智能高速铁路基础设施全生命周期管理框架研究

王同军

(中国国家铁路集团有限公司， 北京 100844)

高速铁路(以下简称“高铁”)工程项目规模宏大、涉及范围广、时间跨度长，面临的自然条件复杂，项目外延涉及生态环保、社会稳定、后勤保障等诸多因素，工程建设管理协调难度极大。传统建设管理模式下，项目参与者之间一般以纵向指令式关系为主[1-3]，缺乏有效的横向沟通协调，建设各阶段数据信息相对孤立，信息共享交换及业务应用相互脱节，导致各参与方信息不对称性较高，影响建设管理数据完整的传递与对接，制约高铁工程建设项目的高效率推进。随着我国高铁新建项目的持续推进和投入运营里程的不断增加，高铁基础设施管理面临新的挑战，迫切需要采用现代化技术手段，引入全生命周期管理理念，加强各阶段信息互通和工程建设各环节整体协调，不断提高管理的系统性和科学性，实现全流程对称管理和全生命周期整体效益最佳、全过程正向反馈。

全生命周期管理是一种宏观统筹管理理念，最早由Kleppner[4]在研究产品生命周期问题时提出，后由不同学者研究并引入不同的行业情境中，如Ando等[5]基于“生命周期假说”研究了消费行为和商品关系、Woodward等[6]研究了全生命周期管理在决策过程中的应用。在工程建设项目的全生命周期管理方面，相关学者从全生命周期管理的系统架构、模式、体系等方面开展了相关研究[7-9]，Lee等[10]将建设工程项目从产生工程构思、正式立项、勘察设计、工程施工，到交付使用、工程改造再到报废拆除的全部时间跨度作为一个整体，研究了工程建设统筹管理的模式；王同军[11]结合信息化智能化技术发展趋势，研究了如何创建、管理及共享同一完整的工程信息以减少各阶段衔接及各参与方之间的信息损失。随着管理对象相关要素逐渐增加、要素间的关系日趋复杂，相关学者在横向考虑全生命周期各环节无缝衔接的同时，也研究了纵向要素的一体化管理模式，如黄建陵等[12]围绕建设项目特点，研究了建设项目全生命周期一体化管理内涵及模型。总体来看，在全生命周期管理理念指导下，能够对工程规划决策、建设实施及运行维护进行统一集成管理，实现每个阶段管理目标的综合优化和全生命周期整体目标动态控制。本文基于信息化智能化技术在高铁建设工程项目中的应用现状，结合新时期高铁建设工程各环节工作特点，构建智能高铁基础设施全生命周期管理框架，并基于全生命周期成本最低的目标，深入研究全要素协同、全过程状态监测等全生命周期外向特征，分析过程流信息流融合管理内在机理，从而为新时期智能高铁基础设施建设管理提供新的实践思路。

1 智能高铁基础设施全生命周期管理内涵

1.1 智能高铁发展现状

近年来，随着信息技术发展突飞猛进，智能化技术对高铁行业发展路径产生了深远影响，在政策与技术的双轮驱动下，中国及世界高铁进入“智能高铁时代”。智能高铁广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航、BIM、5G等新一代信息技术，综合高效利用资源，实现高铁移动装备、固定基础设施及内外部环境间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理的新一代高铁系统[13-14]。

目前，国外主要从数字化、智能化发展方面展开对智能高铁的研究与应用[15]，如欧盟制定Shift2Rail计划，开展了创新智能铁路(In2Rail)项目的研究；英国将BIM应用到高铁设计领域中，而以德国、法国、日本为代表的老牌铁路强国，在BIM与大数据应用、数字化战略规划与管控、动车组自动驾驶、基础设施智能运维等方面积极开展研究，推动铁路技术智能化创新发展，总体看来，国外铁路数字化智能化应用主要侧重于单一系统或局部领域的应用，尚缺乏成体系的研究成果。中国率先开展了智能高铁顶层设计和发展战略研究[16-18]，创建了技术、标准、数据三位一体的智能高铁体系架构，依托张智京能高铁等重大工程项目，取得了智能建造、智能装备、智能运营等领域的技术创新，形成了具有自主知识产权的智能铁路成套成果体系，有力支撑了高铁全生命周期管理。

