鐵路軌道工程數智化建造技術研究與實踐

王森榮

（浙江天鐵實業股份有限公司, 浙江 臺州 317200）

0 引言

智能化是鐵路發展的必然方向、是鐵路現代化的標志, 隨著人工智能、大數據、物聯網及BIM技術的發展[1］, 鐵路建造和運維過程融入數字化、信息化和智能化技術, 可極大提升項目質量、效率和管理水平。推進設計、施工和維護的平臺軟件、智能裝備、數據智能分析是當前我國鐵路智能化發展的主要工作。

黨的十九大報告提出“交通強國”戰略, 給鐵路行業轉型升級指明了方向, 我國鐵路“十三五”發展規劃中已提出“大力促進數字化、信息化、智能化鐵路建設”[2］。在政策和需求的引領下, 開展鐵路全生命周期數智化技術應用, 將極大提升我國鐵路建設和運維的現代化管理水平, 進一步保障鐵路的安全運營。

軌道結構直接設置在路基、橋梁和隧道等下部基礎上, 下部基礎的變形直接影響軌道平順性和穩定性, 軌道工程建造質量和精度直接影響高速動車組運營的安全性、舒適性。軌道傳統建設模式是設計以施工圖紙為主進行成果交付, 施工單位按圖施工。目前設計工作已逐漸向數字化和智能化轉變, 依托數字化（BIM）設計成果, 實現數字信息化和智能化產品制造和施工, 但智能建造仍處于起步階段[3］。為了保證高平順和高穩定的建造和運營維護質量, 鐵路軌道工程構建數智化技術是行業發展趨勢, 有利于推動我國鐵路現代化水平的提高。

1 鐵路軌道工程數智化建造實現方式

軌道工程數智化建造路線可按數字化、信息化、智能化分階段實施推進（見圖1）, 最終實現鐵路智慧化運營[4-5］。

圖1 鐵路軌道工程數智化建造實現方式

1.1 數字化

數字化是開展工廠制造、現場施工和運營維護等信息化、智能化的基礎, 軌道工程首先需實現設計、制造、施工和運營維護的數字化, 通過數字化提升工作效率和質量。

（1）設計數字化。設計數字化是基礎, 實現動態、協同和可視化的智能設計是工廠制造、施工鋪設和運營維護數字化的基礎。軌道設計首先需實現設計成果的數字化, 實現將設計成果由傳統施工圖表達轉化為數字成果表達。

基于線路平縱斷面、路隧橋結構布置、軌道結構設計參數等, 對直線段、圓曲線、緩和曲線、豎曲線等不同地段的軌道結構, 對鋼軌、扣件、軌道板、底座等進行計算分析, 在統一編碼體系下, 建立軌道數字設計模型, 形成數字化設計（如BIM）成果。并可進行工程建設精準工程量計算與實物成本計量。

實現軌道工程（包括鋼軌、扣件、軌道板、底座等）的類型、尺寸、坐標等數字化設計, 形成數字化設計文件。數據文件直接指導全站儀、軌檢小車等進行現場施工, 軌道板等工廠化制造, 以及軌道板、底座和鋼軌鋪設。

（2）軌道部件產品制造數字化。軌道部件產品（如軌道板）的制造數字化包括模板測量檢測、鋼筋綁扎、預應力張拉、混凝土澆筑與養護、軌道板成品驗收及生產過程管控等數字化, 制造裝備和儀器數字化是實現產品制造數字化的關鍵。軌道板及模具測量檢測主要采用數字化的全站儀及激光掃描裝備, 鋼筋張拉和混凝土澆筑養護需采用數字化裝備和管控手段。

（3）軌道施工鋪設和裝備數字化。軌道施工鋪設需實現機械化向數字化轉變, 施工裝備的數字化是軌道建造過程信息化和智能化的基礎。軌道施工測量和精調以采用全站儀和軌檢小車為主, 其均為數字化裝備, 在混凝土施工澆筑、軌道板精調、扣件安裝等過程還需加強裝備和管控的數字化。

（4）軌道運維裝備和過程管理數字化。軌道運維需全面實現定期檢測和實時監測的數字化、人工巡檢和視頻照片等數字化管理, 以及運營維護裝備數字化和軌道狀態數字化管理, 為實現軌道運維的信息化和智能化奠定基礎。

