（中国铁路总公司建设管理部，北京100844）
摘要：智能建造是工程建造领域的发展方向，是新形势下铁路工程建设发展的必然趋势。结合当前新一轮铁路建设新形势，分析铁路建设领域智能建造技术的应用现状和不足，探讨高速铁路智能建造技术未来发展方向、关键技术和基础保障，为智能建造技术在铁路建设领域的推广应用提供新的思路。在建设数字化智能铁路的大趋势下，依托中国铁路总公司工程建设管理平台，初步构建以建设单位为主导的智能建造管理体系，对铁路工程全生命周期建设的新型管理模式和创新实践途径进行探索。
关键词：智能建造；建设管理；高速铁路；BIM；全生命周期
作为国民经济发展的大动脉，铁路是国家重要的交通基础设施，是资源型和环境友好型的运输方式，尤其是近年来迅速发展的我国高速铁路，缩短了城市与城市间的距离，带动了周边产业的发展，已成为我国综合交通体系中的骨干，不仅推动交通运输增长方式的转变，而且对社会经济的发展产生了重大作用和深远影响。十九大报告中提出“交通强国”战略，为我国交通建设明确了总的奋斗目标，给铁路行业转型升级指明发展方向。因此，在政策与需求的推动和引领下，乘全球信息化浪潮机遇，将新一代人工智能制造系统逐步引入到铁路工程建设领域，发展铁路工程智能建造技术，打通信息技术和传统建设接口，实现融合创新，从而推进铁路建造和运营过程的精益、智慧、高效、绿色协同发展，成为未来铁路工程建设和运营管理转型升级的发展方向。
人工智能技术与现代工业、制造业、建筑业和服务业等领域的结合经历了3个阶段，即数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造（即新一代智能制造），这3个基本范式次第展开、迭代升级[22]。传统制造系统包含人和物理系统两大部分，是完全通过人对机器的操作控制完成各种工作任务，并可抽象描述“人-物理系统”。与传统制造系统相比，第一代和第二代智能制造系统发生的本质变化是，在人和物理系统之间增加了信息系统，可以代替人类完成部分脑力劳动。人相当部分的感知、分析、决策功能向信息系统复制迁移，进而通过信息系统控制物理系统，以代替人类完成更多的体力劳动，这一转变可用“人-信息-物理系统”进行描述。新一代智能制造系统最本质的特征是其信息系统增加了认知和学习功能，信息系统不仅具有强大感知、计算分析与控制能力，且具有学习提升和产生知识的能力。
从信息化和智能技术在我国铁路工程领域的应用现状看，虽然已在铁路规划、设计、施工、运营和维护等阶段发挥重要作用，但是一些前沿与尖端的技术并没有得到充分应用，仍处于第一代和第二代智能制造阶段，由此导致现有的技术标准相对滞后、设计较粗放、工业化技术水平仍有待提高、劳动力结构不合理。并且，缺乏对铁路建造成品在全生命周期数据关联度的集成，使得部分铁路在投入运营后的病害不容忽视。必须在新一代智能制造系统框架下强力推进智能技术在铁路领域全生命周期的应用研究。在科学技术迅猛发展的今天，我国的铁路建造智能技术发展不能简单重复从第一代、第二代到新一代智能技术依次发展，必须借助全球人工智能快速发展的东风，在新一代智能技术研发和应用方面，突破关键技术，实现弯道超车，实现真正意义上的智能建造，为智慧铁路奠定基础，实现铁路建设管理深层次发展。
2016年7月，国家出台新的《中长期铁路网规划》，明确提出在“四纵四横”高铁网的基础上规划建设“八纵八横”高铁网，标志我国铁路建设进入新的时期。截至2018年底，我国高铁营业里程达到29000km以上，尤其是以成功开行350km/h“复兴号”高速动车组为标志，中国高铁已成为中国智造的靓丽名片。铁路建设具有广袤的战略纵深时空，智能技术将有极大的发展空间。如何适应新形势下的铁路建设需求，将智能建造技术应用于铁路工程建设，从管理层面和技术应用层面推进智能建造技术与铁路建设的融合，利用智能建造技术这一重要工具促进铁路工程项目一体化管理、提升铁路建设工程品质，已成为铁路工程建设管理领域的重要课题[23]。
