新科技 讓鐵路設(shè)計更便捷
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2024/3/26 7:24:54
來源： 全國勘察設(shè)計信息網(wǎng)
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近年來，隨著空間信息科學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、5G、人工智能等快速發(fā)展，新技術(shù)和新設(shè)備在鐵路規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛。勘察、選線、設(shè)計全流程都可實現(xiàn)數(shù)字化、智能化，這大幅降低了人工成本，縮短了設(shè)計工期，鐵路設(shè)計更加高效便捷精準(zhǔn)。
一條鐵路是如何設(shè)計出來的？
要知道，100公里的鐵路線路，控制因素就達(dá)上百個類別，若把線路空間畫成立體圍棋盤，則有上億格。那么，完成這樣的設(shè)計工作，除了跋山涉水、風(fēng)餐露宿，埋頭畫圖、筆耕不輟，如今設(shè)計人員還可以借助哪些新工具、運用哪些新方法？
走進(jìn)鐵路設(shè)計院，記者聽到的是北斗定位、傾斜攝像、數(shù)字地球、智能設(shè)計等新詞，看到的是各種新科技。跟隨鐵路設(shè)計人員的腳步，記者實地感受現(xiàn)代鐵路的設(shè)計過程。
鐵路勘察省工省時
從眼看尺量到無人機(jī)無人船自動勘察
見到中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司勘察技術(shù)隊隊長趙亞祥，是在一座大山前。
測繪大地經(jīng)緯，勘察萬里山河。鐵路設(shè)計，勘察是前哨。“考慮到鐵路可能經(jīng)過這片區(qū)域，我們先摸摸情況、看看山勢。”趙亞祥說完，俯身打開隨身攜帶的大行李箱，取出一架無人機(jī)，“過去勘察咱得爬上去，如今可以操作無人機(jī)飛過去看看。”
趙亞祥介紹，用于勘察的無人機(jī)搭載了具有5個攝像頭的立體攝像機(jī)，一次飛行即可實現(xiàn)多個角度圖像采集。這些影像傳輸?shù)胶笈_的集群計算中心后，即可自動轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)。
不到半小時，無人機(jī)成功返航，山峰的信息已采集完畢。“這效率，擱以前想都不敢想。”趙亞祥感慨。
20世紀(jì)初，鐵路勘察人常用的工作套裝是“兩箱一板”。一箱裝勘測設(shè)計資料，一箱裝衣被，一塊模板擱在兩個箱子上，工具就是簡單的皮尺、全站儀、水準(zhǔn)儀等。過去的勘察，往往存在測全難、測準(zhǔn)難、測快難三大難題，在數(shù)據(jù)處理上也存在不智能、表達(dá)不直觀、只有二維幾何信息等問題。
近年來，隨著空間信息科學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、5G、人工智能等快速發(fā)展，測繪科學(xué)技術(shù)進(jìn)步明顯，特別是中國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建成運行后，為智能勘察提供了堅實支撐。
正是在這樣的背景下，激光點云設(shè)備、機(jī)載和地面激光雷達(dá)、航空航天遙感測繪技術(shù)、大型3D實景數(shù)字模型制作技術(shù)、鐵路快速測量車、無人機(jī)無人船等技術(shù)和設(shè)備大量運用于勘察，推動智能勘測不斷發(fā)展。
鐵四院勘察院數(shù)智化所總工程師費亮介紹，長距離大范圍地理信息采集一般采用固定翼大型無人機(jī)，一次飛行上百公里，一周飛行即可采集全線數(shù)據(jù)；小范圍精確數(shù)據(jù)采集則采用小型無人機(jī)，攝影分辨率可達(dá)5厘米。如遇到植被覆蓋，還可采用搭載激光雷達(dá)的無人機(jī)，利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)自動還原植被下的地表數(shù)據(jù)；遇到河流湖泊，則有無人船負(fù)責(zé)信息采集，它可深入水下100多米，獲取水文信息等。
地表勘測有設(shè)備，地下勘察也有機(jī)器人助力。鐵四院地路院一所所長李水平介紹，基于地質(zhì)勘探人工智能管理系統(tǒng)，在配備智能系統(tǒng)的鉆機(jī)一線作業(yè)中，勘察設(shè)計人員不到現(xiàn)場也能獲取勘探情況。
鐵四院勘察院副總工程師閔陽算了一筆賬，在新技術(shù)的助力下，初測階段可縮短工期約30%；定測階段可減少外業(yè)人員規(guī)模30%，縮短工期20%。算下來，初測階段每公里可節(jié)約人工成本1.12萬元，定測階段每公里可節(jié)約人工成本2.53萬元，平均每年可減少數(shù)千萬元成本。
數(shù)字系統(tǒng)智能選線
1小時可從上千個方案中選出最優(yōu)路線
勘察結(jié)束，數(shù)據(jù)全都匯聚到了鐵四院后臺數(shù)據(jù)湖。數(shù)據(jù)量有多大？“這需要以TB（太字節(jié)）計算。”費亮說。
海量的數(shù)據(jù)經(jīng)過鐵四院后臺處理系統(tǒng)的編譯、整理、匯總，最終將生成逼真的影像。費亮形象地說：“這相當(dāng)于把地球‘搬’進(jìn)電腦，形成了‘?dāng)?shù)字地球’——地理地質(zhì)信息系統(tǒng)。”
