智能建造技术在铁路工程建设中的研究与应用

王可飞，郝蕊，卢文龙，王辉麟

（1.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

0 引言

当前，人工智能正引领着新一轮的科技革命与产业变革，建筑信息模型（BIM）、大数据、物联网、移动互联等新技术陆续涌现，为行业融合、经济发展、社会进步等带来了新的机遇与挑战，现今社会已从信息时代走向智能时代[1]。铁路是综合交通运输体系的骨干和主要交通方式之一[2]，同样面对前所未有的技术创新需求和发展机遇，在此背景下，“智能铁路”的概念应运而生，未来世界范围内高速铁路领域的竞争将在很大程度上取决于数字化和智能化水平[3]。

1 国内外研究及发展状况

全球范围内有关铁路智能建造的研究已全面开启，国外高速铁路逐渐形成了以德国（ICE）、法国（TGV）、日本（新干线）3 个高铁技术原创国为代表的高速铁路智能技术系统。

我国铁路智能建造技术近几年发展势头迅猛，形成了具有中国特色的铁路智能建造技术体系。

1.1 国外发展应用现状

德国在铁路建设过程中努力实现信息化管理，推广应用BIM 技术，提出到2020 年底实现所有项目BIM规划的战略。2014 年，德国铁路迅速发起了全欧洲范围内针对新项目管理系统的招标，决心将5D BIM 技术应用于从项目规划、虚拟建造到施工的建筑全生命流程，选择了iTWO 5D BIM 平台开启数字化变革之路。德国铁路在市场上已经有63 个iTWO 5D BIM 项目，如慕尼黑中央车站、Bahnhof Horrem 车站、科隆ICE（德国城际高铁）工厂、Rastatter 隧道、Filstal 大桥等。

法国作为老牌铁路强国十分重视铁路建设中的信息化、智能化应用。2015 年，法国国家铁路公司提出数字化法铁战略，强调了列车、路网、站房的互联网建设。预期在2031—2040 年为客户建立一个有竞争力、便捷、可持续、与未来运输紧密结合的铁路系统。

日本是第1 个在全国范围内推进建设领域信息化的国家，2010 年其所有公共工程全部实现信息化管理，以工程项目的全生命周期为对象，以工程质量为核心，全部信息实现无纸化，有关各方利用网络进行信息交流，提高现有业务的生产效率，进一步节约投资成本，提高投资效益。JR 东日本铁路公司制定“技术创新中长期规划”，旨在实现安全保障、强化服务和营销、优化运用维护、注重能源和环境等4 方面目标。

1.2 我国发展应用现状

随着高速铁路的快速发展，铁路工程建设取得了显著成绩[4]，我国高铁总体技术水平已进入世界先进行列，部分技术达到世界领先水平，形成了具有中国特色、全面拥有自主知识产权的高铁建设方面成套技术装备和技术体系。我国高铁积极推进铁路建设系统改革，将新一代人工智能制造系统逐步引入到铁路工程建设领域[5]，制定印发《中国铁路总公司关于调整铁路建设系统管理体制和运行机制的通知》，明确界定中国国家铁路集团有限公司与铁路局集团公司、铁路公司之间的关系，整合优化工程质量监督力量，落实铁路建设主体责任。2013年，在充分调研国内外工程建设领域先进管理理念、信息技术和实践的基础上，确立了铁路工程建设信息化总体技术路线：以铁路工程设计、建设、运营全生命周期管理为目标，以标准化管理为抓手，以BIM 技术为核心，建立统一开放的工程信息化平台和应用。

当前，“智能京张”重大项目即将完工，川藏铁路势在必行，马东铁路、中老铁路等更是在世界舞台打造了中国名片，随着新技术在铁路领域的推广，智能高铁建造技术将持续升级换代，不断提高施工的自动化水平和工程建造质量。未来将推动智能化技术在工程建造领域的应用，融合运用BIM、CIM 等现代化技术，打破设计、建造、管理、使用者之间的沟通壁垒[6]，构建全生命周期一体化的智能高铁建设，实现数据共享以及全生命周期的服务和闭环管理[7]。

