世界首條智能高鐵：京張高鐵

周偉

有砟軌道，即鋪設(shè)在鐵路鋼軌和軌枕下的是小石子。圖為京張智能動(dòng)車組CR400BF-C（攝影/羅春曉）

全長174公里、設(shè)計(jì)時(shí)速350公里的京張高鐵（北京至張家口），被譽(yù)為我國鐵路發(fā)展“集大成者”。同時(shí)，它也是世界首條智能高速鐵路，開啟了智能鐵路的先河，在世界鐵路發(fā)展中具有里程碑意義。

? 有砟軌道、無砟軌道對(duì)比示意圖

新八達(dá)嶺隧道采用的是無砟軌道，即鋪設(shè)在鐵路鋼軌和軌枕下的是由混凝土、瀝青混合料等澆筑而成的整體

大型自動(dòng)軌枕鋪裝機(jī)在作業(yè)（攝影/朱河）

京張高鐵采用了建筑信息模擬技術(shù)，即通過軟件和數(shù)字化技術(shù)建立起三維虛擬工程模型，建造與施工現(xiàn)場(chǎng)完全一致的工程數(shù)據(jù)庫，模擬整個(gè)建造過程。這樣就實(shí)現(xiàn)了原材料管理、運(yùn)輸、鋼筋加工、混凝土攪拌、運(yùn)輸養(yǎng)護(hù)等全施工過程的信息化管理。

清華園隧道位于北京海淀區(qū)，是京張高鐵的控制性工程（一個(gè)工程里最難的一個(gè)或幾個(gè)項(xiàng)目，能對(duì)整個(gè)工程的建設(shè)進(jìn)程產(chǎn)生重大影響），也是京張高鐵線唯一采用盾構(gòu)法（暗挖隧道的專用機(jī)械，在地面以下建造隧道的一種施工方法）施工的隧道。

清華園隧道開挖直徑為12.64米，是目前北京市直徑最大的盾構(gòu)隧道。在6.02公里的長度中，它穿越了復(fù)雜的地層和眾多重要的建（構(gòu)）筑物——不僅與北京地鐵10號(hào)線、12號(hào)線、15號(hào)線交叉穿越，長距離并行下穿地鐵13號(hào)線，還穿越了北三環(huán)、北四環(huán)等7條主要城市道路、88條重要市政管線。

在清華園隧道的施工中，天佑號(hào)盾構(gòu)機(jī)（盾構(gòu)機(jī)工作原理詳見《知識(shí)就是力量》2023年8月刊）功不可沒。它如同一個(gè)巨型智能機(jī)器人，在隧道中實(shí)施著精準(zhǔn)的“手術(shù)”。

為了保障施工安全，在127米長的天佑號(hào)盾構(gòu)機(jī)上，安裝有幾千個(gè)傳感器，并配有施工參數(shù)、過程監(jiān)測(cè)、地質(zhì)預(yù)測(cè)等功能模塊，可以感知、修正方向，并將設(shè)備狀態(tài)、地下工作情況等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)指揮中心。這使清華園隧道的施工實(shí)現(xiàn)了全過程可視化、智能化動(dòng)態(tài)管理。

京張高鐵區(qū)間線路坡度較大，最大坡度達(dá)到了30‰，就是說1000米長的路面，抬升或下降了30米，這相當(dāng)于10層樓的高度，給軌道鋪設(shè)帶來巨大困難。為此，施工人員采用各種先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，通過智能化、機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化等手段，創(chuàng)新施工工藝、改造機(jī)械設(shè)備、應(yīng)用智能檢測(cè)。

京張高鐵正線鋪設(shè)的是有砟（zhǎ）軌道，而清華園隧道等采用的是無砟軌道板。無砟軌道板安裝好后，由無砟軌道鋪軌機(jī)牽引著鋼軌準(zhǔn)確地落在軌道板上。為了保障高速列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行，工作人員在每公里線路采集、分析了3萬個(gè)數(shù)據(jù)，使軌道精調(diào)誤差值控制在0.5毫米以內(nèi)——這差不多是5張普通打印紙的厚度，施工難度可想而知。

