1. 引言
改革开放以来，随着我国经济高速发展，我国铁路、公路及水利水电建设的建设量剧增，基础设施的不断完善，强有力地支撑起我国大体量的经济发展需求[1]。尤其是以铁路为代表的交通工程，由于其运量大，成本相对较低，特别是近30年以来，铁路建设不断向西部山区延伸，极大地促进了各地区人员及物资的流通，有力地保障了经济发展、民族融合及国防安全。同时，西部地区铁路建设常需要桥梁和隧道进行跨障。尤其是桥梁工程，传统的桥梁建造因其施工难度大，成本高，对环境破坏较大，且对施工人员安全威胁高，使得西部铁路桥梁建设风险及成本居高不下[2]。因此，研究者及建设者对桥梁施工工艺优化开展了大量的研究，其中，米哲[3]从传统意义的角度对桥梁的施工时机、施工技术调整等方面对铁路桥梁施工开展研究。郑来国等[4]针对铁路桥梁建设及运用成本高等问题，提出了以优化管理手段及缩减非必要成本的方法进行施工工艺优化。此外，学者们[5]-[7]针对铁路桥梁建设，基于BIM平台以及其深度开发的手段，可以实时获取建造动态，并监控和优化施工。刘克梁[8]针对大跨度桥梁施工过程的进行监测，提出了智能化监测的尝试，并实现了基于张正友标定法的实现摄影图像畸变校正。周中进[9]针对桥梁施工，基于BIM技术并采用网络有机串连的方法，对施工进行全时全域监测，改善了桥梁施工智能化程度。钟康健等[10]提出了“桥梁信息模型 + 数字化 + 物联网科技”的方法，并基于BIM技术实时采集施工参数并进行反馈，提高了桥梁施工的有效性和精确度。综上所述，当前关于铁路桥梁施工方法优化的研究，主要集中在施工阶段，且当前采用的多是BIM技术，但智能化水平有限，同时，对于桥梁生产建造全流程的智能化研究较为鲜见。
本研究依托成渝中线铁路施工智能化升级项目，针对施工过程的作业人员、梁场制作及桥梁搭建等全过程进行智能化革新。并将该智能化施工措施成果用于指导成渝中线铁路桥全过程施工。
2. 铁路桥工程概况
2.1. 工程概况
成渝中线铁路(四川段)站前施工CYZXZQ-6标线路位于成都市简阳区和资阳市乐至县境内，正线起讫里程DK178 + 390~DK200 + 647，全长22.26 km，建设总工期60个月，总造价24.79亿元。其中正线桥梁16座16.283 km，框架涵3座，框架桥、倒虹吸各1座。
2.2. 铁路桥梁工程场区施工重难点
2.2.1. 跨路施工安全风险大
本标段跨文峰大道特大桥、跨渝蓉高速特大桥跨越成安渝高速公路，跨遂资高速特大桥跨越遂资高速，五通村特大桥跨越G319国道，跨遂资高速特大桥跨越S106省道，白杨村特大桥跨越DX103县道。桥梁跨路施工工点密集，安全风险管控难度大。
2.2.2. 环保、水保要求高
本标段位于成渝双城经济圈范围内，大型河流穿越该场区，环保、水保要求高。
3. 桥梁全流程施工智能化升级措施
本研究依托该项目建设的桥梁工程，针对施工过程中人员、预制场及施工搭建过程的全过程进行智能化升级，提出有效的改进措施。
3.1. 施工作业人员智能化措施
3.1.1. 科技兴安技术
打破传统模式，提出夯实三基工作(基层、基础、基本素质)，项目部充分运用信息化技术，构建了班前会管理系统，覆盖班前教育计划、纪录、统计、考核等工作。对比传统模式，加强了审核和监督力度，提高20%左右的覆盖率，进一步提升了班前教育管理的规范化、可视化水平，强化了班前教育的执行力和教育效果，弥补了项目基层管理短板，提升了项目安全质量管理水平。
Figure 1. Schematic diagram of lifting safety system
图1. 吊装安全系统示意图
3.1.2. 吊装安全系统智能化升级措施
