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作者：

王森榮，浙江天鐵實(shí)業(yè)股份有限公司

0 引言

智能化是鐵路發(fā)展的必然方向、是鐵路現(xiàn)代化的標(biāo)志，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及BIM技術(shù)的發(fā)展，鐵路建造和運(yùn)維過程融入數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)，可極大提升項(xiàng)目質(zhì)量、效率和管理水平。推進(jìn)設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的平臺(tái)軟件、智能裝備、數(shù)據(jù)智能分析是當(dāng)前我國鐵路智能化發(fā)展的主要工作。

軌道結(jié)構(gòu)直接設(shè)置在路基、橋梁和隧道等下部基礎(chǔ)上，下部基礎(chǔ)的變形直接影響軌道平順性和穩(wěn)定性，軌道工程建造質(zhì)量和精度直接影響高速動(dòng)車組運(yùn)營的安全性、舒適性。軌道傳統(tǒng)建設(shè)模式是設(shè)計(jì)以施工圖紙為主進(jìn)行成果交付，施工單位按圖施工。目前設(shè)計(jì)工作已逐漸向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)變，依托數(shù)字化（BIM）設(shè)計(jì)成果，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息化和智能化產(chǎn)品制造和施工，但智能建造仍處于起步階段。為了保證高平順和高穩(wěn)定的建造和運(yùn)營維護(hù)質(zhì)量，鐵路軌道工程構(gòu)建數(shù)智化技術(shù)是行業(yè)發(fā)展趨勢，有利于推動(dòng)我國鐵路現(xiàn)代化水平的提高。

1 鐵路軌道工程數(shù)智化建造實(shí)現(xiàn)方式

軌道工程數(shù)智化建造路線可按數(shù)字化、信息化、智能化分階段實(shí)施推進(jìn)（見圖1），最終實(shí)現(xiàn)鐵路智慧化運(yùn)營。

1.1 數(shù)字化

數(shù)字化是開展工廠制造、現(xiàn)場施工和運(yùn)營維護(hù)等信息化、智能化的基礎(chǔ)，軌道工程首先需實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)營維護(hù)的數(shù)字化，通過數(shù)字化提升工作效率和質(zhì)量。

（1）設(shè)計(jì)數(shù)字化。設(shè)計(jì)數(shù)字化是基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、協(xié)同和可視化的智能設(shè)計(jì)是工廠制造、施工鋪設(shè)和運(yùn)營維護(hù)數(shù)字化的基礎(chǔ)。

（2）軌道部件產(chǎn)品制造數(shù)字化。軌道部件產(chǎn)品（如軌道板）的制造數(shù)字化包括模板測量檢測、鋼筋綁扎、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)、軌道板成品驗(yàn)收及生產(chǎn)過程管控等數(shù)字化，制造裝備和儀器數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造數(shù)字化的關(guān)鍵。

（3）軌道施工鋪設(shè)和裝備數(shù)字化。軌道施工鋪設(shè)需實(shí)現(xiàn)機(jī)械化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，施工裝備的數(shù)字化是軌道建造過程信息化和智能化的基礎(chǔ)。

（4）軌道運(yùn)維裝備和過程管理數(shù)字化。軌道運(yùn)維需全面實(shí)現(xiàn)定期檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)字化、人工巡檢和視頻照片等數(shù)字化管理，以及運(yùn)營維護(hù)裝備數(shù)字化和軌道狀態(tài)數(shù)字化管理，為實(shí)現(xiàn)軌道運(yùn)維的信息化和智能化奠定基礎(chǔ)。

1.2 信息化

信息化主要是在數(shù)字化基礎(chǔ)上，依托平臺(tái)開展信息交互、實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、信息協(xié)同，提升進(jìn)度控制、質(zhì)量控制和成本控制。根據(jù)建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、運(yùn)營維護(hù)單位的不同需求，圍繞建設(shè)進(jìn)度、精度、質(zhì)量、成本、安全等不同目標(biāo)，可建立各等級(jí)的信息管控平臺(tái)：

（1）中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱國鐵集團(tuán)）鐵路工程管理平臺(tái)中的軌道板精調(diào)測量管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)，作為信息化總平臺(tái)（一級(jí)平臺(tái)）。

