新基建背景下的智能勘察設計發(fā)展研究

任軍輝，張衛(wèi)龍，2，武瑞宏，任曉春，2，石 碩，鄧 川

（1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043；2. 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西西安 710043）

1 引言

新基建這個概念于2018年12月在中央經(jīng)濟工作會議上被首次提出，隨后納入政府工作報告中，并作為國家“十四五”規(guī)劃和 2035 年遠景目標綱要[1]。新基建是貫徹智慧經(jīng)濟時代新發(fā)展理念，促進吸收新科技革命成果，實現(xiàn)國家生態(tài)化、數(shù)字化、智能化、高速化、新舊動能轉換與經(jīng)濟結構對稱態(tài)，建立現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的國家基礎設施建設。其以經(jīng)濟發(fā)展為主導、科技革新為核心、信息智能化交互為媒介，以新發(fā)展為理念，以技術創(chuàng)新為驅動，以信息網(wǎng)絡為基礎，是面向高質量發(fā)展的需要；是提供數(shù)字轉型、智能升級、融合創(chuàng)新等服務的基礎設施體系[2]。新基建不僅具有基建投資屬性，也是供給側結構性改革的重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)綠色經(jīng)濟、雙碳經(jīng)濟戰(zhàn)略的重要途徑與基礎設施保障，同時為傳統(tǒng)陸路交通等基建行業(yè)帶來新的機遇與挑戰(zhàn)。新基建與交通強國戰(zhàn)略相輔相成，同為“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃的延續(xù)，是支撐國內經(jīng)濟大循環(huán)、國際經(jīng)濟交流循環(huán)的“雙循環(huán)”發(fā)展理論基礎[3]，是后疫情時代拉動世界最大最全工業(yè)產(chǎn)業(yè)門類發(fā)展的催動劑，可與新工藝技術共同降低產(chǎn)品的物流成本與生產(chǎn)成本，拉動國內經(jīng)濟內循環(huán)，消減區(qū)域產(chǎn)業(yè)不均衡與經(jīng)濟發(fā)展不均衡帶來的限制作用，大力綜合發(fā)展各地產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，提升我國產(chǎn)品技術在國際上的競爭優(yōu)勢。

勘察設計是基建工程建設的先遣，其成果及技術服務覆蓋整個項目工程全生命周期，為其建立工程時空基準、技術規(guī)范、綜合形態(tài)標準等，支撐項目數(shù)字孿生平臺與協(xié)同平臺構建，并時刻引進吸收交叉學科新技術，同時最先面臨新型產(chǎn)業(yè)的沖擊，具有技術革新特性強與技術迭代時效性短的特性。因此必然在新基建時代背景下，主導并參與智能化技術的推廣應用，牽引整個基建行業(yè)在交通強國戰(zhàn)略經(jīng)濟與市場需求刺激下，完成行業(yè)供給側結構性改革，帶領一大批深耕創(chuàng)新領域的企業(yè)進入新時代，實現(xiàn)從勞動密集型到以人工智能（AI）輔助的智能化知識產(chǎn)權事務型企業(yè)的轉變，壓縮內外業(yè)人工干預空間，降低人工成本輸出，保持在未來工業(yè)4.0產(chǎn)業(yè)鏈中長期占據(jù)領導地位與競爭優(yōu)勢。智能勘察設計的目的是融合新基建、新技術成果，迭代推進新基建建設，可見勘察設計智能化發(fā)展與交通強國戰(zhàn)略、新基建密切相關。

智能化勘察設計體系的發(fā)展形態(tài)與發(fā)展方向，需與新型技術緊密結合，面向國內經(jīng)濟發(fā)展與國民亟需的需求。針對不同用戶群體，通過從不同體系層次闡述智能化勘察設計體系建設需構建的體系架構，剖析不同架構節(jié)點自身與節(jié)點間的功能與銜接關系，闡明現(xiàn)階段智能勘察設計需攻克的技術難題與業(yè)務增長點。智能化勘察設計圖如圖1所示，展示出勘察設計智能化體系構造。

