京張高鐵智能化堪稱世界奇跡
京張高鐵官廳水庫特大橋。
新華社發
工人擰緊京張高鐵軌道后一根螺絲。
本報記者 嚴 冰攝
6月12日上午，在北京北站外的京張高鐵清華園隧道進口，隨著后一組500米長鋼軌精準落位，京張高鐵歷時7個月緊張鋪設，完成了全線鋪軌，初露崢嶸。
京張高鐵是京津冀協同發展的重要基礎工程，是北京冬奧會重要交通保障設施，被譽為中國鐵路發展“集大成者”、智能高鐵示范工程。
智能系統提高效率
京張高鐵全長174公里，起自北京北站，途經清河站、昌平站、八達嶺長城站、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，京張高鐵就鉆進了清華園隧道。
“清華園隧道全長6公里多，是目前國內位于城市核心區，穿越地層復雜、重要建筑物多的國鐵單洞雙線大直徑盾構高風險隧道。”項目負責人趙海濤說，整個隧道穿過近90條城市管道線路，施工過程必須保證精準無誤，否則就會影響城市生活。
清華園隧道是京張高鐵唯一采用盾構法施工的隧道，建造過程中，盾構機架在兩條鋼軌上，工人操作遙控裝置，將零件平穩運輸到指定地點進行拼裝，整個系統全部實現機械化作業，環環相扣，嚴絲合縫。借助盾構機，整個隧道施工像外科手術一樣精準，既保護了歷史遺跡，又不打擾城市生活。
項目部副總工程師劉磊則擔負攻堅任務，他介紹說：“為使施工和管理更智慧，使隧道在極端復雜的地下環境中自由穿越，我們投入力量開發可視化智慧施工系統。”
這一系統包括施工參數、過程監測、地質預測等，實現全過程可視化動態管理。每一個盾構機搭載了幾千個傳感器，都具有感知、修正和自動調節的功能，設備狀況、地下工作情況等數據，都直接上傳到中鐵十四局集團的全國大盾構數據指揮中心，盾構專家24小時提供遠程監控和技術服務。劉磊說，智能檢測可以隨時對海量數據進行處理分析，使風險始終處于可控狀態。
在鋪軌過程中，面對鋪軌作業標準高、交叉作業面多、30‰長大坡道給鋪軌施工帶來的巨大挑戰，京張城際鐵路有限公司不斷優化方案和資源配置，創新施工工藝，改造機械設備，應用智能機器人檢測，采用機械化、自動化鋪軌機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、研發各種先進的設備和技術，實現了指揮中樞信息化和智能化，質量追溯全生命周期智能化等，為工程建設提供了科技支撐。
京張高鐵全線軌道鋪通是京張高鐵建設施工的標志性節點，后續將繼續通過科技手段，全力推進軌道精調、“四電”(供電、通信、信號、電力)設備安裝及調試等，為下一步靜態驗收和聯調聯試奠定堅實基礎。
智能設備攻克難題
京張高鐵離不開工程師們設計出的“黑科技”裝備。如“多面手”“千里眼”和“順風耳”一樣的多種設備頻頻亮相，為京張高鐵的建設開啟了“科技大片”的既視感。在建造、維護、管理、安全等流程上，創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”工程施工生產推進會上，兩名工作人員將管材及所需零件送入接觸網腕臂自動預配平臺，測量腕臂長度，切割管材、分揀料頭、轉移管材，尋孔定位并套上零部件緊固，5分鐘一氣呵成，自動完成作業。
“該預配平臺利用機器化減人，將原來12名操作人員配備要求降低到4人，實現了‘分散加工集中干、空中作業地上干、現場施工工廠干’等轉變，極大地提升了接觸網腕臂預配平臺的安全、精準效能。”中鐵電氣化局四電工程電氣化項目部預配中心負責人陳曉說道。如“多面手”一樣，接觸網腕臂自動預配平臺實現工廠化生產。它在滿負荷狀態下完成每天近200組腕臂預配，預制出來的每一根腕臂的技術標準誤差都控制在1毫米之內。
