高速铁路实景三维线路设计关键技术与重大工程应用.doc

一、项目名称高速铁路实景三维线路设计关键技术与重大工程应用二、推荐单位意见我单位认真审阅了该项目的推荐书和附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励办公室的填写要求。线路勘察设计作为高速铁路建设总揽全局的核心工作，是决定铁路项目投资、建设、运营和环境保护合理性的先决条件和源头根本。随着铁路建设任务日益繁重，建设标准不断提高，建设环境日趋复杂，面对国家铁路网急需的高效优化和快速实现等难题，在国家、铁道部等的大力支持下，团队历经十余年的持续研究，创建了高速铁路线路勘察设计实景环境构建的技术方法，创立了实景环境铁路线路信息建模理论与技术，构建了基于线路信息模型的铁路智能线路设计技术体系，研发了高速铁路场景自动化建模与高效管理分析的关键技术，研制了高速铁路实景三维线路设计平台，形成了具有我国自主知识产权的成套理论与技术体系。获授权发明专利37项、软件著作权48项，出版专著4部，发表论文232篇（SCI/EI/ISTP收录107篇），培养毕业硕/博士59名，主编3部国家标准和2部行业标准。相关成果获省部级科技进步一等奖2项。该项目形成的技术方法和成果已经为我国铁路线路勘察设计企业广泛使用，在兰新、西成、西宝、宝兰、银西、武襄十等10余条国家重大高铁工程建设中成功应用，创造经济效益累计逾10亿元。同时从源头上保证了高速铁路线路的品质，攻克了极端风灾、高原高寒、湿陷性黄土、岩溶强烈发育等复杂环境下的高速铁路线路勘察设计难题，缩短了建设周期，确保了高效安全运营，为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”和高铁“走出去”国家战略的实施奠定了基础，社会效益巨大，应用前景十分广阔。推荐该项目为国家科学技术进步奖 一 等奖。三、项目简介线路勘察设计作为铁路建设总揽全局的核心工作，是决定项目投资、建设、运营和环境保护合理性的先决条件和根本性问题。随着铁路设计时速的大幅提升（普速高速超高速），对铁路线路设计标准与质量提出更严格和苛刻的要求。近年来“西部大开发”战略的实施，高速铁路建设正经历从东部平原到西部山区推进，建设环境条件日趋复杂，不可避免的跨越艰险复杂地形、不良地质极其发育地区、极端气候及生态环境脆弱地区，高速铁路线路勘察设计面临着其他高速铁路发达国家不曾遇到的技术难题。同时，随着“一带一路”、“走出去”等战略的推进，世界不同目标国的地形、地质、气候等特殊环境条件进一步加剧了高速铁路勘察设计的复杂度。团队历经10余年持续研究，形成了从三维实景线路勘察设计环境构建，到基于线路信息模型的全阶段、全时态铁路线路设计方法，再到高速铁路线路自动三维建模与高效管理分析，一整套全新的高速铁路勘测设计技术体系，取得了以下主要技术成果： 【创新点一】高精度可量测实景三维构建技术方法提出了带状工程高精度立体实景模型生成与量测方法，首次使用分块视差处理方法制作大范围无缝立体模型，解决了传统立体正射模型精度不均的问题，并系统发展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，形成了铁路线路勘察设计精细化实景环境快速构建的成套技术方法。【创新点二】实景环境铁路智能数字线路设计方法针对线路信息数字化表征、线路优化复杂环境受限、相对关系定线模型缺失以及协同设计困难等难题，提出了实景环境铁路线路信息本体建模理论与方法，建立了协调统一且紧密关联的线路信息模型表征，创立了基于超图语义的复杂环境点线协同优化方法，发展完善了铁路线形模型，发明了时空耦合动态特征下铁路联动式选线设计新方法，在国际上首次实现了全类型全时态的智能数字线路设计技术。【创新点三】高速铁路场景自动建模与高效管理提出了基元组合与多层次空间语义约束的高速铁路线路自动三维建模方法，实现了实景环境与高速铁路线路模型的动态融合，创新领域知识与建模操作的松耦合机制，突破了多领域协作建模的难题，形成了长大高速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。【创新点四】自主知识产权高速铁路实景三维线路协同设计平台研制了具有自主知识产权的高速铁路实景三维线路设计平台，实现了真实场景环境下全过程全类型的线路勘察设计、自动化三维建模与高性能展示分析，已经成为当前铁路勘察设计的主要技术方法，在兰新、西成、西宝、宝兰等10余条国家重大高铁工程建设中发挥了重要作用，服务了5400余公里高速铁路和6000余公里普速、城际和城市轨道交通的铁路勘察设计，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，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难题，确保了铁路线路的整体质量，节约了建设成本，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。项目成果得到了李德仁院士、刘先林院士等知名专家的高度认可，总体技术达到国际同类领先水平，获得陕西省科技进步一等奖等多项省部级科技奖励。