王森榮,孫立
(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線站處,湖北 武漢 430063;2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430063)
高速鐵路實(shí)現(xiàn)智能化、智慧化是鐵路發(fā)展的必然方向,我國(guó)鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃中提出“大力促進(jìn)數(shù)字化、信息化、智能化鐵路建設(shè)”[1]。隨著人工智能(AI)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、建筑信息模型(BIM)、衛(wèi)星精確導(dǎo)航定位(BDS)等技術(shù)突破應(yīng)用[2],將智能技術(shù)融入高速鐵路的建造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)全過程,推進(jìn)設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的智能、高效、綠色、協(xié)同發(fā)展[3-4],成為未來鐵路智能化的發(fā)展方向。開展高速鐵路全生命周期一體化、協(xié)同化、信息化、智能化等技術(shù)應(yīng)用[5],將極大地提升我國(guó)高速鐵路的建設(shè)和現(xiàn)代化管理水平。
高速鐵路軌道工程要求高精度、高平順、高穩(wěn)定,建造精度和工程質(zhì)量控制是管控核心。為保證高鐵軌道工程高平順和高穩(wěn)定的設(shè)計(jì)建造質(zhì)量,建立高速鐵路軌道工程數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)維全過程的數(shù)字化、信息化、一體化和智能化,建立智能專家分析和決策系統(tǒng)[6],將極大提升我國(guó)軌道工程建造管理水平,對(duì)推動(dòng)我國(guó)高速鐵路智能化技術(shù)具有重要意義。
軌道工程建造信息一體化技術(shù)總體方案(見圖1)是包含構(gòu)建設(shè)計(jì)、制造、施工的數(shù)字信息平臺(tái)[7]。平臺(tái)以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和施工過程數(shù)據(jù)為核心,利用軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)數(shù)字化成果將軌道板制造、軌道鋪設(shè)精調(diào)等施工與平臺(tái)進(jìn)行交互,對(duì)建造過程進(jìn)行智能管控,實(shí)現(xiàn)軌道建造全過程的監(jiān)控管理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道工程精度、進(jìn)度和質(zhì)量的管控,提升無砟軌道鋪設(shè)技術(shù)和管理水平。軌道工程建造信息一體化建造技術(shù)主要流程見圖2。
圖1 軌道工程建造信息一體化技術(shù)總體方案
圖2 軌道工程建造信息一體化技術(shù)主要流程
軌道工程建造信息智能化核心是數(shù)據(jù)庫(kù),其數(shù)據(jù)庫(kù)主要由設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)化成果及施工過程數(shù)據(jù)組成;關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和施工過程信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的與平臺(tái)交互[6]。信息化的主要實(shí)現(xiàn)方式是構(gòu)建信息平臺(tái),通過平臺(tái)對(duì)軌道工程建造進(jìn)行管控、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析,實(shí)現(xiàn)工程建造精度、建設(shè)進(jìn)度和工程質(zhì)量管控,實(shí)現(xiàn)信息追溯、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)警預(yù)報(bào)、智能專家分析等功能。
信息一體化主要依托平臺(tái)實(shí)現(xiàn),目前中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán))建立了“鐵路工程管理平臺(tái)”,并下設(shè)“軌道板精調(diào)測(cè)量管理系統(tǒng)”子平臺(tái)。結(jié)合軌道工程建造和運(yùn)維特點(diǎn),建立四級(jí)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)軌道設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)維等各階段信息化。
軌道信息化四級(jí)平臺(tái)可分為:國(guó)鐵集團(tuán)信息化總平臺(tái)(一級(jí)平臺(tái))、建設(shè)單位建造管控信息化平臺(tái)(建造信息化平臺(tái),二級(jí)平臺(tái))、施工單位精細(xì)化施工管控信息化平臺(tái)(施工信息化平臺(tái),三級(jí)平臺(tái))、鐵路局集團(tuán)公司軌道全生命周期運(yùn)營(yíng)維護(hù)平臺(tái)(運(yùn)維信息化平臺(tái))。