1.2 智能高铁基础设施全生命周期管理内涵及特征

高铁基础设施全生命周期管理包括从勘察设计、建设施工、运营维护一直到报废处置全过程的全要素管理，最终目的是实现全生命周期成本最优，即从微观投资控制最优扩展到高铁基础设施生命周期内全局成本最低。在效益导向下，智能化技术能推动高铁基础设施系统实现整体效能提升，在全生命周期范围内提升管理效率、保障安全质量，同时降低建设运营全过程整体成本，为实现高铁基础设施全生命周期成本最优目标提供了更优路径。智能高铁基础设施全生命周期管理内涵可表述为：将全生命周期里涉及核心业务领域的全部信息过程运作和管理集成为一个整体，推动高铁基础设施从勘察设计、建设施工、运营维护一直到报废处置全过程管理[19-20]的协同化、智能化，并运用先进信息化技术推动基础设施状态动态监测，实现微观时间截面上资源最优配置、宏观全生命周期全局成本效益最优的管理模式。

智能高铁基础设施全生命周期管理主要围绕过程、信息、技术、管理4方面主要因素，进行应用协同一体化管理，具有如下特征：

(1)强调管理行为协同性。统筹各参与方及时动态地对项目全生命周期进行整体管理；打破信息壁垒，推进信息共享，促进项目信息准确及时获取、传递、交流、沟通。

(2)强调技术应用集成性。全生命周期管理需要将新的各类信息技术及项目实施技术融会贯通形成整合优势，并在业务应用上创新实践，将原有单一技术应用，转化成多种技术集成应用。

(3)强调信息数据完整性。应用全生命周期管理的理念，不再进行片面、离散的信息管理，避免信息数据遗漏，造成建设管理事故，管理信息涵盖设计、施工、运维及施工环境、施工人员等全部关键信息，打通信息孤岛，建立统一的工程建设管理平台，进行数据集中管控。

(4)强调信息数据关联性。以项目管理的进度、质量、安全、投资等为目标，将原本静态的数据收集、处理、应用，转化为实时动态管理，保证管理要素变动时关联文档、图形、模型、数据的更新，减少数据变更产生的管理错误，提升管理质量。

(5)强调管理效益最优性。摒弃单阶段效益评估机制，不仅着眼近期或短期管理成本，更要充分考虑在多重约束条件、多阶段管理内容、多种类技术应用下全生命周期整体效益，通过将全生命周期的管理成本与各类效益协调整合关联，平衡经济、社会等效益，实现管理整体效益最优。

智能高铁基础设施全生命周期管理主要特征见图1。

对于高铁基础设施，前期的项目实施准备阶段相关工作(规划、可行性研究等)的成本很大程度上反映在勘察设计成本中，后期的报废处置主要依据处置条件控制成本，而该处置条件很大程度上取决于运营维护能力水平，因此智能高铁基础设施主要成本费用发生在勘察设计、建设施工和运营维护3阶段。本研究也以此3阶段为全生命周期的重点环节，研究智能高铁全生命周期成本最低机制。

2 智能高铁基础设施全生命周期管理框架

2.1 全生命周期管理总体框架

智能高铁基础设施全生命周期管理的核心任务是面向工程全生命周期，在数据标准与安全措施的保障下，在集成平台系统进行物理实体管理及附属信息交互整合等内在机理条件下，实现全要素协同、全过程状态监测等全生命周期最优化外向功能特征。

全生命周期成本最低是智能高铁基础设施全生命周期管理的最终目标，即：不局限于高铁基础设施建设项目投资最低的目标，而是关注高铁项目全周期、全局成本的最优化，主要通过信息化技术实时动态监测、预测基础设施全过程健康稳定状态，在过程流信息流共同作用下，有效推动各时间截面全要素协同和资源最大化应用，从而实现有效降低基础设施建设运维全局成本的目标。

实现静态时间截面上全要素协同是全生命周期每个环节管理最优化的基本前提，即：在管理资源约束条件下，运用先进信息技术手段对现场要素进行统筹管理，保障各管理内容相互协同并达到最优解。

实现动态时间轴上全过程状态监测是全生命周期成本最优目标的必要手段，即：通过信息管理技术手段，对高铁全生命周期各环节稳定状态进行实时监控，为实现全要素协同提供数据基础，实现各环节健康稳定、全局成本有效降低。

