鐵路路基工程信息化技術(shù)

蔡德鉤 朱宏偉 葉陽升 陳鋒 張千里 李超

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081）

中國高速鐵路從無到有，從落后到領(lǐng)先，從引進國外技術(shù)到制定中國標準，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。中國高速鐵路經(jīng)歷了技術(shù)準備、工程試驗及大規(guī)模建設(shè)階段，2017年以“智能京張”建設(shè)為起點，以“復(fù)興號”在京滬高速鐵路按350 km/h運營為標志，正式進入了智能高速鐵路的發(fā)展新階段［1］。智能高速鐵路采用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、北斗定位、下一代移動通信、人工智能等先進技術(shù)，通過新一代信息技術(shù)與高速鐵路技術(shù)的集成融合，實現(xiàn)高速鐵路智能建造、智能裝備和智能運營技術(shù)水平全面提升［2］。

信息化技術(shù)是高速鐵路智能建造的基礎(chǔ)，在鐵路工程項目建設(shè)管理全生命周期中如何妥善利用信息化技術(shù)提供復(fù)合工程項目建設(shè)管理需求的信息化成套解決方案是亟需解決的問題［3］。通過植入信息化的理念開展高速鐵路各項工程關(guān)鍵技術(shù)的研究，施行工程建設(shè)信息的集成、傳遞與共享［4］，從而實現(xiàn)信息化對鐵路工程項目建設(shè)進度、質(zhì)量、成本和安全實施全方位、全過程的有效控制［5-6］，是信息化技術(shù)推廣的意義所在。

在此背景下，為深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，聚焦交通強國、鐵路先行，圍繞“三個世界領(lǐng)先、三個進一步提升”，鐵路部門大力推動鐵路工程建設(shè)信息化，形成了貫穿路基施工全過程信息化建設(shè)方案，實現(xiàn)了對路基施工全過程的信息化管理和施工質(zhì)量的全面控制。

1 路基施工管理信息化

信息化管理在路基建設(shè)中的推廣是由點及面的，優(yōu)先對隱蔽工程、質(zhì)量管控的重點環(huán)節(jié)開展信息化建設(shè)。目前已投入應(yīng)用并發(fā)揮顯著成效的信息化系統(tǒng)主要包括樁基施工管理系統(tǒng)、填料生產(chǎn)管理系統(tǒng)和路基智能填筑指揮系統(tǒng)。

1.1 樁基施工管理系統(tǒng)

1.1.1 系統(tǒng)功能

樁基礎(chǔ)屬于隱蔽工程，其施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于有效的過程監(jiān)管。以往的樁基施工采用人工記錄、監(jiān)理抽檢旁站的方式進行監(jiān)管，施工完成后采用樁身完整性檢測、地基承載力試驗等方式抽樣檢測成樁質(zhì)量，其客觀性、準確性存在不足，且質(zhì)量檢測試驗費時費力、難以大量開展，導(dǎo)致監(jiān)管樁基施工過程存在困難。樁基施工管理系統(tǒng)對樁長、樁位、樁身垂直度等重要施工參數(shù)進行同步監(jiān)測，并即時記錄，使樁基施工的每一環(huán)節(jié)有跡可循，為高速鐵路樁基施工質(zhì)量管理和進度考核提供真實可靠的憑據(jù)［7］。

1.1.2 技術(shù)方案

樁基施工管理系統(tǒng)采用北斗定位、自動監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的硬件方案，實現(xiàn)對施工過程關(guān)鍵參數(shù)的自動監(jiān)測和信息化管理，其硬件組成見圖1。

1）施工放樣引導(dǎo)。采用北斗定位技術(shù)，通過導(dǎo)入施工坐標對鉆桿進行就位引導(dǎo)。通過增設(shè)地面基站，平面定位精度可達1.5～2.0 cm，高程定位精度可達3.0～5.0 cm。在地面基站的輔助下，通過在鉆桿、鉆機底座分別布設(shè)1臺衛(wèi)星定位移動接收站，實現(xiàn)鉆機移位引導(dǎo)的功能。

圖1 樁基施工管理系統(tǒng)硬件組成

2）鉆孔深度、提鉆速率監(jiān)測。鉆孔深度是樁基施工的關(guān)鍵參數(shù)，也是施工中最難以控制的工藝參數(shù)。利用北斗定位技術(shù)，通過布設(shè)移動接收機監(jiān)測鉆頭的高程變化，實現(xiàn)對鉆孔深度、提鉆速率的監(jiān)測，監(jiān)測精度滿足現(xiàn)場施工需求。

