智能環境下的鐵路勘察設計

李壽兵

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

黨的十九大明確提出，中國特色社會主義進入新時代，我國社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾。這是關于中國發展全局和戰略的新的重大判斷。

在全國交通強國的戰略下，隨著鐵路基礎設施的進一步提升，伴隨高鐵出行的人群規模不斷增加，旅客對于鐵路出行提出了更高的標準，為滿足人民群眾對鐵路交通的新需求，利用信息化、智能化手段提升鐵路勘察設計、施工及運營維護的質量，提高鐵路旅客乘車體驗，改進鐵路服務質量，是解決新時代社會主要矛盾在鐵路行業的最好體現。

勘察設計是工程建設的龍頭，在智能化技術的應用中起著牽頭及主導作用[1]。勘察設計企業對鐵路數字化，智能化負有重要的責任。隨著智能鐵路的進一步開展，作為先行者的“智能京張、精品工程”在勘察設計中探索了勘察設計企業下一步走進智能時代的途徑與目標。

1 智能鐵路與數字鐵路

1.1 智能鐵路與數字鐵路的關系

智能鐵路的基礎是數字鐵路，鐵路建設從規劃、勘察到設計，交付成果由原來的施工圖，到施工圖與三維信息模型，設計院將交付一條完整基于BIM技術的數字鐵路。而施工則依托設計成果，將這條數字鐵路落地成型，交付運維管理的將是虛擬的數字鐵路和實體兩條鐵路。在運維中，通過云計算、大數據、5G、物聯網、移動互聯、人工智能、北斗導航、智能探測監測等新技術，實現鐵路基礎設施環境間信息的全面感知并科學決策，實現全生命周期、一體化管理的智能鐵路。

智能鐵路的實現途徑是通過新一代信息技術與高速鐵路技術的集成融合，從而推動高鐵智能設計、智能建造、智能裝備、智能運營技術水平全面提升。因此，鐵路的數字化是智能鐵路實現的數據基礎，這條數字鐵路必須保持與實體鐵路的高度一致性。

1.2 數字鐵路的含義

數字鐵路的實現手段其實是將鐵路數字化，本質上來說是將計算機數據存儲和管理技術引入進來，實現對象級別的數據管理、權限配置，能支持多用戶協作和同步修改[2]。最終將傳統的分散的各專業紙質文檔、電子圖紙轉化為集中的信息化存儲。具體來說就是將勘察階段采集到的包括地形，地質，水文、環保、人文、經濟等信息經過分析處理后，將數據打散，再按照統一數據格式重組后，集成到一個統一的系統中，建設成為一個和現實情況一致的虛擬仿真環境，然后在這個虛擬環境上開展各專業的協同設計，最后建成一個包含虛擬環境的掛接各專業設計信息的全要素三維仿真模型。而對“智能”的理解，就是在數字化的基礎之上，進一步做數據挖掘，融合應用需求，用于指導鐵路從設計、施工到運營維護的全過程。比如，設置攝像頭監控，實現人流密度分析，用于引導客流走向，這就是智能鐵路的智能化運營的應用。所以，數字鐵路是智能鐵路信息及需求應用的載體。

因此，數字鐵路主要包含兩層含義：第一層是與地理信息相關的數字地球，指的是對鐵路測繪、地質、路基、橋隧、房建、四電系統等相關信息進行多分辨率、三維的準確表達，并按照統一的地理坐標集成，從而嵌入海量的鐵路相關地理數據和管理信息；第二層含義是指結合鐵路設計、施工、運維等需求，通過對各數據進行有效存儲管理和開發利用，真正建立對鐵路行業的智能化管理的數據基礎[3]。

1.3 數字鐵路的組成

數字鐵路是在計算機虛擬環境中，對整個設計、施工、運營、維護等過程進行仿真、評估和優化后的一個數字信息系統，是現代數字設計應用和計算機仿真技術相結合的產物，也是溝通設計施工與運營維護之間的橋梁。因此數字鐵路是貫穿整個鐵路全生命周期的紐帶和數據基礎。