2 數(shù)據(jù)感知

數(shù)據(jù)感知是工程基建實施的基礎與數(shù)據(jù)獲取的接口，傳統(tǒng)勘察設計數(shù)據(jù)感知模式解決數(shù)據(jù)有無的問題，數(shù)據(jù)感知方式單一、平臺協(xié)同度低，無法及時評估數(shù)據(jù)的質量。高效獲取完整有效數(shù)據(jù)，智能化數(shù)據(jù)感知體系則追求數(shù)據(jù)的有效性、完整性、高效性、適用性協(xié)同采集模式，把數(shù)據(jù)預處理技術、時空對齊同步技術、質量檢查、數(shù)據(jù)缺失檢測、環(huán)境自適應技術、智能數(shù)據(jù)感知技術等從事后處理階段下沉至外業(yè)裝備采集階段。并集成多源傳感器，實現(xiàn)設備之間的協(xié)同耦合，增加采集設備智能化的同時，降低人工成本與時間成本，為后續(xù)處理提供更為標準化、抽象化、友好型的數(shù)據(jù)接口，方便實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)直接協(xié)同解譯。智能化的數(shù)據(jù)感知能力是智能化工程的重要標志之一，也是智能化勘察設計首要解決技術問題與科學問題之一。智能勘察設計活動成果覆蓋工程全生命周期，涉及多個專業(yè)領域，整合了多個行業(yè)作業(yè)成果，成果形式不盡相同，數(shù)據(jù)體量與模式迥異，必然針對不同感興趣信息與需求采用適應的采集方式與數(shù)據(jù)模態(tài)，其采集平臺涵蓋航天、航空、地面、地下、水下等多層次多方位泛化數(shù)據(jù)；另外隨著新型感知手段的推廣、高性能工業(yè)智造的加持、新一代信息技術的變革，出現(xiàn)多樣化的數(shù)據(jù)標準、便攜性的采集手段與數(shù)據(jù)感知方式，導致智能勘察設計感知數(shù)據(jù)模態(tài)迥異、形式復雜。一般智能化勘察設計涉及的感知數(shù)據(jù)可分為地理空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)感知示意圖如圖2所示。

3 知識數(shù)據(jù)管理

現(xiàn)階段勘察設計知識數(shù)據(jù)管理停留在數(shù)據(jù)的信息化階段，勘察設計數(shù)據(jù)信息化面臨以下難點。

（1）數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象突出，現(xiàn)場大量一手資料以紙質為主，以照片與視頻等其他信息化手段為輔助，數(shù)據(jù)數(shù)字化不完全，數(shù)據(jù)數(shù)字化標準雜亂[4]。一方面由于行業(yè)標準更新滯后于技術的發(fā)展，需要存檔原始紙質資料數(shù)據(jù)；另外新技術的穩(wěn)定性、可靠性與工程現(xiàn)實狀況需求有差距，無法適應工程實際復雜多變的環(huán)境，技術推廣動力與需求不適配；再者缺少便攜交互式友好的終端采集設備，以方便長期從事行業(yè)工程勘察設計人員操作。

（2）各勘察設計部門使用平臺參差不齊，專業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化標準與智能化數(shù)據(jù)交互接口有差距，上下游產(chǎn)業(yè)關注的數(shù)據(jù)要點不同，存在專業(yè)知識壁壘，無縫數(shù)據(jù)共享能力與未來行業(yè)需求不匹配。

（3）數(shù)據(jù)共享安全性要求與措施實現(xiàn)困難，大型基建工程或國家重點基建工程需要嚴格保障數(shù)據(jù)安全、設施安全，數(shù)據(jù)的可靠性共享傳輸、安全驗證技術有待提高，需發(fā)展以區(qū)塊鏈技術、量子加密技術為核心的自主數(shù)據(jù)傳輸手段。

（4）勘察設計數(shù)據(jù)工程針對性強，參考價值與數(shù)據(jù)挖掘能力差，缺乏統(tǒng)籌管理、信息分析的能力，需歸集工程數(shù)據(jù)，以便建設企業(yè)知識數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)創(chuàng)收。

智能化勘察設計處理的對象為通過各種采集手段獲取的多源異構多時相數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、設計生成數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等知識數(shù)據(jù)集。進入大數(shù)據(jù)時代之后，其數(shù)據(jù)復雜度、數(shù)據(jù)規(guī)模、數(shù)據(jù)使用效率出現(xiàn)了明顯差異[5]，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)海量化、多元化、多行業(yè)關聯(lián)性發(fā)展，內在有效信息種類豐富與重要性日益凸顯，不能簡單通過傳統(tǒng)主流專業(yè)軟件加工處理。高效的時空大數(shù)據(jù)關聯(lián)與管理、信息挖掘、信息提取等技術為更智能服務提供可能性，但海量的異源數(shù)據(jù)面臨著組織、存儲、查詢、安全等管理的問題，需建立空間關聯(lián)、屬性關聯(lián)、業(yè)務事件關聯(lián)等混合關系關聯(lián)。構建不同業(yè)務主數(shù)據(jù)信息流交換接口，實時異構分布式存儲、計算、渲染、交互機制，支撐地理查詢、約束查詢、語義查詢、自然語言查詢等，最終實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的知識數(shù)據(jù)管理體系，知識數(shù)據(jù)管理如圖 3所示。

