铁路路基工程信息化技术

蔡德钩 朱宏伟 叶阳升 陈锋 张千里 李超

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

中国高速铁路从无到有，从落后到领先，从引进国外技术到制定中国标准，实现了跨越式发展。中国高速铁路经历了技术准备、工程试验及大规模建设阶段，2017年以“智能京张”建设为起点，以“复兴号”在京沪高速铁路按350 km/h运营为标志，正式进入了智能高速铁路的发展新阶段［1］。智能高速铁路采用云计算、物联网、大数据、北斗定位、下一代移动通信、人工智能等先进技术，通过新一代信息技术与高速铁路技术的集成融合，实现高速铁路智能建造、智能装备和智能运营技术水平全面提升［2］。

信息化技术是高速铁路智能建造的基础，在铁路工程项目建设管理全生命周期中如何妥善利用信息化技术提供复合工程项目建设管理需求的信息化成套解决方案是亟需解决的问题［3］。通过植入信息化的理念开展高速铁路各项工程关键技术的研究，施行工程建设信息的集成、传递与共享［4］，从而实现信息化对铁路工程项目建设进度、质量、成本和安全实施全方位、全过程的有效控制［5-6］，是信息化技术推广的意义所在。

在此背景下，为深入贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，聚焦交通强国、铁路先行，围绕“三个世界领先、三个进一步提升”，铁路部门大力推动铁路工程建设信息化，形成了贯穿路基施工全过程信息化建设方案，实现了对路基施工全过程的信息化管理和施工质量的全面控制。

1 路基施工管理信息化

信息化管理在路基建设中的推广是由点及面的，优先对隐蔽工程、质量管控的重点环节开展信息化建设。目前已投入应用并发挥显著成效的信息化系统主要包括桩基施工管理系统、填料生产管理系统和路基智能填筑指挥系统。

1.1 桩基施工管理系统

1.1.1 系统功能

桩基础属于隐蔽工程，其施工质量控制的关键环节在于有效的过程监管。以往的桩基施工采用人工记录、监理抽检旁站的方式进行监管，施工完成后采用桩身完整性检测、地基承载力试验等方式抽样检测成桩质量，其客观性、准确性存在不足，且质量检测试验费时费力、难以大量开展，导致监管桩基施工过程存在困难。桩基施工管理系统对桩长、桩位、桩身垂直度等重要施工参数进行同步监测，并即时记录，使桩基施工的每一环节有迹可循，为高速铁路桩基施工质量管理和进度考核提供真实可靠的凭据［7］。

1.1.2 技术方案

桩基施工管理系统采用北斗定位、自动监测、物联网相结合的硬件方案，实现对施工过程关键参数的自动监测和信息化管理，其硬件组成见图1。

1）施工放样引导。采用北斗定位技术，通过导入施工坐标对钻杆进行就位引导。通过增设地面基站，平面定位精度可达1.5～2.0 cm，高程定位精度可达3.0～5.0 cm。在地面基站的辅助下，通过在钻杆、钻机底座分别布设1台卫星定位移动接收站，实现钻机移位引导的功能。

图1 桩基施工管理系统硬件组成

2）钻孔深度、提钻速率监测。钻孔深度是桩基施工的关键参数，也是施工中最难以控制的工艺参数。利用北斗定位技术，通过布设移动接收机监测钻头的高程变化，实现对钻孔深度、提钻速率的监测，监测精度满足现场施工需求。

3）桩身倾斜度监测。桩身倾斜度采用倾角传感器进行监测，将传感器固定安装在钻杆上，通过控制器接口将数据传输到数据处理器，可以将钻杆姿态数据实时显示在控制终端上。

4）终孔电流判断。电流监测采用电流传感器，基于交流电引起的传感线圈的电磁感应变化来反映电流的大小变化。经过多次试验，最终结合钻孔深度监测数据确立终孔电流的判断准则。

1.1.3 工程应用

目前桩基施工管理系统已在郑万、京张、京雄、贵南等多条线路应用，累计完成数千根桩的施工监测。系统在高温、扬尘、振动环境下工作性能良好，实现数字放样，节省施工时间，提高放样精度（图2）；可自动统计施工区段内的工程量；可自动记录桩长，实时监测桩身垂直度及提钻速率；可实时监测钻机电流变化，反映地质情况。应用情况表明，系统在监测数据准确性、系统稳定性等方面均达到设计目标。

图2 使用系统前后打桩效果对比

1.2 填料生产管理系统

1.2.1 系统功能

路基填料须经历料源地、堆料场、填料拌和站、施工现场等主要场地，具有体量庞大、周转频繁的特点。目前路基填料是在各个场地分别管理，仅有少量信息通过人工记录进行流通，且各个场地操作不够简便，影响效率。