接觸網(wǎng)是在電氣化鐵道中，沿鋼軌上空“之”字形架設(shè)的、供動(dòng)車組受電弓（詳見本期《將電作“血液”——高速列車牽引供電系統(tǒng)》）取流的高壓輸電線。使用接觸網(wǎng)腕臂自動(dòng)預(yù)配平臺(tái)，原本需要12名操作人員才能完成的任務(wù)，現(xiàn)在只需要4人。接觸網(wǎng)腕臂自動(dòng)預(yù)配平臺(tái)這個(gè)“多面手”，不僅工作效率高，而且技術(shù)精度高，它每天可以完成200組腕臂預(yù)配工作，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差在1毫米內(nèi)。

東花園隧道位于河北張家口，隧道地下水位高，必須實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)降水情況。科研人員在相應(yīng)位置安裝水位傳感器，就能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降水井內(nèi)水位變化，由無線網(wǎng)絡(luò)完成降水信息的收集，并傳送至服務(wù)器。當(dāng)超過警戒水位時(shí)，該系統(tǒng)可自動(dòng)控制水泵抽水；降低到安全水位時(shí)，可自動(dòng)停止抽水。

科研人員還研發(fā)出“自動(dòng)控制降水與預(yù)警”系統(tǒng)和“深孔測(cè)斜”檢測(cè)項(xiàng)目，把“眼睛”安裝在深水井基坑中，結(jié)合邊坡穩(wěn)定性安全監(jiān)控軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)控降水情況。

在正盤臺(tái)隧道（位于河北張家口）施工時(shí)，施工單位研發(fā)了“順風(fēng)耳”——智能工程運(yùn)輸指揮系統(tǒng)，使用電子防護(hù)器，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)施工點(diǎn)與施工車輛、施工車輛間的接近報(bào)警功能，解決了隧道軌道鋪設(shè)過程中信息不暢問題，消除了隧道施工安全隱患。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是京張高鐵智能化的重要標(biāo)志，也是我國高鐵自主創(chuàng)新的重大標(biāo)志性成果。

工作人員為京張高鐵進(jìn)行接觸網(wǎng)施工作業(yè)（攝影/胡斌）

列車自動(dòng)駕駛技術(shù)雖然已經(jīng)在地鐵運(yùn)營中使用，但在時(shí)速350公里的高鐵上使用，需要網(wǎng)絡(luò)線路感知系統(tǒng)更加強(qiáng)大。京張高鐵采用了我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。地面調(diào)度中心先制訂運(yùn)行計(jì)劃，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的地面設(shè)備；收到運(yùn)行計(jì)劃的自動(dòng)駕駛車載設(shè)備，根據(jù)動(dòng)車組當(dāng)前的位置，計(jì)算出列車運(yùn)行的控制速度曲線，從而實(shí)現(xiàn)列車開起、加速、運(yùn)行、減速、停車、到站車門開關(guān)等自動(dòng)控制功能。

京張高鐵裝有2718個(gè)傳感器，它們就像醫(yī)生一樣，隨時(shí)為列車“體檢”，保障運(yùn)行安全。同時(shí)，它具有強(qiáng)大的適應(yīng)能力，可以在40攝氏度的高溫至零下40攝氏度的高寒環(huán)境下正常運(yùn)行，能夠在30‰的坡道上自如地牽引或制動(dòng)。

此外，京張高鐵創(chuàng)新性設(shè)置了具有雙向充電功能的動(dòng)力電池系統(tǒng)，即當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障停電時(shí)，不依靠高壓供電系統(tǒng)，列車也能夠以30公里的時(shí)速行駛20公里。

京張高鐵的智能化還體現(xiàn)在將監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)接入鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，可對(duì)沿線風(fēng)、雨、雪、地震、滑坡和異物侵限進(jìn)行綜合檢測(cè)、報(bào)警和處置。

京張高鐵列車駕駛室 （攝影/羅春曉）

京張高鐵開啟了中國智能高鐵的新篇章。未來，中國鐵路將在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向上繼續(xù)開拓進(jìn)取，并與世界各國分享智能高鐵的成功經(jīng)驗(yàn)。

（責(zé)任編輯 / 高琳? ? 美術(shù)編輯 / 韋英章）