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變革，建筑信息模型（BIM）、大數據、物聯網、移動互聯等新技術陸續涌現，為行業融合、經濟發展、社會進步等帶來了新的機遇與挑戰，現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新需求和發展機遇，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字化和智能化水平[3]。

1 國內外研究及發展狀況

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 個高鐵技術原創國為代表的高速鐵路智能技術系統。

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

1.1 國外發展應用現狀

德國在鐵路建設過程中努力實現信息化管理，推廣應用BIM 技術，提出到2020 年底實現所有項目BIM規劃的戰略。2014 年，德國鐵路迅速發起了全歐洲范圍內針對新項目管理系統的招標，決心將5D BIM 技術應用于從項目規劃、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字化法鐵戰略，強調了列車、路網、站房的互聯網建設。預期在2031—2040 年為客戶建立一個有競爭力、便捷、可持續、與未來運輸緊密結合的鐵路系統。

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，全部信息實現無紙化，有關各方利用網絡進行信息交流，提高現有業務的生產效率，進一步節約投資成本，提高投資效益。JR 東日本鐵路公司制定“技術創新中長期規劃”，旨在實現安全保障、強化服務和營銷、優化運用維護、注重能源和環境等4 方面目標。

1.2 我國發展應用現狀

隨著高速鐵路的快速發展，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改革，將新一代人工智能制造系統逐步引入到鐵路工程建設領域[5]，制定印發《中國鐵路總公司關于調整鐵路建設系統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，整合優化工程質量監督力量，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，實現數據共享以及全生命周期的服務和閉環管理[7]。

2 智能建造技術的內涵

2.1 需求分析

面對外部環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融合創新，能夠優化管理過程[8]，推進鐵路建造過程的精益、智能、高效、創新、綠色、協同發展[9]。

2.1.1 外部需求

新一輪科技變革和產業變革浪潮奔涌，基于互聯網、大數據和深度機器學習的人工智能，爆發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展的必然趨勢。此外，我國城鎮布局及人口結構變化、社會服務的多樣化需求、交通結構優化等，為高鐵質量與建設效率帶來了新的挑戰，促使高速鐵路要摒棄傳統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愈加遼闊，鐵路建設要求逐漸提升，工程趨于現代化、大型化和復雜化，涉及生態環境敏感、橋隧工程較多、極端氣候、災害頻發、基礎設施薄弱等問題，傳統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、云計算、大數據、物聯網、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一開放生態圈，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、動態監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管理體系，實現全生命周期一體化管理的新一代智能化高速鐵路系統。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星、雷達等載體，借助三維圖形技術、互聯網技術、物聯網技術等，深化優化既有技術，不斷突破技術極限，具化簡化傳統作業方式，促進工程建造信息資源的整合共享和統一服務管理，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，探索基于雷達的復雜地質地貌地區下自動化提取，記錄沿線地形、地質、水文、氣象、地震等環境信息的方法；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、異構數據進行大數據模型驅動和大數據智能分析。通過獲取的多層次、多角度、多譜段、多時相的遙感觀測數據，快速檢測提取，融合深度學習算法，實現勘察區域自動數據分類。基于大數據的智能解譯，在海量數據中快速、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據，為施工等提供數據依據。

（3）智能化工程勘測設計數據庫。通過建立“工程勘測設計數據庫”，完善鐵路勘測設計“一體化、 智能化”的應用模式；將鉆探成果數字化，實現數據共享；建立專家經驗知識數據庫、鉆井分析中心數據庫等；參照專家知識，節約人力物力成本，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、最優化、地理信息系統等理論方法，通過模擬人類自動完成狀態感知（地形、地質等環境信息的自動提取）、實時分析（空間線位的自動搜索、分析、計算）、自主決策（方案比選評價）、精準執行（輸出設計成果），實現計算機自動進行鐵路三維空間線路搜索和結構物協調布設，生成滿足各種約束條件且目標函數最優的線路方案，以代替人為勘察選線工作。

（5）基于BIM 的協同設計。依托網絡實現鐵路工程多專業間協同設計，實現施工過程模擬仿真，使設計過程更加立體化、形象化，及時發現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，是智能建造發展的必然方向。

（7）可視化運維。在未來的發展中，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、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

鐵路工程管理系統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、不同環節、不同任務間的所有信息，打通傳統管理模式信息壁壘，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劃，并初步建立全國鐵路統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 數據、GIS 數據、基礎數據及其他數據進行采集、處理、整合、應用、展示，建設形成了“1門戶、3平臺、6體系” 模式。實現全面承載勘察設計信息、建設數據的自動采集和信息互聯、參建各方協同管理和輔助決策、建設質量的可追溯閉環管理體系的功能，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, 達到提升作業協同效率、降低工程安全風險、提高工程質量和節省施工成本的目標[10]。

3.2.1 三維可視化關鍵技術

研發了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 的地模地形數據在部分重點地段達到1 ∶500 精度，實現不同比例尺數據集成融合，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，實現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動檢索，并在三站三隧進行實踐應用，進一步完善優化。

3.2.2 單元化數字建造與管控

通過創建建造單元編碼體系以及表達規范，建立統一的數據接口及標準，實現各專業、業務的互聯互通和數據共享，實現工程實體和設備的單元化、規范化管理。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、全周期、全環節的數據無損、高效傳遞、存儲和共享，確保施工要素和關鍵環節留痕留檔，規范施工行為，保障施工建設質量，形成項目數字孿生體系，支撐工程建設智能化。

構建鐵路建造協同管理平臺，實現項目管理應用以及未來可擴展的建設管理和監督管理應用，提升鐵路工程的規劃設計、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施工進度計劃、施工方案、資源配置等，實現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，實現貫穿全生命周期數據的無縫連接。在施工圖設計交付中應用BIM 技術，將數據與BIM 協同系統同步、掛接、集成，將傳統模式下二維圖紙、文檔等交付與三維BIM 數據相結合，進行資料歸檔管理并建立關聯關系，使數據自動解析和提取并完成結構化存儲，實現數模分離，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，形成運維管理數據庫，形成鐵路建造全過程的數字化產品。

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，研發站前隧道工程BIM 建設管理和施工管理系統，實現隧道工程進度、安全、質量等信息的三維可視化、精細化、數字化管理和共享。通過八達嶺隧道BIM 應用，實現單個工作面工序循環、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，實現基于BIM的盾構隧道工程管片生產拼裝質量、盾構遠程監控、基坑及周邊環境風險監控、隧道施工進度管理等。通過正盤臺隧道BIM 應用，實現基于三維掃描的隧道斷面質量分析、關鍵工序作業優化和隧道圍巖量測監控（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，研發站房工程BIM 建管系統施工管理系統，圍繞站房工程BIM 深化應用（見圖4）、WBS 示范規范、施工組織管理、安全風險監控、質量問題追溯、智能環保監測、現場采集APP等形成精品工程、智能管理、過程管理、現場管理、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。

未來隨著時代發展，智能建造技術將在原有基礎上繼續擴大其廣度與深度，加快智能高鐵科研攻關，實現全生命周期建造過程的自動化、數字化、智能化，推進智能建造技術應用向縱深發展，強化智能輔助作業，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、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，讓中國高鐵持續領跑世界。