[分享]高速铁路与智能建造

发表于2019-07-10    862人浏览    1人跟帖    复制链接  只看楼主


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智能建造是工程建造领域的发展方向,是新形势下铁路工程建设发展的必然趋势。乘全球信息化浪潮,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,发展铁路工程智能建造技术,是未来铁路工程建设和运营管理转型升级的发展方向。


人工智能技术与现代产业的结合经历了3个阶段,即数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造(即新一代智能制造),这3个基本范式次第展开、迭代升级。

传统制造系统包含人和物理系统两大部分,是完全通过人对机器的操作控制完成各种工作任务,并可抽象描述“人- 物理系统”。与传统制造系统相比,第一代和第二代智能制造系统发生的本质变化是,在人和物理系统之间增加了信息系统,可以代替人类完成部分脑力劳动。这一转变可用“人- 信息- 物理系统”进行描述。新一代智能制造系统最本质的特征是其信息系统增加了认知和学习功能。

在科学技术迅猛发展的今天,我国的铁路建造智能技术发展不能简单重复从第一代、第二代到新一代智能技术依次发展,必须借助全球人工智能快速发展的东风,在新一代智能技术研发和应用方面,突破关键技术,实现真正意义上的智能建造。

新一代智能技术应用展望
技术内涵
当前,我国高铁的发展面临铁路建设管理由重工程数量、规模扩张和速度进度向重质量安全和效益转变,由劳动密集型向技术、知识和管理密集型转变,由传统建造向智能建造转变的严峻局面。

新一代智能制造是一个大系统,主要由智能产品、智能生产、智能服务三大功能系统以及智能制造云和工业智联网两大支撑系统集合而成。智能产品需求第一是传感,产品需能够感受外部的变化情况,或者能够整合产品内部的数据;第二是计算,包括产品本身的操作系统,以及产品使用的各种应用系统,也就是人工智能;第三是联网,随着全球物联网的发展,产品可能具有雾计算、边缘计算和云计算相联结的功能。因此,铁路建设领域需要从以上3个方面加强技术创新。

总体布局
应推行铁路建设装备智能化,形成具有感知、决策、执行、自主学习、自适应功能的智能建造系统以及网络化、协同化的建造装备,打造单机智能化以及单机装备互联而形成的智能生产线、智能预制场、智能工地,推进工程化和产业化发展。

应推行建设项目管理智能化,探索建造组织模式变革,基于“BIM+”智能网络协同平台实现系统集成,实现项目管理流程再造、智能管控、组织优化,实现建设过程、建设向运营所有信息系统的无缝集成。当前要全面推行信息化管理,依托铁路工程管理平台,构建基于智能技术综合应用平台,大力推广智能设备运用。

要推行机器人制造技术研究开发应用,深度开展机器人技术研究,在智能构件厂、数字化工地、智能监测、远程诊断管理上有所突破。依托传感器、工业软件、网络通信系统、新型人机交互方式,开展隧道、桥梁、路基等试点示范,率先实施机器人智能建造,实现机械化与智能化有机结合,实时监控建设过程质量安全状况,为运营安全维护提供技术支撑基础。

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铁路巡检机器人

关键技术
推进BIM技术标准体系建设
当前,全面提升铁路设计和施工的信息化水平,研究数字化设计和施工推动智慧铁路建设是大势所趋。但是,依然存在专业数字化施工技术尚未实现全覆盖,标准不统一、不完善;信息平台综合能力不足,各专业兼容性差,数据重复录入效率低下;各种软件功能不强大,数据采集手段有待提高;信息技术对管理的要求与传统组织结构矛盾突出等一系列问题,需高铁建设各方花大气力认真研究解决。

