伦敦的 Crossrail 是一项 $21B 的虚拟建模测试

当泰晤士河向东蜿蜒穿过伦敦时，它环绕着一片叫做狗岛的土地。在 19 世纪，该地区拥有世界上最繁忙的码头综合体之一，但到 1980 年，它已经退化成工业荒地。最近，由于大规模的重建，该地区再次蓬勃发展，成为金丝雀码头，一个闪闪发光的玻璃摩天大楼飞地，现在是全球金融中心。在这里，在北码头的浑浊水域中，坐落着伦敦最新铁路中最大、最时尚的车站之一：Crossrail。 Crossrail 拥有 148 亿英镑（约合 210 亿美元）的预算，是目前欧洲最大的工程项目。自 2009 年开工建设以来，它已经在伦敦市中心下方挖出了 42 公里长的隧道，创建了一个地下铁路网络，可以加快城市东部和西部边缘之间的乘客速度。其 40 个车站，其中 10 个是全新车站，将与现有的国家铁路和伦敦地铁线路连接。首批 Crossrail 列车将于 2017 年开始运行，当网络于 2019 年全面开放时，预计每年将运送约 2 亿乘客。隧道工程于 2015 年 5 月大张旗鼓地完成。但 Crossrail 不仅仅是挖掘——它一直是创新的温床。整个网络是在 3-D 虚拟环境中设计的；一旦铁路启动并运行，这个 3D 模型的一个版本将帮助管理人员通过平板电脑监控网络中无数的电气组件和系统。 “我们已经建造了两条铁路——一条是真实的，一条是虚拟的，”Crossrail 的机械、电气和公共卫生负责人 Rhys Williams 说。他说，他的目标之一是展示交通网络如何通过使用结合最新技术的智能设计变得更安全、运行更顺畅、维护成本更低。因此，Crossrail 的一切——自动扶梯和电梯、照明、通风、通信、轨道车本身——都被设计成减少能源使用、提高安全性和简化运营。该项目已经制定了英国其他交通网络正在采用的标准，并为可以彻底改变巨型建筑的数字技术提供了一个试验台。 “整个让它变得更智能的方法——很多都是第一次在 Crossrail 上实现，”英国剑桥大学土木和环境工程负责人、该项目的顾问罗伯特·梅尔说。 “Crossrail 确实是一条数字铁路。”我第一次参观金丝雀码头站是在 10 月。一个月前主要建设已经结束，车站是一个巨大的原始外壳。从外面看，优雅弯曲的木格屋顶像船的船头一样突出。里面全是闪闪发光的大理石地板和抛光的金属，几乎没有人。下一步将是安装检票口、站台门以及主要交通枢纽的所有其他家具和配件。不过，今天的售票厅看起来更像是一个舞池。 “你有没有想过在这里举办派对？”我问威廉姆斯。事实上，据我所知，在建设正式竣工仅 10 天后，伦敦的标准晚报就在这里举办了一场轰动性的活动，推出了年度“1000 强名单”，庆祝首都的推动者和震动者。 （“工程没有一个单一的类别，”威廉姆斯叹了口气说。）报纸带来了一个酒吧和一个合唱团，并在天花板上悬挂了 1000 多个发光的地球仪。对于历史爱好者来说，该派对可以追溯到近两个世纪前在距离酒店仅 2 公里处举行的早期基于隧道的庆祝活动。 1827 年 11 月，总工程师 Marc Brunel 和他的儿子 Isambard 举办了一场宴会，以提高公众对他们部分完工的泰晤士隧道的信心，该隧道将成为主要河流下方的第一条运输隧道。它最初供行人使用，后来向火车开放，火车今天继续穿过它。与 Crossrail 一样，泰晤士隧道是一项工程奇迹，是在老布鲁内尔隧道盾构的帮助下建造的——一个铸铁的三层框架，当工人在裸露的土地上砍伐时，它可以防止地面坍塌。天气好的时候，他们可能会进步 30 厘米。

