智能环境下的铁路勘察设计

李寿兵

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

党的十九大明确提出，中国特色社会主义进入新时代，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。这是关于中国发展全局和战略的新的重大判断。

在全国交通强国的战略下，随着铁路基础设施的进一步提升，伴随高铁出行的人群规模不断增加，旅客对于铁路出行提出了更高的标准，为满足人民群众对铁路交通的新需求，利用信息化、智能化手段提升铁路勘察设计、施工及运营维护的质量，提高铁路旅客乘车体验，改进铁路服务质量，是解决新时代社会主要矛盾在铁路行业的最好体现。

勘察设计是工程建设的龙头，在智能化技术的应用中起着牵头及主导作用[1]。勘察设计企业对铁路数字化，智能化负有重要的责任。随着智能铁路的进一步开展，作为先行者的“智能京张、精品工程”在勘察设计中探索了勘察设计企业下一步走进智能时代的途径与目标。

1 智能铁路与数字铁路

1.1 智能铁路与数字铁路的关系

智能铁路的基础是数字铁路，铁路建设从规划、勘察到设计，交付成果由原来的施工图，到施工图与三维信息模型，设计院将交付一条完整基于BIM技术的数字铁路。而施工则依托设计成果，将这条数字铁路落地成型，交付运维管理的将是虚拟的数字铁路和实体两条铁路。在运维中，通过云计算、大数据、5G、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航、智能探测监测等新技术，实现铁路基础设施环境间信息的全面感知并科学决策，实现全生命周期、一体化管理的智能铁路。

智能铁路的实现途径是通过新一代信息技术与高速铁路技术的集成融合，从而推动高铁智能设计、智能建造、智能装备、智能运营技术水平全面提升。因此，铁路的数字化是智能铁路实现的数据基础，这条数字铁路必须保持与实体铁路的高度一致性。

1.2 数字铁路的含义

数字铁路的实现手段其实是将铁路数字化，本质上来说是将计算机数据存储和管理技术引入进来，实现对象级别的数据管理、权限配置，能支持多用户协作和同步修改[2]。最终将传统的分散的各专业纸质文档、电子图纸转化为集中的信息化存储。具体来说就是将勘察阶段采集到的包括地形，地质，水文、环保、人文、经济等信息经过分析处理后，将数据打散，再按照统一数据格式重组后，集成到一个统一的系统中，建设成为一个和现实情况一致的虚拟仿真环境，然后在这个虚拟环境上开展各专业的协同设计，最后建成一个包含虚拟环境的挂接各专业设计信息的全要素三维仿真模型。而对“智能”的理解，就是在数字化的基础之上，进一步做数据挖掘，融合应用需求，用于指导铁路从设计、施工到运营维护的全过程。比如，设置摄像头监控，实现人流密度分析，用于引导客流走向，这就是智能铁路的智能化运营的应用。所以，数字铁路是智能铁路信息及需求应用的载体。

因此，数字铁路主要包含两层含义：第一层是与地理信息相关的数字地球，指的是对铁路测绘、地质、路基、桥隧、房建、四电系统等相关信息进行多分辨率、三维的准确表达，并按照统一的地理坐标集成，从而嵌入海量的铁路相关地理数据和管理信息；第二层含义是指结合铁路设计、施工、运维等需求，通过对各数据进行有效存储管理和开发利用，真正建立对铁路行业的智能化管理的数据基础[3]。

1.3 数字铁路的组成

数字铁路是在计算机虚拟环境中，对整个设计、施工、运营、维护等过程进行仿真、评估和优化后的一个数字信息系统，是现代数字设计应用和计算机仿真技术相结合的产物，也是沟通设计施工与运营维护之间的桥梁。因此数字铁路是贯穿整个铁路全生命周期的纽带和数据基础。

数字铁路包含了铁路项目从勘察阶段开始一直到施工运维全过程，项目参与方所有的几何、物理、功能和性能信息。对于勘察设计阶段而言，数字铁路的组成首先应包括铁路沿线地形、地质、水文、经济、电力、环保等开展设计所需的基础信息；其次还应包括满足向施工阶段交付深度的铁路构、建筑物的非几何及几何模型信息。

1.4 数字铁路的建设要求

数字铁路是智能铁路实现的数据基础，服务于智能铁路的业务整合与应用，关注的是各阶段参与方的数据整合和数据传递。数字铁路建设的首要要求就是数字铁路与实体铁路在几何及非几何信息上必须具有高度的一致性；其次，数字铁路的建设必须是有章可循，有标准可依的；最后，数字铁路是基于多源空间信息集成的真实感地理建模和铁路构(建)筑物的多维度信息模型。因此，数字铁路同时应该是集成多源数字采集方式的可感知的动态数据模型。

