高速鐵路軌道工程建造信息一體化技術(shù)研究與應(yīng)用

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）

0 引言

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)營維護(hù)全過程，推進(jìn)設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)營維護(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]，將極大提升我國軌道工程建造管理水平，對推動我國高速鐵路智能化技術(shù)具有重要意義。

1 總體方案與功能定位

1.1 總體方案

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[7]。平臺以設(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)等施工與平臺進(jìn)行交互，對建造過程進(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，其數(shù)據(jù)庫主要由設(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)時準(zhǔn)確的與平臺交互[6]。信息化的主要實(shí)現(xiàn)方式是構(gòu)建信息平臺，通過平臺對軌道工程建造進(jìn)行管控、對數(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。

1.2 功能定位

信息一體化主要依托平臺實(shí)現(xiàn)，目前中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱國鐵集團(tuán)）建立了“鐵路工程管理平臺”，并下設(shè)“軌道板精調(diào)測量管理系統(tǒng)”子平臺。結(jié)合軌道工程建造和運(yùn)維特點(diǎn)，建立四級平臺可實(shí)現(xiàn)軌道設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)維等各階段信息化。

軌道信息化四級平臺可分為：國鐵集團(tuán)信息化總平臺（一級平臺）、建設(shè)單位建造管控信息化平臺（建造信息化平臺，二級平臺）、施工單位精細(xì)化施工管控信息化平臺（施工信息化平臺，三級平臺）、鐵路局集團(tuán)公司軌道全生命周期運(yùn)營維護(hù)平臺（運(yùn)維信息化平臺）。

（1）一級平臺：主要針對重要和關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息管控。

（2）二級平臺：主要針對設(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，并與一級平臺進(jìn)行信息交互。

（3）三級平臺：施工單位主要針對質(zhì)量、進(jìn)度、投資、安全等建立精細(xì)化管理平臺，全面精細(xì)的實(shí)現(xiàn)信息管控。

（4）運(yùn)維信息化平臺：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的基礎(chǔ)上延伸，形成鐵路全生命周期的運(yùn)維管理平臺[8]。

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造信息化技術(shù)

2.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)

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、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)場的實(shí)際梁長、梁縫值、路橋分界里程等實(shí)時數(shù)據(jù)，動態(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。

2.2 軌道板建造信息化技術(shù)

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（見圖4）[9]，對軌道板鋼筋綁扎、模具檢測、預(yù)應(yīng)力張拉、養(yǎng)護(hù)、成品板檢測等全過程管控、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)。“七掃”即7 處可讀卡的階段，通過PDA 和讀寫器對電子芯片進(jìn)行讀取，確認(rèn)“開卡時、入模后、脫模后、入水前、出水后、入庫時、出庫時”各階段軌道板基本信息。“十一控”即為軌道板生產(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)時錄入，實(shí)時共享，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

表1 軌道板生產(chǎn)全過程“十一控”信息化內(nèi)容

2.3 施工鋪設(shè)信息化技術(shù)

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、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、長鋼軌鋪設(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、梁縫值、路橋分界里程等實(shí)測數(shù)據(jù)，對無砟軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行動態(tài)化修正，形成符合現(xiàn)場實(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底座的4 個邊角點(diǎn)進(jìn)行自動放樣定位，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)時傳輸至無砟軌道信息智能化平臺。

（3）根據(jù)底座板放樣點(diǎn)的高程信息，信息智能化平臺可自動計(jì)算出各底座板邊角點(diǎn)混凝土澆筑厚度，現(xiàn)場根據(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、軌道板粗鋪軟件對軌道板4 個邊角點(diǎn)進(jìn)行自動放樣定位，手薄通過全站儀自動獲取放樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)并實(shí)時傳輸至無砟軌道信息智能化平臺。

（5）根據(jù)軌道板粗鋪放樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，信息智能化平臺可自動計(jì)算出底座厚度，對于超限工點(diǎn)平臺可對相關(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)時上傳信息智能化平臺。

（7）根據(jù)軌道板粗鋪和精調(diào)數(shù)據(jù)，信息智能化平臺可智能分析計(jì)算，得出各軌道板自密實(shí)混凝土厚度等，對于超限工點(diǎn)平臺可對相關(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)混凝土前對超限點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。

（8）根據(jù)平臺智能分析，對于現(xiàn)場施工數(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。平臺根據(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)長鋼軌精調(diào)。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 信息一體化平臺構(gòu)建

根據(jù)軌道工程建造管控的要求，建造信息一體化平臺的主要功能包括：

（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、相鄰板錯臺、相鄰板承軌臺）、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)對線下工程復(fù)測、底座板放樣與鋪設(shè)、軌道板鋪設(shè)（粗鋪、精調(diào)、復(fù)測）、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）針對無砟軌道施工過程中資料的實(shí)時記錄并進(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)行時或完成后就能最大限度的實(shí)現(xiàn)管控。

（6）與一級平臺進(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，相對于C/S 架構(gòu)更適用于二級平臺的構(gòu)建。根據(jù)平臺功能需求，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。

3.2 信息交互與智能化裝備、軟件研發(fā)

研發(fā)了便攜式智能測控手薄（見圖6）、軌檢小車信息化裝置、激光點(diǎn)云測量儀等成套裝備，實(shí)現(xiàn)了對全站儀、精調(diào)小車等測量儀器、施工各階段全過程數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳，實(shí)現(xiàn)與軌道信息智能化平臺數(shù)據(jù)的實(shí)時交互。

圖5 軌道工程建造信息一體化平臺B/S 架構(gòu)界面

圖6 便攜式智能測控手薄

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。

（3）軌道施工誤差調(diào)整軟件。通過對施工現(xiàn)場的實(shí)測上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字化成果自動更新，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)和平臺的實(shí)時交互。

3.3 工程應(yīng)用

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實(shí)現(xiàn)了對底座板厚度、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

4 結(jié)論

針對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可分為：國鐵集團(tuán)信息化總平臺（一級平臺）、建設(shè)單位建造管控信息化平臺（建造信息化平臺，二級平臺）、施工單位精細(xì)化施工管控信息化平臺（施工信息化平臺，三級平臺）、鐵路局集團(tuán)公司軌道全壽命周期運(yùn)營維護(hù)平臺（運(yùn)維信息化平臺）。建造信息化平臺主要針對設(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)時準(zhǔn)確上傳；實(shí)時分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)，依托信息化平臺實(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，實(shí)現(xiàn)了軌道施工全過程的信息化。

（4）針對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，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，提升了我國軌道工程建造管理水平。