相比之下，Crossrail 的八台大型隧道掘进机，每台都配备了一个 7 米直径的切割头，平均每天 38 米。这些机器总共挖出了 600 万吨泥土，在地下挖掘了 40 米的地方，并在挖掘过程中用混凝土环固定新隧道。所有这些新隧道和车站都将为伦敦负担过重的交通系统提供急需的缓解。在过去的一个半世纪里，伦敦地铁网络（称为地铁）的扩张刺激了伦敦郊区的发展，并帮助创建了一个庞大的通勤带。今天，这座城市的人口为 860 万，每年增加 10 万名新移民。与此同时，天际线布满了起重机和新的办公楼，吸引​​了越来越多的人来到伦敦市中心。道路被交通堵塞。这条由 402 公里长的隧道和地面线路以及 270 个车站组成的地铁意大利面，每年的客运量超过 13 亿人次。通勤者通常在炎热和狭窄的条件下完成他们的整个旅程。 “郊区是由铁路创造的，”马克卢卡斯说，他最近在伦敦东北部雷德布里奇的自治市镇委员会工作，那里正在建造四个 Crossrail 车站。 “但郊区只有在您与伦敦市中心及其他地区有良好的连通性时才有效。”尽管长期以来对 Crossrail 的需求一直很明确，但建造它的意愿要慢得多。在一座拥有 2000 年历史、已经拥有大量地下基础设施的城市下建造这个庞大的地下基础设施是一项艰巨的壮举。威廉姆斯宣称，它的设计师知道几乎没有犯错的余地。与办公楼不同，如果发现任何系统需要，Crossrail 的隧道和地铁站将无法容纳大量额外的设备。 “我们只能做一次，而且我们必须在第一次就做对，”威廉姆斯说。为确保他们第一次就做对，Crossrail 的设计师和工程师严重依赖 3-D 计算机建模。该技术广泛应用于石油和天然气工业以及汽车和航空航天制造，在民用建筑中也开始流行。 Crossrail 模型实际上由超过 250,000 个小模型组成，这些模型连接在一个数据库中，并链接到另一个数据库，其中包含有关铁路所有资产的所有数据和文档——从 1 瓦的 LED 灯泡到在活动中抽烟的巨型风扇火灾——以及对正在进行的所有工作的详细描述。总体而言，空间数据占用了几 TB 的空间，到目前为止，相关文档还增加了 5 TB 的空间。 “我认为以前世界上任何地方都没有进行过如此规模的建筑信息建模，”威廉姆斯说。

该模型节省了时间和金钱，因为它为在 Crossrail 上工作的数千名承包商和顾问提供了一组通用数据。这种安排有助于减少两个承包商的工作之间经常出现的差异。承包商还可以对他们的模型部分进行更改，经过审查后，这些部分将合并到主模型中。 Crossrail 技术信息主管 Malcolm Taylor 表示，他之前参与的项目使用多种方法来跟踪相同的信息。 “我们摆脱了所有不需要的软件。我们所有的信息现在都集中在一个地方，”泰勒说。 “它每年节省了数百万英镑。”空间建造完成后，团队使用旋转激光扫描仪进行所谓的“点云调查”，该扫描仪发出相干光束并捕捉周围数百万个点的反射，构建极其精确的 3-D已建成的形状的图像。然后将此基本事实与虚拟模型进行比较。只要匹配在一厘米左右，模型就会更新为激光测量数据。泰勒说，罕见的不匹配可能表明结构存在问题，需要修复。一旦铁路运行，该模型还将成为跟踪和管理 Crossrail 的许多系统的重要工具。例如，每个车站都有计算机控制的照明设备，当该区域内无人时会自动变暗，并在灯具需要新灯泡时发出警报。另一个系统负责监督应急设备。同时，摄像头将监控人们通过走廊的运动——例如，如果在高峰时段速度减慢到爬行，该系统旨在自动将通勤者引导到不同的走廊。所有这些数据以及更多数据将无线传输到基站，然后通过高速光纤链路传输到伦敦东北部的 Crossrail 控制中心。在虚拟模型中查看此信息的管理人员将能够放大感兴趣的区域并检查特定组件的操作和维护日志。他们还可以通过平板电脑访问模型。 “我们为他们提供了他们以前从未拥有过的东西——iPad 上的维护手册，”威廉姆斯说。该模型甚至具有增强现实界面。例如，工作人员可以将 iPad 放在车站墙壁上，并看到覆盖在墙壁上的底层电线和管道系统的虚拟视图。墙壁的图像就是 iPad 的摄像头所看到的；墙后的图像是根据由 GPS（可用时）和蓝牙信标确定的 iPad 坐标从模型生成的。