1.5 勘察设计企业是数字铁路的先行者和建设者

设计是工程建设的龙头、灵魂。铁路在勘察设计阶段就应该充分考虑到智能铁路的建设、铁路装备及运维方面的智能化需求。因此，勘察设计企业对铁路数字化、对智能铁路的建设负有重要的责任，也是数字铁路的先行者和建设者，利用先进数据采集手段、数据提取分析手段、数据传输交互手段实现工程勘察全过程的信息化、智能化；利用各种专业软件及BIM技术开展高效、快捷的三维标准设计与特殊设计；利用BIM+CIM+GIS+MIS、大数据、计算机等信息化管理技术，为信息化体系构建提供了新的途径，增加了信息来源[4]，通过勘察设计工作的协同化、平台化、智能化，为铁路工程建设管理高效、可视、协同，建设基于标准的全要素数字铁路打下坚实的基础。

2 数字铁路在勘察设计阶段的信息获取与利用

2.1 勘察数据的获取技术

铁路勘察工作主要涉及到地形、地物、地质、水文、气象、军事、电力、植被、经济、人文等基础数据的获取。传统上数据采集、收集工作一般基于航测、卫星遥感、勘探、物探、调绘、调查等方式开展。随着技术的不断发展，传统信息获取技术与新技术日益结合，数据的采集、收集技术的日益发展，铁路勘察工作的信息化自动化程度也越来越高，也越来越高效。目前，随着航天遥感、航空摄影、无人机、飞艇、倾斜摄影、近景摄影、机载Lidar、地面三维激光、倾斜摄影、GPS、室内定位、工程物探、超前地质预报、各类传感器等现代信息采集技术，利用遥感判释、图像识别与信息提取技术，都大大丰富了传统勘察设计数据的获取手段。

2.2 勘察数据的处理技术

铁路勘察设计阶段数据按专业分主要为测绘数据、地质勘察数据以及各专业调绘、调查数据。按数据格式来分，主要为影像数据、矢量数据、文档数据等。

测绘数据处理：①海量数据处理，测绘影像数据量大，如倾斜摄影以及Lidar点云等数据，如果采用传统的计算方式，效率极其低下，现在的处理技术在向分布式以及GPU计算技术方向发展；②多源数据融合，将不同方式不同平台不同精度的影像数据、密集点云和外业测量数据融合，为铁路设计、施工及运维提供丰富准确的空间地理信息。

地质专业主要的勘察方法为地质调绘、勘探(钻探、静力触探、试坑等)、物探等。勘察的资料目前主要采用人工现场记录的工作方式，后期手工输入进行电子化，然后采用电子化的资料形成地质勘察报告。其他专业调绘调查的数据基本也以数据文档为主。

针对勘察数据多元化的特点，按照传统方式将各专业数据分开处理再集中管理的方式，效率低下而且数据交互困难。

为应对铁路数字化、智能化的发展方向，目前的发展趋势是将多专业数据集成到统一环境中集中进行融合分析处理。

2.3 勘察数据的融合技术

铁路勘察的任务是搜集铁路沿线的地形、地质、水文、气象、地震、人文、经济等资料，为铁路设计提供依据。按工作种类又可分为线路勘测、工程地质勘察、水文勘测和给水勘测等。铁路勘测具有专业繁多、数据获取手段多样等特点。传统数据处理较为繁琐，而数据融合就需要将多专业、多手段、多途径采集到的数据集成到统一环境进行统一分析处理，大大提高数据之间相关性及处理效率。

多源数据融合处理技术是一种新兴技术。该技术以传感网和信息平台为支撑，以大数据分析、云计算为手段，既能够对数据进行叠加处理，同时也能够对各种数据进行融合处理。

面对铁路技术的高速发展，尤其是智能铁路建设的目标方向，需要对大量的数据进行采集和分析处理，智能设计的实现需要获取越来越丰富的数据信息，这就面临多种来源，多种数据形式的数据如何高效快速地进行处理的问题。数据融合技术是一个便捷的实现途径。以地质勘察为例，数据融合技术可以将地质中所呈现出来的不同信息融合起来，便于地质勘察人员做出正确的判断。该技术也可以将不同数据源所具备的优点集中起来，使地质勘察获取的信息更丰富。融合后的数据可以使勘察信息更加直观，勘察人员可以获得更多的信息，勘察效率与质量都能够得到保证。