以高铁建设BIM技术为例:一是要尽快建立完善中国铁路BIM标准体系,完成IFC、IFD等标准细化,并得到国际标准组织的认可,增强我国铁路技术“走出去”软实力,增加国际铁路市场的话语权;二是要基于IDM标准方法理论,尽快细化BIM协同流程,特别是专业间流程,进一步明确有别于二维设计BIM专业分工,逐渐形成企业级BIM数据标准,以标准为导向,尽快形成企业级数据架构,建立满足于企业需求的各专业应用环境、协同设计环境,真正实现铁路BIM正向协同设计;三是落实设计源头责任,研究不同精度BIM模型的建模、交付,确保工程建设管理、施工管理、运营维护等阶段BIM 模型和数据信息平滑传递;四是BIM应用涉及全产业链的分工和工作内容调整,改进传统管理方法,补充完善相关规定和制度,加强政策引导,加快研究基于BIM的产业价值分配考核机制,充分发挥设计、建设、施工、监理、咨询等企业市场主体积极性,并通过工程招投标、工程创优评优等工作激励相关企业的BIM应用;五是软件开发要配套,这是当前的一个短板,必须要建立我国掌握话语权的软件机构。

发展绿色装配式建造技术
相对于传统建筑的施工工艺,装配式建筑具有工业化生产、质量稳定、混凝土收缩徐变小、耐久性好、工人生产安全、绿色节能环保等特点。目前,在铁路领域,虽然以节段预制拼装为代表的桥梁装配式建造技术已进行了一定研究,但在以下几个方面需要重点关注:一是全面采用胶接缝节段拼装桥梁,随着建设中对质量、工期和环保的要求提高,短线法胶接缝节段拼装桥梁优势日益显现;二是节段拼装桥梁施工标准化,随着节段拼装桥梁逐步推广应用和研究深入,形成成熟的胶接缝节段预制拼装桥梁工法,完善节段构造的相关规范和标准图,梁场重新布置设计,实现节段拼装桥梁的标准化、工厂化建设,规范建设行为,是当前节段拼装亟待解决的问题;三是节段拼装设备自动化、专业化水平,根据节段拼装精度要求高的特点,研究智能化水平更高,线型监测方法更先进、准确,架设速度更快的现代化架桥设备;四是探索结构体系的优化,采用节段预制有必要对桥梁上、下部结构优化设计,应在局部地区考虑多联刚构桥设计方案,理论上刚构梁体与整孔简支梁基本一致,但桥墩、承台、桩基与整孔简支梁对比材料用量有所减少,有效减少建设投资,同时减少运营后桥梁支座等养护工作量。

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节段预制拼装

研发实用的基础设施智能建维一体化技术
坚持建维一体化的管理目标已是高铁建设管理的共识,但涉及的技术复杂、管理部门众多,职责划分需要明晰。以桥梁建设全生命周期管理为例,结合高铁在建和运营的跨大江大河的特大型桥梁,已在利用信息技术从桥梁运营管理的核心业务出发,以设计、施工、运营为着力点,建立桥梁的结构监测、状态评估、安全预警和养护管理体系,实现统一、开放、互联、实时、状态评估、指导运营的桥梁全生命周期管理平台,但仅处于初步阶段。为此,一是应全面建立完善从设计源头出发的建维一体化顶层设计制度;二是对运营性能关键评价指标确立、关键部位养护维修技术要求、结构整体状态可靠度评估研究方法、信息化管养平台应用实际等需要打破部门束缚,统一谋划,集各方资源所长,尽快结合具体桥梁进行深度研究和实践。

构建标准化生产的智能工厂
构建标准化生产的智能工厂包含两方面的内容:一是“智能工厂”,重点研究智能化生产(设计、施工)系统及过程,以及网络化分布式、并行式生产设施的实现;二是“智能生产”,主要涉及整个建造产业的智能物流管理、人机互动、机器人使用以及3D建造打印技术在建造过程中的应用等。

目前,标准化构件生产的工厂化仍不彻底,仍是基于施工理念,而不是基于制造理念。应大力研发基于部品化的、基于现代物流的真正工厂化,把预制安装变为部品、部件采购安装。以高铁桥梁为例,要建立基于BIM的梁场生产追踪协同管理系统,真正实现基于工业智能制造模式下的以梁生产过程为主体,根据项目建设中的关键要素,在人力、资源、成本、进度、效率、安全、质量和环保等方面,利用计算机互联网技术、BIM技术、数据库技术、网络通信技术、数据仓储、数字测控、物联网、数据挖掘和海量信息处理显示平台等新一代信息技术,建立统一、开放、互联的基于BIM的梁场生产追踪协同管理系统,建立以梁为中心的数据分析、统计、预测机制,形成“数据采集、数据贯通、数据共享开放、梁体追踪、数据追溯”的新型管理模式。