传统吊装作业通常存在安全隐患、操作不规范、监管不到位等风险，为进一步提升吊装作业安全风险管控水平，持续强化吊装作业流程标准化管理，构建了吊装安全系统，覆盖多人人脸识别启动、巡检打卡、危险区域人员入侵监测、作业人员范围监控等功能。一是实现吊车操作员、现场管理员、专职安全员、司索信号工四人闭锁，避免冒用他人身份作业及安全员不在场违规作业；二是实现对吊装区域进行实时监控、预警，降低因其它人员侵入而导致发生事故的概率，为吊装作业安全保驾护航，见图1。
3.1.3. 360˚全景环视智能化系统
为有效消除工程车辆在作业、行驶、转弯、倒车等过程中的视线盲区。项目部基于有缝拼接360˚环视显示，充分运用全景影像拼接算法和均衡算法对4路720P超广角画面进行完美拼接，具备车辆5米范围内360˚全景实时监控、车辆定位、障碍物距离显示、车身数据管理、车辆预警等功能，减少车辆剐蹭、人员和机械伤害事故的发生，见图2。
Figure 2. Schematic diagram of 360˚ panoramic view system
图2. 360˚全景环视系统示意图
3.1.4. 安全气囊马甲及智能安全帽
为降低作业人员高空坠落伤亡率，研发了安全气囊马甲，该马甲采用高强度、高弹性、耐磨损的高性能材料制成，集内置微型传感器、处理器、GPS定位于一体，通过马甲实时分析人体姿态采集数据来自动判断作业人员是否处于跌倒过程，一旦作业人员出现跌落，安全气囊快速充气缓冲撞击力，减缓对身体的撞击力度，同时触发求救信息发送装置，便于及时救援。
传统的安全帽只具备对人员头部提供保护的作用，管理人员无法有效地对现场作业进行远程管控，存在管理不及时、沟通效率低、出现意外情况时无法及时救助等问题，研发了集语音对讲、视频通话、拍照录像、图像存储、智能照明和紧急求救等多功能于一体的智能安全帽，实现了对作业全程可视化监管、人员轨迹精准定位，有效提高了对作业安全的管控能力，见图3。
3.1.5. 无人机安全智能巡检系统
充分运用计算机视觉和人工智能技术，构建了无人机安全巡检系统，覆盖包括图像采集、海量数据处理、动态可视化展示、隐患识别、预报预警等功能。主要利用无人机沿规划路线进行巡检，对实时视频及图像进行采集，并通过无线传输通道传输至后台管理系统进行安全隐患识别，一旦发现安全隐患，立即触发警报反馈给现场管理人员。实现了安全隐患无人化、智能化、全覆盖和全时域识别，大幅提高了安全风险识别效率、保证了施工作业质量，提升了安全管理效能，见图4。
Figure 3. Intelligent safety helmet
图3. 智能安全帽
Figure 4. Unmanned aerial vehicle safety inspection system
图4. 无人机安全巡检系统
3.2. 梁场智能建造专项技术
当前梁场预制作业智能化水平有限，待提升空间较大的情况，本研究针对梁场智能化革新开展运用BIM、GIS、人工智能、物联网、智能终端等先进信息技术对人员管理、生产计划、制存梁台座状态信息、施工过程质量安全监控、大型设备运行状态等生产要素进行全方位信息化管控，通过人工智能 + 物联网对生产过程进行智能安全管控。建立BIM + GIS的多模型融合 + 真实场景的数字孪生系统，实现生产一线与管理层面的实时沟通与组织协调，提高本项目预制梁场生产质量、效率、安全和管理水平，实现“三化”——“信息化管理、智能化监控、数字化孪生”高水平数智梁场，见图5。
Figure 5. Smart beam factory information management system
图5. 智慧梁厂信息化管理系统
3.2.1. 钢筋生产
在钢筋下料生产过程中，基于BIM技术，从预制梁钢筋建模开始不断深化图纸，到预制梁钢筋模型优化，再到钢筋笼排产，打通生产全流程，保证数据统一、标准统一，实现精细化管理；采用全智能化、数字化管理模式，明晰钢筋生产过程中的质量责任主体，使得每一批次的钢筋都能找到来源地、加工人、加工设备、运输人等相关过程留痕信息，实现钢筋加工质量可追溯。