1.2 信息化

信息化主要是在數字化基礎上, 依托平臺開展信息交互、實時聯動、信息協同, 提升進度控制、質量控制和成本控制。根據建設、設計、施工、監理、運營維護單位的不同需求, 圍繞建設進度、精度、質量、成本、安全等不同目標, 可建立各等級的信息管控平臺[6］。

（1）中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）鐵路工程管理平臺中的軌道板精調測量管理系統等子系統, 作為信息化總平臺（一級平臺）, 針對重要和關鍵數據實現信息管控, 對各下級平臺實時交互的重點數據進行總體管控。

（2）建設單位建立軌道建造全過程信息化平臺（二級平臺）, 主要對設計、制造、施工等建造全過程進行軌道工程進度、質量、成本、安全等分析和管控, 并與一級平臺進行數據和信息交互。

（3）施工單位建立施工信息化平臺（三級平臺）, 圍繞進度、質量、成本、安全等施工核心建立精細化全面的管控平臺, 實現底層數據庫構建和軌道建造的內部管控。

（4）制造單位建立產品制造管控平臺（四級平臺）, 針對產品原材料、檢測檢驗、各工序生產等建立精細化管理平臺, 全面實現產品制造全過程管控, 實現制造單位的內部管控。

（5）運營維護單位建立軌道運維管控平臺, 作為軌道全生命周期運營維護平臺, 主要面向鐵路運維部門實現軌道運維信息化和智能化管控, 建造全過程信息化平臺作為基礎, 形成鐵路全生命周期的運維管理平臺, 實現運維部門的內部管控, 并與一級平臺進行實時交互。

1.3 智能化

智能化是在數字化和信息化基礎上引入智能感知、智能傳輸、智能分析等技術, 實現軌道工程建造和運營維護的自感知、自決策、自管控。軌道智能化目標和實現方式如下[7］：

（1）智能設計。軌道智能設計關鍵是實現動態化和協同化設計, 設計方案能根據各專業接口變化、工程實施偏差和實際條件變化, 實現設計方案和成果文件的動態設計（如根據實測線路基礎面高程、線下基礎分界里程、長度等實時數據, 動態調整軌道鋪設精調數據, 消除前序過程的施工偏差, 實現動態設計）。并對設計方案進行智能計算分析、碰撞檢查和復核、圖紙生成、工程量計算和概算分析。

軌道工程智能設計需與路基、橋梁、隧道、線路站場、通信信號等各專業開展協同設計, 確保接口數據的實時更新準確, 通過軌道建造信息智能平臺實現各專業、各階段的信息共享和協同。設計成果以數字化、可視化等方式實時動態與智能建造平臺進行交互, 滿足制造和施工需求。

（2）智能制造和施工。建立智能建造平臺, 研發系列智能機械化裝備, 利用智能感知、智能傳輸、智能分析等技術, 實現軌道預制構件工廠化的智能制造、軌道施工鋪設的智能化, 以及質量、精度、進度、安全等數智化管控。

（3）智能運營維護[8］。建立軌道智能運維平臺, 實現軌道工程運營期信息實時傳輸交互、大數據分析、診斷評估、預警預報等功能, 主要包括專項檢測車、沉降評估、狀態監測等數據分析, 實現定期檢測和實時監測相結合的智能運維。

（4）建立智能分析決策系統。建立軌道設計、制造、施工和運維標準庫, 建立結構精度、材料特性、質量控制、軌道狀態等評價數據庫, 建立預警預報數據庫, 建立各類軌道病害及整治預案等, 在智能建造和運維平臺建立自分析、自診斷、自決策智能決策系統, 實現智能分析、預警預報和輔助決策。

2 軌道工程BIM設計

BIM技術具有數字化、可視化、多維化、協同性、模擬性等特點, 貫穿鐵路設計、施工、運營、維護等全生命周期, 多專業協同設計, 多階段無縫銜接, 最大化實現信息交互和共享, 減少建造過程變更設計, 節約資源, 改變傳統的設計建造方式。

鐵路軌道主要由鋼軌、扣件、有砟道床或無砟道床、道岔等組成, 創建集構件三維模型與信息屬性的信息模型, 形成軌道構件庫。創建軌道工程數字模型, 通過構件庫和數字模型, 設置構件與數據間的映射關系, 實現鐵路全線軌道三維數字信息模型, 數字信息模型與三維數字模型相輔相成, 構成軌道信息模型（BIM模型, 見圖2）。