說話間，鐵四院“數(shù)字地球”負(fù)責(zé)人劉祾頠打開了“數(shù)字地球”演示：“你看，可以不斷放大圖像，分辨率可達(dá)5厘米。”隨著劉祾頠不斷操作鼠標(biāo)，每一座山峰、每一棟房屋的立體圖像都清晰可見，甚至連山峰的高度、坡度，房屋的長、寬、高等信息都能一一顯示。
“數(shù)字地球”與普通的全景地圖有何不同？劉祾頠解釋，普通軟件里的全景地圖往往只有建筑物、山川的俯拍影像，其他角度的信息由系統(tǒng)虛擬形成，而“數(shù)字地球”里的建筑物每一面都有逼真的影像和確切的數(shù)據(jù)，方便后續(xù)線路設(shè)計。
“數(shù)字地球”還是一個實時共享平臺，不同專業(yè)不同工種的人員可以同時上線操作，即時獲得最新數(shù)據(jù)，大幅提高了工作效率、降低了協(xié)同成本。
依托“數(shù)字地球”，鐵四院還開發(fā)出智能選線系統(tǒng)，只要輸入起點、途經(jīng)點、終點，人工智能就能自動設(shè)計線路。
“從A點到B點應(yīng)該怎么走，系統(tǒng)1小時即可生成方案群，并從上千個方案中選出最優(yōu)的5個方案。”鐵四院智能選線系統(tǒng)負(fù)責(zé)人彭先寶說，傳統(tǒng)的鐵路選線設(shè)計主要依靠線路工程師識別圖紙上的相關(guān)信息，然后在設(shè)計軟件里布設(shè)線路的空間位置，一條線路方案的擬訂往往需要半個月以上。
這個計算過程有多難？人工智能系統(tǒng)需要從上億選項中選出最合適的點。
“如此龐大的計算量，意味著智能選線系統(tǒng)設(shè)計時要像人類一樣思考，及時排除無效選項。”彭先寶說，“我們將鐵四院數(shù)十年的鐵路設(shè)計經(jīng)驗、方案都交給系統(tǒng)學(xué)習(xí)，讓它也成為成熟的設(shè)計師。”
智能選線的效果如何？
鐵四院線站院副總工程師李其龍介紹，院里組織過一次人機(jī)選線對比，機(jī)器和人工分別對同一段線路進(jìn)行選線。“結(jié)果表明，系統(tǒng)能挑選出人工意想不到的線路，提供新的設(shè)計思路。”李其龍說，系統(tǒng)甚至還能設(shè)計出橋隧比更低、成本更優(yōu)的方案。
如今，在鐵路線路方案研究過程中，一般先由系統(tǒng)智能選線，設(shè)計師在機(jī)選方案的基礎(chǔ)上再調(diào)整優(yōu)化，計算機(jī)將調(diào)整后的方案作為指導(dǎo)，重新生成線路方案群，不斷迭代，直到得出綜合最優(yōu)方案。
設(shè)計方案一鍵生成
1分鐘即可完成100公里線路的三維設(shè)計方案
對一條鐵路的設(shè)計而言，確定線路走向，僅僅完成了第一步。后續(xù)，站場、橋梁、隧道、路基、接觸網(wǎng)等10多個領(lǐng)域的設(shè)計人員還要協(xié)同作業(yè)，最終形成三維立體施工圖紙。
劉祾頠舉例說，一座橋梁是采用懸索橋、斜拉橋還是其他類型，都需要反復(fù)計算比對。如今，鐵四院的綜合選線系統(tǒng)推出了更先進(jìn)的功能，設(shè)計師輕點鼠標(biāo)，系統(tǒng)就可在1分鐘內(nèi)生成100公里線路的三維設(shè)計方案。
采訪中，劉祾頠演示了方案生成過程。只見在“數(shù)字地球”里，一條立體高鐵線“平地而起”，設(shè)計迅速完成。
“你瞧，系統(tǒng)在這里選擇了斜拉橋。如果設(shè)計師根據(jù)經(jīng)驗，覺得懸索橋更適合，還可修改設(shè)計參數(shù)生成懸索橋方案，系統(tǒng)將立刻給出兩個方案的數(shù)據(jù)比較結(jié)果，供設(shè)計師參考。”鐵四院線路設(shè)計師李帥說。
記者發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的智能程度非常高。設(shè)計站房時，系統(tǒng)將自動根據(jù)所在縣市的人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平匹配站房規(guī)模，依地勢完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)發(fā)現(xiàn)線路離居民區(qū)較近時，還會主動加裝聲屏障，并同步測算加裝聲屏障后的噪聲分貝，自動判斷是否符合規(guī)范。
在設(shè)計師眼中，這套系統(tǒng)除了能大幅降低勞動量，還是溝通的法寶。一條鐵路的建設(shè)，除了考慮地理因素，還涉及地區(qū)規(guī)劃等內(nèi)容，需要與發(fā)展改革、交通、水利、農(nóng)業(yè)等多個部門對接。
“我們需要與多個部門進(jìn)行溝通。以前繪制的方案往往是二維圖紙，較為晦澀。”李帥介紹，如今有了智能系統(tǒng)，可以直觀地展示。有關(guān)部門提出修改建議，也能現(xiàn)場操作，1分鐘就能看到新方案，助力設(shè)計工作高效推進(jìn)。
劉祾頠介紹，這套系統(tǒng)集成了海量的數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行復(fù)雜的計算。經(jīng)過不斷優(yōu)化設(shè)計，如今系統(tǒng)已做到TB級數(shù)據(jù)加載無卡頓，普通計算機(jī)也能運行，這讓設(shè)計師充分享受到人工智能的便利。
從打通西南崇山的宜涪高鐵，到海陸聯(lián)運的平鹽鐵路，再到助力中部地區(qū)崛起的合武高鐵，這套智能系統(tǒng)已在20余個項目中成功推廣應(yīng)用。（來源：人民日報）
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