（2）建設(shè)單位建立軌道建造全過程信息化平臺(tái)（二級(jí)平臺(tái)）。

（3）施工單位建立施工信息化平臺(tái)（三級(jí)平臺(tái)）。

（4）制造單位建立產(chǎn)品制造管控平臺(tái)（四級(jí)平臺(tái)）。

（5）運(yùn)營維護(hù)單位建立軌道運(yùn)維管控平臺(tái)。

1.3 智能化

智能化是在數(shù)字化和信息化基礎(chǔ)上引入智能感知、智能傳輸、智能分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌道工程建造和運(yùn)營維護(hù)的自感知、自決策、自管控。軌道智能化目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方式如下：

（1）智能設(shè)計(jì)。

（2）智能制造和施工。

（3）智能運(yùn)營維護(hù)。

（4）建立智能分析決策系統(tǒng)。

2 軌道工程BIM設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)具有數(shù)字化、可視化、多維化、協(xié)同性、模擬性等特點(diǎn)，貫穿鐵路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維護(hù)等全生命周期，多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，多階段無縫銜接，最大化實(shí)現(xiàn)信息交互和共享，減少建造過程變更設(shè)計(jì)，節(jié)約資源，改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chuàng)建集構(gòu)件三維模型與信息屬性的信息模型，形成軌道構(gòu)件庫。創(chuàng)建軌道工程數(shù)字模型，通過構(gòu)件庫和數(shù)字模型，設(shè)置構(gòu)件與數(shù)據(jù)間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鐵路全線軌道三維數(shù)字信息模型，數(shù)字信息模型與三維數(shù)字模型相輔相成，構(gòu)成軌道信息模型（BIM模型，見圖2）。

3 軌道板制造信息化和智能化

3.1 總體技術(shù)方案

軌道板制造采用流水線作業(yè)，集成自動(dòng)化控制、信息化傳輸、機(jī)械化作業(yè)于一體，實(shí)現(xiàn)各制造工序的連續(xù)、可控。以軌道板內(nèi)埋入的RFID電子標(biāo)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(shí)現(xiàn)快速追溯過程信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息化管控。實(shí)現(xiàn)軌道板混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力張拉等智能控制，以及管控?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)采集和自動(dòng)分析，促進(jìn)工廠對(duì)智能設(shè)備和工藝的改進(jìn)。對(duì)每塊軌道板自動(dòng)生成檢驗(yàn)批、制造技術(shù)證明書，改變手動(dòng)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(yàn)收、自動(dòng)張拉、養(yǎng)護(hù)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享及信息查詢、歸檔、統(tǒng)計(jì)和分析等。建立軌道板信息智能化平臺(tái)，針對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自分析、自診斷、自評(píng)估。

3.2 軌道板制造智能管控平臺(tái)?

在軌道板制造過程中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，軌道板內(nèi)植入RFID芯片，建立軌道板全過程生產(chǎn)智能管控平臺(tái)（見圖3），對(duì)生產(chǎn)過程中鋼筋制作安裝、模板質(zhì)量檢驗(yàn)、預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉、拌合站管理、混凝土養(yǎng)護(hù)、軌道板驗(yàn)收等全過程進(jìn)行管理和追蹤。

3.3 軌道板制造主要流程技術(shù)管控

軌道板制造全過程工藝流程信息化管控主要包括：計(jì)劃與進(jìn)度、模板精度、混凝土拌合攪拌、鋼筋綁扎、鋼筋入模、預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉、混凝土澆筑、軌道板養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力放張與脫模、封錨與水養(yǎng)、緩存與濕養(yǎng)、成品檢試驗(yàn)等。通過在軌道板智能管控平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)共享和交互傳輸，達(dá)到制作過程的監(jiān)控管理。

