鐵路路基工程信息化技術

蔡德鉤 朱宏偉 葉陽升 陳鋒 張千里 李超

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

中國高速鐵路從無到有，從落后到領先，從引進國外技術到制定中國標準，實現了跨越式發(fā)展。中國高速鐵路經歷了技術準備、工程試驗及大規(guī)模建設階段，2017年以“智能京張”建設為起點，以“復興號”在京滬高速鐵路按350 km/h運營為標志，正式進入了智能高速鐵路的發(fā)展新階段［1］。智能高速鐵路采用云計算、物聯網、大數據、北斗定位、下一代移動通信、人工智能等先進技術，通過新一代信息技術與高速鐵路技術的集成融合，實現高速鐵路智能建造、智能裝備和智能運營技術水平全面提升［2］。

信息化技術是高速鐵路智能建造的基礎，在鐵路工程項目建設管理全生命周期中如何妥善利用信息化技術提供復合工程項目建設管理需求的信息化成套解決方案是亟需解決的問題［3］。通過植入信息化的理念開展高速鐵路各項工程關鍵技術的研究，施行工程建設信息的集成、傳遞與共享［4］，從而實現信息化對鐵路工程項目建設進度、質量、成本和安全實施全方位、全過程的有效控制［5-6］，是信息化技術推廣的意義所在。

在此背景下，為深入貫徹“創(chuàng)新、協調、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，聚焦交通強國、鐵路先行，圍繞“三個世界領先、三個進一步提升”，鐵路部門大力推動鐵路工程建設信息化，形成了貫穿路基施工全過程信息化建設方案，實現了對路基施工全過程的信息化管理和施工質量的全面控制。

1 路基施工管理信息化

信息化管理在路基建設中的推廣是由點及面的，優(yōu)先對隱蔽工程、質量管控的重點環(huán)節(jié)開展信息化建設。目前已投入應用并發(fā)揮顯著成效的信息化系統(tǒng)主要包括樁基施工管理系統(tǒng)、填料生產管理系統(tǒng)和路基智能填筑指揮系統(tǒng)。

1.1 樁基施工管理系統(tǒng)

1.1.1 系統(tǒng)功能

樁基礎屬于隱蔽工程，其施工質量控制的關鍵環(huán)節(jié)在于有效的過程監(jiān)管。以往的樁基施工采用人工記錄、監(jiān)理抽檢旁站的方式進行監(jiān)管，施工完成后采用樁身完整性檢測、地基承載力試驗等方式抽樣檢測成樁質量，其客觀性、準確性存在不足，且質量檢測試驗費時費力、難以大量開展，導致監(jiān)管樁基施工過程存在困難。樁基施工管理系統(tǒng)對樁長、樁位、樁身垂直度等重要施工參數進行同步監(jiān)測，并即時記錄，使樁基施工的每一環(huán)節(jié)有跡可循，為高速鐵路樁基施工質量管理和進度考核提供真實可靠的憑據［7］。

1.1.2 技術方案

樁基施工管理系統(tǒng)采用北斗定位、自動監(jiān)測、物聯網相結合的硬件方案，實現對施工過程關鍵參數的自動監(jiān)測和信息化管理，其硬件組成見圖1。

1）施工放樣引導。采用北斗定位技術，通過導入施工坐標對鉆桿進行就位引導。通過增設地面基站，平面定位精度可達1.5～2.0 cm，高程定位精度可達3.0～5.0 cm。在地面基站的輔助下，通過在鉆桿、鉆機底座分別布設1臺衛(wèi)星定位移動接收站，實現鉆機移位引導的功能。

圖1 樁基施工管理系統(tǒng)硬件組成

2）鉆孔深度、提鉆速率監(jiān)測。鉆孔深度是樁基施工的關鍵參數，也是施工中最難以控制的工藝參數。利用北斗定位技術，通過布設移動接收機監(jiān)測鉆頭的高程變化，實現對鉆孔深度、提鉆速率的監(jiān)測，監(jiān)測精度滿足現場施工需求。