填料生产管理系统通过对数据多渠道采集和信息流通环节优化，实现对填料从料源地、中转地至施工现场的全过程追踪，实现对质检、验收信息的及时查询，不仅为施工单位填料调度提供最新最全的数据，而且通过对填料生产、质检、运转和验收的全过程信息化管理，提高现场管理效率。

1.2.2 技术方案

填料生产管理系统包括综合管理端、质检APP、车载APP和综合查询APP，四部分之间通过网络通信连接。

1）综合管理端用以实现项目基础数据配置、用户权限分配、填料生产过程质量数据管理、生产过程数据统计分析和报表生成功能。

2）质检APP用以实现原料调查管理、进料管理、质检管理、拌和站配置质量实时监控和运料统计台账功能。

3）车载APP用以实现装料地点、卸料地点、时间操作记录、拍照上传、填料类型选择、方量、备注信息录入、实时记录车辆位置和行驶速度功能。

4）综合查询APP用以对车辆、运料、质检和拌和站的质量数据进行统计分析，并输出统计结果。

1.2.3 工程应用

路基填料生产管理系统在牡佳、京雄城际铁路等项目建设中进行了应用，见图3—图5。应用情况表明，系统实现了对填料运输过程的追溯与管理、对填料库存与调配的掌上管理及对填料质检报告的查阅，满足施工方对填料生产及质量的管理需求，实现数字放样，节省施工时间，提高放样精度。

1.3 路基智能填筑指挥系统

1.3.1 系统功能

传统的路基分层碾压施工中，各环节信息流不顺畅，流转环节多，部分信息重复性输入；施工指令的下达依赖手机通讯，单线联系且耗费时间、精力；信息反馈滞后，施工条件经常变化，突发情况人机料调整费时费力；信息采集不完整，尚未实现整个施工流程的信息化管理。

图3 司机接受填料运输派单

图4 填料运输路径追踪

图5 接料员对填料进行验收

通过开发路基智能填筑指挥系统，可实现以下几方面主要功能：全过程施工管理信息化与作业标准化，施工组织形象化与动态化，数字化与智能化施工支持。

1.3.2 技术方案

路基智能填筑指挥系统基于BIM、北斗定位、图像识别、物联网等技术，确保基础数据和历史数据的完整，以及施工数据的及时采集，全面掌握施工现场生成信息，实现施工生产的信息化、智能化管控。基于路基全过程施工过程数据量大、数据格式多样、安全性要求高等特点，采用图6的结构设计。

1.3.3 工程应用

图6 系统架构

路基智能填筑指挥系统在京雄城际铁路全线路基工程中全面应用，实现了填料运输动态管理，对自动摊铺引导、自动精平控制、无人驾驶碾压、边坡整形自动引导等数字化施工设备的调度、数据采集与展示，以及路基质量连续检测、填料级配与含水率自动检测的信息化管理。系统高效衔接各个工序，提高工作效率，见图7—图9。

图7 BIM模型动态展示施工质量进度及车辆实时调度

图8 工序任务下达及工程量自动统计

图9 路径规划进行无人压路机驾驶及压实质量连续检测

2 路基质量检测信息化

质量检测是工程质量验收的重要环节，传统的质量检测手段多依赖人工检测，存在客观性不足、耗时耗力、质量信息反馈不及时等缺点。路基质量检测信息化采用最先进的技术手段，结合移动互联技术实现对填料含水率、填料级配和压实质量等项目的自动化检测与信息化管理。

2.1 填料含水率检测系统

2.1.1 系统功能

目前铁路路基填料含水率测试主要采用烘干法，测试结果虽较为准确，但耗时耗力，且测试点较少。填料含水率检测系统通过在压路机上安装含水率实时检测装置，实现填料含水率随车实时检测，可以覆盖整个作业面，且省时省力，有利于填料质量的整体控制。

2.1.2 技术方案

填料含水率检测系统通过在压路机碾轮上布置电极，构建基于范德堡法及Wenner法的路基电阻率测试装置与方法；结合室内试验确定合理的电极布置形式、电极材料及电路设计等，并标定电阻率与含水率之间的耦合关系；通过对电阻率的实时测试，实现施工过程路基填料含水率的全面检测［8］，见图10。

2.1.3 试点应用

目前填料含水率检测系统已进行了试点应用，图11是试验工点降雨前后采集含水率的变化曲线。通过与常规含水率测试的对比，该系统测试数据变化规律与常规试验较为符合，测试真值与常规试验相比误差较小，表明该系统对水分变化敏感程度高，能真实、连续反映现场填料的含水率变化情况。