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梁场智能生产系统构架

高速铁路智能建造发展的基础保障
强化基础管理工作
当前我国高铁建设管理中,要突出强化基础工作,坚持基础取胜,要在建设工程项目实施全过程中抓住标准、制度、人才3个重点环节:推动铁路优势、特色技术标准成为国际标准;在智能制造等重点领域开展综合标准化工作,引导施工企业主动制定和实施先进标准。运用先进的质量管理方法,完善质量安全与技术管理办法及工作流程,落实责任岗位分解,全面创建质量评价体系。通过工艺优化、工序管理、关键技术攻关,优化创新作业标准,固化施工操作规程、作业指导书;做好标准发布、学习培训、样板引路、总结提高。

完善质量管理制度
运用系统工程的方法和模型,统筹协调铁路规划、设计、建设、运营等全生命周期的管理顶层设计,规范行为和技术要求,要全面构建高速铁路建维一体化,建立真正意义上统一开放共享的系统,实现高速铁路基础设施全生命周期数据采集、整合、分析,对设备状态进行综合定量评定,进行维修决策。

加强技术储备
全面加强提升技术储备,采取专题研讨、联合攻关等方式,消化吸收先进的理念和知识,培养建设具有世界水平的专家和创新团队;注重结合项目具体特点,坚持全面规划、全面动员、全面展开的工作要求,明确建设项目各时序目标,细化创新安排,用科研规划指导技术创新;注重成果转化,坚持总结成果与推广应用并重,开发与引进消化并举,通过推广新技术、新材料、新工艺、新设备,把技术创新成果转化为生产。

高速铁路工程智能建造技术应用实践
中国铁路总公司在铁路工程设计、建设、运营全生命周期管理方面进行大量的实践和探索,确立了铁路工程建设信息化总体规划,即以铁路工程设计、建设、运营全生命周期管理为目标,以BIM技术为核心、云计算为平台架构、感知技术为基础、移动互联为传输手段、建设项目为载体,初步建立全国铁路统一开放的工程信息化体系。该体系具有以下特征:突出工程调度系统、数据采集手段,以施工组织管理为主线管控建设项目进度;突出实验室、拌和站源头控制,夯实建设项目质量安全防控支撑基础;突出铁路BIM标准体系建立,推进铁路BIM标准国际化,组织开展铁路工程成段落多专业协同设计BIM应用的研究,构建部分铁路工程BIM模型族库,并初步探索在设计、建设阶段的应用场景。

我国铁路建设BIM技术在逐步试点应用,相关标准编制取得较大进展,极大推动了我国高铁建设管理水平的提升,具体表现在以下几个方面:

(1)建设项目规划设计阶段,铁路建设系统尝试运用信息技术科学选线,通过低空遥感航测技术获得高分图像,合理规避环水保、城市规划、征地拆迁、既有设施保护等重点区域以及重要设施,极大降低铁路建设初期的决策风险。不仅如此,在规划设计阶段前期,还通过高质量BIM模型,采用VR、AR等手段取得可视化体验效果,从源头优化完善设计方案。

(2)在项目实施阶段,尝试运用物联网技术强化质量源头控制,开发实验室、拌和站信息化物联网管理系统,基于互联网技术、GIS技术和BIM技术,以移动办公理念为出发点,立足工程质量安全的核心,建立新一代拌和站实验室一体化信息管理系统,进一步提高信息化的广度与深度,由传统的信息化手段提升为移动办公模式。

在强化工艺工序管理方面,坚持试验先行,对重难点工程进行工艺工序模拟。例如,在铁路隧道建设过程中,运用激光点云技术,通过尺寸差异分析隧道变形、超欠挖等质量问题,优化施工工艺。

