新科技 讓鐵路設(shè)計(jì)更便捷
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2024/3/26 7:24:54
來源： 全國勘察設(shè)計(jì)信息網(wǎng)
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近年來，隨著空間信息科學(xué)、計(jì)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(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛�？辈臁⑦x線、設(shè)計(jì)全流程都可實(shí)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(jì)工期，鐵路設(shè)計(jì)更加高效便捷精準(zhǔn)。
一條鐵路是如何設(shè)計(jì)出來的？
要知道，100公里的鐵路線路，控制因素就達(dá)上百個(gè)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(jì)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(jì)人員還可以借助哪些新工具、運(yùn)用哪些新方法？
走進(jìn)鐵路設(shè)計(jì)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(jì)等新詞，看到的是各種新科技。跟隨鐵路設(shè)計(jì)人員的腳步，記者實(shí)地感受現(xiàn)代鐵路的設(shè)計(jì)過程。
鐵路勘察省工省時(shí)
從眼看尺量到無人機(jī)無人船自動(dòng)勘察
見到中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司勘察技術(shù)隊(duì)隊(duì)長趙亞祥，是在一座大山前。
測(cè)繪大地經(jīng)緯，勘察萬里山河。鐵路設(shè)計(jì)，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(shì)�！壁w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(gè)攝像頭的立體攝像機(jī)，一次飛行即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)角度圖像采集。這些影像傳輸?shù)胶笈_(tái)的集群計(jì)算中心后，即可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)。
不到半小時(shí)，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�！壁w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(cè)設(shè)計(jì)資料，一箱裝衣被，一塊模板擱在兩個(gè)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(cè)全難、測(cè)準(zhǔn)難、測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、5G、人工智能等快速發(fā)展，測(cè)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(yùn)行后，為智能勘察提供了堅(jiān)實(shí)支撐。
正是在這樣的背景下，激光點(diǎn)云設(shè)備、機(jī)載和地面激光雷達(dá)、航空航天遙感測(cè)繪技術(shù)、大型3D實(shí)景數(shù)字模型制作技術(shù)、鐵路快速測(cè)量車、無人機(jī)無人船等技術(shù)和設(shè)備大量運(yùn)用于勘察，推動(dòng)智能勘測(cè)不斷發(fā)展。
鐵四院勘察院數(shù)智化所總工程師費(fèi)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(dòng)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(cè)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(jì)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(cè)階段可縮短工期約30%；定測(cè)階段可減少外業(yè)人員規(guī)模30%，縮短工期20%。算下來，初測(cè)階段每公里可節(jié)約人工成本1.12萬元，定測(cè)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(shí)可從上千個(gè)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(tái)數(shù)據(jù)湖。數(shù)據(jù)量有多大？“這需要以TB（太字節(jié)）計(jì)算�！辟M(fèi)亮說。
海量的數(shù)據(jù)經(jīng)過鐵四院后臺(tái)處理系統(tǒng)的編譯、整理、匯總，最終將生成逼真的影像。費(fèi)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�！彪S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(jì)。
“數(shù)字地球”還是一個(gè)實(shí)時(shí)共享平臺(tái)，不同專業(yè)不同工種的人員可以同時(shí)上線操作，即時(shí)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(diǎn)、途經(jīng)點(diǎn)、終點(diǎn)，人工智能就能自動(dòng)設(shè)計(jì)線路。
“從A點(diǎn)到B點(diǎn)應(yīng)該怎么走，系統(tǒng)1小時(shí)即可生成方案群，并從上千個(gè)方案中選出最優(yōu)的5個(gè)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(jì)主要依靠線路工程師識(shí)別圖紙上的相關(guān)信息，然后在設(shè)計(jì)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(gè)月以上。
這個(gè)計(jì)算過程有多難？人工智能系統(tǒng)需要從上億選項(xiàng)中選出最合適的點(diǎn)。
“如此龐大的計(jì)算量，意味著智能選線系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要像人類一樣思考，及時(shí)排除無效選項(xiàng)。”彭先寶說，“我們將鐵四院數(shù)十年的鐵路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、方案都交給系統(tǒng)學(xué)習(xí)，讓它也成為成熟的設(shè)計(jì)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(duì)比，機(jī)器和人工分別對(duì)同一段線路進(jìn)行選線�！敖Y(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(jì)思路。”李其龍說，系統(tǒng)甚至還能設(shè)計(jì)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(jì)師在機(jī)選方案的基礎(chǔ)上再調(diào)整優(yōu)化，計(jì)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(jì)方案一鍵生成
1分鐘即可完成100公里線路的三維設(shè)計(jì)方案
對(duì)一條鐵路的設(shè)計(jì)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(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)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(jì)算比對(duì)。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(jì)師輕點(diǎn)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(jì)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(jì)迅速完成。
“你瞧，系統(tǒng)在這里選擇了斜拉橋。如果設(shè)計(jì)師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，覺得懸索橋更適合，還可修改設(shè)計(jì)參數(shù)生成懸索橋方案，系統(tǒng)將立刻給出兩個(gè)方案的數(shù)據(jù)比較結(jié)果，供設(shè)計(jì)師參考。”鐵四院線路設(shè)計(jì)師李帥說。
記者發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的智能程度非常高。設(shè)計(jì)站房時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)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(shì)完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)線路離居民區(qū)較近時(shí)，還會(huì)主動(dòng)加裝聲屏障，并同步測(cè)算加裝聲屏障后的噪聲分貝，自動(dòng)判斷是否符合規(guī)范。
在設(shè)計(jì)師眼中，這套系統(tǒng)除了能大幅降低勞動(dòng)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(gè)部門對(duì)接。
“我們需要與多個(gè)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�！崩顜浗榻B，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(jì)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(jì)算。經(jīng)過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，如今系統(tǒng)已做到TB級(jí)數(shù)據(jù)加載無卡頓，普通計(jì)算機(jī)也能運(yùn)行，這讓設(shè)計(jì)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(yùn)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(gè)項(xiàng)目中成功推廣應(yīng)用。（來源：人民日?qǐng)?bào)）
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