这是一个方便的功能，可以避免意外地在电缆上钻孔，并在它们到达现场之前确保它们适合。地理信息系统用于创建 Crossrail 地图，该应用程序将允许 Crossrail 员工在地图上查询伦敦的特定位置，然后深入了解那里的 Crossrail 资产。 “我们可以点击一个车站，然后点击一个定义的空间，比如一个房间，”泰勒解释说。 “因为我们创建的每个资产都有一组 x、y 和 z 坐标，我们可以从另一个链接的数据库中调用该房间中的所有资产，并获取有关每个资产的所有信息。”以前，定位一个组件意味着要翻阅建筑图纸和存档手册。 “通常需要花费数分钟甚至数小时才能完成的工作现在可以在几秒钟内完成，”泰勒说。 Crossrail 的火车不是古老的地铁网络中短小精悍的小火车。它们是全尺寸、最先进的列车，每辆列车一次最多可搭载 1,500 人。因此，与地铁相比，Crossrail 拥有更长的站台和更宽的隧道。

这些直径为 7.1 米的隧道构成了特别的挑战。地球的沉降随着隧道直径的平方而增加，因此工程师必须弄清楚如何防止其上方的建筑物下沉或倾斜。为了保护建筑物，Crossrail 的工程师使用了一种称为补偿灌浆的技术，该技术由岩土技术咨询集团于 1990 年代开发，该公司由剑桥大学的 Robert Mair 共同创立，总部位于伦敦。它涉及将细管的水平扇形钻入隧道正上方的地下，然后将管与可以分配液态水泥的管道安装在一起。在表面上，工人们将光学棱镜固定在周围的建筑物上，然后一种称为经纬仪的测量仪器在棱镜之间反射激光束，在隧道掘进时监测它们的精确位置。如果建筑物移动，激光束就会失去对齐，工人会立即将水泥泵入管扇中，以加固周围的地面。值得注意的是，在挖掘过程中没有建筑物损坏。 “这些大型隧道建在数以千计的建筑物之下，它们都受到保护，”梅尔说。建筑工程师还使用激光制导引导隧道掘进机通过网络中最狭窄的地方，即托特纳姆法院路站，那里两条地铁线已经在一堆管道、电缆和下水道中相交。在这里，巨型挖掘机设法穿过一个狭窄的缝隙，在一个平台隧道上方仅留下 85 厘米的间隙，在自动扶梯下方仅留下 35 厘米的间隙。在施工过程中，工程师们能够通过廉价的无线传感器和光纤电缆监测隧道、竖井和车站的状态。 Mair 和他在剑桥智能基础设施和建设中心 (CSIC) 的同事开发了实时监控技术，它帮助他们评估隧道的外部压力等因素。 Mair 的团队将廉价的光纤嵌入混凝土墙；光沿纤维的散射揭示了它们承受了多大的压力。 Mair 说，这种监测将有助于确定隧道是否比实际需要的更坚固。这些信息可以帮助降低未来的设计成本。与此同时，CSIC 的附属公司 UtterBerry 一直在使用 Crossrail 测试低功耗无线传感器，这些传感器不仅可以监测应变，还可以监测温度、湿度和建筑工作的许多其他方面。无线传感器已在建筑中使用了 20 多年，但它们通常很重，重达 1 公斤或更多，电池寿命以数周为单位。一个 UtterBerry 仅重 15 克，一次充电可以使用一年多。原则上，一名工程师可以一次携带数百个，并在一天内将它们安装在隧道中。 Heba Bevan，博士CSIC 的学生，将小型传感器设计为课堂项目。她说，与传统传感器不同，UtterBerries 仅在需要时收集读数，并使用 ARM Cortex 处理器处理原始数据。例如，通过跟踪温度和湿度的变化，传感器可以计算出天气可能如何导致混凝土板膨胀或收缩；任何超出此类预期季节性变化的扩张或收缩都需要进一步调查。如果一个 UtterBerry 检测到异常振动或其他异常情况，它可以告诉该地区的其他单位提高采样率，以提高所收集数据的整体质量。 UtterBerry 的第一个 Crossrail 项目是在 2012 年底，Bevan 于次年创立了该公司。她的五名全职员工刚刚赢得了一份合同，为另一项英国重大建设项目提供为期一年的传感器监控。 “通常，小公司很难进入建设领域，”贝文说。 “但 Crossrail 确实鼓励了这一点。”未来，她相信像这样的传感器不会作为事后添加，而是设计到桥梁、建筑物或隧道本身中，以提供从施工到拆除的终身监控。

