兰州交通大学激活高铁“大脑中枢”

2021-01-14 22:45

2020年12月26日,宁夏回族自治区银川市至陕西省西安市的高速铁路——银西高铁正式通车,这是国内首条一次性建成里程最长的有砟高铁。银西高铁纵贯陕甘宁,是我国“八纵八横”高速铁路网包头至海口通道的重要组成部分,跨越“塞上江南”、黄土高原和关中平原。

通车当天,看着手机里的直播画面,兰州交通大学自动化与电气工程学院研三学生徐凯激动地流下了泪水,“作为参与此次项目的科研人员,我很骄傲也很自豪。银西高铁正式通车,自己也为这项伟大的事业贡献了一份力量。”

银西高铁正线长610多公里,穿越毛乌素沙漠边缘和黄土高原,沿线地质发育特殊,施工难度大、安全风险高。项目前期的“基础设施”直接关系到高铁建设的成败,兰州交通大学自动化学院“四电BIM工程与智能应用”研究团队负责这一重要环节——运用“互联网+BIM”技术构建四电工程建设与施工管理平台。

四电工程包括通信、信号、电力和电气化工程,是站后工程的主要组成部分,也是高铁开通运营的动力和“大脑中枢”。BIM技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具,通过对建筑的数据化、信息化模型整合,在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递,在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

目前,以BIM技术为核心,综合运用GIS、大数据、云计算等新兴信息技术实现铁路工程建造智能化,已成为智能铁路的研究热点和主要研究方向。银西铁路是铁路总公司BIM技术在站后四电工程应用的试点工程,由兰州交通大学与银西铁路有限公司、铁一院、中铁三局共同研究制定BIM技术在四电工程施工阶段系统性应用的技术方案。

兰州交通大学“四电BIM工程与智能应用”研究团队是一支由青年教授、领域专家和具有丰富经验的中青年工程师及相关方向研究生组成的集科研能力、生产能力和管理能力为一体的专业化团队。该团队成立于2006年,承担了覆盖我国高速铁路、城轨交通和其他轨道交通建设及运营等多个领域的研究任务。研究团队总体负责人、兰州交通大学现代交通信息技术研究所所长郑云水介绍,铁路四电工程设施大多是沿铁路沿线布设,数量多且分布广,参建单位之间、建设阶段之间、专业系统之间不断交互协作,形成了大量工程接口,而各阶段的专业人员在业务过程中也需要大量的信息交互。BIM技术是目前解决类似复杂工程问题的有效途径之一,通过共享各阶段模型与信息,帮助各专业快捷沟通和协调,并在统一标准下实现资源共享和高效利用,提高工程设计、建设与运维质量。

高铁四电的构造是典型的线性结构基础设施,如何在高铁四电建设中运用BIM技术?一般来说,一条高铁线近千公里,平均每50公里就必须配备一个变电所、3公里设一个基站,还有箱式变电站或者中继站都需要根据里程来建设。“过去,四电工程一直是依据二维平面设计图纸来建设,技术相对滞后,返工是常态。运用BIM技术,建设期间每个安装技术细节都会形成二维码,施工人员用手机扫码,按立体透视图照做即可,一次性就能安装到位,既降低了建设成本,提高了施工质量和效率,确保了工程安全,又保证了安装的精准和后期运维的信息化、标准化。”郑云水告诉记者。

甜水堡牵引变电所地处甘肃庆阳的董志塬腹地,是国内外罕见的深厚软塑黄土地质带,也是该研究团队负责的银西铁路330kV“首件工程”,该牵引变电所的功能是将三相的330kV高压交流电变换为两个单相的27.5 kV的交流电,然后向铁路上、下行两个方向的接触网供电。“我们前期要采集大量的数据信息,汇总后再生成牵引变电所三维BIM模型,在此基础上,添加设计、施工等单位需要的全生命周期数据,再不断优化和改进,最终形成完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。”兰州交通大学自动化学院副院长张振海说,简言之,就是为每一个构件建立随工程进展而同步生长的数字模型,以确保工程建设全方位、全专业、全天候的安全质量进度管控及高效智能的施工管理。

实际上,数据采集的时候,最难的并不是耗时长和户外条件复杂,而是数据的精准,哪个环节出现了偏差,都会导致工作“归零”,在BIM建模期间,各方数据随时也会改动和调整。“加班加点是家常便饭,最忙的时候,连续两周时间,基本上是从早上6点到晚上8点,采集和测量牵引变电所设备几何数据。”郑云水说。

经过两年时间的艰苦努力,在参与银西铁路的过程中,该研究团队成功研发出“四电BIM族库建设、G网无线信号覆盖模拟、线缆智能优化”等12项BIM应用领先技术,打造了集设计、施工、运营为一体的四电工程全周期建设管理新模式,实现了四电工程建设技术交底可视化、综合分析数字化、敷设线缆智能化、系统管理集约化和施工工艺标准化,圆满完成了一系列任务。

目前,该研究团队建有兰州交通大学唯一的四电BIM工程与智能应用铁路行业重点实验室,也是国家铁路局首批铁路行业科技创新基地之一。15年来,研究团队紧密对接国家需求,先后主持、参加国家、省部级及横向项目80余项,系列研究成果为我国铁路的智能化发展提供了重要的理论支撑及技术保障。同时,形成国内具有完全自主知识产权的BIM模型轻量化引擎,参与制定铁路四电BIM标准规范,构建四电工程建设与施工管理平台,并已应用于银西高铁、郑万高铁、京雄高铁、青藏铁路等全国十几条线路上。

“我们将进一步发挥铁路行业的优势与特色,打造四电BIM技术产学研一体化专业平台,促进四电BIM工程领域的科研成果在轨道交通工程建设与运维中的推广应用,培养和凝聚高层次BIM技术应用与创新人才,提高学校轨道交通四电BIM技术应用及水平,不断扩大行业和社会影响力。”兰州交通大学自动化学院院长陈小强说。

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