2 智能建造技术的内涵

2.1 需求分析

面对外部环境的变化及铁路建设高起点、高质量、高标准的自身要求，应用智能建造技术实现融合创新，能够优化管理过程[8]，推进铁路建造过程的精益、智能、高效、创新、绿色、协同发展[9]。

2.1.1 外部需求

新一轮科技变革和产业变革浪潮奔涌，基于互联网、大数据和深度机器学习的人工智能，爆发出推动铁路建设迈向更高层次的巨大能量，因此，加强人工智能与铁路智能建造发展融合，将先进的智能技术如BIM、云计算等与铁路工程建造技术相融是智能技术和铁路发展的必然趋势。此外，我国城镇布局及人口结构变化、社会服务的多样化需求、交通结构优化等，为高铁质量与建设效率带来了新的挑战，促使高速铁路要摒弃传统方式进行智能化建造。

2.1.2 内部需求

截至2018 年底，我国已建成高铁里程超过2.9 万km，铁路工程项目覆盖地区愈加辽阔，铁路建设要求逐渐提升，工程趋于现代化、大型化和复杂化，涉及生态环境敏感、桥隧工程较多、极端气候、灾害频发、基础设施薄弱等问题，传统的铁路工程建设管理模式已无法满足工程需要，应用智能化技术进行铁路工程建设管理十分必要。

2.2 智能建造

智能建造是指面向铁路工程设计、建设、运营全生命周期，以BIM+GIS 技术为核心，广泛应用移动互联、云计算、大数据、物联网、人工智能、北斗导航等新一代技术，与先进的工程建造技术相融合，围绕铁路工程建设信息化建立统一开放生态圈，建立面向铁路工程建设全资产寿命管理的平台应用体系。通过自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习和智能决策等手段，进行工程设计及仿真、工厂化加工、精密测控、自动化安装、动态监测和信息化管理等工程化应用，形成工程建设质量的全生命可追溯闭环管理体系，实现全生命周期一体化管理的新一代智能化高速铁路系统。这里提及的智能建造是针对铁路工程建设领域的概念，其框架体系见图1。

图1 智能建造框架体系

2.3 关键技术预测

智能技术在铁路建造中的应用依托卫星、雷达等载体，借助三维图形技术、互联网技术、物联网技术等，深化优化既有技术，不断突破技术极限，具化简化传统作业方式，促进工程建造信息资源的整合共享和统一服务管理，未来关键技术预测如下：

（1）基于雷达的深层地质探测。在地形条件差和地质构造复杂的地区，探索基于雷达的复杂地质地貌地区下自动化提取，记录沿线地形、地质、水文、气象、地震等环境信息的方法；结合矿物特有的几何特征进行“刷脸识别”等。

（2）遥感大数据智能解译。基于天地一体化的空间信息网络，对海量、多源、异构数据进行大数据模型驱动和大数据智能分析。通过获取的多层次、多角度、多谱段、多时相的遥感观测数据，快速检测提取，融合深度学习算法，实现勘察区域自动数据分类。基于大数据的智能解译，在海量数据中快速、准确地提取出地质、水文信息等，为勘察设计提供基础参考数据，为施工等提供数据依据。

（3）智能化工程勘测设计数据库。通过建立“工程勘测设计数据库”，完善铁路勘测设计“一体化、 智能化”的应用模式；将钻探成果数字化，实现数据共享；建立专家经验知识数据库、钻井分析中心数据库等；参照专家知识，节约人力物力成本，减少勘测风险。

（4）自动化智能勘察选线。综合应用线路设计、人工智能、最优化、地理信息系统等理论方法，通过模拟人类自动完成状态感知（地形、地质等环境信息的自动提取）、实时分析（空间线位的自动搜索、分析、计算）、自主决策（方案比选评价）、精准执行（输出设计成果），实现计算机自动进行铁路三维空间线路搜索和结构物协调布设，生成满足各种约束条件且目标函数最优的线路方案，以代替人为勘察选线工作。