4 數(shù)據(jù)協(xié)同處理

充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，統(tǒng)籌挖掘勘察設計數(shù)據(jù)信息化穿透能力，協(xié)同處理工程全生命周期、全工序數(shù)據(jù)，是勘察設計領域智能化的必然基礎技術保障，是衡量體系智能化、信息化的重要指標之一，也是當前面臨的技術難點與業(yè)務痛點[6]。需要與之配套“微生態(tài)”數(shù)據(jù)協(xié)同處理與數(shù)據(jù)標準，借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術手段，為智能勘察設計提供良好的技術變革支撐，以適應更復雜艱險環(huán)境，實現(xiàn)智慧知識庫建設與智慧數(shù)據(jù)服務體系，為其構造了豐富、清晰的行業(yè)未來期望[7]。

在勘察數(shù)據(jù)交付方面，隨著三維重建技術的發(fā)展，對實景三維的質量要求從幾何精度擴展到結構精度，期望室內外一體精細孿生數(shù)字產(chǎn)品，追求精細化、結構化綜合三維實體地理要素成果交付，方便銜接規(guī)劃設計平臺直接素材取樣與結構要素提取，解決傳統(tǒng)水密表層建模方式只能生產(chǎn)數(shù)據(jù)背景的窘境。但浪費了大量潛在的信息，中間成果也不能直接滿足后續(xù)規(guī)劃設計、精細設計的要求，需要進一步拓寬勘察與設計行業(yè)的數(shù)據(jù)流帶寬，延伸基礎數(shù)據(jù)應用深度與廣度。

在信息化設計方面，出現(xiàn)以建筑信息模型聯(lián)合擴展技術（BIM+）[8]為主導的協(xié)同設計技術，通過與其他新型信息技術耦合完成不同的任務，將業(yè)務功能、裝配流程、全生命周期以及元數(shù)據(jù)等集成，形成全數(shù)字化仿真，是數(shù)字孿生世界下實景的主要成模、分析手段。其具有數(shù)字化智能設計與業(yè)務智能化處理兩大特點，推動設計行業(yè)從模型重建復刻到正向設計發(fā)展、智能化設計發(fā)展[9-10]。

在數(shù)據(jù)綜合處理方面，多元數(shù)據(jù)融合、協(xié)同耦合增強數(shù)據(jù)質量工程需求強烈，需處理海量異構數(shù)據(jù)，提取增強感興趣信息，傳統(tǒng)的淺層學習無法解析異源異構數(shù)據(jù)，現(xiàn)行的深度學習方式隨著處理數(shù)據(jù)的復雜度增加，其處理精度依賴體量龐大的樣本數(shù)據(jù)，增加了樣本網(wǎng)絡泛化、推廣的成本與難度。必然需要以遷移學習為代表的新技術修正、完善人工智能處理技術體系，也是未來智能化勘察設計降低數(shù)據(jù)處理成本的必然途徑。

在數(shù)據(jù)協(xié)同交流方面，分布式與云技術的發(fā)展，為各終端角色協(xié)同處理大數(shù)據(jù)提供了技術實現(xiàn)手段，解決了單一平臺物理限制，實現(xiàn)無縫協(xié)作處理感知體驗。所有的業(yè)務終端基于瀏覽器和服務器架構模式（B/S），采用新一代網(wǎng)頁（web）開發(fā)技術構建客戶端與后臺端，無須受到硬件平臺類型的限制，根據(jù)業(yè)務類型的需求采用同步或異步方式最大限度利用現(xiàn)有資源與降低服務延時，海量三維數(shù)據(jù)渲染依賴新一代web顯示技術框架，打包集成像素流、渲染流等云渲染技術，利用第五代通信技術（5G）超帶寬與低延時技術解決傳輸失真與實時問題[11]，利用分布式圖形處理器（GPU）調度技術解決本地數(shù)據(jù)流解析與單一終端資源受限問題。

