京張高鐵智能化驚艷世界

嚴(yán) 冰 劉山山 楊 潔

6月12日上午，在北京北站外的京張高鐵清華園隧道進(jìn)口，隨著最后一組500米長(zhǎng)鋼軌精準(zhǔn)落位，京張高鐵歷時(shí)7個(gè)月緊張鋪設(shè)，完成了全線鋪軌，初露崢嶸。

京張高鐵是京津冀協(xié)同發(fā)展的重要基礎(chǔ)工程，是北京冬奧會(huì)重要交通保障設(shè)施，被譽(yù)為中國(guó)鐵路發(fā)展“集大成者”、智能高鐵示范工程。

智能系統(tǒng)提高效率

京張高鐵全長(zhǎng)174公里，起自北京北站，途經(jīng)清河站、昌平站、八達(dá)嶺長(zhǎng)城站、東花園北站、懷來站、下花園北站、宣化北站、張家口站。從北京北站引出后，京張高鐵就鉆進(jìn)了清華園隧道。

“清華園隧道全長(zhǎng)6公里多，是目前國(guó)內(nèi)位于城市核心區(qū)，穿越地層最復(fù)雜、重要建筑物最多的國(guó)鐵單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人趙海濤說，整個(gè)隧道穿過近90條城市管道線路，施工過程必須保證精準(zhǔn)無誤，否則就會(huì)影響城市生活。

清華園隧道是京張高鐵唯一采用盾構(gòu)法施工的隧道，建造過程中，盾構(gòu)機(jī)架在兩條鋼軌上，工人操作遙控裝置，將零件平穩(wěn)運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)進(jìn)行拼裝，整個(gè)系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，環(huán)環(huán)相扣，嚴(yán)絲合縫。借助盾構(gòu)機(jī)，整個(gè)隧道施工像外科手術(shù)一樣精準(zhǔn)，既保護(hù)了歷史遺跡，又不打擾城市生活。

項(xiàng)目部副總工程師劉磊則擔(dān)負(fù)攻堅(jiān)任務(wù)，他介紹說：“為使施工和管理更智慧，使隧道在極端復(fù)雜的地下環(huán)境中自由穿越，我們投入力量開發(fā)可視化智慧施工系統(tǒng)。”

這一系統(tǒng)包括施工參數(shù)、過程監(jiān)測(cè)、地質(zhì)預(yù)測(cè)等，實(shí)現(xiàn)全過程可視化動(dòng)態(tài)管理。每一個(gè)盾構(gòu)機(jī)搭載了幾千個(gè)傳感器，都具有感知、修正和自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，設(shè)備狀況、地下工作情況等數(shù)據(jù)，都直接上傳到中鐵十四局集團(tuán)的全國(guó)大盾構(gòu)數(shù)據(jù)指揮中心，盾構(gòu)專家24小時(shí)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控和技術(shù)服務(wù)。劉磊說，智能檢測(cè)可以隨時(shí)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，使風(fēng)險(xiǎn)始終處于可控狀態(tài)。

在鋪軌過程中，面對(duì)鋪軌作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高、交叉作業(yè)面多、30‰長(zhǎng)大坡道給鋪軌施工帶來的巨大挑戰(zhàn)，京張城際鐵路有限公司不斷優(yōu)化方案和資源配置，創(chuàng)新施工工藝，改造機(jī)械設(shè)備，應(yīng)用智能機(jī)器人檢測(cè)，采用機(jī)械化、自動(dòng)化鋪軌機(jī)組和施工信息化等手段，大幅提高了軌道精度和施工效率。中鐵三局還引進(jìn)、研發(fā)各種先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了指揮中樞信息化和智能化，質(zhì)量追溯全生命周期智能化等，為工程建設(shè)提供了科技支撐。

京張高鐵全線軌道鋪通是京張高鐵建設(shè)施工的標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)，后續(xù)將繼續(xù)通過科技手段，全力推進(jìn)軌道精調(diào)、“四電”(供電、通信、信號(hào)、電力)設(shè)備安裝及調(diào)試等，為下一步靜態(tài)驗(yàn)收和聯(lián)調(diào)聯(lián)試奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