（5）基于BIM 的协同设计。依托网络实现铁路工程多专业间协同设计，实现施工过程模拟仿真，使设计过程更加立体化、形象化，及时发现施工进程中的相互链接以及管理中的质量、安全等方面存在的隐患，优化工艺布置，可极大提高设计质量和水平、减少设计返工、提高工作效率。

（6）基于BIM 的数字化施工。通过将信息封装在BIM 模型，随着施工过程推进，实时增减信息量，在信息产生源头采集—传输—分析—应用—反馈这一信息流的大闭环过程中，依托BIM 模型的流转，使施工过程可视化、信息透明化。数字化施工将拓展管理维度，从二维到三维、四维、五维，是智能建造发展的必然方向。

（7）可视化运维。在未来的发展中，运维领域的BIM 技术运用成为一个重要方向和趋势，可视化运维将围绕设备管理、安防管理、健康监测、应急管理、能耗管理等开展。

3 应用实践

围绕当前铁路建设新需求，努力在智能建造的理论、方法、工具、系统、实践等方面取得新的颠覆性突破，探索中国特色智能建造模式。

3.1 铁路工程管理系统

铁路工程管理系统是智能建造技术在铁路工程建设应用中一项代表性产物，它集成铁路工程建设不同阶段、不同环节、不同任务间的所有信息，打通传统管理模式信息壁垒，保障铁路建设全生命周期的信息完整、高效、快速地传递。

中国国家铁路集团有限公司对铁路工程建造管理进行了实践与探索，确立了铁路工程建设信息化总体规划，并初步建立全国铁路统一开放的工程信息化体系即铁路工程管理体系（见图2）。该体系以BIM 技术为核心，将建设过程中的BIM 数据、GIS 数据、基础数据及其他数据进行采集、处理、整合、应用、展示，建设形成了“1门户、3平台、6体系” 模式。实现全面承载勘察设计信息、建设数据的自动采集和信息互联、参建各方协同管理和辅助决策、建设质量的可追溯闭环管理体系的功能，在综合、进度、材料、质量、安全、投资6大方面进行数字化、智能化管理，为智能建造技术在铁路工程建设管理的应用提供了良好途径。

截至目前，铁路工程管理系统全路共计部署了上百个项目，覆盖了全路所有的新建及在建项目，形成了数字郑万、智能京张、智能京雄的标杆项目。

图2 铁路工程管理体系框架

3.2 应用案例：智能京张

京张高速铁路是我国“八纵八横”高铁网的重要组成部分，项目确立了“建设以BIM 技术为核心、结合三维GIS、物联网、云计算、倾斜摄影等新技术，以‘三站三隧’（清河站、八达岭站、张家口南站；清华园隧道、八达岭隧道和正盘台隧道）为牵引，开展全线全专业BIM 设计，探索铁路工程全生命周期管理新模式”的目标，形成了“智能京张”的智能管理新模式, 达到提升作业协同效率、降低工程安全风险、提高工程质量和节省施工成本的目标[10]。

3.2.1 三维可视化关键技术

研发了GIS 综合可视化平台，基于无人机倾斜摄影在京张全线建立三维场景电子沙盘。通过快速建模建立全线LOD300 BIM 模型，全线1 ∶2 000 的地模地形数据在部分重点地段达到1 ∶500 精度，实现不同比例尺数据集成融合，全线宏观进度、安全质量等的展示，项目参与者可以在全线结构物三维模型和重点工程进行漫游，了解集成的施工进度、工程影像等质量安全信息。

对基于WebGL 的自主化图形引擎进行研发，实现BIM 模型无插件的浏览器访问方式；几何信息和属性信息分离独立存储，属性信息的快速检索；几何信息和属性信息联动检索，并在三站三隧进行实践应用，进一步完善优化。