圖2 軌道BIM設計

鐵路軌道BIM設計解決方案主要由兩部分組成, 即創建軌道構件參數化模型和以數據驅動方式沿線路定位組裝構件模型。

（1）依據《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》, 對軌道結構進行分類與編碼。針對道床板、底座等尺寸隨線型、基礎結構變化的零構件, 附加類型參數屬性形成參數化模型, 通過修改長度、寬度、高度、超高角度等參數, 形成同一構件在路基、橋梁、隧道不同線下基礎和直線、曲線不同線型段布置的族模型。

（2）依托《鐵路工程信息模型數據存儲標準》和軌道設計數據標準, 對軌道結構在平面圓曲線、緩和曲線、直線地段, 縱斷面曲線、直線地段及不同路基、橋梁、隧道基礎的工況進行結構分析、專業設計和協同設計, 形成軌道BIM數字模型, 同時結合參數化族模型, 實現構件模型沿線路特性的實例化設置, 實現BIM正向設計。

依據BIM模型生成軌道BIM數字模型, 包含鋼軌、軌枕、軌道板與底座等幾何數據絕對坐標值與相對坐標值、方位角、超高、坡度、配板等。軌道數字模型作為BIM設計的成果之一, 為BIM模型創建、軌道結構制造與施工現場鋪設奠定數據基礎。

3 軌道板制造信息化和智能化

3.1 總體技術方案

軌道板制造采用流水線作業, 集成自動化控制、信息化傳輸、機械化作業于一體, 實現各制造工序的連續、可控。以軌道板內埋入的RFID電子標簽為媒介, 貫通軌道板制造全過程信息, 改變信息碎片式管理模式, 實現快速追溯過程信息, 實現生產信息化管控。實現軌道板混凝土澆筑、養護、預應力張拉等智能控制, 以及管控數據的自動采集和自動分析, 促進工廠對智能設備和工藝的改進。對每塊軌道板自動生成檢驗批、制造技術證明書, 改變手動記錄模式, 提升制板效率及軌道板精度。軌道板制造檢測和驗收、自動張拉、養護等數據, 實現信息共享及信息查詢、歸檔、統計和分析等。建立軌道板信息智能化平臺, 針對實時動態數據實現自分析、自診斷、自評估。

3.2 軌道板制造智能管控平臺

在軌道板制造過程中引入物聯網技術, 軌道板內植入RFID芯片, 建立軌道板全過程生產智能管控平臺[9-10］（見圖3）, 對生產過程中鋼筋制作安裝、模板質量檢驗、預應力鋼筋張拉、拌合站管理、混凝土養護、軌道板驗收等全過程進行管理和追蹤。

圖3 軌道板制造智能管控平臺架構

智能管控平臺根據生產過程上傳信息, 實現智能分析和處理, 以及生產計劃管理、原材料管理、工序流程管控、智能預警等功能。平臺可動態對各生產要素（包括鋼筋、模具、設備和人員信息等）進行管理控制。

生產線主要功能設備由動力電源與機械、計算機控制與電器、電液伺服工作系統、監測檢驗系統等組成。智能管控平臺與軌道板生產流水線實現互聯互通, 自主控制模型清理、預埋件安裝、鋼筋綁扎安裝、張拉桿安裝、預應力筋張拉、模具平面度檢測、鋼筋網絕緣檢測、混凝土澆筑、振動成型與壓花、蒸汽養護、放張預應力、脫模等主要工序。

3.3 軌道板制造主要流程技術管控

軌道板制造全過程工藝流程信息化管控主要包括：計劃與進度、模板精度、混凝土拌合攪拌、鋼筋綁扎、鋼筋入模、預應力鋼筋張拉、混凝土澆筑、軌道板養護、預應力放張與脫模、封錨與水養、緩存與濕養、成品檢試驗等。通過在軌道板智能管控平臺系統實時記錄、實時共享和交互傳輸, 達到制作過程的監控管理。

