复杂环境铁路线路实景智能设计与精准维护技术doc.docx
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复杂环境铁路线路实景智能设计与精准维护技术doc
一、项目名称
复杂环境铁路线路实景智能设计与精准维护技术
二、提名者及提名意见
提名者：
国家铁路局
提名意见：
我单位认真审阅了项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，均符合国家科学技术奖励的要求。
项目针对复杂环境铁路建设中多时空尺度多维要素的快速感知认知、多目标综合最优的线路智能设计，以及铁路运营过程中高精度自动化线形维护的难题，通过理论与技术创新，突破了多时空尺度高精度可交互实景三维构建技术，创立了复杂环境线路多层级多目标智能设计方法，研发了铁路线路精准维护技术及装备，形成了一整套全新的复杂环境铁路线路实景智能设计与精准维护技术体系，全面支撑了我国广大地区特别是复杂艰险地区的铁路建设与维护。
该项目成果已在国内80%铁路勘察设计单位及全部铁路局推广，在兰新、拉日、西成、宝兰、银西等艰险环境铁路，及沙特、尼日利亚、埃塞俄比亚等海外铁路的勘察设计与维护中成功应用。
设备出口17个国家，创造经济效益累计达42亿元。
项目获授权发明专利38项、软件著作权42项，出版专著4部，主编2部国家标准和3部行业标准。
相关成果获省部级科技进步一等奖5项。
社会效益显著，为我国铁路的发展及技术进步起到了重要的推动作用，也为“一带一路”、“走出去”国家战略的实施提供了重要技术支撑。
提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。
三、项目简介
铁路线路设计与维护是从根源上保障运营安全，决定项目经济与社会效益、环保合理性的核心工作，对铁路的全生命周期产生深远的影响。
目前我国铁路运营线路已达13.1万公里，并规划了4.4万公里的建设任务，铁路建设与维护规模世所罕见。
特别是随着青藏、兰新、哈大等复杂环境铁路的建成开通，铁路建设与运营环境日趋复杂。
如何在地形复杂、灾害频发、生态脆弱、气候恶劣的复杂环境中，实现高精度的全息感知，搜索多目标综合最优的线路方案，并长久保持运营线路的光滑平顺性，一直是世界性难题。
团队历经10余年技术研发，突破了多维复杂环境的实景感知，线路多目标智能设计，智能化精准维护的难题，形成了线路感知-设计-维护的智能化技术体系。
【创新点一】多时空尺度高精度可交互实景感知技术。
发明立体分区视差处理技术，首次构建了上万平方公里的分米级立体实景模型；提出多模态时空混合索引方法，突破了多维时空大数据的高效组织管理关键难题；提出了多粒度时空对象多层次可视化分析方法，解决了沉浸式真实感场景实时交互瓶颈难题。
实现复杂艰险地区现场外业调查工作量降低70%，为大范围、精细化、多专业协同可视化设计提供支撑。
【创新点二】复杂环境线路多层级多目标智能设计方法。
构建了自学习可拓选线知识模型；提出了复杂环境面-带-线多层级、多目标线路综合优化模型；发明了大时空尺度下线路廊带广域高效智能搜索技术与点线协同智能优化方法；攻克了复杂环境高维动态耦合约束下的长大铁路线路优化难题，首次实现了32个目标106个约束下的复杂艰险山区千公里级线路智能设计。
【创新点三】铁路线路精准维护技术及装备研制。
发明了基于车载移动激光扫描的快速高精度轨道空间形位获取技术；创立了高维参数空间复杂约束域下铁路线路整体智能重构技术；研制了高效高精度智能化大型养路机械装备；首次开发了高原大型养路系列机械；形成了铁路线路精准测量-计算-拨调成套技术体系及装备；成果纳入2部相关国家标准。
项目成果已在国内80%的铁路勘察设计单位、全部18个铁路局推广，成功应用于青藏、拉日、兰新、哈大、西成、宝兰等10余条复杂环境下的国家重大铁路工程建设和维护，及沙特、肯尼亚、埃塞俄比亚等海外铁路项目，产品出口17个国家，近三年累计创造经济效益42亿元，实现利润4.7亿元，为国家铁路网的建设与维护做出了重要贡献，有效支撑了“一带一路”、铁路“走出去”等国家重大战略的实施。
