國內(nèi)外巖土工程勘察智能信息化現(xiàn)狀研究

羅財金LUO Cai-jin

（福建巖土工程勘察研究院有限公司，福州350108）

0 引言

信息化水平不斷進步，網(wǎng)絡通信、人工智能、現(xiàn)代測繪等技術(shù)都已運用到巖土工程勘察工作中。在信息智能化技術(shù)不斷推進下，從陳舊的紙筆模式逐步走向智能信息化模式。陳舊巖土工程勘察一般是把勘察所得來的芯樣，在現(xiàn)場時邊路人員就開始對各類巖石進行分析識別，之后通過手寫方式將巖土層名稱、層深等記錄在紙上，之后人工再將先前記錄在表上的資料錄入到計算機中生成各類圖表。在這一系列過程中，人工記錄與人工輸入階段容易產(chǎn)生遺漏或是錯記情況，并且還需耗費大量人力物力。芯樣性狀識別完全取決于工程師以往經(jīng)驗。對于人工方面需求越來越多，如何解決目前人工效率低就成為了炙手可熱問題，一直停留不前，會始終阻礙工程勘察行業(yè)的發(fā)展。所以如何利用信息化技術(shù)來提升巖土工程勘察效率，是當下需解決的問題。

1 國內(nèi)外巖土工程勘察智能信息化發(fā)展歷程

1.1 國外巖土工程勘察智能信息化發(fā)展歷程

1993 年，美國對外正式發(fā)布“國家信息基礎結(jié)構(gòu)”計劃，隨后，全球很多國家都加大投入，強化本國的信息設施建設，其中代表性的有：歐洲信息社會計劃、新加坡信息島計劃等，與此同時，建筑業(yè)也開始對信息技術(shù)應用給予高度重視，并對其進行了深入研究，使得相關(guān)項目的信息化水平有了顯著增長，其中典型代表包括：澳洲的建筑業(yè)信息技術(shù)戰(zhàn)略、美國的協(xié)同工作系統(tǒng)、英國的建筑網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)等。1996 年5 月，日本發(fā)布UI 與公共建設項目推進信息化決定，規(guī)定2004 年前所有重點建設項目工作均必須通過計算機技術(shù)完成。2010 年前，全部工程已實現(xiàn)全部使用計算機來完成，已完全實現(xiàn)信息化[1]。有部分國家建立了電子政務系統(tǒng)，建筑工程經(jīng)過設計審批、采購、招標等應用，大大減少了工程投入成本，提升工程質(zhì)量以及監(jiān)督效率。對于國外工程勘察技術(shù)可以分為以下四個階段：

第一階段：借助于WEB 平臺，實現(xiàn)工程勘察公司辦公自動化、管理信息化、并能提供招投標、質(zhì)量安監(jiān)、施工管理技術(shù)等方面的管理服務。

第二階段：通過網(wǎng)絡虛擬工作室，為項目人員溝通提供重要支持，借助于相應的項目協(xié)同系統(tǒng)，對不同工程建設專門的網(wǎng)站平臺，從而為項目建設、設計、施工、監(jiān)理等主體提供重要的溝通平臺，使得相關(guān)信息得到更為快速的交流，同時還能和現(xiàn)場施工情況進行同步。新千年前后，日、歐、美、韓等國家和地區(qū)的建筑企業(yè)正式跨入該階段，不過在此階段也有相應的局限性，具體表現(xiàn)在投資規(guī)模高，而且所涉及到的系統(tǒng)功能尚不豐富。

第三階段：此時開展的是一體化系統(tǒng)研究，相關(guān)的項目管理不僅具有自動化屬性，同時還實現(xiàn)了全集成。其中代表就是美國的FIAPP 系統(tǒng)，這是一種功能豐富的IT 模型，對系統(tǒng)與集成工作環(huán)境給予很好支持，能夠為整個建筑工程項目的全生命周期提供自動化與集成管理服務[2]。部分研究組織更是將量工程勘察與GIS 開發(fā)應用進行密切融合，使得后一種技術(shù)在工程地質(zhì)領域得到很好應用。通過GIS 模糊分類、虛擬場景、立體地形建模等技術(shù)，可以對工程勘察情況進行更為科學客觀的評價；在地質(zhì)災害預測、地層形成過程研究過程中，鉆孔信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)給予了很好支持。如今，全球已有頗為成熟的商業(yè)軟件，譬如Valan、DGI 等，在建筑、地質(zhì)等大型工程領域得到較為深入的應用。特別是在2002 年，BIM 系統(tǒng)問世，隨后，歐迪克、Bentley 等公司也紛紛發(fā)布自身開發(fā)的BIM 系統(tǒng)，這促使勘察、設計、項目建設等諸多環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一化深度管理[3]。