數字鐵路包含了鐵路項目從勘察階段開始一直到施工運維全過程，項目參與方所有的幾何、物理、功能和性能信息。對于勘察設計階段而言，數字鐵路的組成首先應包括鐵路沿線地形、地質、水文、經濟、電力、環保等開展設計所需的基礎信息；其次還應包括滿足向施工階段交付深度的鐵路構、建筑物的非幾何及幾何模型信息。

1.4 數字鐵路的建設要求

數字鐵路是智能鐵路實現的數據基礎，服務于智能鐵路的業務整合與應用，關注的是各階段參與方的數據整合和數據傳遞。數字鐵路建設的首要要求就是數字鐵路與實體鐵路在幾何及非幾何信息上必須具有高度的一致性；其次，數字鐵路的建設必須是有章可循，有標準可依的；最后，數字鐵路是基于多源空間信息集成的真實感地理建模和鐵路構(建)筑物的多維度信息模型。因此，數字鐵路同時應該是集成多源數字采集方式的可感知的動態數據模型。

1.5 勘察設計企業是數字鐵路的先行者和建設者

設計是工程建設的龍頭、靈魂。鐵路在勘察設計階段就應該充分考慮到智能鐵路的建設、鐵路裝備及運維方面的智能化需求。因此，勘察設計企業對鐵路數字化、對智能鐵路的建設負有重要的責任，也是數字鐵路的先行者和建設者，利用先進數據采集手段、數據提取分析手段、數據傳輸交互手段實現工程勘察全過程的信息化、智能化；利用各種專業軟件及BIM技術開展高效、快捷的三維標準設計與特殊設計；利用BIM+CIM+GIS+MIS、大數據、計算機等信息化管理技術，為信息化體系構建提供了新的途徑，增加了信息來源[4]，通過勘察設計工作的協同化、平臺化、智能化，為鐵路工程建設管理高效、可視、協同，建設基于標準的全要素數字鐵路打下堅實的基礎。

2 數字鐵路在勘察設計階段的信息獲取與利用

2.1 勘察數據的獲取技術

鐵路勘察工作主要涉及到地形、地物、地質、水文、氣象、軍事、電力、植被、經濟、人文等基礎數據的獲取。傳統上數據采集、收集工作一般基于航測、衛星遙感、勘探、物探、調繪、調查等方式開展。隨著技術的不斷發展，傳統信息獲取技術與新技術日益結合，數據的采集、收集技術的日益發展，鐵路勘察工作的信息化自動化程度也越來越高，也越來越高效。目前，隨著航天遙感、航空攝影、無人機、飛艇、傾斜攝影、近景攝影、機載Lidar、地面三維激光、傾斜攝影、GPS、室內定位、工程物探、超前地質預報、各類傳感器等現代信息采集技術，利用遙感判釋、圖像識別與信息提取技術，都大大豐富了傳統勘察設計數據的獲取手段。

2.2 勘察數據的處理技術

鐵路勘察設計階段數據按專業分主要為測繪數據、地質勘察數據以及各專業調繪、調查數據。按數據格式來分，主要為影像數據、矢量數據、文檔數據等。

測繪數據處理：①海量數據處理，測繪影像數據量大，如傾斜攝影以及Lidar點云等數據，如果采用傳統的計算方式，效率極其低下，現在的處理技術在向分布式以及GPU計算技術方向發展；②多源數據融合，將不同方式不同平臺不同精度的影像數據、密集點云和外業測量數據融合，為鐵路設計、施工及運維提供豐富準確的空間地理信息。

地質專業主要的勘察方法為地質調繪、勘探(鉆探、靜力觸探、試坑等)、物探等。勘察的資料目前主要采用人工現場記錄的工作方式，后期手工輸入進行電子化，然后采用電子化的資料形成地質勘察報告。其他專業調繪調查的數據基本也以數據文檔為主。