3）樁身傾斜度監(jiān)測。樁身傾斜度采用傾角傳感器進行監(jiān)測，將傳感器固定安裝在鉆桿上，通過控制器接口將數據傳輸到數據處理器，可以將鉆桿姿態(tài)數據實時顯示在控制終端上。

4）終孔電流判斷。電流監(jiān)測采用電流傳感器，基于交流電引起的傳感線圈的電磁感應變化來反映電流的大小變化。經過多次試驗，最終結合鉆孔深度監(jiān)測數據確立終孔電流的判斷準則。

1.1.3 工程應用

目前樁基施工管理系統(tǒng)已在鄭萬、京張、京雄、貴南等多條線路應用，累計完成數千根樁的施工監(jiān)測。系統(tǒng)在高溫、揚塵、振動環(huán)境下工作性能良好，實現數字放樣，節(jié)省施工時間，提高放樣精度（圖2）；可自動統(tǒng)計施工區(qū)段內的工程量；可自動記錄樁長，實時監(jiān)測樁身垂直度及提鉆速率；可實時監(jiān)測鉆機電流變化，反映地質情況。應用情況表明，系統(tǒng)在監(jiān)測數據準確性、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面均達到設計目標。

圖2 使用系統(tǒng)前后打樁效果對比

1.2 填料生產管理系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)功能

路基填料須經歷料源地、堆料場、填料拌和站、施工現場等主要場地，具有體量龐大、周轉頻繁的特點。目前路基填料是在各個場地分別管理，僅有少量信息通過人工記錄進行流通，且各個場地操作不夠簡便，影響效率。

填料生產管理系統(tǒng)通過對數據多渠道采集和信息流通環(huán)節(jié)優(yōu)化，實現對填料從料源地、中轉地至施工現場的全過程追蹤，實現對質檢、驗收信息的及時查詢，不僅為施工單位填料調度提供最新最全的數據，而且通過對填料生產、質檢、運轉和驗收的全過程信息化管理，提高現場管理效率。

1.2.2 技術方案

填料生產管理系統(tǒng)包括綜合管理端、質檢APP、車載APP和綜合查詢APP，四部分之間通過網絡通信連接。

1）綜合管理端用以實現項目基礎數據配置、用戶權限分配、填料生產過程質量數據管理、生產過程數據統(tǒng)計分析和報表生成功能。

2）質檢APP用以實現原料調查管理、進料管理、質檢管理、拌和站配置質量實時監(jiān)控和運料統(tǒng)計臺賬功能。

3）車載APP用以實現裝料地點、卸料地點、時間操作記錄、拍照上傳、填料類型選擇、方量、備注信息錄入、實時記錄車輛位置和行駛速度功能。

4）綜合查詢APP用以對車輛、運料、質檢和拌和站的質量數據進行統(tǒng)計分析，并輸出統(tǒng)計結果。

1.2.3 工程應用

路基填料生產管理系統(tǒng)在牡佳、京雄城際鐵路等項目建設中進行了應用，見圖3—圖5。應用情況表明，系統(tǒng)實現了對填料運輸過程的追溯與管理、對填料庫存與調配的掌上管理及對填料質檢報告的查閱，滿足施工方對填料生產及質量的管理需求，實現數字放樣，節(jié)省施工時間，提高放樣精度。

1.3 路基智能填筑指揮系統(tǒng)

1.3.1 系統(tǒng)功能

傳統(tǒng)的路基分層碾壓施工中，各環(huán)節(jié)信息流不順暢，流轉環(huán)節(jié)多，部分信息重復性輸入；施工指令的下達依賴手機通訊，單線聯系且耗費時間、精力；信息反饋滯后，施工條件經常變化，突發(fā)情況人機料調整費時費力；信息采集不完整，尚未實現整個施工流程的信息化管理。

圖3 司機接受填料運輸派單

圖4 填料運輸路徑追蹤

圖5 接料員對填料進行驗收

通過開發(fā)路基智能填筑指揮系統(tǒng)，可實現以下幾方面主要功能：全過程施工管理信息化與作業(yè)標準化，施工組織形象化與動態(tài)化，數字化與智能化施工支持。