3）樁身傾斜度監(jiān)測。樁身傾斜度采用傾角傳感器進行監(jiān)測，將傳感器固定安裝在鉆桿上，通過控制器接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器，可以將鉆桿姿態(tài)數(shù)據(jù)實時顯示在控制終端上。

4）終孔電流判斷。電流監(jiān)測采用電流傳感器，基于交流電引起的傳感線圈的電磁感應(yīng)變化來反映電流的大小變化。經(jīng)過多次試驗，最終結(jié)合鉆孔深度監(jiān)測數(shù)據(jù)確立終孔電流的判斷準則。

1.1.3 工程應(yīng)用

目前樁基施工管理系統(tǒng)已在鄭萬、京張、京雄、貴南等多條線路應(yīng)用，累計完成數(shù)千根樁的施工監(jiān)測。系統(tǒng)在高溫、揚塵、振動環(huán)境下工作性能良好，實現(xiàn)數(shù)字放樣，節(jié)省施工時間，提高放樣精度（圖2）；可自動統(tǒng)計施工區(qū)段內(nèi)的工程量；可自動記錄樁長，實時監(jiān)測樁身垂直度及提鉆速率；可實時監(jiān)測鉆機電流變化，反映地質(zhì)情況。應(yīng)用情況表明，系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面均達到設(shè)計目標。

圖2 使用系統(tǒng)前后打樁效果對比

1.2 填料生產(chǎn)管理系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)功能

路基填料須經(jīng)歷料源地、堆料場、填料拌和站、施工現(xiàn)場等主要場地，具有體量龐大、周轉(zhuǎn)頻繁的特點。目前路基填料是在各個場地分別管理，僅有少量信息通過人工記錄進行流通，且各個場地操作不夠簡便，影響效率。

填料生產(chǎn)管理系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)多渠道采集和信息流通環(huán)節(jié)優(yōu)化，實現(xiàn)對填料從料源地、中轉(zhuǎn)地至施工現(xiàn)場的全過程追蹤，實現(xiàn)對質(zhì)檢、驗收信息的及時查詢，不僅為施工單位填料調(diào)度提供最新最全的數(shù)據(jù)，而且通過對填料生產(chǎn)、質(zhì)檢、運轉(zhuǎn)和驗收的全過程信息化管理，提高現(xiàn)場管理效率。

1.2.2 技術(shù)方案

填料生產(chǎn)管理系統(tǒng)包括綜合管理端、質(zhì)檢APP、車載APP和綜合查詢APP，四部分之間通過網(wǎng)絡(luò)通信連接。

1）綜合管理端用以實現(xiàn)項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置、用戶權(quán)限分配、填料生產(chǎn)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和報表生成功能。

2）質(zhì)檢APP用以實現(xiàn)原料調(diào)查管理、進料管理、質(zhì)檢管理、拌和站配置質(zhì)量實時監(jiān)控和運料統(tǒng)計臺賬功能。

3）車載APP用以實現(xiàn)裝料地點、卸料地點、時間操作記錄、拍照上傳、填料類型選擇、方量、備注信息錄入、實時記錄車輛位置和行駛速度功能。

4）綜合查詢APP用以對車輛、運料、質(zhì)檢和拌和站的質(zhì)量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并輸出統(tǒng)計結(jié)果。

1.2.3 工程應(yīng)用

路基填料生產(chǎn)管理系統(tǒng)在牡佳、京雄城際鐵路等項目建設(shè)中進行了應(yīng)用，見圖3—圖5。應(yīng)用情況表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了對填料運輸過程的追溯與管理、對填料庫存與調(diào)配的掌上管理及對填料質(zhì)檢報告的查閱，滿足施工方對填料生產(chǎn)及質(zhì)量的管理需求，實現(xiàn)數(shù)字放樣，節(jié)省施工時間，提高放樣精度。

1.3 路基智能填筑指揮系統(tǒng)

1.3.1 系統(tǒng)功能

傳統(tǒng)的路基分層碾壓施工中，各環(huán)節(jié)信息流不順暢，流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多，部分信息重復(fù)性輸入；施工指令的下達依賴手機通訊，單線聯(lián)系且耗費時間、精力；信息反饋滯后，施工條件經(jīng)常變化，突發(fā)情況人機料調(diào)整費時費力；信息采集不完整，尚未實現(xiàn)整個施工流程的信息化管理。

圖3 司機接受填料運輸派單

圖4 填料運輸路徑追蹤

圖5 接料員對填料進行驗收

通過開發(fā)路基智能填筑指揮系統(tǒng)，可實現(xiàn)以下幾方面主要功能：全過程施工管理信息化與作業(yè)標準化，施工組織形象化與動態(tài)化，數(shù)字化與智能化施工支持。

