)國為代表的高速鐵路智能技術系統(tǒng)。

我國鐵路智能建造技術近幾年發(fā)展勢頭迅猛，形成了具有中國特色的鐵路智能建造技術體系。

1.1 國外發(fā)展應用現(xiàn)狀

德國在鐵路建設過程中努力實現(xiàn)信息化管理，推廣應用BIM 技術，提出到2020 年底實現(xiàn)所有項目BIM規(guī)劃的戰(zhàn)略。2014 年，德國鐵路迅速發(fā)起了全歐洲范圍內針對新項目管理系統(tǒng)的招標，決心將5D BIM 技術應用于從項目規(guī)劃、虛擬建造到施工的建筑全生命流程，選擇了iTWO 5D BIM 平臺開啟數(shù)字化變革之路。德國鐵路在市場上已經有63 個iTWO 5D BIM 項目，如慕尼黑中央車站、Bahnhof Horrem 車站、科隆ICE（德國城際高鐵）工廠、Rastatter 隧道、Filstal 大橋等。

法國作為老牌鐵路強國十分重視鐵路建設中的信息化、智能化應用。2015 年，法國國家鐵路公司提出數(shù)字化法鐵戰(zhàn)略，強調了列車、路網、站房的互聯(lián)網建設。預期在2031—2040 年為客戶建立一個有競爭力、便捷、可持續(xù)、與未來運輸緊密結合的鐵路系統(tǒng)。

日本是第1 個在全國范圍內推進建設領域信息化的國家，2010 年其所有公共工程全部實現(xiàn)信息化管理，以工程項目的全生命周期為對象，以工程質量為核心，全部信息實現(xiàn)無紙化，有關各方利用網絡進行信息交流，提高現(xiàn)有業(yè)務的生產效率，進一步節(jié)約投資成本，提高投資效益。JR 東日本鐵路公司制定“技術創(chuàng)新中長期規(guī)劃”，旨在實現(xiàn)安全保障、強化服務和營銷、優(yōu)化運用維護、注重能源和環(huán)境等4 方面目標。

1.2 我國發(fā)展應用現(xiàn)狀

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路工程建設取得了顯著成績[4]，我國高鐵總體技術水平已進入世界先進行列，部分技術達到世界領先水平，形成了具有中國特色、全面擁有自主知識產權的高鐵建設方面成套技術裝備和技術體系。我國高鐵積極推進鐵路建設系統(tǒng)改革，將新一代人工智能制造系統(tǒng)逐步引入到鐵路工程建設領域[5]，制定印發(fā)《中國鐵路總公司關于調整鐵路建設系統(tǒng)管理體制和運行機制的通知》，明確界定中國國家鐵路集團有限公司與鐵路局集團公司、鐵路公司之間的關系，整合優(yōu)化工程質量監(jiān)督力量，落實鐵路建設主體責任。2013年，在充分調研國內外工程建設領域先進管理理念、信息技術和實踐的基礎上，確立了鐵路工程建設信息化總體技術路線：以鐵路工程設計、建設、運營全生命周期管理為目標，以標準化管理為抓手，以BIM 技術為核心，建立統(tǒng)一開放的工程信息化平臺和應用。

當前，“智能京張”重大項目即將完工，川藏鐵路勢在必行，馬東鐵路、中老鐵路等更是在世界舞臺打造了中國名片，隨著新技術在鐵路領域的推廣，智能高鐵建造技術將持續(xù)升級換代，不斷提高施工的自動化水平和工程建造質量。未來將推動智能化技術在工程建造領域的應用，融合運用BIM、CIM 等現(xiàn)代化技術，打破設計、建造、管理、使用者之間的溝通壁壘[6]，構建全生命周期一體化的智能高鐵建設，實現(xiàn)數(shù)據共享以及全生命周期的服務和閉環(huán)管理[7]。

2 智能建造技術的內涵

2.1 需求分析

面對外部環(huán)境的變化及鐵路建設高起點、高質量、高標準的自身要求，應用智能建造技術實現(xiàn)融合創(chuàng)新，能夠優(yōu)化管理過程[8]，推進鐵路建造過程的精益、智能、高效、創(chuàng)新、綠色、協(xié)同發(fā)展[9]。

2.1.1 外部需求

新一輪科技變革和產業(yè)變革浪潮奔涌，基于互聯(lián)網、大數(shù)據和深度機器學習的人工智能，爆發(fā)出推動鐵路建設邁向更高層次的巨大能量，因此，加強人工智能與鐵路智能建造發(fā)展融合，將先進的智能技術如BIM、云計算等與鐵路工程建造技術相融是智能技術和鐵路發(fā)展的必然趨勢。此外，我國城鎮(zhèn)布局及人口結構變化、社會服務的多樣化需求、交通結構優(yōu)化等，為高鐵質量與建設效率帶來了新的挑戰(zhàn)，促使高速鐵路要摒棄傳統(tǒng)方式進行智能化建造。