1.3.2 技術方案

路基智能填筑指揮系統(tǒng)基于BIM、北斗定位、圖像識別、物聯網等技術，確保基礎數據和歷史數據的完整，以及施工數據的及時采集，全面掌握施工現場生成信息，實現施工生產的信息化、智能化管控。基于路基全過程施工過程數據量大、數據格式多樣、安全性要求高等特點，采用圖6的結構設計。

1.3.3 工程應用

圖6 系統(tǒng)架構

路基智能填筑指揮系統(tǒng)在京雄城際鐵路全線路基工程中全面應用，實現了填料運輸動態(tài)管理，對自動攤鋪引導、自動精平控制、無人駕駛碾壓、邊坡整形自動引導等數字化施工設備的調度、數據采集與展示，以及路基質量連續(xù)檢測、填料級配與含水率自動檢測的信息化管理。系統(tǒng)高效銜接各個工序，提高工作效率，見圖7—圖9。

圖7 BIM模型動態(tài)展示施工質量進度及車輛實時調度

圖8 工序任務下達及工程量自動統(tǒng)計

圖9 路徑規(guī)劃進行無人壓路機駕駛及壓實質量連續(xù)檢測

2 路基質量檢測信息化

質量檢測是工程質量驗收的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的質量檢測手段多依賴人工檢測，存在客觀性不足、耗時耗力、質量信息反饋不及時等缺點。路基質量檢測信息化采用最先進的技術手段，結合移動互聯技術實現對填料含水率、填料級配和壓實質量等項目的自動化檢測與信息化管理。

2.1 填料含水率檢測系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)功能

目前鐵路路基填料含水率測試主要采用烘干法，測試結果雖較為準確，但耗時耗力，且測試點較少。填料含水率檢測系統(tǒng)通過在壓路機上安裝含水率實時檢測裝置，實現填料含水率隨車實時檢測，可以覆蓋整個作業(yè)面，且省時省力，有利于填料質量的整體控制。

2.1.2 技術方案

填料含水率檢測系統(tǒng)通過在壓路機碾輪上布置電極，構建基于范德堡法及Wenner法的路基電阻率測試裝置與方法；結合室內試驗確定合理的電極布置形式、電極材料及電路設計等，并標定電阻率與含水率之間的耦合關系；通過對電阻率的實時測試，實現施工過程路基填料含水率的全面檢測［8］，見圖10。

2.1.3 試點應用

目前填料含水率檢測系統(tǒng)已進行了試點應用，圖11是試驗工點降雨前后采集含水率的變化曲線。通過與常規(guī)含水率測試的對比，該系統(tǒng)測試數據變化規(guī)律與常規(guī)試驗較為符合，測試真值與常規(guī)試驗相比誤差較小，表明該系統(tǒng)對水分變化敏感程度高，能真實、連續(xù)反映現場填料的含水率變化情況。

圖10 填料含水率檢測技術方案

圖11 降雨前后含水率測試值與真值對比分析

2.2 填料級配圖像識別系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)功能

填料級配圖像識別系統(tǒng)通過現場收集APP拍攝照片上傳服務器，在后臺利用先進的圖像識別技術對填料中的顆粒成分進行快速識別，最終得到一定粒徑范圍的填料級配組成。該系統(tǒng)的應用有利于現場對特定粒徑填料的快速檢測。

2.2.2 技術方案

填料級配圖像識別系統(tǒng)通過數字圖像中的比例標尺進行數字圖像的角度糾偏，最大程度地減小識別誤差；在此基礎上對數字圖像進行二值化等處理，對填料進行形狀識別及相關粒徑分析；利用橢圓分析方法對圖像中塊石邊界進行擬合，計算當量圓的直徑作為粒徑尺寸；通過圖像識別技術及填料篩分對比分析，建立真實填料粒徑組成特征分析算法，快速對填料粒徑組成進行識別與評價［9］。填料級配圖像識別系統(tǒng)架構如圖12所示。