數(shù)據(jù)協(xié)同處理不僅需要協(xié)同各終端數(shù)據(jù)流交流處理，還需為用戶提供浸入式協(xié)同處理體驗，數(shù)字孿生技術解決了實景三維場景在時空序列空間的鏡像與業(yè)務處理能力，但其呈現(xiàn)方式還是以二維顯示器切片形式展示，海量的復雜高維度數(shù)據(jù)匯集爆炸式呈現(xiàn)，影響用戶便捷式操作。需發(fā)展浸入式體感交互操作接口，為未來智能產(chǎn)業(yè)數(shù)字化社區(qū)生態(tài)圈提供生物意識操作端口，迎接基于元宇宙的下一場信息革新，數(shù)據(jù)協(xié)同處理示意圖如圖4所示。元宇宙不僅是現(xiàn)實世界的擴容，不同于數(shù)字孿生僅是真實世界數(shù)字實體鏡像、數(shù)字世界的底層數(shù)據(jù)，是視覺浸入式的高級產(chǎn)物，作為平行世界的前序，在元宇宙中可以完成全數(shù)字化的社會產(chǎn)業(yè)運作，從某種層次看其已經(jīng)實例化至不同領域，且提供了不同行業(yè)兼容性接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的暢聯(lián)，工作任務之間的無縫協(xié)同運作[12]。當前協(xié)同數(shù)據(jù)處理發(fā)展的目標為最終形成智能化的勘察設計運營管理鏈、供應鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、生態(tài)鏈。

5 業(yè)務系統(tǒng)化

工程勘察設計智能化的目的主要在于通過數(shù)字化手段提升整體布局實施的高度，通過長期的工程經(jīng)驗與行業(yè)發(fā)展需求，構建高兼容性、專業(yè)性、信息化的業(yè)務模塊與自主技術體系。標準化主體業(yè)務流程與主體數(shù)據(jù)管理，以及產(chǎn)業(yè)化標準體系，形成圍繞數(shù)據(jù)核心資產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)平臺集群。智能化、自動化作業(yè)全工序，提供技術創(chuàng)新數(shù)據(jù)平臺基礎，提升數(shù)據(jù)感知能力，提高大數(shù)據(jù)獲取能力與協(xié)同處理能力，消除知識數(shù)據(jù)交流壁壘，降低作業(yè)成本，提高工作效率，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構。通過業(yè)務系統(tǒng)平臺集群[13]，一方面減少勘察、設計、施工、運維數(shù)據(jù)交流的障礙；加快工程全工序運轉，減少工序中的人為失誤，及時預警紕漏、數(shù)據(jù)沖突、數(shù)據(jù)粗差、數(shù)據(jù)缺失、設計缺陷、施工違規(guī)、運維失誤等，保障成果質量；為日益增長的新應用需求點提供模塊化解決方案，且無須底層技術重新設計，為未來多樣化業(yè)務需求建立堅實技術基石。另一方面是智能勘察設計技術標準化、數(shù)據(jù)標準化、業(yè)務標準化的實體表現(xiàn)，為從業(yè)者提供實時智能化業(yè)務操作指南，降低了行業(yè)技術業(yè)務培訓到生產(chǎn)作業(yè)的高投入的現(xiàn)狀。

6 應用解決方案

豐富勘察設計應用場景、增幅工程大數(shù)據(jù)資產(chǎn)是當前乃至未來長期堅持的發(fā)展路線，是智能勘察設計領域培育增長新動能的需要?？辈煸O計應用市場隨著經(jīng)濟發(fā)展，國民生活品質的追求，新型技術、發(fā)展理念不斷發(fā)展而變革，總體經(jīng)歷了高速經(jīng)濟發(fā)展時代、高質量經(jīng)濟發(fā)展階段、大數(shù)據(jù)信息時代3個階段，每個階段都伴隨著技術生產(chǎn)力與生產(chǎn)需求關系的特殊性。

在高速經(jīng)濟發(fā)展時代，勘察設計以高效提交成果為首要目的，其成果應用對象和場景比較單一，數(shù)據(jù)需求比較簡單，但其數(shù)據(jù)產(chǎn)品中差、錯、漏時有發(fā)生，周圍環(huán)境不夠協(xié)調，市場秩序不規(guī)范，體系建設不完整。在高質量經(jīng)濟發(fā)展階段，勘察設計數(shù)據(jù)追求以人為本、與自然調和的發(fā)展思路，在適用性、高質量的基礎上，更注重終端用戶體驗，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務理念與多樣化精細化業(yè)務需求存在巨大差異，無法滿足精品工程的需求。

直到大數(shù)據(jù)信息時代新型信息技術的崛起，新基建工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構雛形形成，驅動全產(chǎn)業(yè)行業(yè)進行供給側革新，依托新型信息技術為智能化體驗提供了實現(xiàn)途徑。在大數(shù)據(jù)信息時代，工程應用解決方案需求方向表現(xiàn)為如下幾個方面。