東花園隧道位于河北張家口市，在施工工程中，及時檢測降水情況十分重要，工程師設計出如“千里眼”的系統，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、野鴨湖國家濕地公園，日大涌水量達35.4萬立方米，防滲水成為設計的重難點。中鐵十八局與西安交通大學、北京交通大學合作，研發“自動控制降水與預警”系統與“深孔測斜”監測項目，把“眼睛”安在深水基坑中，聯合邊坡穩定性安全監控軟件，實時監控降水情況。
同樣位于張家口市的正盤臺隧道，則運用像“順風耳”一樣的裝備解決了安全問題。該隧道全長近13公里，屬單洞雙線隧道，是崇禮鐵路長隧道。隧道內部信號常常無法連接，給施工帶來了極大安全隱患。鋪軌施工相關負責人介紹，他們開發了應用智能工程運輸指揮系統，使用電子防護器，研發了隧道內工點與施工車輛以及施工車輛間的接近報警系統，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時傳送施工推進現狀，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，完美貼合大橋梁體翼緣板的外部結構，使得操作更加方便自如，又很好地保護了水資源。
智能運營驚喜可期
據中國鐵道科學研究院集團有限公司(鐵科院)專家介紹，自動駕駛車載設備收到計劃后，根據動車組當前的位置，計算出控制動車組運行的控制速度曲線，自動控制動車組加速、運行、減速、停車、開車門等。2018年6月至9月，自動駕駛設備順利通過所有風險測試，可確保行駛安全。自此，京張高鐵將可以實現有人值守的無人駕駛。
“這是世界首次，在350公里的時速下模擬一個好的司機，用算法開出一條安全、節能、高效的列車。”中鐵設計京張高鐵信號設計負責人王東方說。
在京張高鐵的智能化運營中，亮眼的莫過于列車的全自動駕駛設計。列車的自動駕駛系統基本能達到和地鐵一樣，不同的是速度。與地鐵相比，高鐵的速度更快、線路更網絡化、運行環境更復雜。地面調度中心先規劃準確的運行計劃，通過傳輸網絡發送至列車自動控制系統的地面設備，再通過鐵路移動通信網，移送動車組上的自動駕駛車載設備。
基于北斗衛星和地理信息系統技術，京張高鐵為建設、運營、調度、維護、應急全流程提供智能化服務。線路實時“體檢”系統，可以將全線每一個橋梁、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個車站將有同一個‘大腦’。”中鐵設計京張高鐵智能工程化設計總體負責人李紅俠說。通過這個“大腦”，工作人員在控制室就可以實現客站燈光、溫度、濕度等設備管理、應急指揮等。
智能運營為旅客通行提供了更人性化服務，智能機器人可以貼身導航并搬運行李;通過電子客票、刷臉進站等可簡化乘車流程;站內導航與站外導航融合，乘客出發時輸入車次，即可導航至檢票口或候車廳。車站環境舒適性監控系統、能源管控系統等各類系統將保證車站的高效運轉，而高鐵周界入侵報警系統、地震預警系統、自然災害監測系統等將組成動車組的智能調度指揮系統。
“京張高鐵智能動車組將采用可回收或降解的內裝材料及廢水回收再利用設備，使列車運營更綠色化。”鐵科院機輛所副所長張波說，同時還配備自動燈光調節系統、降震減噪技術來提高動車組的舒適度。
為迎接北京冬奧會，京張高鐵將設有首次直達比賽核心區的太子城站，配備滑雪板存放處，打造了獨具特色的高鐵移動新聞中心——媒體車廂，此車廂將實現高速互聯網覆蓋，完成奧運賽事直播。
“我們是站在中國鐵路、裝備制造、綜合國力飛速發展的‘肩膀’上，謀劃中國高鐵的又一次飛躍。”中鐵工程設計咨詢集團有限公司京張高鐵總體設計師王洪雨說。創新、技術、人才鍛造了今日的京張高鐵，信息化、自動化、智能化帶來了全球化視野，把中國高鐵建設發展事業推到了世界前列。
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