第四階段：智能信息化隨時代變遷快速發(fā)展起來。主要由于第四次工業(yè)革命以智能制造為主體之后，各個國家開始智能產(chǎn)業(yè)改革，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的情況下，傳統(tǒng)工業(yè)迎來了智能化改革，而它起到的關(guān)鍵作用就是連接，將顧客與加工廠、設備、產(chǎn)品、流水線等緊密聯(lián)系在一起，最終生成一個智能互聯(lián)系統(tǒng)。在各個過程中間，作業(yè)管理信息與工程勘查設施漸漸向一體化發(fā)面發(fā)展，從內(nèi)到外實現(xiàn)一體化智能化設施。

1.2 國內(nèi)巖土工程勘察智能信息化發(fā)展歷程

因我國國內(nèi)大約在上個世紀九十年代才開始巖土勘察信息化，起步較晚，大概可以分為三個階段。

1.2.1 數(shù)字化階段

對于CAD 軟件進行普及和推廣，工程勘察行業(yè)從之前的人工手繪圖紙發(fā)展成利用計算機技術(shù)進行繪圖。

1.2.2 網(wǎng)絡化階段

大約在2005 年到2015 年期間，計算機的飛速發(fā)展推動了建設信息化勘察設計企業(yè)，大致包含兩個方面，分別是信息系統(tǒng)建設與基礎設備建設?；诨A設施建設，各個企業(yè)漸漸開始出現(xiàn)職能管理系統(tǒng)。因為BIM 建筑繪圖軟件的出現(xiàn)，促進工程項目快速發(fā)展[4]。

1.2.3 智能化階段

2016 年到今天，國家將“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略作為以后發(fā)展重點，建筑業(yè)正在與信息技術(shù)相結(jié)合。要想使勘察行業(yè)快速發(fā)展，就必須遵循工程勘察信息化，與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合也是大勢所趨。

2 國內(nèi)外巖土工程勘察智能信息化研究現(xiàn)狀

當下我國國內(nèi)巖土工程勘察信息化主要是利用創(chuàng)新信息化技術(shù)來實現(xiàn)巖土勘察的信息數(shù)字化管理。伴隨著信息化水平的不斷提升，信息化、集成化的信息化數(shù)據(jù)處理特點漸漸突出，大大提升了企業(yè)生產(chǎn)管理時間效率。但是大部分企業(yè)還是堅守陳舊的管理原則，勘察行業(yè)要想進一步發(fā)展，就必須要與信息科技相結(jié)合，才可促進勘察行業(yè)快速發(fā)展[5]。

2.1 外業(yè)勘察工作智能信息化技術(shù)

對于外業(yè)勘察工作，主要在以下五個方面可以體現(xiàn)出來智能信息化技術(shù)快速發(fā)展。

2.1.1 智能數(shù)字圖像技術(shù)

用光學攝像頭對現(xiàn)場進行分析研究就叫作智能數(shù)字圖像技術(shù)。陳舊勘察信息化技術(shù)中最后典型的就是勘察鉆孔電視技術(shù)。通過電纜將攝像頭放置在水井內(nèi)，之后利用電信號轉(zhuǎn)換原理，之后在圖像中就可以看到攝像頭所收集到的資料。智能數(shù)字圖像技術(shù)中最為具有代表性的一項技術(shù)就是二維碼圖像識別技術(shù)，利用掃描二維碼搜索出之前所錄入資料與實驗樣品，當前有很多建筑工地已經(jīng)開始將此項技術(shù)運用到其中[6]。

2.1.2 智能鉆探設備及技術(shù)

將計算機信息系統(tǒng)、外業(yè)勘察鉆探裝置進行深度融合就成了智能鉆探設備，這種設備具有自動化、智能化等屬性，能夠支持數(shù)據(jù)的動態(tài)采集與處理。安百拓跨國公司所開發(fā)出來的智能露天鉆機，就具有典型的智能自動化特點，其型號為SmartROC D65。這款產(chǎn)品集成了自動定位、RHS 鉆桿處理等系統(tǒng)。通過該裝置，可以在鉆孔過程中能夠支持持續(xù)性作業(yè)，在具體定位方面，也有著較高的精準性，其成孔質(zhì)量、生產(chǎn)效率整體較高[4]。然而，這款裝置在自動取芯領域的技術(shù)水平還不是十分出色[7]。奧地利3GSM企業(yè)所開發(fā)的巖石三維成像系統(tǒng)，性能較為出色，其名稱為ShapeMetriX3D。具體可以借助于專門的相機以及3G系統(tǒng)，對所需數(shù)據(jù)進行動態(tài)采集，在隧道掘進、采礦等諸多領域有著頗為廣泛運用。我國鐵道重工也開發(fā)出了具有國際領先的地質(zhì)勘察設備，其超前鉆探與取芯能夠達到公里級別，而且還呈現(xiàn)出智能、自動、一體化屬性。