本项目获获授权发明专利37项、软件著作权48项，出版专著4部，发表论文232篇（SCI/EI/ISTP收录107篇），培养毕业硕/博士59名，主编3部国家标准和2部行业标准。四、客观评价评审鉴定意见：2013年8月16日，中国铁建股份有限公司在西安组织召开了“真实感场景线路协同设计平台”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”。2012年9月4日，陕西省勘查设计协会在西安组织召开了“铁路各设计阶段数字选线平台”科技成果鉴定会，鉴定委员会一致认为“该项目构建了可适用于铁路各设计阶段、涵盖各项选线设计内容的综合数字选线平台，成果在同行业处于国际先进水平”。2012年3月20日，湖北省科学技术厅在武汉组织召开了 “高速公路建设管理WebGIS与Web3D集成式可视化信息平台”项目科技成果鉴定会。鉴定委员会一致认为，“该项目研究成果具有重要的理论意义与实践应用价值，整体达到国际先进水平，其中道路三维网络交互式可视化技术居国际领先水平”。2011年11月19日，湖南省科学技术厅在长沙市组织召开了 “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，“该项目研究成果具有重要的理论意义与实践应用价值，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”。2004年12月26日，湖南省科学技术厅在长沙组织召开了 “铁路新线实时三维可视化CAD系统”科技成果鉴定会，鉴定委员会一致认为，“该系统是利用现代信息技术完善铁路设计手段的新成果，整体达到国际先进水平”。2004年8月14日，甘肃省科技厅组织在兰州召开“铁路勘测设计一体化、智能化研究”成果鉴定会，以刘先林院士为组长的鉴定组专家一致认为：“该项目是以现代信息技术改造传统技术、推进勘查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。”国内外重要科技奖励：“基于真实感场景的线路协同设计平台研究”获2015年陕西省科技进步一等奖（陕西省科技厅）、2013年度中国施工企业管理协会科技进步一等奖（中国施工企业管理协会）、2014年中国铁道建筑总公司科学技术奖一等奖。“铁路工程勘测设计一体化、智能化研究”获2006年铁路工程勘查设计优秀计算机软件一等奖（铁道部）。“铁路各设计阶段数字选线平台”获2012年度陕西省工程勘察设计优秀计算机软件一等奖（陕西省）。“城市轨道交通数字选线系统”获2014年度陕西省工程勘察设计优秀计算机软件一等奖（陕西省），2015年度中国铁道建筑总公司工程勘察设计优秀计算机软件一等奖。五、推广应用情况“高速铁路实景三维线路设计关键技术与重大工程应用”成果已经在多家铁路勘察设计院推广，在兰州至乌鲁木齐（兰新）、西安至成都、宝鸡至兰州、银川至西安、西安至延安、西安至武汉、连云港至镇江、武汉襄阳至十堰、赣州至深圳、吴忠至中卫高速铁路、张家界吉首怀化、西安北至机场、广佛江珠城际、济南至滨州城际铁路等项目中使用，服务5400余公里高速铁路和6000余公里普速、城际和城市轨道交通的铁路勘察设计。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，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、主要知识产权证明目录知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利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.X2011年10月5日第850516号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铁道工程真实场景模型协同设计平台的构建方法中国ZL20131070212922016年4月27日第2042750号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虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法中国ZL20131061265262016年4月27日第2043636号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铁路与城市轨道交通站后工程信息模型的创建方法中国ZL 20131033989952016年4月13日第2022376号中铁第一勘察设计院集团有限公司王争鸣、郭世勇、路长平、张彧锋、郑涛、赵云、胡萍、李岁永、蔡海燕、赵岩、张程、李海培、郭建伟授权发明专利一种工程地质勘察中的真三维航空遥感地质解译方法中国ZL 20111005443312013年5月28日第1238957号中铁第一勘察设计院集团有限公司任晓春、孟祥连、张占忠、刘亚林、宋明辉、王海英授权发明专利一种复杂山区铁路线站协同优化方法中国ZL 