项目成果得到了李德仁、刘先林、梁文灏、郭仁忠等知名院士专家的高度认可，总体技术达到国际同类领先水平，获得省部级科技进步一等奖5项。
本项目获授权发明专利38项、软件著作权42项，出版专著4部，发表论文257篇（SCI/EI/ISTP收录159篇），培养硕/博士79名，主编2部国家标准和3部行业标准。
四、客观评价
1、评审鉴定意见：
1）2013年8月16日，中国铁建股份有限公司在西安组织召开了“基于真实感场景的线路协同设计平台研究”项目成果评审会，以李德仁院士为组长的评审委员会一致认为“该项目成果技术先进，实用性强，具有重大工程应用价值，成果总体达到国际先进水平，其中大范围高精度真实感场景的构建技术处于国际领先”。
2）2018年3月8日，中国地理信息产业协会在北京召开了“山地城市实景三维GIS构建及关键技术研究”项目成果评审会，以郭仁忠院士为组长的评审委员会一致认为“本项目总体达到国际先进水平，其中自主研发的实景三维GIS数据获取、建模、可视化与分析系统，打破了国外商业软件的垄断。
”
3）2004年8月14日，甘肃省科技厅在兰州组织召开“铁路勘测设计一体化、智能化研究”成果鉴定会，刘先林、梁文灏院士等专家一致认为：
“该项目是以现代信息技术改造传统技术、推进勘察设计现代化的重大成果，成果达到国际先进水平，可广泛推广使用”。
4）2011年11月19日，湖南省科学技术厅组织了“铁路数字选线关键技术研究与应用”科技成果鉴定会，鉴定委员会一致认为，“该项目研究成果整体达到国际先进水平，其中铁路线路信息建模理论与方法居国际领先水平”。
5）2012年2月17日，云南省科技厅组织了“DWL-48连续走行捣固稳定车研发及其应用”的成果鉴定会，专家一致认为：
“项目研制的DWL-48连续走行捣固车填补了国内空白，研发的控制系统优于国外同类产品，整车技术居于国内领先国际先进水平，自主创新部分达到国际领先水平”。
2、国内外重要科技奖励：
2015陕西省科学技术奖一等奖《基于真实感场景的线路协同设计平台研究》
2013云南省科学技术进步一等奖《DWL-48连续走行捣固稳定车研发及其应用》
2013测绘科技进步一等奖《三维地理信息系统平台软件与示范应用》
2018地理信息科技进步一等奖《山地城市实景三维GIS构建关键技术及应用》
2017测绘科技进步一等奖《城市地下管线精准探测与精细管理关键技术及应用》
五、推广应用情况
项目成果已在中铁一、四、六勘察设计院等80%以上的铁路勘察设计单位，青藏铁路公司、兰州铁路局等18家铁路局推广应用，成功应用于青藏铁路、拉日铁路、兰新高铁、宝兰高铁、西成高铁等十余条复杂环境重大铁路工程，以及埃塞俄比亚、阿尔及利亚、沙特等国家的海外铁路工程，设备出口阿根廷等17个国家。
攻克了强风区、高原高寒、强震、湿陷性黄土、岩溶区等复杂环境下的铁路线路勘察设计及线形维护难题，有效地提升了企业的市场竞争能力，大大提高了勘察设计的工作效率，避免了重要方案的遗漏，确保了铁路线路的整体质量，节约了建设成本。
研制了高效高精度智能化大型养路机械装备，首次开发了高原大型养路系列机械，有效支撑了青藏、拉日等高原铁路维护。
为铁路行业的发展及技术进步，起到了重要的推进作用，社会经济效益十分巨大。
六、主要知识产权和标准规范等目录
知识产权（标准）类别
知识产权（标准）具体名称
国家
（地区）
授权号（标准编号）
授权（标准发布）日期
证书编号
（标准批准发布部门）
权利人（标准起草单位）
发明人（标准起草人）
发明专利（标准）有效状态
发明专利
一种基于立体正射影像对的大场景立体模型生成及量测方法
中国
ZL201010114571.X
2011/10/05
850516
中铁第一勘察设计院集团有限公司
王争鸣、王玮、任晓春
授权
发明专利
一种复杂山区铁路线站协同优化方法
中国
ZL201510740892.3
2016/08/24
2209991
中南大学
蒲浩、李伟、张洪、郑晓强、王雷、刘威、袁文辉、罗诗潇、严基团、熊佳兴、李帅、陈晨
授权
发明专利
轨道捣固车
中国
ZL201210141203.3
2014/12/10
1541779
昆明中铁大型养路机械集团有限公司
谢江生、刘刚、胡斌、赵雪玉、孔雪平等
授权
发明专利
虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法
中国
ZL201310612652.6
2016/04/27
2043636
中铁第一勘察设计院集团有限公司
王争鸣、任晓春、王玮、张剑、刘鹏、张小华、孙炜、郭笑非
授权
发明专利
一种铁道工程真实场景模型协同设计平台的构建方法
中国
ZL201310702129.2
2016/04/27
2042750
中铁第一勘察设计院集团有限公司
刘鹏、任晓春、王玮、张小华
授权
发明专利
基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法
中国
ZL201510079193.9
2017/07/04
2541029
中铁第一勘察设计院集团有限公司
李飞、任晓春、罗文彬
授权
发明专利
一种复杂山区铁路线路走向自动生成方法
中国
ZL201410841590.0
2017/12/22
2748388
中南大学
蒲浩、李伟、刘威、袁文辉、郑晓强、王雷
授权
发明专利
一种自适应复杂地形结构的点云滤波方法
中国
ZL201510257599.1
2018/02/13
2815941
胡翰、丁雨淋、朱庆
胡翰、丁雨淋、
朱庆、齐华
授权
发明专利
线路捣固稳定车及道岔稳定方法
中国
ZL201210159590.3
2015/07/08
1720176
昆明中铁大型养路机械集团有限公司
谢江生、刘刚、胡斌、赵雪玉、孔雪平、陈安叶、许洪春等
授权
标准规范
铁路大型养路机械通用技术条件
中国
GB/T25337-2018
2018/05/14
国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会
中国铁道科学研究院铁道建筑研究所、中国铁建高新装备股份有限公司等
宋慧京、胡斌、高春雷、向智萍、何国华、陈斌、陈政南等
有效
七、主要完成人情况
姓名
王争鸣
排名
1
工作单位
中铁第一勘察设计院集团有限公司
完成单位
中铁第一勘察设计院集团有限公司
技术职称
教授级高工
行政职务
国家重点实验室主任
项目总负责人，全面主持了本项目的研究，主持了研究过程中关键技术的专家论证、决策，参与和协调了各课题的研究。
对创新点1、创新点2
（1）
（2）、创新点3
（1）做出了创造性贡献。
提出带状工程高精度立体实景模型生成与量测方法，使用分块视差处理方法制作大范围无缝立体模型，并提出在实景环境下进行交互设计的方法，主导研发了铁路实景三维线路智能设计系统；牵头总结提炼了大量线路-站场协同优化设计原则，为智能选线知识库构建与协同搜索方法研究奠定了重要基础；组织本项目整体技术在多条铁路的线路勘察设计中推广应用。
姓名
蒲浩
排名
2
工作单位
中南大学
完成单位
中南大学
技术职称
教授
行政职务
无
对本项目提名书中创新2及3-
（2）均做出了创造性贡献：
建立了高可拓性自学习铁路选线知识模型；发明了复杂环境线路廊带智能搜索方法，点线协同多目标智能优化技术；主持研发了铁路智能选线系统，实现了复杂艰险山区长大干线铁路的智能选线设计；提出了铁路线路整体高精度智能重构算法，为既有线路的快速维护奠定了重要基础。
姓名
朱庆
排名
3
工作单位
西南交通大学
完成单位
西南交通大学
技术职称
教授
行政职务
无
对本项目提名书中创新1-
（2）、1-（3）、3-
（1）均做出了创造性贡献，作为项目核心人员主持研究了多模态时空混合索引方法，突破了多维时空大数据的高效组织管理关键难题；提出了多粒度时空对象多层次可视化分析方法，突破了沉浸式真实感场景实时交互瓶颈；提出高精度点云平差处理方法，提升了既有线路测量精度。
姓名
任晓春
排名
4
工作单位
中铁第一勘察设计院集团有限公司
完成单位
中铁第一勘察设计院集团有限公司
技术职称
教授级高工
行政职务
副总工
对本项目推荐书中“主要科技创新”栏所列创新点1、创新点3、创新点4做出了创造性贡献。
作为项目核心人员主持研究了带状工程高精度立体实景模型生成与量测方法，完成了高精度立体模型生成与量测的核心算法研究，解决了高精度带状工程无缝实景环境建立的难题。