軌道板預應力鋼筋采用智能同步放張技術, 混凝土澆筑采用自動布料振搗技術, 軌道板靜置、升溫、恒溫、降溫的養護采用自動溫控系統控制等主要核心工序, 其均通過軌道板智能管控平臺實現智能管控。

4 軌道鋪設信息化和智能化

4.1 總體技術方案

軌道鋪設信息化和智能化首先是構建軌道建造全過程的信息智能管控平臺, 以數字化（BIM）設計成果和施工過程數據為核心, 利用數字化設計成果將軌道板工廠制造、安裝鋪設、鋼軌精調等過程與信息管控平臺進行互聯互通, 實現數據和信息實時交互, 對軌道施工全過程進行智能管控, 實現施工過程的監控管理, 從而實現對軌道精度、質量和進度的智能管控（見圖4）。

圖4 軌道工程信息化和智能化建造技術總體方案

軌道工程信息智能管控平臺數據庫主要由設計數字化成果及施工過程數據組成。實現軌道工程建造智能管控關鍵是實現數字化（BIM）設計和施工過程信息的實時交互。構建信息智能管控平臺是實現信息化和智能化的主要手段。

4.2 實現方式

以板式無砟軌道為例, 軌道工程施工過程主要包括：下部基礎測量復核、底座板模板放樣和混凝土澆筑、自密實混凝土灌注、軌道板鋪設精度與復測、長鋼軌鋪設和精調等[11］。結合我國鐵路軌道工程目前的施工工藝, 提出信息化和智能化鋪設主要方案如下：

（1）利用數字化設計成果, 并根據線路基礎面高程、線下基礎分界里程、長度等實測數據, 在建造管控平臺實現動態設計修正, 或采用軌道BIM模型, 動態調整軌道鋪設和精調數據, 使設計數據滿足現場實際工程狀況, 達到軌道結構動態化設計。

（2）根據軌道動態設計成果數據, 對底座板進行放樣。采用信息化手簿和工裝, 手簿與全站儀進行連接, 手簿下載或導入動態設計數據, 利用放樣軟件指揮全站儀對底座板角點進行自動放樣, 同時獲取放樣點的坐標數據通過手簿實時傳輸至平臺。

（3）根據底座板放樣點坐標的高程數據與設計數據進行對比, 可自動得出底座板角點的混凝土澆筑厚度, 從而保證底座板表面高程精度要求。若計算得出的底座板厚度不滿足要求, 則需對下部基礎進行處理, 從而消除前序工程施工偏差。

（4）根據軌道動態設計數據, 對軌道板進行粗鋪。同底座板放樣, 對軌道板角點進行自動放樣, 同時獲取放樣點的坐標數據, 通過手簿實時傳輸至平臺。

（5）根據軌道板放樣點坐標的高程數據與設計數據進行對比, 可自動得出自密實混凝土的澆筑厚度, 若計算得出的自密實混凝土厚度不滿足要求, 則需對底座板進行處理, 從而消除前序工程施工偏差。

（6）粗鋪軌道板后進行精調。采用信息化手薄和工裝, 手簿與全站儀進行連接, 手簿下載或導入動態精調數據, 指揮全站儀進行精調, 精調完成后數據信息通過手簿實時上傳至平臺。

（7）對軌道板粗鋪和精調數據進行分析, 平臺可計算出自密實混凝土厚度, 對于超限點平臺進行預警預報, 在灌注自密實混凝土前進行整治, 消除隱患。

（8）平臺進一步對施工過程數據進行分析, 現場數據均滿足要求后進行自密實混凝土澆筑, 保證軌道結構施工精度。

（9）長鋼軌精調通過精調小車進行, 小車獲取長鋼軌精度數據后上傳平臺進行數據分析, 得出各扣件處調整量（即軌距塊和調高墊板調整數據）, 指導長鋼軌精調。

5 軌道工程建造數智化技術應用實踐

5.1 構建軌道信息智能化平臺

根據無砟軌道設計建造智能化要求, 構建了建造全過程智能管控平臺（建設單位級、二級平臺）, 并與鐵路工程管理平臺（一級平臺）進行信息交互, 實現軌道工程建造質量全面管控。