針對勘察數據多元化的特點，按照傳統方式將各專業數據分開處理再集中管理的方式，效率低下而且數據交互困難。

為應對鐵路數字化、智能化的發展方向，目前的發展趨勢是將多專業數據集成到統一環境中集中進行融合分析處理。

2.3 勘察數據的融合技術

鐵路勘察的任務是搜集鐵路沿線的地形、地質、水文、氣象、地震、人文、經濟等資料，為鐵路設計提供依據。按工作種類又可分為線路勘測、工程地質勘察、水文勘測和給水勘測等。鐵路勘測具有專業繁多、數據獲取手段多樣等特點。傳統數據處理較為繁瑣，而數據融合就需要將多專業、多手段、多途徑采集到的數據集成到統一環境進行統一分析處理，大大提高數據之間相關性及處理效率。

多源數據融合處理技術是一種新興技術。該技術以傳感網和信息平臺為支撐，以大數據分析、云計算為手段，既能夠對數據進行疊加處理，同時也能夠對各種數據進行融合處理。

面對鐵路技術的高速發展，尤其是智能鐵路建設的目標方向，需要對大量的數據進行采集和分析處理，智能設計的實現需要獲取越來越豐富的數據信息，這就面臨多種來源，多種數據形式的數據如何高效快速地進行處理的問題。數據融合技術是一個便捷的實現途徑。以地質勘察為例，數據融合技術可以將地質中所呈現出來的不同信息融合起來，便于地質勘察人員做出正確的判斷。該技術也可以將不同數據源所具備的優點集中起來，使地質勘察獲取的信息更豐富。融合后的數據可以使勘察信息更加直觀，勘察人員可以獲得更多的信息，勘察效率與質量都能夠得到保證。

對于測繪專業來說，測量手段的進步，數據獲取技術的發展，促使了空地一體化多源數據融合新技術的應用。多來源、多精度、多時相數據的融合處理，大大提升數字成圖一體化作業效率，豐富了空間地理信息數據。

對于應用場景，例如在三維數字選線階段，可以將不同手段獲取到的地理數據集成到統一數字環境中，同時也可將線路范圍的人文、經濟、環保等調查數據信息化后集成進去，最后形成一個整體的虛擬環境，通過各種指標的對比，便捷開展線路三維設計工作。

3 基于BIM技術的設計手段

BIM(Building information modeling)技術是利用數字模型對項目進行全生命周期的應用體系，目標是實現各階段信息共享與信息傳遞，提高工程各階段的質量和效率。BIM技術體系與數字鐵路建設的目標和需求高度重合，因此BIM技術體系可以作為數字鐵路建設的首選方案。

2013年12月中國鐵路BIM聯盟成立[5]，并于2014年全面啟動中國鐵路BIM標準體系的研究工作[6]，體系包含針對軟件研發者的數據存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準等技術標準及針對工程實施者的資源標準、行為標準、交付標準、協同管理等實施標準部分。標準體系的建設為鐵路行業BIM業務建設、勘察設計、施工、運維提供了依據。

在工程應用方面，鐵一院在西成高鐵清涼山隧道[7]、十岔溝中橋中開展了BIM技術探索[8-9]；鐵二院在寶蘭高鐵石鼓山隧道[10]、滬昆高鐵北盤江特大橋[11]、新白沙沱長江大橋和西成高鐵江油北站等項目開展了BIM設計以及施工應用研究；中國鐵設在陽大、京沈、京雄等項目開展了基于達索的BIM應用技術研究[12-13]。

將BIM技術應用于鐵路工程建設行業中，必然會帶來業務流程再造、業務活動重構、協同方式改變等一系列變化，也必將引起勘察設計企業生產方式的重要變革。將設計工作劃分為標準設計和特殊設計，采取統一平臺下各專業協同開展參數化設計或裝配式設計，極大地提高設計效率和設計質量。