提出了立体实景模型下的三维矢量交互和虚拟三维模型映射等增强现实方法，研究了长大铁路场景自动化建模与高效管理分析的核心算法，实施了实景三维线路协同设计平台。
姓名
胡斌
排名
5
工作单位
中国铁建高新装备股份有限公司
完成单位
中国铁建高新装备股份有限公司
技术职称
教授级高工
行政职务
副总经理/总工程师
对本项目创新3-
（2）、3-（3）做出了创造性贡献：
主持AGC轨道几何参数计算机系统研发，提出了基于测量运行数据的优化方法。
主持DWL-48连续走行捣固稳定车研制和推广运用。
突破了大型养路机械领域六大关键技术。
运用DWL-48连续走行捣固稳定车成果，负责并参与研制多种轨距、多种功能车型，产品出口莫桑比克、安哥拉、沙特、蒙古、阿根廷等国家。
起草国家标准2项，主导或参加19项发明专利的工作
姓名
王玮
排名
6
工作单位
中铁第一勘察设计院集团有限公司
完成单位
中铁第一勘察设计院集团有限公司
技术职称
工程师
行政职务
无
对本项目创新点1做出了创造性贡献。
负责研究高精度带状实景三维模型的生成与量测方法，并进行了系统实现。
研究了自适应多级缓存、GPU加速计算等关键技术，解决了矢量及虚拟模型在无缝立体真实场景中的实时展现问题，通过人机交互设备实现了立体实景中的交互量测、三维绘图及设计建模。
参与了铁路实景三维线路设计平台的实施与构建，并参与项目推广实施工作。
姓名
李伟
排名
7
工作单位
中南大学
完成单位
中南大学
技术职称
讲师
行政职务
无
对本项目所列创新2、创新3-
（2）均做出了创造性贡献：
作为骨干成员参与选线知识模型构建；发明了复杂环境下线路走廊带的广域高效搜索以及铁路点线协同智能优化方法，实现了复杂环境下的线站协同搜索；提出了强抗差能力的自适应测点分段聚类方法；创立了高维参数空间复杂约束域下的重构线路震荡迭代寻优算法；作为骨干成员开发并维护了铁路智能选线系统。
姓名
朱军
排名
8
工作单位
西南交通大学
完成单位
西南交通大学
技术职称
教授
行政职务
无
对本项目创新点1
（2）、（3）均做出了创造性贡献。
提出了基元组合与多层次空间语义约束的铁路线路自动三维建模方法，实现了实景环境与铁路线路模型的动态融合，突破了多领域协作建模的难题，形成了铁路场景自动化建模与高效管理分析的一整套核心技术体系，为铁路实景三维线路设计平台的建立奠定了三维建模与可视化引擎支撑。
姓名
冯威
排名
9
工作单位
中铁第一勘察设计院集团有限公司
完成单位
中铁第一勘察设计院集团有限公司
技术职称
教授级高工
行政职务
总工办主任
对本项目推荐书中所列创新点1
（1）、创新点2
（1）做出了重要贡献。
参与研究高精度大面积带状工程立体实景生成及量测方法。
负责了实景三维在铁路勘察设计中的实施工作。
提炼总结数十年选线设计经验，作为骨干成员编写了《铁路选线设计规范》；提供大量复杂环境铁路选线原则，为知识模型的构建提供重要支撑；组织智能选线系统在多条复杂环境铁路选线中应用，反馈大量建议，显著优化了系统性能。
姓名
谢江生
排名
10
工作单位
中国铁建高新装备股份有限公司
完成单位
中国铁建高新装备股份有限公司
技术职称
教授级高工
行政职务
副院长
对本项目创新3做出了创造性贡献：
主持AGC轨道几何参数计算机系统研发，总体规划和功能设置。
主持DWL-48连续走行捣固稳定车研制，主持研究开发了大型养路机械领域六大关键技术。
运用DWL-48连续走行捣固稳定车成果，主持研制多种轨距、多种功能车型，产品出口莫桑比克、安哥拉、沙特、蒙古、阿根廷等国家。
主导和参加13发明专利。
八、主要完成单位及创新推广贡献
单位名称
中铁第一勘察设计院集团有限公司
排名
1
负责了本项目的主要核心项目的立项、研究、方案制定、组织实施及成果总结。
负责了高精度可量测实景三维构建技术方法、实景环境铁路智能数字线路设计方法、基于车载移动激光扫描的铁路轨道几何形位快速获取方法的研究，完成了铁路实景三维线路协同设计平台的研制。
对本项目所列创新1、2、3均做出了创造性贡献。
在国内外发表论文20篇，代表性发明专利33项，软件著作权10项，参编国标1项，主编行业标准2项。
单位名称
中南大学
排名
2