智能設(shè)備攻克難題

京張高鐵離不開工程師們?cè)O(shè)計(jì)出的“黑科技”裝備。如“多面手”“千里眼”和“順風(fēng)耳”一樣的多種設(shè)備頻頻亮相，為京張高鐵的建設(shè)開啟了“科技大片”的既視感。在建造、維護(hù)、管理、安全等流程上，創(chuàng)新的智能化土壤孕育了京張高鐵高科技基因。

2019年3月2日，在中鐵電氣化局京張高鐵站后“四電”工程施工生產(chǎn)推進(jìn)會(huì)上，兩名工作人員將管材及所需零件送入接觸網(wǎng)腕臂自動(dòng)預(yù)配平臺(tái)，測(cè)量腕臂長(zhǎng)度，切割管材、分揀料頭、轉(zhuǎn)移管材，尋孔定位并套上零部件緊固，5分鐘一氣呵成，自動(dòng)完成作業(yè)。

“該預(yù)配平臺(tái)利用機(jī)器化減人，將原來12名操作人員配備要求降低到4人，實(shí)現(xiàn)了‘分散加工集中干、空中作業(yè)地上干、現(xiàn)場(chǎng)施工工廠干’等轉(zhuǎn)變，極大地提升了接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配平臺(tái)的安全、精準(zhǔn)效能?！敝需F電氣化局四電工程電氣化項(xiàng)目部預(yù)配中心負(fù)責(zé)人陳曉說道。如“多面手”一樣，接觸網(wǎng)腕臂自動(dòng)預(yù)配平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)。它在滿負(fù)荷狀態(tài)下完成每天近200組腕臂預(yù)配，預(yù)制出來的每一根腕臂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差都控制在1毫米之內(nèi)。

東花園隧道位于河北張家口市，在施工工程中，及時(shí)檢測(cè)降水情況十分重要，工程師設(shè)計(jì)出如“千里眼”的系統(tǒng)，完美地化解了這一難題。東花園隧道緊鄰康西草原、官廳水庫、野鴨湖國(guó)家濕地公園，日最大涌水量達(dá)35.4萬立方米，防滲水成為設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。中鐵十八局與西安交通大學(xué)、北京交通大學(xué)合作，研發(fā)“自動(dòng)控制降水與預(yù)警”系統(tǒng)與“深孔測(cè)斜”監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，把“眼睛”安在深水基坑中，聯(lián)合邊坡穩(wěn)定性安全監(jiān)控軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控降水情況。

同樣位于張家口市的正盤臺(tái)隧道，則運(yùn)用像“順風(fēng)耳”一樣的裝備解決了安全問題。該隧道全長(zhǎng)近13公里，屬單洞雙線隧道，是崇禮鐵路最長(zhǎng)隧道。隧道內(nèi)部信號(hào)常常無法連接，給施工帶來了極大安全隱患。鋪軌施工相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，他們開發(fā)了應(yīng)用智能工程運(yùn)輸指揮系統(tǒng)，使用電子防護(hù)器，研發(fā)了隧道內(nèi)工點(diǎn)與施工車輛以及施工車輛間的接近報(bào)警系統(tǒng)，解決了隧道鋪軌施工過程中信息不暢等問題。

此外，還有新型材料機(jī)器人噴涂防水，提高噴水效率，解決噴涂厚度不均等問題；AR輔助施工智能安全帽實(shí)時(shí)傳送施工推進(jìn)現(xiàn)狀，搭建信息化溝通軌道；在京張高鐵官廳水庫特大橋投入使用的集水槽安裝安全操作平臺(tái)，完美貼合大橋梁體翼緣板的外部結(jié)構(gòu)，使得操作更加方便自如，又很好地保護(hù)了水資源。