3.1 基礎業務建設

為了保證鐵路行業全生命周期BIM技術應用的運轉順暢，提高各階段的工作效率，保證成果水平和質量，降低成本。首先，應對傳統的業務活動進行重整，以適應BIM技術應用的業務活動，加入BIM技術應用特定的業務活動內容(如規劃、建模、分析、審核、歸檔等)；其次，應在傳統流程的基礎上加入BIM技術應用的業務流程，即BIM技術應用過程中一系列結構化、可度量的活動集合及其關系(如設計階段業務流程應加入創建模型、模型審核、二維視圖生成、方案提交等相互關聯的多個活動及步驟)；最后，利用BIM技術改變傳統的協同方式，以提高各階段的管理協調能力，降低階段間信息傳遞的損失率，保證項目全生命周期中信息的唯一性、準確性和有效性。

3.2 協同設計

雖然鐵路設計行業早已完成了CAD/CAE技術的變革，但是計算機在設計過程中所扮演的角色還停留在輔助繪圖、輔助分析的層次。盡管目前BIM技術廣泛應用，也只是對工程項目設施實體與功能特征信息的數字化表達。BIM技術利用計算機軟硬件設備的更新，逐步形成完整的、有層次的信息系統，不僅包含描述工程主體構件的幾何信息、物理信息、專業屬性信息及狀態信息，同時還包含了空間、時間、運動行為等非構件對象信息。

在勘察設計過程中，資料的收集、檢索是由人工完成的。當某專業設計完成時，完成各級校審流程后，提交下序專業，信息傳遞是串行的。項目的參與人員和部門之間缺乏交流，項目中各專業對設計過程中的邊界問題缺乏清晰的認識，上下序專業間易發生沖突，使得設計成果不能很好地滿足業主要求，經常出現重復設計、反復修改的現象。導致這些情況的主要原因是，設計過程是一個剛性序列，靈活性不夠，未能有效利用計算機使數據互聯互通，設計資料中信息交流不暢。盡管設計院有專屬部門制定專業分工，但是項目中遇到的問題五花八門，如果沒有一個良好的專業間協同機制，沒有一個高效的協同系統，僅靠規章制度，難以應對復雜的實際問題。最終的結果有可能不是按照最利于工程實際修改設計，而是通過最易修改的專業來調整設計。

通過協同設計，約定專業內和專業間的協同工作方式，在同一設計環境中建立模型[14]，結合操作上的工作流程，憑借協同設計的并行工作優勢，可以保證專業間的信息傳遞及時有效。傳統的二維設計模式已經有了協同的概念，但是二維協同設計受文件管理局限，設計人員(泛指設計、復核、專業審核等角色)在文件編輯與文件流轉上常常發生沖突，從而影響專業內的協作；其次，二維協同設計受圖形表達的影響，同質的設計輸入數據在工作流程的設置上顯得相對繁瑣，降低設計參數傳遞的效率。引入BIM正向協同設計，可以允許某個設計單元中同專業人員在同一個文件上同時操作，專業間不僅傳遞圖形，同時傳遞屬性，重復的內容即使專業間各自創建、重復表達，通過系統也會歸類設計參數，梳理設計輸入數據內容。例如建筑可以基于結構樓板在同高程位置，創建有面層的樓板，符合各自的表達需求，而在結構或建筑任一專業調整樓板高度時，另一專業都會獲得消息提醒，并允許另一專業選擇跟隨或要求其改回。

協同設計的目的在于，通過建立協同設計工作管理平臺，用于對項目設計過程中以三維模型為載體的信息進行集中、有效的管理，讓項目各專業的設計人員，能夠在一個集中統一的環境下工作，并能隨時獲取所需的項目信息。在充分利用各專業設計軟件的基礎上，實現各設計專業之間信息溝通順暢、實時統一，使各專業設計工作的數據文件一致，上下專業間的設計工作銜接協同有序，節省工作時間，提高工作效率，確保設計工作合理、有序、高效完成。

