新科技 讓鐵路設計更便捷
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2024/3/26 7:24:54
來源： 全國勘察設計信息網
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近年來，隨著空間信息科學、計算機技術、遙感技術、5G、人工智能等快速發展，新技術和新設備在鐵路規劃設計中的應用越來越廣泛。勘察、選線、設計全流程都可實現數字化、智能化，這大幅降低了人工成本，縮短了設計工期，鐵路設計更加高效便捷精準。
一條鐵路是如何設計出來的？
要知道，100公里的鐵路線路，控制因素就達上百個類別，若把線路空間畫成立體圍棋盤，則有上億格。那么，完成這樣的設計工作，除了跋山涉水、風餐露宿，埋頭畫圖、筆耕不輟，如今設計人員還可以借助哪些新工具、運用哪些新方法？
走進鐵路設計院，記者聽到的是北斗定位、傾斜攝像、數字地球、智能設計等新詞，看到的是各種新科技。跟隨鐵路設計人員的腳步，記者實地感受現代鐵路的設計過程。
鐵路勘察省工省時
從眼看尺量到無人機無人船自動勘察
見到中鐵第四勘察設計院集團有限公司勘察技術隊隊長趙亞祥，是在一座大山前。
測繪大地經緯，勘察萬里山河。鐵路設計，勘察是前哨。“考慮到鐵路可能經過這片區域，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，“過去勘察咱得爬上去，如今可以操作無人機飛過去看看。”
趙亞祥介紹，用于勘察的無人機搭載了具有5個攝像頭的立體攝像機，一次飛行即可實現多個角度圖像采集。這些影像傳輸到后臺的集群計算中心后，即可自動轉化為三維數據。
不到半小時，無人機成功返航，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世紀初，鐵路勘察人常用的工作套裝是“兩箱一板”。一箱裝勘測設計資料，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、水準儀等。過去的勘察，往往存在測全難、測準難、測快難三大難題，在數據處理上也存在不智能、表達不直觀、只有二維幾何信息等問題。
近年來，隨著空間信息科學、計算機技術、遙感技術、5G、人工智能等快速發展，測繪科學技術進步明顯，特別是中國自主研發的北斗導航系統建成運行后，為智能勘察提供了堅實支撐。
正是在這樣的背景下，激光點云設備、機載和地面激光雷達、航空航天遙感測繪技術、大型3D實景數字模型制作技術、鐵路快速測量車、無人機無人船等技術和設備大量運用于勘察，推動智能勘測不斷發展。
鐵四院勘察院數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，一次飛行上百公里，一周飛行即可采集全線數據；小范圍精確數據采集則采用小型無人機，攝影分辨率可達5厘米。如遇到植被覆蓋，還可采用搭載激光雷達的無人機，利用激光雷達數據自動還原植被下的地表數據；遇到河流湖泊，則有無人船負責信息采集，它可深入水下100多米，獲取水文信息等。
地表勘測有設備，地下勘察也有機器人助力。鐵四院地路院一所所長李水平介紹，基于地質勘探人工智能管理系統，在配備智能系統的鉆機一線作業中，勘察設計人員不到現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，在新技術的助力下，初測階段可縮短工期約30%；定測階段可減少外業人員規模30%，縮短工期20%。算下來，初測階段每公里可節約人工成本1.12萬元，定測階段每公里可節約人工成本2.53萬元，平均每年可減少數千萬元成本。
數字系統智能選線
1小時可從上千個方案中選出最優路線
勘察結束，數據全都匯聚到了鐵四院后臺數據湖。數據量有多大？“這需要以TB（太字節）計算。”費亮說。
海量的數據經過鐵四院后臺處理系統的編譯、整理、匯總，最終將生成逼真的影像。費亮形象地說：“這相當于把地球‘搬’進電腦，形成了‘數字地球’——地理地質信息系統。”
說話間，鐵四院“數字地球”負責人劉祾頠打開了“數字地球”演示：“你看，可以不斷放大圖像，分辨率可達5厘米。”隨著劉祾頠不斷操作鼠標，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虛擬形成，而“數字地球”里的建筑物每一面都有逼真的影像和確切的數據，方便后續線路設計。
“數字地球”還是一個實時共享平臺，不同專業不同工種的人員可以同時上線操作，即時獲得最新數據，大幅提高了工作效率、降低了協同成本。
依托“數字地球”，鐵四院還開發出智能選線系統，只要輸入起點、途經點、終點，人工智能就能自動設計線路。
“從A點到B點應該怎么走，系統1小時即可生成方案群，并從上千個方案中選出最優的5個方案。”鐵四院智能選線系統負責人彭先寶說，傳統的鐵路選線設計主要依靠線路工程師識別圖紙上的相關信息，然后在設計軟件里布設線路的空間位置，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設計時要像人類一樣思考，及時排除無效選項。”彭先寶說，“我們將鐵四院數十年的鐵路設計經驗、方案都交給系統學習，讓它也成為成熟的設計師。”
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選線對比，機器和人工分別對同一段線路進行選線。“結果表明，系統能挑選出人工意想不到的線路，提供新的設計思路。”李其龍說，系統甚至還能設計出橋隧比更低、成本更優的方案。
如今，在鐵路線路方案研究過程中，一般先由系統智能選線，設計師在機選方案的基礎上再調整優化，計算機將調整后的方案作為指導，重新生成線路方案群，不斷迭代，直到得出綜合最優方案。
設計方案一鍵生成
1分鐘即可完成100公里線路的三維設計方案
對一條鐵路的設計而言，確定線路走向，僅僅完成了第一步。后續，站場、橋梁、隧道、路基、接觸網等10多個領域的設計人員還要協同作業，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，都需要反復計算比對。如今，鐵四院的綜合選線系統推出了更先進的功能，設計師輕點鼠標，系統就可在1分鐘內生成100公里線路的三維設計方案。
采訪中，劉祾頠演示了方案生成過程。只見在“數字地球”里，一條立體高鐵線“平地而起”，設計迅速完成。
“你瞧，系統在這里選擇了斜拉橋。如果設計師根據經驗，覺得懸索橋更適合，還可修改設計參數生成懸索橋方案，系統將立刻給出兩個方案的數據比較結果，供設計師參考。”鐵四院線路設計師李帥說。
記者發現，系統的智能程度非常高。設計站房時，系統將自動根據所在縣市的人口、經濟發展水平匹配站房規模，依地勢完成結構設計。當發現線路離居民區較近時，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范。
在設計師眼中，這套系統除了能大幅降低勞動量，還是溝通的法寶。一條鐵路的建設，除了考慮地理因素，還涉及地區規劃等內容，需要與發展改革、交通、水利、農業等多個部門對接。
“我們需要與多個部門進行溝通。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，可以直觀地展示。有關部門提出修改建議，也能現場操作，1分鐘就能看到新方案，助力設計工作高效推進。
劉祾頠介紹，這套系統集成了海量的數據，能夠進行復雜的計算。經過不斷優化設計，如今系統已做到TB級數據加載無卡頓，普通計算機也能運行，這讓設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，到海陸聯運的平鹽鐵路，再到助力中部地區崛起的合武高鐵，這套智能系統已在20余個項目中成功推廣應用。（來源：人民日報）
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