对于测绘专业来说，测量手段的进步，数据获取技术的发展，促使了空地一体化多源数据融合新技术的应用。多来源、多精度、多时相数据的融合处理，大大提升数字成图一体化作业效率，丰富了空间地理信息数据。

对于应用场景，例如在三维数字选线阶段，可以将不同手段获取到的地理数据集成到统一数字环境中，同时也可将线路范围的人文、经济、环保等调查数据信息化后集成进去，最后形成一个整体的虚拟环境，通过各种指标的对比，便捷开展线路三维设计工作。

3 基于BIM技术的设计手段

BIM(Building information modeling)技术是利用数字模型对项目进行全生命周期的应用体系，目标是实现各阶段信息共享与信息传递，提高工程各阶段的质量和效率。BIM技术体系与数字铁路建设的目标和需求高度重合，因此BIM技术体系可以作为数字铁路建设的首选方案。

2013年12月中国铁路BIM联盟成立[5]，并于2014年全面启动中国铁路BIM标准体系的研究工作[6]，体系包含针对软件研发者的数据存储标准、信息语义标准、信息传递标准等技术标准及针对工程实施者的资源标准、行为标准、交付标准、协同管理等实施标准部分。标准体系的建设为铁路行业BIM业务建设、勘察设计、施工、运维提供了依据。

在工程应用方面，铁一院在西成高铁清凉山隧道[7]、十岔沟中桥中开展了BIM技术探索[8-9]；铁二院在宝兰高铁石鼓山隧道[10]、沪昆高铁北盘江特大桥[11]、新白沙沱长江大桥和西成高铁江油北站等项目开展了BIM设计以及施工应用研究；中国铁设在阳大、京沈、京雄等项目开展了基于达索的BIM应用技术研究[12-13]。

将BIM技术应用于铁路工程建设行业中，必然会带来业务流程再造、业务活动重构、协同方式改变等一系列变化，也必将引起勘察设计企业生产方式的重要变革。将设计工作划分为标准设计和特殊设计，采取统一平台下各专业协同开展参数化设计或装配式设计，极大地提高设计效率和设计质量。

3.1 基础业务建设

为了保证铁路行业全生命周期BIM技术应用的运转顺畅，提高各阶段的工作效率，保证成果水平和质量，降低成本。首先，应对传统的业务活动进行重整，以适应BIM技术应用的业务活动，加入BIM技术应用特定的业务活动内容(如规划、建模、分析、审核、归档等)；其次，应在传统流程的基础上加入BIM技术应用的业务流程，即BIM技术应用过程中一系列结构化、可度量的活动集合及其关系(如设计阶段业务流程应加入创建模型、模型审核、二维视图生成、方案提交等相互关联的多个活动及步骤)；最后，利用BIM技术改变传统的协同方式，以提高各阶段的管理协调能力，降低阶段间信息传递的损失率，保证项目全生命周期中信息的唯一性、准确性和有效性。

3.2 协同设计

虽然铁路设计行业早已完成了CAD/CAE技术的变革，但是计算机在设计过程中所扮演的角色还停留在辅助绘图、辅助分析的层次。尽管目前BIM技术广泛应用，也只是对工程项目设施实体与功能特征信息的数字化表达。BIM技术利用计算机软硬件设备的更新，逐步形成完整的、有层次的信息系统，不仅包含描述工程主体构件的几何信息、物理信息、专业属性信息及状态信息，同时还包含了空间、时间、运动行为等非构件对象信息。

在勘察设计过程中，资料的收集、检索是由人工完成的。当某专业设计完成时，完成各级校审流程后，提交下序专业，信息传递是串行的。项目的参与人员和部门之间缺乏交流，项目中各专业对设计过程中的边界问题缺乏清晰的认识，上下序专业间易发生冲突，使得设计成果不能很好地满足业主要求，经常出现重复设计、反复修改的现象。导致这些情况的主要原因是，设计过程是一个刚性序列，灵活性不够，未能有效利用计算机使数据互联互通，设计资料中信息交流不畅。尽管设计院有专属部门制定专业分工，但是项目中遇到的问题五花八门，如果没有一个良好的专业间协同机制，没有一个高效的协同系统，仅靠规章制度，难以应对复杂的实际问题。最终的结果有可能不是按照最利于工程实际修改设计，而是通过最易修改的专业来调整设计。