智能高铁基础设施的全要素协同和全过程状态监测，其内在本质是对高铁项目各阶段过程信息流的有效传输和管理，也即只有通过过程流信息流高效融合管理，才能实现协同效率提高和监测功能实时化的表象特征。因此，实现过程流和信息流的深度融合管理是保障全生命周期成本最优的内在机理，应立足服务应用角度，依托信息化管理平台，应用BIM技术、数字孪生、动态控制等手段[10]，推动全过程信息完整保存和无损流转，推动规划设计、建设施工、运营维护3大过程工作目标一致、相互关联，从全局角度全面提高管理效率、降低成本。

基于此构建智能高铁基础设施全生命周期管理总体框架，见图2。

2.2 基本前提：全要素协同管理机制

(1)现场要素协同。现场要素作为建设过程中的主体管理对象，应围绕基础设施的人、机、料、法、环，采用信息化手段，对项目静态要素实施信息监控、把控，提高管理效率。

(2)管理要素协同。需要站在管理主体角度对项目资源进行协调配置，形成满足各环节管理需求的能力，确保各要素得到充分利用并整合协同，发挥资源最大优势。

(3)控制要素协同。需要依托集成管理平台，畅通信息沟通路径，有效降低沟通成本，避免原有相互割裂的信息管理产生的问题，推动工程项目质量、投资、工期、安全、环保、稳定等控制目标顺利实现。

(4)专业要素协同。高铁系统涵盖移动装备、工务工程、通信信号、牵引供电、运输组织、设备运维、安全保障、客运服务等多个专业，各专业间既独立又统一，不同专业之间往往需要进行预留接口等交互操作，从而实现信息互通和协同操作，以BIM和大数据技术为基础，依据统一标准将多专业集成，并通过施工模拟等功能辅助不同专业信息的高效流转、及时共享和深度挖掘。

2.3 必要手段：全过程状态监测机制

在从勘察设计到报废处置全过程中，保证实时监测设施状态稳定，能够有效优化截面全要素资源配置，保持全过程各截面健康稳定运行，有效降低成本。智能高铁基础设施全过程状态监测需要采用适宜的信息管理技术，对各环节相关数据、模型、资源和维修等信息进行有效管理，实现基础设施良好的可用性、安全性，推动全生命周期成本最低。

勘察设计阶段：高铁工程勘察设计依托BIM协同设计平台，对可研报告、初步设计、施工图设计等环节进行迭代对比，并提前统筹考虑高铁建设运营后的可靠性、可用性、维修性和安全性，从而实现设计方案动态优化，减少建设施工中的变更设计，有效控制成本。

建设施工阶段：运用PHM技术准确识别建设施工全过程高风险因素，动态修正勘察设计阶段移交的数据信息，提高建设运营后期整体经济效益；采用BIM技术应用，在施工阶段按照可视化三维BIM模型进行施工细化，并应用四维施工BIM模型进行各专业方案模拟与优化[10]，在保证工程质量安全的基础上，有效拓展高铁基础设施建设工厂化、装配化发展进程和应用范围，推动无人化枕厂、智能梁场等新形态的出现，大力提高工程建设施工效率，降低返工、变更成本。

运营维护阶段：综合运用动态检测、自动化监测、人工检查数据，通过大数据、智能分析手段，对基础设施关键部位故障、运用、检修、性能参数等数据进行全面的采集整理诊断与计算评估，预判设备健康状态，从而制定更合适的维修策略(如预防维修、故障检测、设计改进和修复维修等)，推动高铁基础设施状态修和修程修制优化，保证基础设施可靠性、可用性水平满足要求，全面降低维保成本。

2.4 内在机理：过程流信息流的深度融合管理机制

信息流管理能确保高铁基础设施从立项决策、勘察设计、建设施工到运营维护等各阶段的沟通、讨论、决策在可视化状态下进行，实现质量、安全、环保、进度、投资等信息在高铁基础设施全生命周期过程中的共享和传递[16]，为各参建单位共享知识、协同工作提供支撑保障，有效实现动态控制。目前BIM技术已被广泛应用于铁路工程设计、建造过程当中，但各阶段之间信息交接仍未做到平滑过渡和无损传递，同时存在信息孤岛、系统独立部署、数据多数是独立存储和处理等问题，需要统筹加强信息流的无损正向传输和反馈优化机制，从而实现基于过程流管理的全生命周期信息流规范管理，即实现过程流和信息流的深度融合管理机制。