1.3.2 技術(shù)方案

路基智能填筑指揮系統(tǒng)基于BIM、北斗定位、圖像識別、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，確?；A(chǔ)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的完整，以及施工數(shù)據(jù)的及時采集，全面掌握施工現(xiàn)場生成信息，實現(xiàn)施工生產(chǎn)的信息化、智能化管控?；诼坊^程施工過程數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)格式多樣、安全性要求高等特點，采用圖6的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1.3.3 工程應(yīng)用

圖6 系統(tǒng)架構(gòu)

路基智能填筑指揮系統(tǒng)在京雄城際鐵路全線路基工程中全面應(yīng)用，實現(xiàn)了填料運輸動態(tài)管理，對自動攤鋪引導(dǎo)、自動精平控制、無人駕駛碾壓、邊坡整形自動引導(dǎo)等數(shù)字化施工設(shè)備的調(diào)度、數(shù)據(jù)采集與展示，以及路基質(zhì)量連續(xù)檢測、填料級配與含水率自動檢測的信息化管理。系統(tǒng)高效銜接各個工序，提高工作效率，見圖7—圖9。

圖7 BIM模型動態(tài)展示施工質(zhì)量進度及車輛實時調(diào)度

圖8 工序任務(wù)下達及工程量自動統(tǒng)計

圖9 路徑規(guī)劃進行無人壓路機駕駛及壓實質(zhì)量連續(xù)檢測

2 路基質(zhì)量檢測信息化

質(zhì)量檢測是工程質(zhì)量驗收的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測手段多依賴人工檢測，存在客觀性不足、耗時耗力、質(zhì)量信息反饋不及時等缺點。路基質(zhì)量檢測信息化采用最先進的技術(shù)手段，結(jié)合移動互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)對填料含水率、填料級配和壓實質(zhì)量等項目的自動化檢測與信息化管理。

2.1 填料含水率檢測系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)功能

目前鐵路路基填料含水率測試主要采用烘干法，測試結(jié)果雖較為準確，但耗時耗力，且測試點較少。填料含水率檢測系統(tǒng)通過在壓路機上安裝含水率實時檢測裝置，實現(xiàn)填料含水率隨車實時檢測，可以覆蓋整個作業(yè)面，且省時省力，有利于填料質(zhì)量的整體控制。

2.1.2 技術(shù)方案

填料含水率檢測系統(tǒng)通過在壓路機碾輪上布置電極，構(gòu)建基于范德堡法及Wenner法的路基電阻率測試裝置與方法；結(jié)合室內(nèi)試驗確定合理的電極布置形式、電極材料及電路設(shè)計等，并標定電阻率與含水率之間的耦合關(guān)系；通過對電阻率的實時測試，實現(xiàn)施工過程路基填料含水率的全面檢測［8］，見圖10。

2.1.3 試點應(yīng)用

目前填料含水率檢測系統(tǒng)已進行了試點應(yīng)用，圖11是試驗工點降雨前后采集含水率的變化曲線。通過與常規(guī)含水率測試的對比，該系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)變化規(guī)律與常規(guī)試驗較為符合，測試真值與常規(guī)試驗相比誤差較小，表明該系統(tǒng)對水分變化敏感程度高，能真實、連續(xù)反映現(xiàn)場填料的含水率變化情況。

圖10 填料含水率檢測技術(shù)方案

圖11 降雨前后含水率測試值與真值對比分析

2.2 填料級配圖像識別系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)功能

填料級配圖像識別系統(tǒng)通過現(xiàn)場收集APP拍攝照片上傳服務(wù)器，在后臺利用先進的圖像識別技術(shù)對填料中的顆粒成分進行快速識別，最終得到一定粒徑范圍的填料級配組成。該系統(tǒng)的應(yīng)用有利于現(xiàn)場對特定粒徑填料的快速檢測。

2.2.2 技術(shù)方案

填料級配圖像識別系統(tǒng)通過數(shù)字圖像中的比例標尺進行數(shù)字圖像的角度糾偏，最大程度地減小識別誤差；在此基礎(chǔ)上對數(shù)字圖像進行二值化等處理，對填料進行形狀識別及相關(guān)粒徑分析；利用橢圓分析方法對圖像中塊石邊界進行擬合，計算當量圓的直徑作為粒徑尺寸；通過圖像識別技術(shù)及填料篩分對比分析，建立真實填料粒徑組成特征分析算法，快速對填料粒徑組成進行識別與評價［9］。填料級配圖像識別系統(tǒng)架構(gòu)如圖12所示。