3.2.2. 内部集群智能化
智慧梁场管理平台主要通过电脑端和移动端辅助梁场管理人员实现梁场信息化、精细化和智能化管理。管理内容包括计划管理、进度管理、质量管理、安全管理、原材料管理、人员管理、设备管理和文档管理。
3.2.3. 数据采集交互
利用智能化装备及监控设备，实时采集、录入梁场施工人员、机械设备、施工原材料、工艺工法和施工环境等各施工要素数据，借助智慧梁场管理平台打通各环节数据流通通道，运用BIM技术实现梁体生产状态、设备运行状态、结构安全状态、质量安全检查、进度计划分析等关键参数的可视化展示，方便决策管理。
3.2.4. 智能排产
利用梁场智能排产系统，根据生产计划计算各项物料的生产和采购计划，明确各个班组、人员和设备的开始、结束时间，根据预制梁场生产能力和计划需求的关系，基于遗传算法进行排产计算，实现制梁、架梁、存梁之间的平衡，当要素发生变化时，可快速重新对制梁计划进行动态调整，根据项目施工进度、梁场生产能力、存梁状态等自动生成生产计划，提高工效，降低资源闲置造成的成本增加。
3.2.5. 预警预控
通过搭建与材料溯源应用配套的AI仓储系统，利用动态算法识别技术，对混料等情形进行预警，提升材料溯源的可靠性、准确性，同时利用料仓信息提示屏，展示料仓当前原材料受检情况，让现场管理人员及时掌握原材料信息，防止错装、混装。
3.2.6. 信息集成
通过数字孪生技术，实现梁体EBS编码、BIM模型、设计尺寸、原材料设计用量、材料进出场及检测、实际尺寸、原材料配合比及实际用量、生产班组、制梁工序完成日期、质检报告等数据溯源，创造出全生命周期的数字孪生数据链。
3.3. 铁路桥梁智能建造专项技术
3.3.1. BIM技术施工深化与精细化建模
运用BIM技术，开展BIM模型施工深化、连续梁0号块LOD400精细度建模工作，在施工进度管控、辅助算量、碰撞检测及可视化交底方面进行了深度挖掘应用，实现了前期指导施工，过程把控施工，结果校核施工的目标，见图6。
3.3.2. 智能造桥机应用
在现有悬浇造桥机基础之上，持续优化提升设备的适用范围、辅助功能及智能化，在智能蒸汽养护、自动喷淋、设备信息化、智能化控制方面得到了较大改进，有效解决悬臂现浇连续梁施工中结构复杂、装拆繁琐、安全隐患大等问题，见图7。
Figure 6. Deepening of bridge BIM construction and fine modeling of block 0 LOD400
图6. 桥梁BIM施工深化与0号块LOD400精细度建模
Figure 7. Intelligent bridge building machine
图7. 智能造桥机
3.3.3. 关键工序视频交底
开展了钻孔灌注桩、承台、实体桥墩、空心桥墩、支承垫石、吊篮及矩形空心桥台在内的7项技术、安全视频交底制作，对现场技术人员及作业工人进行累计交底200人次，有效减少了施工质量通病及不安全行为。
3.3.4. 工艺工装标准化
开展了桥梁标准化施工工艺工装运用，在全标段统一使用超声波成孔检测仪、墩身自动喷淋设备、灌注桩防超灌设备、智能边坡整形挖掘机等一系列工艺工装，有效避免大量施工质量惯性通病。
4. 结论
本研究依托成渝铁路中线桥梁施工智能化项目，对桥梁施工的作业人员、预制场及桥梁搭建全过程进行智能化升级，并有效应用于该线路桥梁施工，取得较大的成功，优化了施工方法，大幅提升了全过程施工的智能化、低碳化水平，有效降低了施工成本和保障作业人员的人身安全和改善作业环境。该研究为桥梁全过程施工智能化的探索做出了重要尝试，为后续研究提供有益的参考和借鉴。
NOTES
*通讯作者。