城市軌道交通勘察信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 典，郭清鋒，袁 柱

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510010）

0 引言

城市軌道交通勘察場(chǎng)地主要為城區(qū)線狀走廊帶，具有作業(yè)線路長(zhǎng)、周邊環(huán)境復(fù)雜、勘察手段多樣、外業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、原始數(shù)據(jù)體量大、安全質(zhì)量監(jiān)管難等特點(diǎn)，因此，城市軌道交通勘察具有很高的技術(shù)復(fù)雜性、環(huán)境敏感性和質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)性。

當(dāng)前GIS、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術(shù)快速發(fā)展，但勘察行業(yè)的信息化程度仍較低，大多數(shù)勘察企業(yè)信息化建設(shè)尚處于起步階段［1］。多數(shù)勘察項(xiàng)目仍采用野外手工輸入數(shù)據(jù)、旁站式管理、線下巡查、交付紙質(zhì)表單、手動(dòng)或半自動(dòng)處理數(shù)據(jù)等方式，人為因素影響大導(dǎo)致數(shù)據(jù)可信度有時(shí)難以保證。并且，勘察人力消耗大、效率低、資料傳遞慢、過(guò)程難追溯，不利于質(zhì)量、安全及成本控制。

根據(jù)國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2021 年頒布的勘察相關(guān)法規(guī)［2］，鉆探、取樣、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等主要過(guò)程的影像資料應(yīng)當(dāng)留存?zhèn)洳?；?guó)家有關(guān)部門(mén)鼓勵(lì)工程勘察企業(yè)采用信息化手段，實(shí)時(shí)采集、記錄、存儲(chǔ)工程勘察數(shù)據(jù)，鼓勵(lì)工程勘察企業(yè)推進(jìn)傳統(tǒng)載體檔案數(shù)字化，電子檔案與傳統(tǒng)載體檔案具有同等效力。由此可見(jiàn)，勘察信息化包括作業(yè)手段信息化、數(shù)據(jù)檔案電子化等內(nèi)容，推行勘察信息化既是勘察企業(yè)保證勘察質(zhì)量、提升勘察管理水平的必由之路，也是勘察行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 研究背景

1.1 城市軌道交通勘察亟需解決的問(wèn)題

1.1.1 勘察技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難落實(shí)、難統(tǒng)一

城市軌道交通工程線路長(zhǎng)、工點(diǎn)多，勘察一般由多家單位聯(lián)合完成，全線各工點(diǎn)勘探測(cè)試過(guò)程及成果標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)予以統(tǒng)一，一般由勘察設(shè)計(jì)總體單位編制和明確全線的勘察技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際工作中，由于涉及單位和人員多，勘探點(diǎn)分散，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不同單位和人員完成的勘察工作難匯總、難比對(duì)校驗(yàn)，常常導(dǎo)致巖土定名與分層偏差、測(cè)試與取樣偏離技術(shù)要求等問(wèn)題，為進(jìn)一步勘察資料整理、質(zhì)量控制帶來(lái)諸多不利。

1.1.2 城區(qū)勘察安全文明施工監(jiān)管難度大

勘察安全文明施工是城市軌道交通勘察管理的突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，管理人員必須時(shí)刻提防現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的安全文明施工隱患，但是，由于城市軌道交通勘察線路長(zhǎng)，作業(yè)場(chǎng)地分散在街區(qū)、道路、公園、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等各類(lèi)不同環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管受制于人力相對(duì)不足、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的差異、人員在機(jī)臺(tái)間輾轉(zhuǎn)途中耗時(shí)較久、單個(gè)鉆孔作業(yè)持續(xù)時(shí)間短、勘察設(shè)備流動(dòng)性大等原因，勘察管理人員很難及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，即使了解作業(yè)情況后又常常不能迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)查看詳情和處理解決問(wèn)題。

1.1.3 傳統(tǒng)記錄方式效率低、易出錯(cuò)

目前勘察現(xiàn)場(chǎng)編錄和鉆探班組管理大多采用傳統(tǒng)的“紙+筆”紙面記錄方式，人員水平差異導(dǎo)致原始記錄質(zhì)量參差不齊，現(xiàn)場(chǎng)編錄對(duì)于稍復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象辨識(shí)是否正確、記錄是否翔實(shí)高度依賴(lài)于技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)與水平，人為因素影響顯著，很容易造成不同項(xiàng)目、不同階段、不同單位、不同項(xiàng)目組的野外編錄標(biāo)準(zhǔn)不一，影響原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。另外，紙面記錄的勘察數(shù)據(jù)從野外到室內(nèi)整理需要多級(jí)傳遞、多次轉(zhuǎn)錄，要投入大量人力且效率低，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和校正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

1.1.4 勘察數(shù)據(jù)管理低效、價(jià)值發(fā)揮受限

野外勘探、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)記錄、影像資料等既是勘察報(bào)告編制的基礎(chǔ)，也是需要留存?zhèn)洳榈臋n案資料。傳統(tǒng)勘察數(shù)據(jù)由于缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或采集的數(shù)據(jù)不規(guī)范，難以分析利用。由于傳統(tǒng)勘察不能實(shí)時(shí)或迅速傳遞、共享數(shù)據(jù)，難以及時(shí)檢查和校正原始數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)勘察的成果報(bào)告、勘探數(shù)據(jù)庫(kù)缺少共享平臺(tái)，造成勘察成果共享程度低，不僅難以檢索和查詢(xún)，而且不能使勘察數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)揮出分析、研究和利用價(jià)值。