当前，我国高铁的发展面临铁路建设管理由重工程数量、规模扩张和速度进度向重质量安全和效益转变，由劳动密集型向技术、知识和管理密集型转变，由传统建造向智能建造转变的严峻局面，亟待实现铁路建设项目的精益规划、精益设计、精益采购和精益施工，急需加快高铁产业优化升级，瞄准国际标准提高水平，推进铁路建设的智慧、高效、绿色、协同发展，实现项目全过程精益管理，提高科学决策水平，深度贯通产业链，实现创新人才培养以及建设管理方法的整体突破。
新一代智能制造是一个大系统，主要由智能产品、智能生产、智能服务三大功能系统以及智能制造云和工业智联网两大支撑系统集合而成。产品智能化是当今计算技术发展一个新的重大趋势。新一代智能产品需求第一是传感，产品需能够感受外部的变化情况，或者能够整合产品内部的数据；第二是计算，包括产品本身的操作系统，以及产品使用的各种应用系统，也就是人工智能；第三是联网，随着全球物联网的发展，产品可能具有雾计算、边缘计算和云计算相联结的功能。因此，铁路建设领域需要从以上3个方面加强技术创新，突破智能建造关键技术，建设智慧铁路。高铁智能建造应当依托于传感器、工业软件、网络通信系统、新型人机交互方式，实现人、设备、产品等制造要素和资源的相互识别、实时联通、有效交流，促进铁路建设行业建设、管理、服务与工业物联网、人工智能、大数据、云计算紧密结合，推动建设方式的柔性化、绿色化、网络化，从而不断充实、提升，再造铁路建设行业竞争能力。
（1）应推行铁路建设装备智能化，形成具有感知、决策、执行、自主学习、自适应功能的智能建造系统以及网络化、协同化的建造装备，打造单机智能化以及单机装备互联而形成的智能生产线、智能预制场、智能工地，推进工程化和产业化发展。
（2）应推行建设项目管理智能化，探索建造组织模式变革，基于“BIM+”智能网络协同平台实现系统集成，实现项目管理流程再造、智能管控、组织优化，实现建设过程、建设向运营所有信息系统的无缝集成。当前要全面推行信息化管理，依托铁路工程管理平台，构建基于智能技术综合应用平台，大力推广智能设备运用。
（3）要推行机器人制造技术研究开发应用，深度开展机器人技术研究，紧扣关键工序、关键岗位，优化控制生产过程，优化供应链，在智能构件厂、数字化工地、智能监测、远程诊断管理上有所突破。依托传感器、工业软件、网络通信系统、新型人机交互方式，开展隧道、桥梁、路基等试点示范，率先实施机器人智能建造，实现机械化与智能化有机结合，实时监控建设过程质量安全状况，为运营安全维护提供技术支撑基础。
2.3.1推进BIM技术标准体系建设
当前，全面提升铁路设计和施工的信息化水平，研究数字化设计和施工推动智慧铁路建设是大势所趋。但是，依然存在专业数字化施工技术尚未实现全覆盖，标准不统一、不完善；信息平台综合能力不足，各专业兼容性差，数据重复录入效率低下；各种软件功能不强大，数据采集手段有待提高；信息技术对管理的要求与传统组织结构矛盾突出等一系列问题，需高铁建设各方花大气力认真研究解决。
2.3.2发展绿色装配式建造技术
2.3.3研发实用的基础设施智能建维一体化技术
坚持建维一体化的管理目标已是高铁建设管理的共识，但涉及的技术复杂、管理部门众多，职责划分需要明晰。以桥梁建设全生命周期管理为例，结合高铁在建和运营的跨大江大河的特大型桥梁，已在利用信息技术从桥梁运营管理的核心业务出发，以设计、施工、运营为着力点，建立桥梁的结构监测、状态评估、安全预警和养护管理体系，实现统一、开放、互联、实时、状态评估、指导运营的桥梁全生命周期管理平台，但仅处于初步阶段。为此，一是应全面建立完善从设计源头出发的建维一体化顶层设计制度；二是对运营性能关键评价指标确立、关键部位养护维修技术要求、结构整体状态可靠度评估研究方法、信息化管养平台应用实际等需要打破部门束缚，统一谋划，集各方资源所长，尽快结合具体桥梁进行深度研究和实践。
2.3.4构建标准化生产的智能工厂