(1)一級(jí)平臺(tái):主要針對(duì)重要和關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息管控。
(2)二級(jí)平臺(tái):主要針對(duì)設(shè)計(jì)、制造、施工的建造全過程,實(shí)現(xiàn)軌道工程質(zhì)量和進(jìn)度的信息管控,并與一級(jí)平臺(tái)進(jìn)行信息交互。
(3)三級(jí)平臺(tái):施工單位主要針對(duì)質(zhì)量、進(jìn)度、投資、安全等建立精細(xì)化管理平臺(tái),全面精細(xì)的實(shí)現(xiàn)信息管控。
(4)運(yùn)維信息化平臺(tái):主要面向鐵路局集團(tuán)公司,實(shí)現(xiàn)軌道運(yùn)維信息化管理,可在建造信息化平臺(tái)的基礎(chǔ)上延伸,形成鐵路全生命周期的運(yùn)維管理平臺(tái)[8]。
研發(fā)無砟軌道數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng),將線路平縱斷面、路基、隧道、橋梁結(jié)構(gòu)布置、軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等作為輸入?yún)?shù),實(shí)現(xiàn)鋼軌、扣件、軌道板、底座等智能布置,實(shí)現(xiàn)軌道工程包括鋼軌頂面、扣件螺栓孔、軌道板和底座的中心線與邊角點(diǎn)、曲線超高、軌道中線等的坐標(biāo)、里程、型號(hào)、尺寸等數(shù)字化設(shè)計(jì),形成軌道數(shù)字化設(shè)計(jì)成果。
利用數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng),根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際梁長(zhǎng)、梁縫值、路橋分界里程等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),動(dòng)態(tài)調(diào)整軌道精調(diào)等鋪設(shè)數(shù)據(jù),消除前序工程施工誤差,實(shí)現(xiàn)軌道工程動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)單位除提供設(shè)計(jì)施工圖外同步提供軌道數(shù)字化設(shè)計(jì)成果,從而為制造和施工的數(shù)字化和信息化提供保證。
引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),在軌道板制造過程中植入RFID 芯片(見圖3),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化。建立軌道板生產(chǎn)全過程信息化管控平臺(tái)(見圖4)[9],對(duì)軌道板鋼筋綁扎、模具檢測(cè)、預(yù)應(yīng)力張拉、養(yǎng)護(hù)、成品板檢測(cè)等全過程管控、數(shù)據(jù)追蹤追溯、智能分析。
軌道板制造全過程工藝流程信息化主要通過“七掃、十一控”實(shí)現(xiàn)?!捌邟摺奔? 處可讀卡的階段,通過PDA 和讀寫器對(duì)電子芯片進(jìn)行讀取,確認(rèn)“開卡時(shí)、入模后、脫模后、入水前、出水后、入庫(kù)時(shí)、出庫(kù)時(shí)”各階段軌道板基本信息?!笆豢亍奔礊檐壍腊迳a(chǎn)全過程11 處控制點(diǎn),通過在信息化系統(tǒng)中錄入各控制點(diǎn)施工記錄來完成全過程數(shù)據(jù)收集,實(shí)時(shí)錄入,實(shí)時(shí)共享,具體內(nèi)容見表1。
圖3 軌道板內(nèi)置RFID 芯片
圖4 軌道板制造信息化平臺(tái)
表1 軌道板生產(chǎn)全過程“十一控”信息化內(nèi)容
以CRTS Ⅲ型板式無砟軌道為例,無砟軌道施工流程主要分為:線下工程復(fù)測(cè)、底座放樣和混凝土澆筑、軌道板粗鋪、軌道板精調(diào)、自密實(shí)混凝土灌注、軌道板復(fù)測(cè)、長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)、鋼軌精調(diào)等[10]。其信息化施工主要技術(shù)方案如下:
(1)根據(jù)線下工程施工的實(shí)際梁長(zhǎng)、梁縫值、路橋分界里程等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)無砟軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行動(dòng)態(tài)化修正,形成符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的軌道鋪設(shè)和精調(diào)數(shù)據(jù)。
(2)根據(jù)軌道鋪設(shè)和精調(diào)數(shù)據(jù),利用全站儀及信息化手薄對(duì)底座進(jìn)行智能放樣。信息化手薄采用藍(lán)牙與全站儀進(jìn)行無線連接,根據(jù)手薄上安裝的底座放樣軟件指揮全站儀及其棱鏡工裝對(duì)底座的4 個(gè)邊角點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)放樣定位,手薄通過全站儀獲取放樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸至無砟軌道信息智能化平臺(tái)。