2.1.3 智能原位測試技術(shù)

將信息數(shù)據(jù)采集技術(shù)、外業(yè)勘察原位測試裝置進行融合，就能將其稱作智能原位測試技術(shù)。通過這項技術(shù)的運用，能夠在測試方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集與處理，并具有典型的智能性。

2.1.4 智能勘測技術(shù)

通過計算機、AI、現(xiàn)代測繪、無人機等技術(shù)完成測繪，就是典型的智慧勘測技術(shù)。在這種技術(shù)中，主要代表為：RTK 技術(shù)，也就是所謂的載波相位動態(tài)實時差分技術(shù)，它可以將測量技術(shù)進行信息化轉(zhuǎn)變，在巖土勘察領域，可以進行定位、定線，對斷面進行測量放樣時，其定位精度更是能夠達到厘米級，相較于傳統(tǒng)設備，如水準儀、全站儀等，在測量速度上更具有優(yōu)勢[8]。當前，我國已有較多的公司成功開發(fā)出相應的數(shù)據(jù)處理、接口系統(tǒng)，能夠和測量數(shù)據(jù)庫進行直接對接，并能導入至CAD 系統(tǒng)，獲得成果圖。此外，還有立體激光放樣機器人，這種技術(shù)就是借助于立體激光來對現(xiàn)場情況進行掃描，獲得三維空間，從而使得放樣效率得到明顯提升。目前中建、北京建工等集團公司已經(jīng)對這種技術(shù)進行了實踐應用。超站儀技術(shù)，其技術(shù)基礎為全站儀，不過具有良好的智能性，它可以支持安卓系統(tǒng)，集成了云平臺、測圖軟件、光電機等，屬于先進的一體化電子測速儀，可以對豎直、水平角、高差等進行精準化測量[5]。借助于移動網(wǎng)絡，可以支持數(shù)據(jù)的實時互通，并能對外業(yè)信息更快的進行內(nèi)業(yè)處理，并能支持即時性入庫。智能航測技術(shù)：利用無人機低空拍攝來獲得相關(guān)影像數(shù)據(jù)，之后形成三維模型，實現(xiàn)快速得到地理信息，大大減少了野外測量繪制工作量。中科遙感與中國大疆等都是較為知名的無人機公司。智能測量計數(shù)技術(shù)：利用視覺識別技術(shù)對于鋼筋數(shù)量進行甄別，對于密集小物體是最快的一種辦法，還可以將這樣技術(shù)運用在這能工地中，進行少人化管理[9]。而這個方法已經(jīng)在運用在實際中，在華南理工校區(qū)工地就已被實踐。

2.1.5 智能視頻監(jiān)控采集技術(shù)

美國是最開始研究視頻智能監(jiān)控技術(shù)，來源于一個美國VSAM 項目。中國對于此項研究起步比較晚。中科院發(fā)明出的智能監(jiān)控技術(shù)，已經(jīng)廣泛應用于交通范疇，和較多技術(shù)結(jié)合在一起形成的綜合技術(shù)工程。在國內(nèi)有部分研究者對于工程勘察現(xiàn)場進行相應分析，結(jié)合現(xiàn)場特點，研究出一項視頻智能采集技術(shù)。

2.2 巖土工程地質(zhì)數(shù)字建模

一般收集到的偵查鉆孔資料不是特別規(guī)整，較為零散，為了便于后期對數(shù)據(jù)進行處理分析，一些勘察企業(yè)把獲取到的鉆孔材料利用計算機仿真模型建模方法進行三維建模。

2.2.1 地質(zhì)建模

當前建模方法主要有不規(guī)則格網(wǎng)法與表面模型法。前者是以區(qū)域為對象，將其中數(shù)個點細分成相連三角面網(wǎng)格，相關(guān)點將處于三角面的內(nèi)部、邊上、頂點，并對其中點進行插值處理，為此，TIN 為分段線性模型；后者則是數(shù)字表面模型法，具體借助于測點幾何與屬性特征數(shù)據(jù)，借助于數(shù)據(jù)解釋結(jié)構(gòu)，來對地質(zhì)體界面進行重構(gòu)，進而打造相應的網(wǎng)狀曲面片。