构建标准化生产的智能工厂包含2个方面的内容：一是“智能工厂”，重点研究智能化生产（设计、施工）系统及过程，以及网络化分布式、并行式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个建造产业的智能物流管理、人机互动、机器人使用以及3D建造打印技术在建造过程中的应用等。
目前，标准化构件生产的工厂化仍不彻底，仍是基于施工理念，而不是基于制造理念，应大力研发基于部品化的、基于现代物流的真正工厂化，把预制安装变为部品、部件采购安装。以高铁桥梁为例，要建立基于BIM的梁场生产追踪协同管理系统（见图1），真正实现基于工业智能制造模式下的以梁生产过程为主体，根据项目建设中的关键要素，在人力、资源、成本、进度、效率、安全、质量和环保等方面，利用计算机互联网技术、BIM技术、数据库技术、网络通信技术、数据仓储、数字测控、物联网、数据挖掘和海量信息处理显示平台等新一代信息技术，建立统一、开放、互联的基于BIM的梁场生产追踪协同管理系统，建立以梁为中心的数据分析、统计、预测机制，形成“数据采集、数据贯通、数据共享开放、梁体追踪、数据追溯”的新型管理模式，使建造监管方式由人工提升为自动化和智能化。
2.4.1强化基础管理工作
图1梁场智能生产系统构架
当前我国高铁建设管理中，要突出强化基础工作，坚持基础取胜，要在建设工程项目实施全过程中抓住标准、制度、人才3个重点环节：（1）提档升级标准，推动铁路优势、特色技术标准成为国际标准；深入研究具有我国铁路特点和自主知识产权的铁路工程建设标准体系，加快转化先进适用的国际标准，在智能制造等重点领域开展综合标准化工作，引导施工企业主动制定和实施先进标准。（2）创新管理标准，运用先进的质量管理方法，完善质量安全与技术管理办法及工作流程，落实责任岗位分解，全面创建质量评价体系。（3）提升作业标准，通过工艺优化、工序管理、关键技术攻关，优化创新作业标准，固化施工操作规程、作业指导书；做好标准发布、学习培训、样板引路、总结提高。
2.4.2完善质量管理制度
尽快健全完善全生命质量管理制度，运用系统工程的方法和模型，统筹协调铁路规划、设计、建设、运营等全生命周期的管理顶层设计，规范行为和技术要求，要全面构建高速铁路建维一体化，建立真正意义上统一开放共享的系统，实现高速铁路基础设施全生命周期数据采集、整合、分析，对设备状态进行综合定量评定，进行维修决策。
2.4.3加强技术储备
全面加强提升技术储备，采取专题研讨、联合攻关等方式，消化吸收先进的理念和知识，培养建设具有世界水平的专家和创新团队；注重结合项目具体特点，坚持全面规划、全面动员、全面展开的工作要求，明确建设项目各时序目标，细化创新安排，用科研规划指导技术创新；注重成果转化，坚持总结成果与推广应用并重，开发与引进消化并举，通过推广新技术、新材料、新工艺、新设备，把技术创新成果转化为生产。
中国铁路总公司在铁路工程设计、建设、运营全生命周期管理方面进行大量的实践和探索，确立了铁路工程建设信息化总体规划，即以铁路工程设计、建设、运营全生命周期管理为目标，以BIM技术为核心、云计算为平台架构、感知技术为基础、移动互联为传输手段、建设项目为载体，初步建立全国铁路统一开放的工程信息化体系。该体系具有以下特征：突出工程调度系统、数据采集手段，以施工组织管理为主线管控建设项目进度；突出实验室、拌和站源头控制，夯实建设项目质量安全防控支撑基础；突出铁路BIM标准体系建立，推进铁路BIM标准国际化，组织开展铁路工程成段落多专业协同设计BIM应用的研究，构建部分铁路工程BIM模型族库，并初步探索在设计、建设阶段的应用场景。
（1）建设项目规划设计阶段，铁路建设系统尝试运用信息技术科学选线，通过低空遥感航测技术获得高分图像，合理规避环水保、城市规划、征地拆迁、既有设施保护等重点区域以及重要设施，极大降低铁路建设初期的决策风险。不仅如此，在规划设计阶段前期，还通过高质量BIM模型，采用VR、AR等手段取得可视化体验效果，从源头优化完善设计方案。