2.2.3 試點應(yīng)用

填料級配圖像識別系統(tǒng)已在鐵路進行了試點應(yīng)用，對所拍照片進行圖像識別，識別照片內(nèi)填料顆粒，計算得到填料粒徑；對填料識別進行修正，最大限度保證填料識別的正確性；計算生成填料級配曲線，且能夠自動顯示曲線某點處的填料粒徑大小及所占含量百分比。試驗工點應(yīng)用結(jié)果如圖13所示，與篩分試驗結(jié)果對比，該方案在較大粒徑識別精度較高，在較小粒徑識別算法上仍有進一步優(yōu)化的空間。

圖12 填料級配圖像識別系統(tǒng)架構(gòu)

圖13 圖像識別填料粒徑

2.3 壓實振動連續(xù)檢測系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)功能

壓實振動連續(xù)檢測技術(shù)通過采集、分析、計算振動壓路機碾壓輪的振動響應(yīng)得到振動壓實值，該數(shù)值與填料壓實程度呈正相關(guān)關(guān)系，由此來反饋碾壓質(zhì)量。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對整個碾壓面的全覆蓋式檢測，改變了傳統(tǒng)意義上的抽樣控制方式。通過與北斗定位技術(shù)的配合使用，還可以實現(xiàn)對路基碾壓施工的過程控制，為進一步發(fā)展路基智能壓實控制奠定基礎(chǔ)［10］。

2.3.2 技術(shù)方案

圖14 連續(xù)壓實系統(tǒng)組成

壓實振動連續(xù)檢測系統(tǒng)主要由連續(xù)檢測設(shè)備（硬件）、反饋控制與管理系統(tǒng)（軟件）等組成，見圖14。硬件部分主要由振動傳感器、定位系統(tǒng)、處理器、顯示終端與服務(wù)器終端組成。連續(xù)檢測設(shè)備主要功能是進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與實時顯示，反饋控制與管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的遠程訪問與分析。振動傳感器采集壓路機振動輪機架的振動加速度，通過數(shù)字處理器分析其振幅、振頻及波形特征，在此基礎(chǔ)上通過分析獲取路基的壓實度、壓實均勻性及壓實穩(wěn)定性三方面信息［11］；利用北斗定位系統(tǒng)采集壓路機坐標信息，對檢測結(jié)果進行準確定位，可得到路基壓實度、均勻性及穩(wěn)定性平面分布圖；通過配置的車載顯示終端，可以實時顯示查看檢測結(jié)果，指導(dǎo)路基碾壓施工。反饋控制與管理系統(tǒng)將檢測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)上傳至管理平臺，在服務(wù)器上實現(xiàn)對路基壓實檢測數(shù)據(jù)的存儲備份、信息查詢及進一步的統(tǒng)計分析［12］。

2.3.3 工程應(yīng)用

壓實振動連續(xù)檢測系統(tǒng)已在京沈、鄭萬、京張、京雄等高速鐵路建設(shè)項目中應(yīng)用。系統(tǒng)可準確記錄路基的碾壓遍數(shù)，反映當前填筑高程，見圖15；生成路基壓實程度平面圖、壓實均勻性平面圖及壓實穩(wěn)定性平面圖，可全面反映路基壓實質(zhì)量，引導(dǎo)壓路機對“欠壓”部位進行補壓，避免已碾壓合格的區(qū)域發(fā)生“過壓”，見圖16。其中，壓實程度平面圖反饋路基壓實振動值合格面積占總面積的比例，是最重要的檢測結(jié)果。

圖15 碾壓遍數(shù)查看

圖16 壓實程度平面圖

3 結(jié)語

鐵路路基工程信息化建設(shè)主要涵蓋施工管理、質(zhì)量檢測兩方面，路基施工管理信息化包括樁基施工管理系統(tǒng)、填料生產(chǎn)管理系統(tǒng)、路基智能填筑指揮系統(tǒng)等；路基質(zhì)量檢測信息化包括填料含水率檢測系統(tǒng)、填料級配圖像識別系統(tǒng)、壓實振動連續(xù)檢測系統(tǒng)等。通過對路基信息化建設(shè)系統(tǒng)功能、技術(shù)方案及應(yīng)用情況的介紹，闡明了我國鐵路路基工程信息化建設(shè)的技術(shù)現(xiàn)狀，表明信息化手段可為當前鐵路路基建設(shè)過程中進度、質(zhì)量管理的薄弱環(huán)節(jié)提供現(xiàn)代化的管理手段，有助于全面提升鐵路路基建造技術(shù)水平，為路基智能建造提供重要支撐。

后續(xù)鐵路路基信息化建設(shè)，應(yīng)以國鐵集團和建設(shè)項目各參與方的需求為導(dǎo)向，做到“引領(lǐng)、創(chuàng)新、實用、共享”，向以“工業(yè)化、主動控制、信息模型驅(qū)動”為主要特征的智能化施工時代邁進。