2.1.2 內部需求

截至2018 年底，我國已建成高鐵里程超過2.9 萬km，鐵路工程項目覆蓋地區(qū)愈加遼闊，鐵路建設要求逐漸提升，工程趨于現(xiàn)代化、大型化和復雜化，涉及生態(tài)環(huán)境敏感、橋隧工程較多、極端氣候、災害頻發(fā)、基礎設施薄弱等問題，傳統(tǒng)的鐵路工程建設管理模式已無法滿足工程需要，應用智能化技術進行鐵路工程建設管理十分必要。

2.2 智能建造

智能建造是指面向鐵路工程設計、建設、運營全生命周期，以BIM+GIS 技術為核心，廣泛應用移動互聯(lián)、云計算、大數(shù)據、物聯(lián)網、人工智能、北斗導航等新一代技術，與先進的工程建造技術相融合，圍繞鐵路工程建設信息化建立統(tǒng)一開放生態(tài)圈，建立面向鐵路工程建設全資產壽命管理的平臺應用體系。通過自動感知、智能診斷、協(xié)同互動、主動學習和智能決策等手段，進行工程設計及仿真、工廠化加工、精密測控、自動化安裝、動態(tài)監(jiān)測和信息化管理等工程化應用，形成工程建設質量的全生命可追溯閉環(huán)管理體系，實現(xiàn)全生命周期一體化管理的新一代智能化高速鐵路系統(tǒng)。這里提及的智能建造是針對鐵路工程建設領域的概念，其框架體系見圖1。

圖1 智能建造框架體系

2.3 關鍵技術預測

智能技術在鐵路建造中的應用依托衛(wèi)星、雷達等載體，借助三維圖形技術、互聯(lián)網技術、物聯(lián)網技術等，深化優(yōu)化既有技術，不斷突破技術極限，具化簡化傳統(tǒng)作業(yè)方式，促進工程建造信息資源的整合共享和統(tǒng)一服務管理，未來關鍵技術預測如下：

（1）基于雷達的深層地質探測。在地形條件差和地質構造復雜的地區(qū)，探索基于雷達的復雜地質地貌地區(qū)下自動化提取，記錄沿線地形、地質、水文、氣象、地震等環(huán)境信息的方法；結合礦物特有的幾何特征進行“刷臉識別”等。

（2）遙感大數(shù)據智能解譯。基于天地一體化的空間信息網絡，對海量、多源、異構數(shù)據進行大數(shù)據模型驅動和大數(shù)據智能分析。通過獲取的多層次、多角度、多譜段、多時相的遙感觀測數(shù)據，快速檢測提取，融合深度學習算法，實現(xiàn)勘察區(qū)域自動數(shù)據分類。基于大數(shù)據的智能解譯，在海量數(shù)據中快速、準確地提取出地質、水文信息等，為勘察設計提供基礎參考數(shù)據，為施工等提供數(shù)據依據。

（3）智能化工程勘測設計數(shù)據庫。通過建立“工程勘測設計數(shù)據庫”，完善鐵路勘測設計“一體化、 智能化”的應用模式；將鉆探成果數(shù)字化，實現(xiàn)數(shù)據共享；建立專家經驗知識數(shù)據庫、鉆井分析中心數(shù)據庫等；參照專家知識，節(jié)約人力物力成本，減少勘測風險。

（4）自動化智能勘察選線。綜合應用線路設計、人工智能、最優(yōu)化、地理信息系統(tǒng)等理論方法，通過模擬人類自動完成狀態(tài)感知（地形、地質等環(huán)境信息的自動提?。崟r分析（空間線位的自動搜索、分析、計算）、自主決策（方案比選評價）、精準執(zhí)行（輸出設計成果），實現(xiàn)計算機自動進行鐵路三維空間線路搜索和結構物協(xié)調布設，生成滿足各種約束條件且目標函數(shù)最優(yōu)的線路方案，以代替人為勘察選線工作。

（5）基于BIM 的協(xié)同設計。依托網絡實現(xiàn)鐵路工程多專業(yè)間協(xié)同設計，實現(xiàn)施工過程模擬仿真，使設計過程更加立體化、形象化，及時發(fā)現(xiàn)施工進程中的相互鏈接以及管理中的質量、安全等方面存在的隱患，優(yōu)化工藝布置，可極大提高設計質量和水平、減少設計返工、提高工作效率。