201510740892.32016年08月24第2209991号中南大学蒲浩、李伟、刘威、郑晓强、王雷、刘威、袁文辉、罗诗潇、严基团、熊佳兴、李帅、陈晨授权发明专利用于公路或铁路三维选线的交点位置模型构建方法中国ZL 201510545723.42015年8月31日第2288011号中南大学缪鹍,谭智广,王紫阳,刘丹,毛晓林,董晔,李琛授权发明专利一种铁路既有曲线的拨距计算方法中国ZL 201310139611.X2013年4月22日第19043556号中南大学缪鹍、韩吉明、 戴智、田家凯、周为、李琛、谭智广、董晔授权软件著作权线路协同设计平台系统V1.0中国ZL 2014SR1323472014年9月3日软著登字第0801589号中铁第一勘察设计院集团有限公司授权软件著作权真实感场景线路设计系统V1.0中国ZL 2014SR1321452014年9月3日软著登字第0801387号中铁第一勘察设计院集团有限公司授权七、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董事长项目总负责人，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）、创新点4做出了创造性贡献。主持多项核心技术研究，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，主导研发了基于实景的线路设计软件，主持研制了高速铁路实景三维线路协同设计平台。姓 名任晓春排 名2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，研究了长大高速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 名蒲浩排 名3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推荐书中“主要科技创新”栏所列创新2、创新3-（4）和创新4-（2）均做出了创造性贡献。提出了线路信息建模理论与方法，构建了铁路数字选线技术体系的总体框架；提出了线路-结构物-环境耦合约束条件下的铁路点线协同优化理论与方法，解决了复杂环境下的线站协同优化难题；提出了参照线形模型，实现了线路平纵横、线路与线路间、线路与相关专业间的关联协同设计；提出了既有铁路的平纵面线形快速整体智能重构与改建方法，解决了既有线与增改建线之间的时空关联耦合设计难题；提出了铁路线路整体建模与简化方法，实现了大规模铁路线路场景实时三维交互式可视化。姓 名朱军排 名4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推荐书中“主要科技创新”栏所列创新点3和创新点4“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高速铁路线路自动三维建模方法，实现了实景环境与高速铁路线路模型的动态融合，通过将领域知识和建模操作分离，突破了多领域协作建模的难题，形成了高速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，为高速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 名王玮排 名5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推荐书中“主要科技创新”栏所列创新点1、创新点3-（2）（3）和创新点4（1）（3）均做出了创造性贡献。作为核心成员研究了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。参与了高速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6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推荐书中“主要科技创新”栏所列创新2、创新3-（4）和创新4-（2）、4-（4）均做出了创造性贡献：作为骨干成员参与了线路信息模型理论与方法研究，提出了基于本体的线路信息建模方法，为数字选线技术体系的构建奠定了基础；提出了基于双向距离变换与遗传算法的铁路点线协同优化方法，实现了复杂环境下的线站协同搜索；研制了基于方向加速法和二阶差商的既有线空间线位智能重构算法；建立了复合参照线形模型，为解决既有线和枢纽区的参照关系定线奠定了基础；建立了线路信息时空一致性维护方法，实现了线路与线路间、线路与相关专业间的关联协同设计；提出了铁路线路三维场景的组织管理、视相关简化、数据压缩编码方法。姓 名孟存喜排 名7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高级工程师行政职务无对本项目推荐书中“发现、发明及创新点”栏所列创新点2-（3）、创新点2-（4）、创新点4做出了创造性贡献。作为骨干成员，参与主持了铁路新线交互式设计、既有线智能重构恢复和线路方案综合展示方法的研究；主持了铁路数字选线系列软件和勘测设计一体化系统的开发、推广应用与维护工作。