图10 填料含水率检测技术方案

图11 降雨前后含水率测试值与真值对比分析

2.2 填料级配图像识别系统

2.2.1 系统功能

填料级配图像识别系统通过现场收集APP拍摄照片上传服务器，在后台利用先进的图像识别技术对填料中的颗粒成分进行快速识别，最终得到一定粒径范围的填料级配组成。该系统的应用有利于现场对特定粒径填料的快速检测。

2.2.2 技术方案

填料级配图像识别系统通过数字图像中的比例标尺进行数字图像的角度纠偏，最大程度地减小识别误差；在此基础上对数字图像进行二值化等处理，对填料进行形状识别及相关粒径分析；利用椭圆分析方法对图像中块石边界进行拟合，计算当量圆的直径作为粒径尺寸；通过图像识别技术及填料筛分对比分析，建立真实填料粒径组成特征分析算法，快速对填料粒径组成进行识别与评价［9］。填料级配图像识别系统架构如图12所示。

2.2.3 试点应用

填料级配图像识别系统已在铁路进行了试点应用，对所拍照片进行图像识别，识别照片内填料颗粒，计算得到填料粒径；对填料识别进行修正，最大限度保证填料识别的正确性；计算生成填料级配曲线，且能够自动显示曲线某点处的填料粒径大小及所占含量百分比。试验工点应用结果如图13所示，与筛分试验结果对比，该方案在较大粒径识别精度较高，在较小粒径识别算法上仍有进一步优化的空间。

图12 填料级配图像识别系统架构

图13 图像识别填料粒径

2.3 压实振动连续检测系统

2.3.1 系统功能

压实振动连续检测技术通过采集、分析、计算振动压路机碾压轮的振动响应得到振动压实值，该数值与填料压实程度呈正相关关系，由此来反馈碾压质量。该系统实现了对整个碾压面的全覆盖式检测，改变了传统意义上的抽样控制方式。通过与北斗定位技术的配合使用，还可以实现对路基碾压施工的过程控制，为进一步发展路基智能压实控制奠定基础［10］。

2.3.2 技术方案

图14 连续压实系统组成

压实振动连续检测系统主要由连续检测设备（硬件）、反馈控制与管理系统（软件）等组成，见图14。硬件部分主要由振动传感器、定位系统、处理器、显示终端与服务器终端组成。连续检测设备主要功能是进行现场数据采集与实时显示，反馈控制与管理系统提供数据的远程访问与分析。振动传感器采集压路机振动轮机架的振动加速度，通过数字处理器分析其振幅、振频及波形特征，在此基础上通过分析获取路基的压实度、压实均匀性及压实稳定性三方面信息［11］；利用北斗定位系统采集压路机坐标信息，对检测结果进行准确定位，可得到路基压实度、均匀性及稳定性平面分布图；通过配置的车载显示终端，可以实时显示查看检测结果，指导路基碾压施工。反馈控制与管理系统将检测设备采集的数据上传至管理平台，在服务器上实现对路基压实检测数据的存储备份、信息查询及进一步的统计分析［12］。

2.3.3 工程应用

压实振动连续检测系统已在京沈、郑万、京张、京雄等高速铁路建设项目中应用。系统可准确记录路基的碾压遍数，反映当前填筑高程，见图15；生成路基压实程度平面图、压实均匀性平面图及压实稳定性平面图，可全面反映路基压实质量，引导压路机对“欠压”部位进行补压，避免已碾压合格的区域发生“过压”，见图16。其中，压实程度平面图反馈路基压实振动值合格面积占总面积的比例，是最重要的检测结果。

图15 碾压遍数查看

图16 压实程度平面图

3 结语

铁路路基工程信息化建设主要涵盖施工管理、质量检测两方面，路基施工管理信息化包括桩基施工管理系统、填料生产管理系统、路基智能填筑指挥系统等；路基质量检测信息化包括填料含水率检测系统、填料级配图像识别系统、压实振动连续检测系统等。通过对路基信息化建设系统功能、技术方案及应用情况的介绍，阐明了我国铁路路基工程信息化建设的技术现状，表明信息化手段可为当前铁路路基建设过程中进度、质量管理的薄弱环节提供现代化的管理手段，有助于全面提升铁路路基建造技术水平，为路基智能建造提供重要支撑。

后续铁路路基信息化建设，应以国铁集团和建设项目各参与方的需求为导向，做到“引领、创新、实用、共享”，向以“工业化、主动控制、信息模型驱动”为主要特征的智能化施工时代迈进。