（6）基于BIM 的數(shù)字化施工。通過將信息封裝在BIM 模型，隨著施工過程推進，實時增減信息量，在信息產生源頭采集—傳輸—分析—應用—反饋這一信息流的大閉環(huán)過程中，依托BIM 模型的流轉，使施工過程可視化、信息透明化。數(shù)字化施工將拓展管理維度，從二維到三維、四維、五維，是智能建造發(fā)展的必然方向。

（7）可視化運維。在未來的發(fā)展中，運維領域的BIM 技術運用成為一個重要方向和趨勢，可視化運維將圍繞設備管理、安防管理、健康監(jiān)測、應急管理、能耗管理等開展。

3 應用實踐

圍繞當前鐵路建設新需求，努力在智能建造的理論、方法、工具、系統(tǒng)、實踐等方面取得新的顛覆性突破，探索中國特色智能建造模式。

3.1 鐵路工程管理系統(tǒng)

鐵路工程管理系統(tǒng)是智能建造技術在鐵路工程建設應用中一項代表性產物，它集成鐵路工程建設不同階段、不同環(huán)節(jié)、不同任務間的所有信息，打通傳統(tǒng)管理模式信息壁壘，保障鐵路建設全生命周期的信息完整、高效、快速地傳遞。

中國國家鐵路集團有限公司對鐵路工程建造管理進行了實踐與探索，確立了鐵路工程建設信息化總體規(guī)劃，并初步建立全國鐵路統(tǒng)一開放的工程信息化體系即鐵路工程管理體系（見圖2）。該體系以BIM 技術為核心，將建設過程中的BIM 數(shù)據、GIS 數(shù)據、基礎數(shù)據及其他數(shù)據進行采集、處理、整合、應用、展示，建設形成了“1門戶、3平臺、6體系” 模式。實現(xiàn)全面承載勘察設計信息、建設數(shù)據的自動采集和信息互聯(lián)、參建各方協(xié)同管理和輔助決策、建設質量的可追溯閉環(huán)管理體系的功能，在綜合、進度、材料、質量、安全、投資6大方面進行數(shù)字化、智能化管理，為智能建造技術在鐵路工程建設管理的應用提供了良好途徑。

截至目前，鐵路工程管理系統(tǒng)全路共計部署了上百個項目，覆蓋了全路所有的新建及在建項目，形成了數(shù)字鄭萬、智能京張、智能京雄的標桿項目。

圖2 鐵路工程管理體系框架

3.2 應用案例：智能京張

京張高速鐵路是我國“八縱八橫”高鐵網的重要組成部分，項目確立了“建設以BIM 技術為核心、結合三維GIS、物聯(lián)網、云計算、傾斜攝影等新技術，以‘三站三隧’（清河站、八達嶺站、張家口南站；清華園隧道、八達嶺隧道和正盤臺隧道）為牽引，開展全線全專業(yè)BIM 設計，探索鐵路工程全生命周期管理新模式”的目標，形成了“智能京張”的智能管理新模式, 達到提升作業(yè)協(xié)同效率、降低工程安全風險、提高工程質量和節(jié)省施工成本的目標[10]。

3.2.1 三維可視化關鍵技術

研發(fā)了GIS 綜合可視化平臺，基于無人機傾斜攝影在京張全線建立三維場景電子沙盤。通過快速建模建立全線LOD300 BIM 模型，全線1 ∶2 000 的地模地形數(shù)據在部分重點地段達到1 ∶500 精度，實現(xiàn)不同比例尺數(shù)據集成融合，全線宏觀進度、安全質量等的展示，項目參與者可以在全線結構物三維模型和重點工程進行漫游，了解集成的施工進度、工程影像等質量安全信息。

對基于WebGL 的自主化圖形引擎進行研發(fā)，實現(xiàn)BIM 模型無插件的瀏覽器訪問方式；幾何信息和屬性信息分離獨立存儲，屬性信息的快速檢索；幾何信息和屬性信息聯(lián)動檢索，并在三站三隧進行實踐應用，進一步完善優(yōu)化。

3.2.2 單元化數(shù)字建造與管控

通過創(chuàng)建建造單元編碼體系以及表達規(guī)范，建立統(tǒng)一的數(shù)據接口及標準，實現(xiàn)各專業(yè)、業(yè)務的互聯(lián)互通和數(shù)據共享，實現(xiàn)工程實體和設備的單元化、規(guī)范化管理。通過工程影像、電子施工日志、泛感知傳輸、工點級管理平臺，形成鐵路全專業(yè)、全周期、全環(huán)節(jié)的數(shù)據無損、高效傳遞、存儲和共享，確保施工要素和關鍵環(huán)節(jié)留痕留檔，規(guī)范施工行為，保障施工建設質量，形成項目數(shù)字孿生體系，支撐工程建設智能化。