在金丝雀码头的平台上，我可以听到从隧道更深处传来的敲击和钻孔的无情噪音。稍后，移动龙门架将在枕木顶部铺设导轨，然后是 465 米长的“混凝土浇筑”列车，将负载倾倒在枕木上以将所有东西固定到位。然后另一列火车将安装高压电缆，为隧道内外提供电力。列车本身将从 25 千瓦的架空线路中获取电力，以便它们可以在 Crossrail 和地上列车系统之间无缝行驶。金丝雀码头的自动扶梯从平台向上扫过，虽然看起来相当传统，但实际上并非如此。与一些地铁站中仍然存在的老年人、耗电机器频繁发生故障且可能需要数月才能重新安装不同，Crossrail 自动扶梯更多地依赖于现成的更换部件，这将加快维护速度。由于借鉴了航空工业的机加工和铸造技术，零件也轻得多。金丝雀码头于 2018 年底开放后，每天将有大约 85,000 人在这些自动扶梯上下流动。在利物浦街和法灵顿车站，甚至会有倾斜的玻璃幕墙电梯，紧邻地铁站，以 30 度角行驶。自动扶梯。 “爬上自动扶梯的孩子们可能会向妈妈挥手致意，妈妈在倾斜的电梯里，双胞胎坐在婴儿车里，”威廉姆斯说。他补充说，欧洲和美国有少数倾斜电梯正在运行（例如，在弗吉尼亚州亚历山大市的亨廷顿地铁站），但 Crossrail 正在将它们引入英国，并为这些电梯的使用方式制定英国标准装。他的团队还说服了 Tube 工程师采用这项技术。去年 10 月，格林福德站成为第一个拥有倾斜电梯的地铁站。 “几年前，普遍的态度是，'我的祖父没有那样做，'”威廉姆斯说。 “但现在他们正在支持这些作品。”回到威廉姆斯的办公室，我问在这个大型项目进入最后阶段时还有什么悬而未决。事实证明，相当多。尽管已经完成了大量的建设工作，Crossrail 的许多方面还没有达成一致的最终设计。这是因为建造大型地下结构所涉及的复杂性和不确定性意味着只有在相当清楚空间的外观之后才能开始详细的“装修”设计。在回答我的问题时，威廉姆斯朝一些高高的纸堆挥手。 “所有这些，”他笑着说。他拍了拍一堆，补充道，“这是伍尔维奇车站的[设计]。它才刚刚到货，所以我们还没有开始设计审查。”他希望剩余的设计审查能在7月底完成，以便这些车站的装修工作能够真正开始。 “我们真正完成的 Crossrail 的唯一部分是学院，”他补充道。

他指的是伊尔福德的隧道和地下施工学院，该学院于 2011 年开放，培训了 10,000 多人在 Crossrail 的隧道中工作。隧道和车站本身就是数百名年轻工程师的宝贵试验场。他们中的许多人可能会继续使用 Crossrail 2，这是一个南北向的双胞胎，（如果获得批准）将在 2020 年至 2030 年左右建成。威廉姆斯认为，从 Crossrail 吸取的经验教训可以使该项目运行得更加顺利。虽然还没有开通，但新的铁路系统已经赢得了一些关键人物的支持。去年竞选伦敦市长的著名交通记者克里斯蒂安·沃尔马 (Christian Wolmar) 既支持 Crossrail，又反对其他一些大型基础设施项目。他认为英国提议的从伦敦到伯明翰、曼彻斯特和利兹的高速铁路 HS2 是“错误地点的错误计划”。但问他关于 Crossrail 的事情，他的热情是无拘无束的。 “它改变了游戏规则，”Wolmar 说。 “影响将是巨大的。人们会蜂拥而至。”与此同时，Crossrail 的开通日期迫在眉睫，威廉姆斯和其他人继续在各个方面向前推进。他们希望，他们的努力将成为经久不衰的工程遗产。 “我们不仅仅是为 2019 年 12 月的 Crossrail 全面开通而建造这个，”威廉姆斯说。 “我们正在展望未来 120 年。”这篇文章作为“The Digital Underground”出现在 2016 年 4 月的印刷版中。