2.2.2 三維手段

近年來，三維沿途信息技術(shù)越來越被人們所關(guān)注。當前對于數(shù)據(jù)的二維研究與管理已經(jīng)逐漸趨于成熟階段，開始漸漸將關(guān)注重點轉(zhuǎn)移到三維工程、數(shù)字研究等方面[10]。

2.2.3 三維商業(yè)APP

國內(nèi)國外已經(jīng)開始出現(xiàn)多種專業(yè)相結(jié)合的三維地質(zhì)建模APP，其中有重要影響力的有理正地質(zhì) GIS、GeoMo3D、GOCAD 等。

3 巖土工程勘察智能化系統(tǒng)今后的研究重點

3.1 巖土工程勘察智能化技術(shù)難點問題

陳舊工程勘察工作模式有很多難點，如果繼續(xù)采取陳舊工作方法，不能根本解決問題，大致總結(jié)為六個方面：

①因為較多數(shù)據(jù)很容易受到人為因素干擾，導致數(shù)據(jù)不準確。如果專門讓一個工程師來進行監(jiān)管，人工成本較高，所以就需要一個可以隨時偵查的無人智能監(jiān)控系統(tǒng)。

②記錄勘察數(shù)據(jù)時會發(fā)生重復記錄錯誤問題：陳舊錄入勘察數(shù)據(jù)方法非常容易記錄錯誤，出現(xiàn)多記、錯記現(xiàn)象。應該將這些勘察書記一次性錄入到電腦中，利用信息化錄入技術(shù)，節(jié)省時間效率，降低人工成本。

③勘察內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)傳輸流程較多：一部分勘察軟件和設備的內(nèi)外也比較特殊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化有一系列流程，相當復雜，所以在此之前，應提前確定好數(shù)據(jù)格式，貫徹一體信息化技術(shù)。

④勘查進程內(nèi)無法進行分節(jié)點審查：在之前勘察工程師沒有審查重點，之后要形成系統(tǒng)信息化，創(chuàng)造便捷的審查功能，為后續(xù)把控工程進度提供便利[11]。

⑤勘察項目分析數(shù)據(jù)困難：在勘察工程師會干涉到較多數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)來分析地質(zhì)條件，還需要將此些數(shù)據(jù)與他人共享，應積極引入人工智能來提升準確率。

⑥勘察項目總結(jié)工作較為繁瑣：因為工程項目涉及到的數(shù)據(jù)較多，需要對這些數(shù)據(jù)進行簡化在進行分析。總而言之，陳舊勘察項目內(nèi)外業(yè)中有著格式各樣的問題，而使勘察項目與智能信息化技術(shù)相結(jié)合則可解決此問題[12]。

3.2 巖土工程勘察智能化新技術(shù)和發(fā)展方向

3.2.1 互聯(lián)網(wǎng)+虛擬現(xiàn)實技術(shù)

因為巖土工程勘察環(huán)境很容易受到各種因素的干擾，利用提高現(xiàn)實技術(shù)可以提高內(nèi)外業(yè)技術(shù)感知能力。如今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)呈快速發(fā)展狀態(tài)，為巖土工程勘察信息化快速發(fā)展提供了一個很好的平臺。當前虛擬現(xiàn)實技術(shù)還未走向成熟階段，沒有廣泛應用于日常生活中，很多工程項目都是作為實驗技術(shù)。人工智能在工程勘察時突然需要人工來幫助判斷，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于減少空間距離提供了很大幫助[13]。

3.2.2 人工智能+視覺識別技術(shù)

可以利用分析巖石特征建造數(shù)學模型，促使識別過程自動化、智能化。視覺識別技術(shù)相較于人工識別相比仍有較大差距，無法做到精準識別，原因在于現(xiàn)場實際巖石圖片和標準巖石差距很大，很容易干擾視覺識別技術(shù)精準度[14]。數(shù)據(jù)識別技術(shù)具有小樣本性，一部分巖土勘察芯樣需要識別很多相關(guān)資料，具備多標簽語特點。另外需對現(xiàn)場進行快速分析，計算精準度要求也很高，所以需要對視覺識別進步更深層次進行探究，不斷完善。

4 結(jié)語

我國各個巖土工程建設中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)就是巖土工程地質(zhì)勘察。將巖土工程勘察智能化與信息化進行到底。較為復雜的現(xiàn)場施工環(huán)境，促使勘察巖土工程辨別芯樣性狀更加復雜，信息化智能化是非常具有挑戰(zhàn)性的一項課題[15]。精確辨別巖土性狀與辨別地層緊密相關(guān)。互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，加速了信息傳播與工程勘察項目技術(shù)扁平化，數(shù)據(jù)共享范圍越來越大。巖土工程勘察想要達到信息化，需要共享并廣泛使用，進而走向智能化道路。