(3)根據(jù)底座板放樣點(diǎn)的高程信息,信息智能化平臺(tái)可自動(dòng)計(jì)算出各底座板邊角點(diǎn)混凝土澆筑厚度,現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)計(jì)算厚度澆筑底座混凝土,確保底座厚度和底座面高程滿足要求。
(4)根據(jù)軌道鋪設(shè)和精調(diào)數(shù)據(jù),利用全站儀及信息化手薄對(duì)軌道板粗鋪進(jìn)行放樣。類同底座放樣,利用手薄、棱鏡工裝、軌道板粗鋪軟件對(duì)軌道板4 個(gè)邊角點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)放樣定位,手薄通過全站儀自動(dòng)獲取放樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸至無砟軌道信息智能化平臺(tái)。
(5)根據(jù)軌道板粗鋪放樣點(diǎn)數(shù)據(jù),信息智能化平臺(tái)可自動(dòng)計(jì)算出底座厚度,對(duì)于超限工點(diǎn)平臺(tái)可對(duì)相關(guān)部門和人員進(jìn)行信息推送和預(yù)警,施工單位在軌道板鋪設(shè)前對(duì)超限點(diǎn)進(jìn)行整治。
(6)粗鋪后進(jìn)行軌道板精調(diào),利用軌道板精調(diào)數(shù)據(jù)、精調(diào)軟件和工裝,全站儀通過CP Ⅲ控制網(wǎng)進(jìn)行軌道板精調(diào)。軌道板精調(diào)時(shí)通過RFID 芯片掃描設(shè)備獲得RFID代碼,與精調(diào)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)后實(shí)時(shí)上傳信息智能化平臺(tái)。
(7)根據(jù)軌道板粗鋪和精調(diào)數(shù)據(jù),信息智能化平臺(tái)可智能分析計(jì)算,得出各軌道板自密實(shí)混凝土厚度等,對(duì)于超限工點(diǎn)平臺(tái)可對(duì)相關(guān)部門和人員進(jìn)行信息推送和預(yù)警,施工單位在澆筑自密實(shí)混凝土前對(duì)超限點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。
(8)根據(jù)平臺(tái)智能分析,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)均滿足要求后進(jìn)行自密實(shí)混凝土澆筑。
(9)長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)精調(diào)主要通過軌道精調(diào)小車進(jìn)行,軌道精調(diào)小車數(shù)據(jù)上傳信息智能化平臺(tái)。平臺(tái)根據(jù)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析,得出每組扣件軌距塊和調(diào)高墊板的調(diào)整量,指導(dǎo)長(zhǎng)鋼軌精調(diào)。
根據(jù)軌道工程建造管控的要求,建造信息一體化平臺(tái)的主要功能包括:
(1)實(shí)現(xiàn)無砟軌道施工過程精度管控:重點(diǎn)對(duì)線下基礎(chǔ)面高程、底座板厚度、軌道板(板面高程、軌道中心線、相鄰板錯(cuò)臺(tái)、相鄰板承軌臺(tái))、軌道板自密實(shí)混凝土的厚度、鋼軌精調(diào)偏差等實(shí)現(xiàn)管控。
(2)實(shí)現(xiàn)無砟軌道施工進(jìn)度管控:重點(diǎn)對(duì)線下工程復(fù)測(cè)、底座板放樣與鋪設(shè)、軌道板鋪設(shè)(粗鋪、精調(diào)、復(fù)測(cè))、自密實(shí)混凝土的灌注進(jìn)度、鋼軌精調(diào)進(jìn)度等進(jìn)行管控。
(3)針對(duì)無砟軌道施工過程中資料的實(shí)時(shí)記錄并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量信息追溯。
(4)自動(dòng)生成進(jìn)度報(bào)表、精度質(zhì)量報(bào)表等,實(shí)現(xiàn)報(bào)表管理。
(5)實(shí)現(xiàn)“限差管理、預(yù)警值設(shè)置、預(yù)警提醒”等預(yù)警功能,保障軌道工程建造各項(xiàng)工序開展前、進(jìn)行時(shí)或完成后就能最大限度的實(shí)現(xiàn)管控。
(6)與一級(jí)平臺(tái)進(jìn)行信息交互,實(shí)現(xiàn)軌道工程建造質(zhì)量的智能管控。
(7)實(shí)現(xiàn)對(duì)底座、軌道板、自密實(shí)混凝土、混凝土、鋼筋、模板等檢驗(yàn)批、質(zhì)量驗(yàn)收信息等進(jìn)行信息化管理工作,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上檢驗(yàn)批報(bào)驗(yàn)及審批等功能。
信息化平臺(tái)構(gòu)建目前主要有B/S 和C/S 架構(gòu)[11],B/S 架構(gòu)(見圖5)利用瀏覽器方式可直接訪問,相對(duì)于C/S 架構(gòu)更適用于二級(jí)平臺(tái)的構(gòu)建。根據(jù)平臺(tái)功能需求,實(shí)現(xiàn)建造過程軌道施工精度和誤差監(jiān)控、報(bào)表與統(tǒng)計(jì)分析、超限預(yù)警、工程進(jìn)度管理等功能。