参与项目调研、论证立项、方案制定、组织实施及成果总结；负责复杂环境下线路多层级多目标智能设计方法；线路整体高精度智能重构技术研究以及线路智能优化软件平台的研发与维护。
对本项目推荐书中创新2、3-
（2）均做出了创造性贡献。
出版专著4部，代表性发明专利3项，软件著作权20项，发表学术论文92篇，其中SCI、EI收录40篇，培养研究生40名。
单位名称
西南交通大学
排名
3
参与了项目调研、论证立项、方案制定、组织实施及成果推广。
负责了铁路场景自动建模与高效管理分析的研究；参与了高精度可量测实景三维构建技术方法的研究；参与了铁路实景三维线路设计平台的研发。
对本项目推荐书中“主要科技创新”栏所列创新点1-
（2）、1-（3）和3-
（1）均做出了创造性贡献：
取得了软件著作权11项，授权发明专利4项，参编国家标准1项，在国内外发表论文150篇（SCI/EI91篇），培养硕士/博士39名。
单位名称
中国铁建高新装备股份有限公司
排名
4
中国铁建高新装备股份有限公司（原名：
昆明中铁大型养路机械集团有限公司）主要承担线路养护装备研制。
对本项目推荐书中“主要科技创新”栏所列创新点3做出了创造性贡献，取得发明专利10余项，研制的DWL-48连续走行捣固稳定车作为“十二五”、“十三五”中国铁路养护主力装备，共向18个铁路局和神华集团等提供了190台高效高精度捣固稳定车，并出口17个国家。
九、完成人合作关系说明
本项目依托近10年来重大铁路工程建设，在863项目、国家自然基金、省部级重大科研项目和企业自主立项的基础上，采用产学研用相结合的方式开展科研攻关。
整个研发过程历时10余年，主要参研单位4家，研究人员200余人。
所有完成人在本项目的研究过程中，团结合作，刻苦钻研，取得了丰硕的成果。
2000年至2005年由中铁第一勘察设计院集团有限公司牵头，中南大学、西南交通大学作为参研单位，共同完成的科研项目“铁路勘查设计一体化、智能化研究”取得了多项创新成果，得到院士专家的好评。
2009年中铁第一勘察设计院集团有限公司与中南大学共同立项“铁路各阶段数字选线平台”，王争鸣、冯威、蒲浩、李伟等人共同参与了项目研究，共同发表了多篇论文，取得了多项科技奖励,包括：
2012年度陕西省工程勘察设计优秀软件一等奖。
2012年中铁第一勘察设计院集团有限公司与西南交通大学、中南大学共同立项“基于真实感场景的线路协同设计平台研究”，王争鸣、任晓春、王玮、朱军、蒲浩、李伟等人员共同参与了项目研究，三家单位共同协作，取得了多项科技创新成果。
2014年中铁第一勘察设计院集团有限公司与西南交通大学、中国铁建高新装备股份有限公司共同立项“车载三维激光扫描技术在铁路运营及养护维修测量中的应用研究”，任晓春、朱庆、胡斌、谢江生等人共同参与项目研究，三家单位共同合作取得了多项科技创新成果。
所有完成人在工程研究、设计和建设过程中，团结合作，刻苦钻研，在论文合著、共同立项、共同获奖等方面取得了丰硕成果。
完成人合作关系情况汇总表
序号
合作方式
合作者
（项目排名）
合作时间
合作成果
1
共同获奖
蒲浩，王争鸣，冯威，李伟
（排名：
1,3,4,7）
2009年6月～
2012年12月
2012年度陕西省工程勘察设计优秀软件一等奖：
铁路各设计阶段数字选线平台
2
论文合著
李伟，蒲浩
（排名：
1,2）
2006年6月～2015年12月
Mountainrailwayalignmentoptimizationwithbidirectionaldistancetransformandgeneticalgorithm
3
共同立项
蒲浩，王争鸣，冯威，李伟（排名：
2,3,5,7）
2009年6月～
2012年9月
铁路各设计阶段数字选线平台
4
共同立项
王争鸣、任晓春、王玮、朱军、蒲浩、王杰、李伟（排名：
1,2,4,7,9,17）
2012年8月~2013年10月
基于真实感场景的线路协同设计平台研究
5
共同立项
任晓春、朱庆、胡斌、谢江生（排名：
1,4,6,7）
2014年3月～
2015年8月
《车载三维激光扫描技术在铁路运营及养护维修测量中的应用研究》
6
发明专利
谢江生、胡斌（排名:
1,3）
2009年3月～2012年5月
ZL201210141203.3《轨道捣固车》
升级会员 