智能運(yùn)營(yíng)驚喜可期

據(jù)中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司(鐵科院)專家介紹，自動(dòng)駕駛車載設(shè)備收到計(jì)劃后，根據(jù)動(dòng)車組當(dāng)前的位置，計(jì)算出控制動(dòng)車組運(yùn)行的控制速度曲線，自動(dòng)控制動(dòng)車組加速、運(yùn)行、減速、停車、開車門等。2018年6月至9月，自動(dòng)駕駛設(shè)備順利通過所有風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試，可確保行駛安全。自此，京張高鐵將可以實(shí)現(xiàn)有人值守的無人駕駛。

“這是世界首次，在350公里的時(shí)速下模擬一個(gè)最好的司機(jī)，用算法開出一條安全、節(jié)能、高效的列車?！敝需F設(shè)計(jì)京張高鐵信號(hào)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人王東方說。

在京張高鐵的智能化運(yùn)營(yíng)中，最亮眼的莫過于列車的全自動(dòng)駕駛設(shè)計(jì)。列車的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)基本能達(dá)到和地鐵一樣，不同的是速度。與地鐵相比，高鐵的速度更快、線路更網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行環(huán)境更復(fù)雜。地面調(diào)度中心先規(guī)劃準(zhǔn)確的運(yùn)行計(jì)劃，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的地面設(shè)備，再通過鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)，移送動(dòng)車組上的自動(dòng)駕駛車載設(shè)備。

基于北斗衛(wèi)星和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，京張高鐵為建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、調(diào)度、維護(hù)、應(yīng)急全流程提供智能化服務(wù)。線路實(shí)時(shí)“體檢”系統(tǒng)，可以將全線每一個(gè)橋梁、車站，每一處鋼軌通過傳感器連接至電腦。零件是否老化，路基是否沉降，照明是否損壞，都能一目了然。

“未來，京張高鐵10個(gè)車站將有同一個(gè)‘大腦’。”中鐵設(shè)計(jì)京張高鐵智能工程化設(shè)計(jì)總體負(fù)責(zé)人李紅俠說。通過這個(gè)“大腦”，工作人員在控制室就可以實(shí)現(xiàn)客站燈光、溫度、濕度等設(shè)備管理、應(yīng)急指揮等。

智能運(yùn)營(yíng)為旅客通行提供了更人性化服務(wù)，智能機(jī)器人可以貼身導(dǎo)航并搬運(yùn)行李；通過電子客票、刷臉進(jìn)站等可簡(jiǎn)化乘車流程；站內(nèi)導(dǎo)航與站外導(dǎo)航融合，乘客出發(fā)時(shí)輸入車次，即可導(dǎo)航至檢票口或候車廳。車站環(huán)境舒適性監(jiān)控系統(tǒng)、能源管控系統(tǒng)等各類系統(tǒng)將保證車站的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，而高鐵周界入侵報(bào)警系統(tǒng)、地震預(yù)警系統(tǒng)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等將組成動(dòng)車組的智能調(diào)度指揮系統(tǒng)。

“京張高鐵智能動(dòng)車組將采用可回收或降解的內(nèi)裝材料及廢水回收再利用設(shè)備，使列車運(yùn)營(yíng)更綠色化?！辫F科院機(jī)輛所副所長(zhǎng)張波說，同時(shí)還配備自動(dòng)燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)、降震減噪技術(shù)來提高動(dòng)車組的舒適度。

為迎接北京冬奧會(huì)，京張高鐵將設(shè)有首次直達(dá)比賽核心區(qū)的太子城站，配備滑雪板存放處，打造了獨(dú)具特色的高鐵移動(dòng)新聞中心——媒體車廂，此車廂將實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)覆蓋，完成奧運(yùn)賽事直播。

“我們是站在中國(guó)鐵路、裝備制造、綜合國(guó)力飛速發(fā)展的‘肩膀’上，謀劃中國(guó)高鐵的又一次飛躍?！敝需F工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司京張高鐵總體設(shè)計(jì)師王洪雨說。創(chuàng)新、技術(shù)、人才鍛造了今日的京張高鐵，信息化、自動(dòng)化、智能化帶來了全球化視野，把中國(guó)高鐵建設(shè)發(fā)展事業(yè)推到了世界前列。