2.2.3 試點應用

填料級配圖像識別系統(tǒng)已在鐵路進行了試點應用，對所拍照片進行圖像識別，識別照片內填料顆粒，計算得到填料粒徑；對填料識別進行修正，最大限度保證填料識別的正確性；計算生成填料級配曲線，且能夠自動顯示曲線某點處的填料粒徑大小及所占含量百分比。試驗工點應用結果如圖13所示，與篩分試驗結果對比，該方案在較大粒徑識別精度較高，在較小粒徑識別算法上仍有進一步優(yōu)化的空間。

圖12 填料級配圖像識別系統(tǒng)架構

圖13 圖像識別填料粒徑

2.3 壓實振動連續(xù)檢測系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)功能

壓實振動連續(xù)檢測技術通過采集、分析、計算振動壓路機碾壓輪的振動響應得到振動壓實值，該數值與填料壓實程度呈正相關關系，由此來反饋碾壓質量。該系統(tǒng)實現了對整個碾壓面的全覆蓋式檢測，改變了傳統(tǒng)意義上的抽樣控制方式。通過與北斗定位技術的配合使用，還可以實現對路基碾壓施工的過程控制，為進一步發(fā)展路基智能壓實控制奠定基礎［10］。

2.3.2 技術方案

圖14 連續(xù)壓實系統(tǒng)組成

壓實振動連續(xù)檢測系統(tǒng)主要由連續(xù)檢測設備（硬件）、反饋控制與管理系統(tǒng)（軟件）等組成，見圖14。硬件部分主要由振動傳感器、定位系統(tǒng)、處理器、顯示終端與服務器終端組成。連續(xù)檢測設備主要功能是進行現場數據采集與實時顯示，反饋控制與管理系統(tǒng)提供數據的遠程訪問與分析。振動傳感器采集壓路機振動輪機架的振動加速度，通過數字處理器分析其振幅、振頻及波形特征，在此基礎上通過分析獲取路基的壓實度、壓實均勻性及壓實穩(wěn)定性三方面信息［11］；利用北斗定位系統(tǒng)采集壓路機坐標信息，對檢測結果進行準確定位，可得到路基壓實度、均勻性及穩(wěn)定性平面分布圖；通過配置的車載顯示終端，可以實時顯示查看檢測結果，指導路基碾壓施工。反饋控制與管理系統(tǒng)將檢測設備采集的數據上傳至管理平臺，在服務器上實現對路基壓實檢測數據的存儲備份、信息查詢及進一步的統(tǒng)計分析［12］。

2.3.3 工程應用

壓實振動連續(xù)檢測系統(tǒng)已在京沈、鄭萬、京張、京雄等高速鐵路建設項目中應用。系統(tǒng)可準確記錄路基的碾壓遍數，反映當前填筑高程，見圖15；生成路基壓實程度平面圖、壓實均勻性平面圖及壓實穩(wěn)定性平面圖，可全面反映路基壓實質量，引導壓路機對“欠壓”部位進行補壓，避免已碾壓合格的區(qū)域發(fā)生“過壓”，見圖16。其中，壓實程度平面圖反饋路基壓實振動值合格面積占總面積的比例，是最重要的檢測結果。

圖15 碾壓遍數查看

圖16 壓實程度平面圖

3 結語

鐵路路基工程信息化建設主要涵蓋施工管理、質量檢測兩方面，路基施工管理信息化包括樁基施工管理系統(tǒng)、填料生產管理系統(tǒng)、路基智能填筑指揮系統(tǒng)等；路基質量檢測信息化包括填料含水率檢測系統(tǒng)、填料級配圖像識別系統(tǒng)、壓實振動連續(xù)檢測系統(tǒng)等。通過對路基信息化建設系統(tǒng)功能、技術方案及應用情況的介紹，闡明了我國鐵路路基工程信息化建設的技術現狀，表明信息化手段可為當前鐵路路基建設過程中進度、質量管理的薄弱環(huán)節(jié)提供現代化的管理手段，有助于全面提升鐵路路基建造技術水平，為路基智能建造提供重要支撐。

后續(xù)鐵路路基信息化建設，應以國鐵集團和建設項目各參與方的需求為導向，做到“引領、創(chuàng)新、實用、共享”，向以“工業(yè)化、主動控制、信息模型驅動”為主要特征的智能化施工時代邁進。