（2）在项目实施阶段，尝试运用物联网技术强化质量源头控制，开发实验室、拌和站信息化物联网管理系统，基于互联网技术、GIS技术和BIM技术，以移动办公理念为出发点，立足工程质量安全的核心，建立新一代拌和站实验室一体化信息管理系统，进一步提高信息化的广度与深度，由传统的信息化手段提升为移动办公模式。
在强化工艺工序管理方面，坚持试验先行，对重难点工程进行工艺工序模拟。例如，在铁路隧道建设过程中，运用激光点云技术，通过尺寸差异分析隧道变形、超欠挖等质量问题，优化施工工艺（见图2）。
在优化实施方案方面，已成功运用BIM建模、VR实景模拟技术，对大型铁路客站的设计方案进行优化。
在优化施工组织方面，运用三维模型结合协同管理平台，对跨越大江大河的桥梁及复杂条件下长大隧道施工组织设计进行辅助审查，优化技术方案、工程措施、资源配置；同时在进度把控方面，尝试采用二维码技术将实际进度与计划进度实时对比，实现施工进度计划动态管理与及时预警，提高了进度管控工作效率和资源的优化配置。
图2隧道三台阶法施工模拟
在围绕施工专业化和机械化方面，铁路建设系统在隧道工程建造中试验推行了全断面开挖施工机械化方法，以及铁路隧道衬砌施工成套技术及工装（见图3）。本着倡导低碳建设、加强环保举措，先后在黄韩侯铁路芝水沟特大桥节段预制胶接拼装64m和48m简支箱梁，而后在郑阜高铁周淮特大桥节段预制胶接拼装（40+56+40）m预应力混凝土连续梁[24]，实现了节段预制梁胶接拼装施工从简支梁向连续梁的跨越（见图4）。
图3隧道机械化施工
图4工业化节段预制桥梁
在建立BIM模型族库的同时，设计部门也在探索实现BIM模式下多专业协同设计，以树状结构进行工程分解，将高铁工程按工点进行分段，再将工点按照工程结构关系及管理需要逐级细分，各专业在该结构树统领下开展设计，设计人员依据工程结构树进行工作任务分解（WBS），在协同管理平台上分级派发任务，并进行设计过程管理；鉴于当前现状，正在推进铁路BIM标准验证应用，考虑制定项目级实施标准，从设计资源、行为、交付等方面进行标准化管理，规范信息传递的内容、形式以及精细度。
（3）在项目全生命期运维管理保障方面，在高速铁路建设管理中牢固树立“建设为运营服务”的建设理念，致力于实现“建维一体化”管理目标（见图5）。
图5建设项目全生命期运维管理
当前在跨大江大河、长大隧道以及大型客站建设与运营一体化管理中，尝试基于BIM技术的铁路大型客站运维管理系统，对高铁站房内所属设备设施、图纸和维护手册等资料、巡检信息、维修事件和维护任务、能耗管理、应急安全疏散等实行全方位管理。同时，尝试建立结构健康监测系统，通过施工、运维期间的结构健康监测系统，对结构振动、荷载分布、风动效应、温度效应进行安全评估，形成有效的故障预警机制。例如，在宝兰高铁、宁杭高铁建设中，探索高铁工务、电务、供电专业建设运营一体化管理，研究铁路基础设施设备全生命周期属性数据整合、融合，尝试利用大数据技术，从地理空间位置角度出发，使具有线性、连续、长大特点的铁路基础设施设备的状态演变规律成为铁路基础设施设备养护维修决策基础。
智能建造技术是实现中国高铁建设升级发展的必由之路，是建设智慧铁路、交通强国的有力支撑。铁路建设系统应以“八纵八横”高速铁路建设为契机，紧跟时代进步，全面规划智能建造技术实施路径，突破智能建造关键技术，落实交通强国战略，为实现中华民族的伟大复兴贡献一份力量。
参考文献
[1]PANX,HANCS,DAUBERK,etal.Humanandsocialbehaviorincomputationalmodelingandanalysisofegress[J].AutomationinConstruction，2006，15(4)：448-461.
[2]王喜文.工业4.0、互联网+、中国制造2025—中国制造业转型升级的未来方向[J].国家治理,2015，6(23)：12-19.
[3]李金华.德国“工业4.0”与“中国制造2025”的比较及启示[J].中国地质大学学报（社会科学版），2015，15(5)：71-79.