4 軌道鋪設(shè)信息化和智能化

4.1 總體技術(shù)方案

軌道鋪設(shè)信息化和智能化首先是構(gòu)建軌道建造全過程的信息智能管控平臺(tái)，以數(shù)字化（BIM）設(shè)計(jì)成果和施工過程數(shù)據(jù)為核心，利用數(shù)字化設(shè)計(jì)成果將軌道板工廠制造、安裝鋪設(shè)、鋼軌精調(diào)等過程與信息管控平臺(tái)進(jìn)行互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息實(shí)時(shí)交互，對(duì)軌道施工全過程進(jìn)行智能管控，實(shí)現(xiàn)施工過程的監(jiān)控管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道精度、質(zhì)量和進(jìn)度的智能管控（見圖4）。

4.2 實(shí)現(xiàn)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(chǔ)測量復(fù)核、底座板模板放樣和混凝土澆筑、自密實(shí)混凝土灌注、軌道板鋪設(shè)精度與復(fù)測、長鋼軌鋪設(shè)和精調(diào)等。結(jié)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(shè)主要方案如下：

（1）利用數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，并根據(jù)線路基礎(chǔ)面高程、線下基礎(chǔ)分界里程、長度等實(shí)測數(shù)據(jù)，在建造管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)修正。

（2）根據(jù)軌道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)，對(duì)底座板進(jìn)行放樣。

（3）根據(jù)底座板放樣點(diǎn)坐標(biāo)的高程數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可自動(dòng)得出底座板角點(diǎn)的混凝土澆筑厚度，從而保證底座板表面高程精度要求。

（4）根據(jù)軌道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)軌道板進(jìn)行粗鋪。同底座板放樣，對(duì)軌道板角點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)放樣，同時(shí)獲取放樣點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過手簿實(shí)時(shí)傳輸至平臺(tái)。

（5）根據(jù)軌道板放樣點(diǎn)坐標(biāo)的高程數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可自動(dòng)得出自密實(shí)混凝土的澆筑厚度。

（6）粗鋪軌道板后進(jìn)行精調(diào)。

（7）對(duì)軌道板粗鋪和精調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，平臺(tái)可計(jì)算出自密實(shí)混凝土厚度，對(duì)于超限點(diǎn)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，在灌注自密實(shí)混凝土前進(jìn)行整治，消除隱患。

（8）平臺(tái)進(jìn)一步對(duì)施工過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，現(xiàn)場數(shù)據(jù)均滿足要求后進(jìn)行自密實(shí)混凝土澆筑，保證軌道結(jié)構(gòu)施工精度。

（9）長鋼軌精調(diào)通過精調(diào)小車進(jìn)行，小車獲取長鋼軌精度數(shù)據(jù)后上傳平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出各扣件處調(diào)整量（即軌距塊和調(diào)高墊板調(diào)整數(shù)據(jù)），指導(dǎo)長鋼軌精調(diào)。

5 軌道工程建造數(shù)智化技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

5.1 構(gòu)建軌道信息智能化平臺(tái)

根據(jù)無砟軌道設(shè)計(jì)建造智能化要求，構(gòu)建了建造全過程智能管控平臺(tái)（建設(shè)單位級(jí)、二級(jí)平臺(tái)），并與鐵路工程管理平臺(tái)（一級(jí)平臺(tái)）進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)軌道工程建造質(zhì)量全面管控。

（1）實(shí)現(xiàn)無砟軌道建造全過程精度管控：重點(diǎn)對(duì)下部基礎(chǔ)面高程及軌道各結(jié)構(gòu)部件的精度偏差等實(shí)現(xiàn)了高精度管控。

（2）實(shí)現(xiàn)無砟軌道建造全過程進(jìn)度管控：重點(diǎn)對(duì)路橋隧等線下基礎(chǔ)線路復(fù)測、底座板鋪設(shè)、軌道板粗鋪和精調(diào)、混凝土灌注、鋼軌精調(diào)等進(jìn)行進(jìn)度管控。

（3）實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)報(bào)功能，保障各項(xiàng)工序施工前、施工時(shí)和完成后的質(zhì)量管控。

（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道工程材料的檢驗(yàn)批、質(zhì)量驗(yàn)收等信息化。對(duì)無砟軌道建造過程實(shí)時(shí)記錄和標(biāo)準(zhǔn)化管理，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯。

（5）建立智能專家分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精度、質(zhì)量、進(jìn)度等智能分析。為智能統(tǒng)計(jì)分析、診斷評(píng)估、整治建議等提供智能輔助決策。