3.3 參數化設計

BIM模型是信息承載和流轉的基礎，各專業技術人員在實際建模工程中常常需要花費大量的時間和精力去創建三維模型。目前，在利用構件實現模型的重用，加快建模速度和提高標準化程度時，若是利用傳統方式進行建模工作，那么同一種類型的構件，只要尺寸稍有變化，就需要重新建模，并在構件庫中新增加構件種類，很大程度上加大了技術人員建模的工作量，同時也不利于后期對模型的維護。另外，手動的方式建模工作量大，作業效率低下，而且模型極易產生幾何錯誤。利用參數化驅動來快速建模是解決上述問題的最佳技術手段。參數化驅動模式是BIM建設的發展趨勢，也是BIM向正向設計發展不可或缺的技術。

3.4 裝配式設計

裝配式設計是通過現代化、工業化、信息化、智能化技術相結合，整合設計、生產、施工和運營維護等產業鏈，對鐵路建筑、橋梁、隧道等從粗放型轉向一體化節約型而進行的變革。是提高工程質量，擺脫大量手工作業的重要途徑，是鐵路設計轉型升級的趨勢。

裝配式設計初始，從初步設計階段結合BIM技術在規范確定下對例如建筑結構、橋梁結構等底部現澆區域面積、層數、預制構件類別及預留管線、洞口等進行合理計算，制定合理措施。在施工圖階段按照初步設計階段制定的技術措施進行深化設計。對構建節點、內部裝修、外部裝飾、玻璃幕墻、廠院圍墻、橋梁部件等在圖紙及BIM模型中，根據生產企業提供設計參數進行精確設計，充分考慮細節建模和各專業預留預埋要求。專業人員需考慮連接點處的防水、防火、隔聲等設計。從而能夠傳遞到工廠進行預制化生產。在預制化生產過程中，需對構建洞口位置、細節尺寸精確定位外，還需考慮生產運輸和現場安裝時安裝設備起吊、固定的空洞預留。

通過裝備式設計流程能夠實現流程精細化、設計模數化、配合一體化、成本精準化、技術信息化等五方面內容。可使整個建筑體系更加高效精細生產，將不同構建標準化生產，有效節約生產成本，也可更好的控制施工整體時效。在后期運營維護中對局部損毀或老齡化構建可通過BIM模型進行再次生產替換。

3.5 特殊設計

在現代化設計過程中，人們已不滿足于只為達到工程使用的目的，而更多地對于美觀化、節能化、精確化等方面進行設計。而在傳統二維設計中對于隧道洞門、特殊橋梁、異形建筑等無法很好的對設計細節進行表達，從而在傳遞到施工企業后，無法準確按照設計思路進行建設，導致效果質量不達標，甚至進行返工。而利用BIM可視化技術可優化設計方案，從而讓設計與周邊環境更加融洽，同時可更加準確指導施工現場進行建設。

而在異形建筑中，由于建筑設計獨特，采用非對稱設計或多曲面設計等，從而圖紙無標準層，屋面無法準確定位，功能布局、流線設計、消防疏散較為復雜，而在概念設計階段無法通過圖紙進行有效傳遞設計意圖。通過BIM技術可在模型交底后，提前對工程內容進行施工模擬，設計細節討論，從而有效地將設計意圖和細節處理方式傳遞給施工企業，確保工程成果符合設計要求。

同時有些特殊設計在地下部分形狀多有不規則形體，對設計階段如隧道洞口，坡地院落設計等存在傾斜挖填方，土方量無法準確計算，可通過BIM技術解決此類問題。

4 數字鐵路的交付

4.1 交付依據、要求

數字鐵路的交付目前可供參考的只有鐵路BIM聯盟關于BIM模型的相關交付標準。交付標準主要有4個，一是面向鐵路工程模型的地理信息數據的交付標準，二是各專業工程實體分解標準及信息模型交付精度標準[15]，三是面向施工交付的設計文件編制辦法，四是BIM模型存儲的數據標準[16]。