通过协同设计，约定专业内和专业间的协同工作方式，在同一设计环境中建立模型[14]，结合操作上的工作流程，凭借协同设计的并行工作优势，可以保证专业间的信息传递及时有效。传统的二维设计模式已经有了协同的概念，但是二维协同设计受文件管理局限，设计人员(泛指设计、复核、专业审核等角色)在文件编辑与文件流转上常常发生冲突，从而影响专业内的协作；其次，二维协同设计受图形表达的影响，同质的设计输入数据在工作流程的设置上显得相对繁琐，降低设计参数传递的效率。引入BIM正向协同设计，可以允许某个设计单元中同专业人员在同一个文件上同时操作，专业间不仅传递图形，同时传递属性，重复的内容即使专业间各自创建、重复表达，通过系统也会归类设计参数，梳理设计输入数据内容。例如建筑可以基于结构楼板在同高程位置，创建有面层的楼板，符合各自的表达需求，而在结构或建筑任一专业调整楼板高度时，另一专业都会获得消息提醒，并允许另一专业选择跟随或要求其改回。

协同设计的目的在于，通过建立协同设计工作管理平台，用于对项目设计过程中以三维模型为载体的信息进行集中、有效的管理，让项目各专业的设计人员，能够在一个集中统一的环境下工作，并能随时获取所需的项目信息。在充分利用各专业设计软件的基础上，实现各设计专业之间信息沟通顺畅、实时统一，使各专业设计工作的数据文件一致，上下专业间的设计工作衔接协同有序，节省工作时间，提高工作效率，确保设计工作合理、有序、高效完成。

3.3 参数化设计

BIM模型是信息承载和流转的基础，各专业技术人员在实际建模工程中常常需要花费大量的时间和精力去创建三维模型。目前，在利用构件实现模型的重用，加快建模速度和提高标准化程度时，若是利用传统方式进行建模工作，那么同一种类型的构件，只要尺寸稍有变化，就需要重新建模，并在构件库中新增加构件种类，很大程度上加大了技术人员建模的工作量，同时也不利于后期对模型的维护。另外，手动的方式建模工作量大，作业效率低下，而且模型极易产生几何错误。利用参数化驱动来快速建模是解决上述问题的最佳技术手段。参数化驱动模式是BIM建设的发展趋势，也是BIM向正向设计发展不可或缺的技术。

3.4 装配式设计

装配式设计是通过现代化、工业化、信息化、智能化技术相结合，整合设计、生产、施工和运营维护等产业链，对铁路建筑、桥梁、隧道等从粗放型转向一体化节约型而进行的变革。是提高工程质量，摆脱大量手工作业的重要途径，是铁路设计转型升级的趋势。

装配式设计初始，从初步设计阶段结合BIM技术在规范确定下对例如建筑结构、桥梁结构等底部现浇区域面积、层数、预制构件类别及预留管线、洞口等进行合理计算，制定合理措施。在施工图阶段按照初步设计阶段制定的技术措施进行深化设计。对构建节点、内部装修、外部装饰、玻璃幕墙、厂院围墙、桥梁部件等在图纸及BIM模型中，根据生产企业提供设计参数进行精确设计，充分考虑细节建模和各专业预留预埋要求。专业人员需考虑连接点处的防水、防火、隔声等设计。从而能够传递到工厂进行预制化生产。在预制化生产过程中，需对构建洞口位置、细节尺寸精确定位外，还需考虑生产运输和现场安装时安装设备起吊、固定的空洞预留。

通过装备式设计流程能够实现流程精细化、设计模数化、配合一体化、成本精准化、技术信息化等五方面内容。可使整个建筑体系更加高效精细生产，将不同构建标准化生产，有效节约生产成本，也可更好的控制施工整体时效。在后期运营维护中对局部损毁或老龄化构建可通过BIM模型进行再次生产替换。

3.5 特殊设计

在现代化设计过程中，人们已不满足于只为达到工程使用的目的，而更多地对于美观化、节能化、精确化等方面进行设计。而在传统二维设计中对于隧道洞门、特殊桥梁、异形建筑等无法很好的对设计细节进行表达，从而在传递到施工企业后，无法准确按照设计思路进行建设，导致效果质量不达标，甚至进行返工。而利用BIM可视化技术可优化设计方案，从而让设计与周边环境更加融洽，同时可更加准确指导施工现场进行建设。

而在异形建筑中，由于建筑设计独特，采用非对称设计或多曲面设计等，从而图纸无标准层，屋面无法准确定位，功能布局、流线设计、消防疏散较为复杂，而在概念设计阶段无法通过图纸进行有效传递设计意图。通过BIM技术可在模型交底后，提前对工程内容进行施工模拟，设计细节讨论，从而有效地将设计意图和细节处理方式传递给施工企业，确保工程成果符合设计要求。