5.2 研發(fā)系列信息交互裝備和軟件

研發(fā)了手簿（與全站儀交互的便攜式智能測控設(shè)備）、長鋼軌精調(diào)小車信息化裝置（實(shí)現(xiàn)小車數(shù)據(jù)與平臺(tái)實(shí)時(shí)交互），以及底座板和軌道板鋪設(shè)精調(diào)裝備。目前還在研發(fā)雙塊式無砟軌道和板式軌道自動(dòng)精調(diào)一體化裝備。研發(fā)了設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)精調(diào)等系列軟件。

5.3 工程應(yīng)用

研發(fā)的系列裝備、軟件平臺(tái)等系統(tǒng)，在昌贛、商合杭、黃黃等高鐵進(jìn)行了全面推廣應(yīng)用，取得了良好效果。全線軌道實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，軌道板內(nèi)設(shè)置RFID芯片，在軌道板廠實(shí)現(xiàn)了制板全過程的信息管控和主要工序工藝的智能化。

6 結(jié)論與展望

針對(duì)鐵路軌道工程數(shù)智化建造技術(shù)進(jìn)行研究和探討，提出軌道數(shù)智化應(yīng)融合計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信、智能感知、數(shù)據(jù)倉儲(chǔ)、數(shù)字測控、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘和海量信息處理顯示等技術(shù)，以數(shù)字信息智能分析為基礎(chǔ)構(gòu)建軌道信息智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)軌道工程設(shè)計(jì)、制造、施工鋪設(shè)和運(yùn)營維護(hù)的信息化和智能化，得出如下主要結(jié)論：

（1）數(shù)字化是開展制造、施工和運(yùn)維等信息化、智能化的基礎(chǔ)，軌道工程首先需實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)營維護(hù)的數(shù)字化。信息化主要是在數(shù)字化基礎(chǔ)上，依托平臺(tái)開展信息交互、實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、信息協(xié)同，提升進(jìn)度控制、質(zhì)量控制和成本控制。根據(jù)各單位的不同需求，可建立不同等級(jí)的信息化平臺(tái)。智能化是在數(shù)字化和信息化的基礎(chǔ)上，引入智能感知、智能傳輸、智能分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌道工程建造和運(yùn)營維護(hù)的自感知、自決策、自管控。

（2）軌道工程建造信息化關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，依托平臺(tái)開展信息交互、實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、信息協(xié)同，提升進(jìn)度控制、質(zhì)量控制和成本控制，提升建造質(zhì)量和效率。

（3）針對(duì)CRTSⅢ型板式和雙塊式無砟軌道，在昌贛、商合杭、黃黃等高鐵實(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，研發(fā)了建造成套工藝、軟件裝備和智能化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了軌道工程建造過程的全面監(jiān)管，進(jìn)一步提升了我國軌道工程建造管理水平。

針對(duì)軌道工程運(yùn)維數(shù)智化，后續(xù)可從以下3個(gè)方面進(jìn)行研究：

（1）建立鐵路軌道運(yùn)維信息智能平臺(tái)，構(gòu)建軌道工務(wù)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸交互、病害診斷、安全分析評(píng)估、預(yù)警預(yù)報(bào)等功能，面向運(yùn)維部門實(shí)現(xiàn)軌道工程運(yùn)維的信息化和智能化。

（2）運(yùn)維信息智能平臺(tái)基于上述信息數(shù)據(jù)，開展大數(shù)據(jù)分析、關(guān)聯(lián)性分析等智能分析、診斷和評(píng)估，建立軌道運(yùn)維智能專家分析和決策系統(tǒng)，進(jìn)行軌道病害及狀態(tài)預(yù)警預(yù)報(bào)和及時(shí)維護(hù)等。

（3）開展軌道結(jié)構(gòu)定期檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)測相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)運(yùn)維智能化的有效方式。實(shí)現(xiàn)智能檢測關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道檢測車等檢測大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和智能分析，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道服役狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)檢測和監(jiān)測進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，達(dá)到對(duì)軌道狀態(tài)的精準(zhǔn)分析。

來源：《中國鐵路》編輯部