2.4.1 正向信息无损传递

(1)勘察设计到建设施工。智能高铁基础设施勘察设计过程要突出安全可靠性、技术先进性、绿色环保性、舒适便捷性、文化艺术性，建设施工过程则需综合考虑成本费用、质量、安全、进度等相关控制目标，统筹考虑环境绩效、生产绩效，实现工程管理效率持续改进和提高。基于BIM技术平台作用，推动相关信息从勘察设计向建设施工环节流转，围绕规划设计主要工作和设计施工间的主要接口，建立健全标准编码，可有效确保全专业信息数据流向与传递流程完整性和各管理专业间的协同，从而实现优化设计、提高施工效率及减少返工等。具体为：①提交资料及时完整、传递数据简洁高效，推动参数驱动全要素模型快速生成，解决各专业多源异构数据交互和共享问题；②信息内容应满足建设运维一体化应用需求，以全要素信息模型、文档、说明文件为载体，包含专业内及专业间各要素的逻辑关系、成果版本迭代关系等信息；③信息形式应多元丰富，更有利于项目的精细化管理，满足全生命周期不同阶段各相关方的要求。

(2)勘察设计/建设施工到运营维护。运营维护阶段需充分利用勘察设计和建设施工交付成果，充分利用运营前各阶段信息，有效分配资金、材料、人力和作业时间，强化基础设施状态分析，实时动态监测，保持基础设施处于良好使用状态，达到优化作业标准、作业流程和养护维护策略的目标。应推动勘察设计、建设施工和运营维护的信息无损流转，全面改进建设施工管理模式，构建以工程调度为核心、以电子工程日志为数据采集手段、以施组管理为主线的建设项目进度管控体系，以及以试验室、拌和站为源头控制、以施工质量安全风险监控为过程控制的项目质量安全防控体系，对建设施工过程中的信息进行全面感知、采集和编码，并将信息传递至运维阶段，形成组织过程资产积累，为运维养护维修工作提供基础数据保障。

2.4.2 信息反馈优化机制

在高铁建设工程项目情境下，围绕已交付运营的高铁项目，坚持以实践检验项目设计和施工成效，将相关信息反馈至前一阶段，使其通过设计优化、提升工艺、技术创新等方式提高高铁管理效率[10]，即用高铁工程项目的运营结果来调整高铁工程项目的建设活动，防止高铁工程建设偏离目标。

(1)建设施工对勘察设计的反馈优化。①依据建设施工过程中现场实际环境、监控量测成果、试验研究数据，及时利用信息化设备和手段将信息反馈到设计端，实现施工图等设计成果技术调整优化；②解决施工设计不符等突出问题，保证现场第一时间控制安全风险隐患，通过监控量测数据和综合试验分析预报成果、视频监控、影像照片等，实现现场与设计端主动核对，及时主动优化设计；③充分利用信息化手段，预测判断施工变化趋势，发生问题及时追根溯源，明确解决思路。

(2)运营维护对建设施工/勘察设计的反馈优化。运营维护阶段更加关注功能状态和技术状态，而设计和建设更加关注建造方法和过程，必须加强信息化技术手段创新应用，使运维信息更加顺畅地反向流到设计和运维阶段，达到优化设计、完善工艺、总结经验等目的：①要利用好BIM模型数据，在运维阶段根据自身数据交互需求不断完善模型数据构成；②要建立运维阶段同设计阶段、运维阶段同建设阶段基础设施管理精准映射关系，通过映射转换算法或工具，建立完善的信息流转机制，在信息传递的同时进行数据筛选、转换、解析，以解决信息流失和信息转义等问题，使运维信息向上传递更加精准有效。

3 京张高铁基础设施全生命周期管理实践

京张高铁是2022年北京冬奥会的重要交通保障设施，是中国第一条采用自主研发的北斗卫星导航系统、设计速度350 km/h的智能化高速铁路，也是世界第一条设计速度350 km/h的高寒、大风沙高速铁路。京张高铁于2016年4月29日开工建设，于2019年12月30日开通运营，建设过程中充分应用铁路BIM等先进信息技术，开展了基础设施全生命周期管理实践。