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隧道三台阶法施工模拟

在优化实施方案方面,已成功运用BIM建模、VR实景模拟技术,对大型铁路客站的设计方案进行优化。在优化施工组织方面,运用三维模型结合协同管理平台,对跨越大江大河的桥梁及复杂条件下长大隧道施工组织设计进行辅助审查,优化技术方案、工程措施、资源配置;同时在进度把控方面,尝试采用二维码技术将实际进度与计划进度实时对比,实现施工进度计划动态管理与及时预警,提高了进度管控工作效率和资源的优化配置。

在围绕施工专业化和机械化方面,铁路建设系统在隧道工程建造中试验推行了全断面开挖施工机械化方法,以及铁路隧道衬砌施工成套技术及工装。本着倡导低碳建设、加强环保举措,先后在黄韩侯铁路芝水沟特大桥节段预制胶接拼装64 m 和48 m简支箱梁,而后在郑阜高铁周淮特大桥节段预制胶接拼装(40+56+40)m 预应力混凝土连续梁,实现了节段预制梁胶接拼装施工从简支梁向连续梁的跨越。

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隧道机械化施工

依托铁路工程建设项目,我国铁路初步构建了隧道、桥梁、路基等专业BIM模型族库。例如,依托宝兰客专石鼓山隧道、西成客专陕西段清凉山隧道,初步建立隧道工程地形、地质建模和模型族库;依托渝黔铁路新白沙沱长江大桥、沪通长江大桥,初步建立铁路桥梁BIM模型族库,研究设计、施工模型转换和数据互通,探索施工组织、技术交底、构件制造和拼装等施工阶段的应用价值点;依托西成客专江油北站工程,完成路基BIM模型族库相关工作,开展基于BIM的路基数字化施工技术研究,研发北斗卫星定位覆盖、无线网络覆盖、数字化测量及机械化施工、实时数据处理、实时交互等信息化施工技术;依托海南西环线东方站、乌鲁木齐新客站、沈阳南站和杭州南站,利用BIM技术进行站房深化设计、管线综合、碰撞检查和可视化交底,探索基于BIM技术的站房三维建模标准和施工图交付标准。

在建立BIM模型族库的同时,设计部门也在探索实现BIM模式下多专业协同设计,以树状结构进行工程分解,将高铁工程按工点进行分段,再将工点按照工程结构关系及管理需要逐级细分,各专业在该结构树统领下开展设计,设计人员依据工程结构树进行工作任务分解(WBS),在协同管理平台上分级派发任务,并进行设计过程管理;鉴于当前现状,正在推进铁路BIM标准验证应用,考虑制定项目级实施标准,从设计资源、行为、交付等方面进行标准化管理,规范信息传递的内容、形式以及精细度。

(3)在项目全生命期运维管理保障方面,在高速铁路建设管理中牢固树立“建设为运营服务”的建设理念,致力于实现“建维一体化”管理目标。

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建设项目全生命期运维管理

当前在跨大江大河、长大隧道以及大型客站建设与运营一体化管理中,尝试基于BIM技术的铁路大型客站运维管理系统,对高铁站房内所属设备设施、图纸和维护手册等资料、巡检信息、维修事件和维护任务、能耗管理、应急安全疏散等实行全方位管理。同时,尝试建立结构健康监测系统,通过施工、运维期间的结构健康监测系统,对结构振动、荷载分布、风动效应、温度效应进行安全评估,形成有效的故障预警机制。

例如,在宝兰高铁、宁杭高铁建设中,探索高铁工务、电务、供电专业建设运营一体化管理,研究铁路基础设施设备全生命周期属性数据整合、融合,尝试利用大数据技术,从地理空间位置角度出发,使具有线性、连续、长大特点的铁路基础设施设备的状态演变规律成为铁路基础设施设备养护维修决策基础 。

智能建造技术是实现中国高铁建设升级发展的必由之路,是建设智慧铁路、交通强国的有力支撑。铁路建设系统应以“八纵八横”高速铁路建设为契机,全面规划智能建造技术实施路径,突破智能建造关键技术,落实交通强国战略。


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 发表于2019-07-10   |  只看该作者      

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