3.2.2 单元化数字建造与管控

通过创建建造单元编码体系以及表达规范，建立统一的数据接口及标准，实现各专业、业务的互联互通和数据共享，实现工程实体和设备的单元化、规范化管理。通过工程影像、电子施工日志、泛感知传输、工点级管理平台，形成铁路全专业、全周期、全环节的数据无损、高效传递、存储和共享，确保施工要素和关键环节留痕留档，规范施工行为，保障施工建设质量，形成项目数字孪生体系，支撑工程建设智能化。

构建铁路建造协同管理平台，实现项目管理应用以及未来可扩展的建设管理和监督管理应用，提升铁路工程的规划设计、工程建设和信息共享能力。通过“平台+应用”的方式，强化工程建设质量源头控制，优化工程建设质量管理应用，提升安全管理、进度管理、投资管理等信息化应用能力，深化工程调度指挥应用，实现信息的及时传递。根据BIM 模型直观展示、推演施工组织设计以及关联施工进度计划、施工方案、资源配置等，实现对施工组织设计的计划编制、进度管理、资源管理和风险管控。

3.2.3 面向全生命周期的数字化交付

面向设计—施工—运营的铁路工程全生命周期，建立资源、数据、信息和工序的仿真模拟，融合全过程、全要素，开展二三维一体化的设计竣工交付，推行3 阶段2 交付模式，实现贯穿全生命周期数据的无缝连接。在施工图设计交付中应用BIM 技术，将数据与BIM 协同系统同步、挂接、集成，将传统模式下二维图纸、文档等交付与三维BIM 数据相结合，进行资料归档管理并建立关联关系，使数据自动解析和提取并完成结构化存储，实现数模分离，形成二三维一体化设计交付模式。在竣工阶段，将在设计施工中形成的资料与BIM 模型集成，并从建设管理平台移交到运维管理平台，形成运维管理数据库，形成铁路建造全过程的数字化产品。

3.2.4 隧道BIM 深化应用

依托京张高铁“清华园、八达岭和正盘台”三隧，研发站前隧道工程BIM 建设管理和施工管理系统，实现隧道工程进度、安全、质量等信息的三维可视化、精细化、数字化管理和共享。通过八达岭隧道BIM 应用，实现单个工作面工序循环、分包商的精细管理和三维算量及5D 模拟。通过清华园隧道BIM 应用，实现基于BIM的盾构隧道工程管片生产拼装质量、盾构远程监控、基坑及周边环境风险监控、隧道施工进度管理等。通过正盘台隧道BIM 应用，实现基于三维扫描的隧道断面质量分析、关键工序作业优化和隧道围岩量测监控（见图3）。

3.2.5 站房BIM 深化应用

依托京张高铁“三站”，以清河站为主，研发站房工程BIM 建管系统施工管理系统，围绕站房工程BIM 深化应用（见图4）、WBS 示范规范、施工组织管理、安全风险监控、质量问题追溯、智能环保监测、现场采集APP等形成精品工程、智能管理、过程管理、现场管理、综合管理5 大板块40多个应用模块等信息的管理和共享。

图3 隧道BIM 深化应用

图4 站房BIM 应用

4 结束语

中国铁路拥有目前世界上先进成熟可靠的高铁技术，高铁工程建设与BIM 等新技术的融合，构建电子虚拟仿真平台，将地理信息、构筑物信息的虚拟场景及其他元数据等集成，探索了适合中国高铁建设的智能化应用模式，形成了中国特色的铁路工程管理系统。

未来随着时代发展，智能建造技术将在原有基础上继续扩大其广度与深度，加快智能高铁科研攻关，实现全生命周期建造过程的自动化、数字化、智能化，推进智能建造技术应用向纵深发展，强化智能辅助作业，加强对多元信息分析整合，提高铁路建造智能决策水平。在深入把握新一代智能建造发展的特点后，围绕当前铁路建设新需求，努力在智能建造的理论、方法、工具、系统、实践等方面取得新的颠覆性突破，在工程建设中和应用中发挥铁路建造智能作用，提高全要素生产率，确保我国在铁路智能建造中走在前面、关键核心技术占领制高点，让中国高铁持续领跑世界。