構建鐵路建造協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)項目管理應用以及未來可擴展的建設管理和監(jiān)督管理應用，提升鐵路工程的規(guī)劃設計、工程建設和信息共享能力。通過“平臺+應用”的方式，強化工程建設質量源頭控制，優(yōu)化工程建設質量管理應用，提升安全管理、進度管理、投資管理等信息化應用能力，深化工程調度指揮應用，實現(xiàn)信息的及時傳遞。根據BIM 模型直觀展示、推演施工組織設計以及關聯(lián)施工進度計劃、施工方案、資源配置等，實現(xiàn)對施工組織設計的計劃編制、進度管理、資源管理和風險管控。

3.2.3 面向全生命周期的數(shù)字化交付

面向設計—施工—運營的鐵路工程全生命周期，建立資源、數(shù)據、信息和工序的仿真模擬，融合全過程、全要素，開展二三維一體化的設計竣工交付，推行3 階段2 交付模式，實現(xiàn)貫穿全生命周期數(shù)據的無縫連接。在施工圖設計交付中應用BIM 技術，將數(shù)據與BIM 協(xié)同系統(tǒng)同步、掛接、集成，將傳統(tǒng)模式下二維圖紙、文檔等交付與三維BIM 數(shù)據相結合，進行資料歸檔管理并建立關聯(lián)關系，使數(shù)據自動解析和提取并完成結構化存儲，實現(xiàn)數(shù)模分離，形成二三維一體化設計交付模式。在竣工階段，將在設計施工中形成的資料與BIM 模型集成，并從建設管理平臺移交到運維管理平臺，形成運維管理數(shù)據庫，形成鐵路建造全過程的數(shù)字化產品。

3.2.4 隧道BIM 深化應用

依托京張高鐵“清華園、八達嶺和正盤臺”三隧，研發(fā)站前隧道工程BIM 建設管理和施工管理系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道工程進度、安全、質量等信息的三維可視化、精細化、數(shù)字化管理和共享。通過八達嶺隧道BIM 應用，實現(xiàn)單個工作面工序循環(huán)、分包商的精細管理和三維算量及5D 模擬。通過清華園隧道BIM 應用，實現(xiàn)基于BIM的盾構隧道工程管片生產拼裝質量、盾構遠程監(jiān)控、基坑及周邊環(huán)境風險監(jiān)控、隧道施工進度管理等。通過正盤臺隧道BIM 應用，實現(xiàn)基于三維掃描的隧道斷面質量分析、關鍵工序作業(yè)優(yōu)化和隧道圍巖量測監(jiān)控（見圖3）。

3.2.5 站房BIM 深化應用

依托京張高鐵“三站”，以清河站為主，研發(fā)站房工程BIM 建管系統(tǒng)施工管理系統(tǒng)，圍繞站房工程BIM 深化應用（見圖4）、WBS 示范規(guī)范、施工組織管理、安全風險監(jiān)控、質量問題追溯、智能環(huán)保監(jiān)測、現(xiàn)場采集APP等形成精品工程、智能管理、過程管理、現(xiàn)場管理、綜合管理5 大板塊40多個應用模塊等信息的管理和共享。

圖3 隧道BIM 深化應用

圖4 站房BIM 應用

4 結束語

中國鐵路擁有目前世界上先進成熟可靠的高鐵技術，高鐵工程建設與BIM 等新技術的融合，構建電子虛擬仿真平臺，將地理信息、構筑物信息的虛擬場景及其他元數(shù)據等集成，探索了適合中國高鐵建設的智能化應用模式，形成了中國特色的鐵路工程管理系統(tǒng)。

未來隨著時代發(fā)展，智能建造技術將在原有基礎上繼續(xù)擴大其廣度與深度，加快智能高鐵科研攻關，實現(xiàn)全生命周期建造過程的自動化、數(shù)字化、智能化，推進智能建造技術應用向縱深發(fā)展，強化智能輔助作業(yè)，加強對多元信息分析整合，提高鐵路建造智能決策水平。在深入把握新一代智能建造發(fā)展的特點后，圍繞當前鐵路建設新需求，努力在智能建造的理論、方法、工具、系統(tǒng)、實踐等方面取得新的顛覆性突破，在工程建設中和應用中發(fā)揮鐵路建造智能作用，提高全要素生產率，確保我國在鐵路智能建造中走在前面、關鍵核心技術占領制高點，讓中國高鐵持續(xù)領跑世界。