4.2 交付內容

勘察設計階段交付的數字成果包含以下3個主要部分。

一是地理信息相關的模型文件，包括DEM、DOM等地形模型以及重點工程周邊的主要建筑模型。

二是各專業數字模型：主要包含線路、站場、地質、路基、橋梁、隧道、站房、電力、接觸網、通信、信息、防災、機械、動車、機務、車輛、軌道等專業。模型各構件應滿足相應的幾何及非幾何精度要求。

三是相關設計文檔及資料。

5 京張高鐵的智能設計探索

5.1 京張高鐵簡介

京張高鐵東起北京北站，西至張家口南站，全長174 km，是2022年冬奧會的重要交通保障線，是京津冀一體化發展的經濟服務線，是京張鐵路百年歷史的文化傳承線，是展示中國高鐵先進技術理念的示范線，也是落實“一帶一路”戰略的政治使命線。

該工程設計難點繁多、施工組織復雜、運維壓力巨大，傳統設計手段難以滿足要求，需依托信息化、智能化技術來解決這些難題。

京張高鐵地形復雜，勘察工作艱難，通過遙感、攝影測量、GPS等現代測繪技術，高效完成了全線DLG、DEM、DOM等成果。

5.2 開展基于BIM技術的協同設計

京張高鐵BIM設計是全路首個全線全專業大型BIM技術應用綜合性項目，中鐵設計集團組織線路、站場、軌道、地質、路基、橋梁、隧道、機械、房建、接觸網、變電、電力、信號、通信、信息、防災、暖通、環保等23個專業開展協同設計工作。

通過三維協同設計管理平臺，集中管理全專業構件庫、資源庫、設計規范等，統一規范了項目各階段工作流程，集中存儲了多個層級的設計文件，實現了項目參與人員在統一工作環境下用同一套標準來共同開展協同設計的目標。

5.3 智能化設計

通過參數化設計、裝配式設計等新技術的研究，結合鐵路設計工作的特點，研發了大量的框架性基礎模塊。在此基礎上，結合各專業設計工作的特點，研發了針對地質、路基、測繪、橋梁、隧道、接觸網等專業級應用模塊，實現了從設計意圖到符合規范要求的三維模型的智能、快速設計。通過對BIM標準的整合，研發了模型審核工具，利用三維模型原設計意圖進行驗證和復核，保證設計質量，提高設計效率。

美國斯坦福大學的調研表明，BIM可以減少設計變更40%[17]。BIM技術在勘察設計工作中的具體應用，大大提升了設計工作自動化、智能化的程度。切實有效地減少了重復工作，降低了設計錯誤概率，達到了提高設計生產效率的目標。同時，作為技術儲備資源之一，為形成中鐵設計的行業核心競爭力奠定基礎，提升中鐵設計的BIM軟實力。

6 結語

鐵路作為國家交通運輸的核心力量，鐵路的信息化、智能化建設對未來交通行業的發展有著長遠的意義。未來智能高鐵的發展目標是實現智能設計、智能建造、智能運營、智能服務。匯聚“三流”、融合“兩網”、打造“一體”[18]。以高鐵經濟與數字經濟的深度融合，實現鐵路智能化帶來的沿線各地經濟騰飛。

目前，整個中國經濟結構在進行深度調整，擁有全部自主知識產權的中國高鐵也在進行智能化的轉型升級。而要實現這一切，最重要的基礎就是勘察設計過程中形成的，集成了周邊環境、人文及設計數據的數字鐵路，為實現鐵路全生命周期管理建立基礎數據信息，因此，勘察設計企業對智能鐵路的建設負有重要責任。鐵路勘察設計企業應高度重視智能鐵路的發展方向，集成大數據、5G、物聯網、人工智能、北斗導航等新技術與傳統勘察設計進行融合，深入研究面向鐵路工程全生命周期的多專業協同的數字化勘察設計技術，為智能鐵路的進一步深化打下堅實的基礎。