全要素协同方面:①围绕铁路工程建设过程中人、机、料、法、环等要素，以BIM+GIS技术为核心，通过综合运用自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习和智能决策等手段，推动了京张高铁建设全方位、全专业、全天候的安全、质量、进度管控及高效智能的施工管理，实现了京张高铁工程现场要素和控制要素协同。②建设单位围绕“精品工程、智能京张”目标，积极引入先进的管理方法，从节约建造、流程再造、过程波动、实现价值、持续改进等控制环节，秉持良好的社会责任感，全面完善现场制度体系，严格落实施工现场管理主体责任，大力推进流程再造和管理升级，坚持定期安全隐患排查和基坑防汛检查，全面提高风险动态防控意识，严守安全生产底线、扬尘控制红线，并明确主要领导负总责、分管领导主抓、综合部归口管理、多名专兼职档案人员具体落实的档案工作组织管理体系，持续规范完善项目管理相关工作，实现京张高铁工程管理要素整合协同。③面对京张高铁庞大复杂系统工程易出现设计意图表达与理解不明确、专业间沟通不顺畅等问题，构建了BIM参数化协同设计平台，并基于WebGL的BIM+GIS多层级协同管理云平台，依托服务接口技术，汇聚成“一张图”的环境与业务数据库，实现工程建设数据多角度、多尺度、多时相、多专业的综合可视化管理和分析，保证京张高铁工程面向设计单位的设计过程管理和工程设计数据管理相统一，设计资源管理、过程协同管理、设计数据管理、设计变更管理等过程信息记录在案，相关数据图表都可供各专业查询统计，设计标准更容易执行，实现各参建单位基于项目的资源共享、设计文件全过程管理和协同工作，推进各专业要素协同。

全过程状态监测方面，京张高铁构建了勘察-设计-施工-运维一体化集中数据平台：在勘察设计、建设施工两阶段，基于BIM的铁路工程管理平台实现对铁路基础设备设施设计、建设、竣工验收信息收集，并实现对铁路设备设施运营期初始状态的管理，为运营期设施设备的养护维修、安全监控提供支持；运维阶段，将以上信息与动静态检测信息和监测信息、养护维修作业信息等进行集成，实现对铁路基础设计管理、检测、维修流程的统一管理，并对各种信息进行智能综合分析，提出科学的设备养护维修建议，为设备养护维修的各级决策提供全方位的信息服务。

过程流信息流深度融合管理方面，BIM技术在京张高铁的设计、施工阶段进行综合应用，覆盖了桥梁、隧道、轨道、路基、四电和站房等主要专业。勘察设计阶段采用BIM技术与GIS技术相结合，实现了项目级、标段级、工点级BIM的电子沙盘三维全景展示，实现了构件级BIM模型深化，并依托全专业多元数据融合的开放协同设计平台和以BIM为主要载体的信息流，开展设计优化、审查审核报告的工作，实现施工图电子交付和数据无损传递，为建设运营构建可溯源可共享的信息基石；建设施工阶段BIM技术以施工管理中的进度、质量、安全为主线，围绕施工管理的关键环节，在施工组织、施工安全和质量监测方面进行大量落地应用，同时依托铁路工程管理平台应用和多类前端感知设备，建立了进度、质量、安全、投资、环保等指标数据画像管控，实现基础设施、外部环境全要素全面感知，为运营维护阶段维修策略优化提供大量素材和依据；运营维护阶段依托基于北斗导航的京张高铁时空管理平台，打造了基于BIM+GIS的一体化运维平台，承载设计、建造阶段数据，共同构成运维数字底图，通过平台与巡检作业、移动检测、固定监测数据的动态映射，进一步提高天窗利用率，提升生产组织与应急处置效率，形成了基于全域数据可视化的时空双向反馈机制。

4 结束语

依托京张高铁建设运营项目，中国铁路在运用智能化技术进行高铁基础设施全生命周期管理上进行了有益探索。本文结合智能化技术在高铁行业的创新应用，设计了智能高铁基础设施全生命周期管理框架，明确了全要素协同、全过程状态监测等全生命周期外向特征，以及实现全生命周期管理成本最优的过程流信息流融合管理内在机理。随着管理内容的扩展及建设运维技术的发展，围绕新时期智能铁路发展需求，应进一步加强对生命周期各阶段多元信息分析整合及协调，在管理理论、方法、体系、实践领域取得突破，从而全面提高高铁建设运维管理水平，助力智能高铁可持续创新发展。