研發(fā)了便攜式智能測(cè)控手?。ㄒ妶D6)、軌檢小車信息化裝置、激光點(diǎn)云測(cè)量?jī)x等成套裝備,實(shí)現(xiàn)了對(duì)全站儀、精調(diào)小車等測(cè)量?jī)x器、施工各階段全過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳,實(shí)現(xiàn)與軌道信息智能化平臺(tái)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。
圖5 軌道工程建造信息一體化平臺(tái)B/S 架構(gòu)界面
圖6 便攜式智能測(cè)控手薄
研發(fā)了軌道建造信息化系列軟件,主要有:
(1)軌道數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件。實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)施工圖一致的軌道數(shù)子化設(shè)計(jì)成果,為軌道板生產(chǎn)制造、鋪設(shè)精調(diào)等建造全過程提供數(shù)字化文件。
(2)軌道板制造和成品板檢測(cè)軟件。實(shí)現(xiàn)軌道板模具二維和三維調(diào)整,實(shí)現(xiàn)模具和成品板精度檢測(cè)。
(3)軌道施工誤差調(diào)整軟件。通過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)上傳數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字化成果自動(dòng)更新,消除前序施工誤差,滿足軌道施工和鋪設(shè)精度,實(shí)現(xiàn)軌道數(shù)字化成果的動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)。
(4)軌道施工鋪設(shè)和精調(diào)軟件。利用軌道數(shù)字化文件,實(shí)現(xiàn)對(duì)底座、軌道板的放樣、精調(diào)鋪設(shè),并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和平臺(tái)的實(shí)時(shí)交互。
目前無砟軌道建造信息化技術(shù)在昌吉贛(見圖7)、商合杭等高鐵進(jìn)行了全面推廣應(yīng)用,全線CRTS Ⅲ型軌道板內(nèi)均設(shè)置RFID 芯片,在軌道板廠實(shí)現(xiàn)了制板全過程的信息化,實(shí)現(xiàn)了無砟軌道施工全過程的信息一體化,實(shí)現(xiàn)了軌道工程建造全面質(zhì)量和精度管理的目的。軌道工程設(shè)計(jì)建造信息一體化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)底座板厚度、自密實(shí)混凝土厚度、軌道板精調(diào)質(zhì)量等全面管控,建立了專家智能分析系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了智能分析輔助決策,取得了良好效果。
圖7 昌吉贛高鐵軌道工程施工
針對(duì)高速鐵路軌道工程建造信息一體化技術(shù),開展系統(tǒng)研究和探討,其主要結(jié)論有:
(1)軌道工程信息化平臺(tái)可分為:國(guó)鐵集團(tuán)信息化總平臺(tái)(一級(jí)平臺(tái))、建設(shè)單位建造管控信息化平臺(tái)(建造信息化平臺(tái),二級(jí)平臺(tái))、施工單位精細(xì)化施工管控信息化平臺(tái)(施工信息化平臺(tái),三級(jí)平臺(tái))、鐵路局集團(tuán)公司軌道全壽命周期運(yùn)營(yíng)維護(hù)平臺(tái)(運(yùn)維信息化平臺(tái))。建造信息化平臺(tái)主要針對(duì)設(shè)計(jì)、制造、施工的建造全過程實(shí)現(xiàn)信息一體化,主要面向建設(shè)單位實(shí)現(xiàn)建造過程管控。
(2)軌道工程建造信息化關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)和施工過程信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確上傳;實(shí)時(shí)分析各項(xiàng)數(shù)據(jù),依托信息化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工程建造精度、建設(shè)進(jìn)度、質(zhì)量管控、信息追溯、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、預(yù)警預(yù)報(bào)等信息化功能,在軌道工程建造各項(xiàng)工序開展前、進(jìn)行時(shí)或完成后就能最大限度的實(shí)現(xiàn)管控。
(3)基于B/S 架構(gòu)構(gòu)建了CRTS Ⅲ型板式軌道設(shè)計(jì)建造信息一體化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了軌道施工全過程的信息化。
(4)針對(duì)CRTS Ⅲ型板式無砟軌道,實(shí)現(xiàn)了軌道設(shè)計(jì)、制造和施工全過程的數(shù)字化、信息化和一體化協(xié)同,研發(fā)了軌道數(shù)字化建造的成套工藝裝備、系列軟件和信息化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了軌道工程建造精度質(zhì)量的全面監(jiān)管,在昌吉贛、商合杭等高鐵項(xiàng)目進(jìn)行了全面應(yīng)用,提升了我國(guó)軌道工程建造管理水平。