姓 名吕慧玲排 名8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高级工程师行政职务三级单位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4（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，负责研究生产工艺、试验与具体实施，形成了数据处理、操作规范、质量控制的完备技术体系。负责了实景三维在铁路勘察设计中的实施工作。姓 名丁雨淋排 名9工作单位西南交通大学完成单位西南交通大学技术职称副教授行政职务无对本项目推荐书中“主要科技创新”栏所列创新点3“高速铁路场景自动化建模和高效管理分析”做出了创造性贡献。负责海量大规模三维高速铁路运行场景模型高效管理和高性能可视化方案设计和关键技术攻关；突破了长大带状三维空间数据的一体化组织与管理、自适应多级缓存、CPU与GPU协同绘制等关键技术，提供了从混合空间索引、场景调度、场景简化与优化、快速可见性计算、GPU可编程计算、内存显存控制、限时计算到并行计算的一整套技术方法，实现了高速铁路场景的高效管理与高性能展示分析。姓 名缪鹍排 名10工作单位中南大学完成单位中南大学技术职称副教授行政职务无对本项目推荐书中“发现、发明及创新点”栏所列创新2、创新4-（2）和创新4-（4）均做出了创造性贡献：作为骨干成员参与了铁路线形模型、线路优化、既有线重构等理论和方法的研究；提出了既有线平面智能重构方法；提出了铁路线路控制点自动生成方法。姓 名彭文盛排 名11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行政职务副院长对本项目推荐书中“主要科技创新”栏所列创新点1、创新点4做出了重要贡献，协调各参研单位完成研究，参与了重要核心难点的决策工作。参与了真实场景模型构建研究、实景三维场景平台系统搭建、三维线路设计软件的开发与实施等工作，并组织实施了项目验收、推广应用。姓 名王杰排 名12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二级单位副处长对本项目推荐书中“发现、发明及创新点”栏所列创新4-（2）做出了创造性贡献。作为主要成员，参与了铁路新线交互式设计、既有线平面智能重构方法研究，参加了铁路数字选线系列软件的开发，主持了成果在西成高铁项目的应用。姓 名杨远超排 名13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高级工程师行政职务无对本项目推荐书中“发现、发明及创新点”栏所列创新1、创新4均做出了重要贡献，作为核心人员参与了高速铁路实景三维线路设计平台的开发、数据库设计与实现、三维高性能展示算法研究与实施。负责项目推广应用的具体实施。姓 名黄超排 名14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院长对本项目推荐书中“发现、发明及创新点”栏所列创新4-（2）做出了创造性贡献，作为主要成员，参与了铁路枢纽多线条设计方法研究和铁路数字选线系列软件的开发，并组织实施了项目推广工作。姓 名陈敏排 名15工作单位西南交通大学完成单位西南交通大学技术职称讲师行政职务无参与了本项目推荐书中“主要科技创新”栏所列创新点1中的影像自动匹配工作。针对其瓶颈难题，系统研究了遥感影像特征提取、匹配的理论和方法，实现了多波段、多时相、多视角及多传感器影像的高精度自动匹配。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、的研究，完成了高速铁路实景三维线路协同设计平台的研制。对本项目推荐书中“发现、发明及创新点”栏所列创新1、2、3-（2）（3）、4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，主编国家标准2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；负责实景环境下铁路智能数字选线关键技术研究；参与高速铁路线路自动三维建模方法研究；负责实景环境下面向全阶段、全类型及全时态线路设计软件平台的研发。对本项目推荐书中“发现、发明及创新点”栏所列创新2、3-（4）、4-（2）、4-（4）均做出了创造性贡献：在国内外发表论文92篇，其中三大检索(SCI/EI/ISTP)论文44篇，出版专著及教材5部，获授权发明专利3项，软件著作权27项，培养博士研究生3名，硕士研究生47名。单位名称西南交通大学排名3主持了国家自然科学基金、国家863计划、中国铁路总公司科技研发开发计划等多个项目，负责高速铁路场景的自动建模、高效管理与高性能可视化分析方面的研究，提出了基元组合与多层次空间语义约束的高速铁路线路自动三维建模方法，实现了实景环境与高速铁路线路模型的动态融合，通过将领域知识和建模操作分离，突破了多领域协作建模的难题，形成了高速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