（1）與5G物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相結合； 智能化統(tǒng)籌綜合布局成果實體在全生命周期內施工與運營中的角色； 考慮其要素復雜，實體關系繁多，需求更加精細化，信息感知與處理實時化、智能化、高效化、泛在化。

（2）與區(qū)塊鏈、云計算等結合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸、數(shù)據(jù)信息加密、海量數(shù)據(jù)的高效計算與實時反饋，構建體系化平臺。

（3）智能化、多樣化應用解決方案，為下游產(chǎn)業(yè)提供更為高層次技術產(chǎn)品與分析平臺。壓縮高層應用多余資源與繁瑣工作投入，擴容行業(yè)市場范圍，推進國家重大工程高效建設，銜接國家重大戰(zhàn)略目標。

此類應用需求的增長與精細化需求，導致傳統(tǒng)施工、運維體系已經(jīng)不能獨立適應與承載，亟需勘察設計技術開拓者介入，提供集群式的應用平臺與定制化解決方案。要求勘察設計部門除了提供基礎數(shù)據(jù)和勘察設計服務，還需具有總體思路，布局總體規(guī)劃，深扎智慧基建建設，注重生態(tài)資源保護，為高層戰(zhàn)略應用提供數(shù)據(jù)分析、規(guī)劃決策、運維監(jiān)測等產(chǎn)品。推動勘察設計領域轉型數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務到技術與數(shù)據(jù)資產(chǎn)服務，制定自上而下的體系標準，掌握行業(yè)市場的主動權，多元化擴展創(chuàng)收點，推動智能化、綠色發(fā)展。

7 智能化信息化發(fā)展障礙

智能化、信息化改造是勘察設計行業(yè)未來發(fā)展方向，是當下保持產(chǎn)值效益的長期唯一有效的途徑，但現(xiàn)階段勘察設計領域存在以下主要障礙，阻礙產(chǎn)業(yè)智能化信息化升級。

（1）對信息化意識淡薄、認知不足，對新生技術探索深度不足，生產(chǎn)作業(yè)創(chuàng)新意識淡薄，推廣力度與決心不足，缺乏大局觀。

（2）信息化技術與能力儲備不足、技術短板突出，以人為本的高端人才體系布局缺失，科研能力與智能化需求差距明顯，需營造良好的創(chuàng)新平臺與環(huán)境。

（3）信息化周期長、效益滯后、投入成本高、工作考核比重低等問題，科研管理體系高度依賴項目作業(yè)經(jīng)驗，研發(fā)投入與期望落差明顯?？傮w表現(xiàn)在企業(yè)復雜的內外部運營環(huán)境與大力投入信息化升級的矛盾突出，需政策與運營環(huán)境雙重引導，實施“大集中、大統(tǒng)一”戰(zhàn)略，建立全局統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準、技術標準、協(xié)同標準、實施布設指南，總體統(tǒng)籌推動理念更新、動能變革、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展跨越，激發(fā)舊基建活力，尋求“最大公約數(shù)”為各企業(yè)單位賦能，實現(xiàn)供給側結構改革。

8 總結

經(jīng)濟數(shù)字化、智能化轉型是新工業(yè)革命塑造的必然趨勢，根據(jù)數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，未來是數(shù)字化經(jīng)濟模式，數(shù)據(jù)為關鍵的生產(chǎn)要素，圍繞數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)感知、協(xié)同處理、智能業(yè)務、創(chuàng)新應用解決方案將成為智能勘察設計企業(yè)的寶貴數(shù)據(jù)信息資產(chǎn)。其將改變傳統(tǒng)勘察設計成果重復利用低、共享困難、再造價值低的窘境，延續(xù)數(shù)據(jù)作用生命周期，挖掘數(shù)據(jù)價值。以數(shù)據(jù)生產(chǎn)要素孕育新的生產(chǎn)力與生產(chǎn)模式，必將在勘察設計領域引發(fā)新模式、開拓新業(yè)態(tài)、構建數(shù)字生態(tài)。持續(xù)加強、推動不同行業(yè)上下游業(yè)務協(xié)同，貫通數(shù)據(jù)流程，使得全工序向自動化、智能化運轉發(fā)展，形成知識數(shù)據(jù)驅動的智能要素探測能力、管理能力、處理能力、決策能力等。降低勞動密集型投入，降低成本，提升作業(yè)效率，使企業(yè)在挑戰(zhàn)與機遇并存的競爭環(huán)境下脫穎而出，最終智能化勘察設計為新舊基建實體提供低碳技術支撐與運營環(huán)境。