同时有些特殊设计在地下部分形状多有不规则形体，对设计阶段如隧道洞口，坡地院落设计等存在倾斜挖填方，土方量无法准确计算，可通过BIM技术解决此类问题。

4 数字铁路的交付

4.1 交付依据、要求

数字铁路的交付目前可供参考的只有铁路BIM联盟关于BIM模型的相关交付标准。交付标准主要有4个，一是面向铁路工程模型的地理信息数据的交付标准，二是各专业工程实体分解标准及信息模型交付精度标准[15]，三是面向施工交付的设计文件编制办法，四是BIM模型存储的数据标准[16]。

4.2 交付内容

勘察设计阶段交付的数字成果包含以下3个主要部分。

一是地理信息相关的模型文件，包括DEM、DOM等地形模型以及重点工程周边的主要建筑模型。

二是各专业数字模型：主要包含线路、站场、地质、路基、桥梁、隧道、站房、电力、接触网、通信、信息、防灾、机械、动车、机务、车辆、轨道等专业。模型各构件应满足相应的几何及非几何精度要求。

三是相关设计文档及资料。

5 京张高铁的智能设计探索

5.1 京张高铁简介

京张高铁东起北京北站，西至张家口南站，全长174 km，是2022年冬奥会的重要交通保障线，是京津冀一体化发展的经济服务线，是京张铁路百年历史的文化传承线，是展示中国高铁先进技术理念的示范线，也是落实“一带一路”战略的政治使命线。

该工程设计难点繁多、施工组织复杂、运维压力巨大，传统设计手段难以满足要求，需依托信息化、智能化技术来解决这些难题。

京张高铁地形复杂，勘察工作艰难，通过遥感、摄影测量、GPS等现代测绘技术，高效完成了全线DLG、DEM、DOM等成果。

5.2 开展基于BIM技术的协同设计

京张高铁BIM设计是全路首个全线全专业大型BIM技术应用综合性项目，中铁设计集团组织线路、站场、轨道、地质、路基、桥梁、隧道、机械、房建、接触网、变电、电力、信号、通信、信息、防灾、暖通、环保等23个专业开展协同设计工作。

通过三维协同设计管理平台，集中管理全专业构件库、资源库、设计规范等，统一规范了项目各阶段工作流程，集中存储了多个层级的设计文件，实现了项目参与人员在统一工作环境下用同一套标准来共同开展协同设计的目标。

5.3 智能化设计

通过参数化设计、装配式设计等新技术的研究，结合铁路设计工作的特点，研发了大量的框架性基础模块。在此基础上，结合各专业设计工作的特点，研发了针对地质、路基、测绘、桥梁、隧道、接触网等专业级应用模块，实现了从设计意图到符合规范要求的三维模型的智能、快速设计。通过对BIM标准的整合，研发了模型审核工具，利用三维模型原设计意图进行验证和复核，保证设计质量，提高设计效率。

美国斯坦福大学的调研表明，BIM可以减少设计变更40%[17]。BIM技术在勘察设计工作中的具体应用，大大提升了设计工作自动化、智能化的程度。切实有效地减少了重复工作，降低了设计错误概率，达到了提高设计生产效率的目标。同时，作为技术储备资源之一，为形成中铁设计的行业核心竞争力奠定基础，提升中铁设计的BIM软实力。

6 结语

铁路作为国家交通运输的核心力量，铁路的信息化、智能化建设对未来交通行业的发展有着长远的意义。未来智能高铁的发展目标是实现智能设计、智能建造、智能运营、智能服务。汇聚“三流”、融合“两网”、打造“一体”[18]。以高铁经济与数字经济的深度融合，实现铁路智能化带来的沿线各地经济腾飞。

目前，整个中国经济结构在进行深度调整，拥有全部自主知识产权的中国高铁也在进行智能化的转型升级。而要实现这一切，最重要的基础就是勘察设计过程中形成的，集成了周边环境、人文及设计数据的数字铁路，为实现铁路全生命周期管理建立基础数据信息，因此，勘察设计企业对智能铁路的建设负有重要责任。铁路勘察设计企业应高度重视智能铁路的发展方向，集成大数据、5G、物联网、人工智能、北斗导航等新技术与传统勘察设计进行融合，深入研究面向铁路工程全生命周期的多专业协同的数字化勘察设计技术，为智能铁路的进一步深化打下坚实的基础。