[4]王茹.美国再工业化和工业互联网的启示[N].中国经济时报,2016-3-18(A06).
[5]闫敏，张令奇，陈爱玉.美国工业互联网发展启示[J].中国金融，2016(3)：80-81.
[6]陈骞.日本政府人工智能发展举措[J].上海信息化，2017(9)：78-80.
[8]孙富春.人工智能与产业发展[M].北京:机械工业出版社，2018.
[9]BULBULT，ANUMBACJ,MESSNERJ.Asystemofsystemsapproachtointelligentconstructionsystems[J].ComputinginCivilEngineering，2009：22-32.
[10]LABONNOTEAN，SKAARAC，RüTHERP.Thepotentialofdecisionsupportsystemsformoresustainableandintelligentconstructions:ashortoverview[J].ProcediaManufacturing,2017(12)：33-41.
[11]熊剑，汤浪洪.基于BIM云技术的智能建造[J].建筑，2015(24)：8-15.
[12]曾波，朱洁，杨文博，等.BIM技术在大型城市综合体工程智能建造中的应用[J].建筑施工,2017，39(6)：903-905.
[13]李季晖，孙永震，曾绍武.BIM技术在连续梁桥施工管理中的应用[J].西部交通科技,2014(10)：62-66.
[14]赵璐，翟世鸿，陈富强，等.BIM技术在铁路项目隧道施工中的应用研究[J].施工技术，2016，45(18)：10-14.
[15]HEHB，ZHANGML.Researchonintelligentconstructionandintegrationmanagementofalarge-scaleconstructionenterprisebasedonBIMtechnology[J].ICCREM，2016：89-96.
[16]张烨.智能建造引导下的建筑设计[C]//2018年全国建筑院系建筑数字技术教学与研究学术研讨会.西安，2018：418-422.
[17]魏力恺，张备，许蓁.建筑智能设计：从思维到建造[J].建筑学报，2017(5)：6-12.
[18]李久林，王勇.大型建筑工程的数字化建造[J].施工技术，2015，44(12)：93-96.
[19]袁烽,胡雨辰.人机协作与智能建造探索[J].建筑学报，2017(5)：24-29.
[20]姚仰平，丛易敏行，罗汀,等.山区高填方机场的智能建造与安全运营[J].科技导报，2018，36(17)：106-110.
[21]XUQINWU，CHANGGEORGEK.Adaptivequalitycontrolandacceptanceofpavementmaterialdensityforintelligentroadconstruction[J].AutomationinConstruction,2016,62:78-88.
[22]ZHOUJI,LIPEIGEN,ZHOUYANHONG，etal.Towardnew-generationintelligentmanufacturing[J].Engineering，2018，4(1)：11-20.
[23]卢春房.中国高速铁路建设项目一体化管理模式研究与实践[J].铁道学报,2016,38(11)：1-8.
[24]王永.首例铁路胶拼连续梁施工技术与创新[J].铁道建筑技术,2018(2)：69-72.
DevelopmentofChina’sIntelligentHSRBuildingTechnologyandItsFuture
WANGFeng（ConstructionManagementDepartment，CHINARAILWAY，Beijing100844，China）
Abstract：Thefutureofengineeringconstructionisbasedonintelligentbuildingtechnology,whichistheinevitabletrendofrailwayengineeringconstructionunderthenewsituation.Combinedwiththecurrentnewrailwayconstructioncondition,thispaperexaminesthepresentapplicationanddeficienciesofintelligentbuildingtechnologyinrailwayconstructionfield,presentsviewsonthefuturedevelopmentdirection,keytechnologyandbasicguaranteeofintelligentconstructiontechnologyforhigh-speedrailway,andprovidesnewideasforthepopularizationofintelligentbuildingtechnologyinrailwayconstructionfield.Underthegeneraltrendofbuildingdigitalintelligentrailways,relyingontheengineeringconstructionmanagementplatformofCHINARAILWAY,thispaperpresentsapreliminaryideaoftheintelligentbuildingmanagementsystemwithconstructioncompaniesasthelead,andexploresanewmanagementmodeandapathofinnovativepracticeforthelife-cycleconstructionofrailwayengineeringprojects.
Keywords：intelligentbuilding；constructionmanagement；HSR；BIM；lifecycle