（1）實現無砟軌道建造全過程精度管控：重點對下部基礎面高程及軌道各結構部件的精度偏差等實現了高精度管控。

（2）實現無砟軌道建造全過程進度管控：重點對路橋隧等線下基礎線路復測、底座板鋪設、軌道板粗鋪和精調、混凝土灌注、鋼軌精調等進行進度管控。

（3）實現預警預報功能, 保障各項工序施工前、施工時和完成后的質量管控。

（4）實現對軌道工程材料的檢驗批、質量驗收等信息化。對無砟軌道建造過程實時記錄和標準化管理, 實現質量追溯。

（5）建立智能專家分析系統, 實現精度、質量、進度等智能分析。為智能統計分析、診斷評估、整治建議等提供智能輔助決策。

5.2 研發系列信息交互裝備和軟件

研發了手簿（與全站儀交互的便攜式智能測控設備）、長鋼軌精調小車信息化裝置（實現小車數據與平臺實時交互）, 以及底座板和軌道板鋪設精調裝備。目前還在研發雙塊式無砟軌道和板式軌道自動精調一體化裝備。研發了設計、制造、鋪設精調等系列軟件。

5.3 工程應用

研發的系列裝備、軟件平臺等系統, 在昌贛、商合杭、黃黃等高鐵進行了全面推廣應用, 取得了良好效果。全線軌道實現了數字化和動態化設計, 軌道板內設置RFID芯片, 在軌道板廠實現了制板全過程的信息管控和主要工序工藝的智能化。

建立了建造信息智能化平臺, 針對昌贛、商合杭高鐵的CRTSⅢ型板式無砟軌道和黃黃高鐵的雙塊式無砟軌道, 初步實現了無砟軌道施工過程的信息化和智能化, 以及軌道建造質量和精度全面管控, 對底座板厚度、自密實混凝土厚度、軌道板精調等進行了重點管控, 消除了施工過程的誤差和隱患, 建立了專家智能分析系統, 實現了智能分析輔助決策。

6 結論與展望

針對鐵路軌道工程數智化建造技術進行研究和探討, 提出軌道數智化應融合計算機互聯網、數據庫、網絡通信、智能感知、數據倉儲、數字測控、物聯網、數據挖掘和海量信息處理顯示等技術, 以數字信息智能分析為基礎構建軌道信息智能平臺, 實現軌道工程設計、制造、施工鋪設和運營維護的信息化和智能化, 得出如下主要結論：

（1）數字化是開展制造、施工和運維等信息化、智能化的基礎, 軌道工程首先需實現設計、制造、施工和運營維護的數字化。信息化主要是在數字化基礎上, 依托平臺開展信息交互、實時聯動、信息協同, 提升進度控制、質量控制和成本控制。根據各單位的不同需求, 可建立不同等級的信息化平臺。智能化是在數字化和信息化的基礎上, 引入智能感知、智能傳輸、智能分析等技術, 實現軌道工程建造和運營維護的自感知、自決策、自管控。

（2）軌道工程建造信息化關鍵是實現數字化和動態化設計, 依托平臺開展信息交互、實時聯動、信息協同, 提升進度控制、質量控制和成本控制, 提升建造質量和效率。

（3）針對CRTSⅢ型板式和雙塊式無砟軌道, 在昌贛、商合杭、黃黃等高鐵實現了軌道設計、制造和施工全過程的數字化、信息化和一體化, 研發了建造成套工藝、軟件裝備和智能化平臺, 實現了軌道工程建造過程的全面監管, 進一步提升了我國軌道工程建造管理水平。

針對軌道工程運維數智化, 后續可從以下3個方面進行研究：

（1）建立鐵路軌道運維信息智能平臺, 構建軌道工務系統內的數據傳輸交互、病害診斷、安全分析評估、預警預報等功能, 面向運維部門實現軌道工程運維的信息化和智能化。

（2）運維信息智能平臺基于上述信息數據, 開展大數據分析、關聯性分析等智能分析、診斷和評估, 建立軌道運維智能專家分析和決策系統, 進行軌道病害及狀態預警預報和及時維護等[12-13］。

（3）開展軌道結構定期檢測和實時監測相結合是實現運維智能化的有效方式。實現智能檢測關鍵是實現對軌道檢測車等檢測大數據進行數據挖掘和智能分析, 實現智能監測關鍵是實現對軌道服役狀態監測數據的智能分析, 在此基礎上對檢測和監測進行關聯分析, 達到對軌道狀態的精準分析[14-15］。