1.2 勘察信息化現(xiàn)狀

近幾年，國(guó)內(nèi)勘察設(shè)計(jì)行業(yè)的勘察信息化技術(shù)取得了一系列理論成果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，呈現(xiàn)出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化、總量持續(xù)增加的態(tài)勢(shì)。郭麗麗等人［3-4］將GIS技術(shù)應(yīng)用于巖土工程勘察信息系統(tǒng)，唐超［5］研究了軌道交通工程勘察外業(yè)數(shù)據(jù)的快速入庫(kù)和信息化管理，蔡升華等人［6-9］研究了工程勘察內(nèi)外業(yè)一體化平臺(tái)，陳詩(shī)艾［10］研究了勘察外業(yè)數(shù)據(jù)采集信息化、外業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)管、巖土試驗(yàn)信息化的關(guān)鍵技術(shù)，金宗川等人［11］實(shí)踐和探索了工程勘察業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的多種應(yīng)用場(chǎng)景。

通過(guò)近幾年的探索和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)工程領(lǐng)域勘察企業(yè)信息化系統(tǒng)日趨完善，但針對(duì)城市軌道交通勘察特點(diǎn)，城市軌道交通工程信息化系統(tǒng)需滿足勘探、測(cè)試和試驗(yàn)全過(guò)程勘察數(shù)據(jù)高效采集與管理、全線多個(gè)工點(diǎn)勘察作業(yè)同步動(dòng)態(tài)管理、基于野外環(huán)境的施工作業(yè)視頻監(jiān)控、勘察各方協(xié)同辦公及數(shù)據(jù)共享管理等要求，目前城市軌道交通勘察信息化方面的研究工作仍然較少，仍不滿足當(dāng)前的生產(chǎn)和管理需要。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)軌道交通勘察亟需解決的問(wèn)題和軌道交通勘察信息化發(fā)展的需要，本單位研究和開(kāi)發(fā)了廣州城市軌道交通勘察信息化系統(tǒng)，系統(tǒng)組織架構(gòu)如圖1 所示。本系統(tǒng)通過(guò)勘察項(xiàng)目管理、勘察外業(yè)采集、土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、原位測(cè)試數(shù)據(jù)采集、勘察總體（含監(jiān)理）管理、房屋基礎(chǔ)調(diào)查等應(yīng)用模塊，構(gòu)建了基于“GIS+多角色用戶(hù)”的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)勘察項(xiàng)目管理支持、協(xié)同作業(yè)、數(shù)據(jù)與信息管理。

圖1 城市軌道交通勘察信息化系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of Urban Rail Transit Investigation Information System

2.1.1 項(xiàng)目管理支持

跟蹤勘察質(zhì)量、安全和進(jìn)度管理目標(biāo)，輔助編制勘察計(jì)劃，動(dòng)態(tài)分析并比較和預(yù)測(cè)勘察任務(wù)目標(biāo)偏離情況，為勘察管理決策提供支持；在GIS地圖上直觀顯示勘察項(xiàng)目信息和大量勘察數(shù)據(jù)，為勘察、設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、地鐵保護(hù)等單位提供管理支持。

2.1.2 協(xié)同作業(yè)

實(shí)現(xiàn)勘察、勘察總體（含監(jiān)理）、建設(shè)等單位間協(xié)同工作和勘察信息共享，實(shí)現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)和資料“不落地”及勘察全過(guò)程協(xié)同。

2.1.3 數(shù)據(jù)與信息管理

實(shí)現(xiàn)采集、存儲(chǔ)、傳遞、加工和進(jìn)一步整理勘探、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)初始數(shù)據(jù)，管理勘察內(nèi)、外業(yè)全過(guò)程記錄表單，作業(yè)表單、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、影像資料、成果報(bào)告實(shí)行數(shù)字化管理。

2.2 主要功能

勘察信息化系統(tǒng)包含勘察項(xiàng)目管理、勘察數(shù)據(jù)信息采集、勘察總體（含監(jiān)理）管理、勘察成果管理4個(gè)子系統(tǒng)，具體包括勘察任務(wù)分配、人員及設(shè)備管理、進(jìn)度與工作量統(tǒng)計(jì)、勘探大數(shù)據(jù)管理共14 個(gè)功能模塊，系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 子系統(tǒng)及功能模塊示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Subsystems and Functional Modules

3 工程應(yīng)用

廣州城市軌道交通勘察信息化系統(tǒng)于2020 年12月上線使用，先后已在粵港澳大灣區(qū)廣州東至花都天貴、芳村至白云機(jī)場(chǎng)等多條城際線路、以及8 號(hào)線東延線、8 號(hào)線北延等軌道交通線路中全面應(yīng)用，用戶(hù)包括了勘察、設(shè)計(jì)、勘察總體（含監(jiān)理）、建設(shè)單位等10 余家，應(yīng)用的軌道線路總長(zhǎng)超過(guò)260 km，已采集和處理勘探孔3.6 萬(wàn)個(gè)、勘探進(jìn)尺140余萬(wàn)延米。

上述線路勘察實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程信息化、全流程數(shù)據(jù)無(wú)紙化、流程審批在線化、視頻監(jiān)控全程化和實(shí)時(shí)化、各方辦公協(xié)同化、質(zhì)量和安全管理一體化，信息化系統(tǒng)研發(fā)的主要目標(biāo)均已實(shí)現(xiàn)。

3.1 勘察項(xiàng)目管理

勘察項(xiàng)目管理功能主要包括城市軌道交通線路、工點(diǎn)管理，勘察項(xiàng)目信息管理，鉆孔任務(wù)的創(chuàng)建與分配，勘察人員、鉆探設(shè)備管理，鉆探開(kāi)孔安全管理、勘察進(jìn)度與工作量統(tǒng)計(jì)分析、GIS地圖展示勘察項(xiàng)目信息、勘察成果資料管理等?？辈祉?xiàng)目管理、勘察進(jìn)度統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用分別如圖3、圖4所示。

圖3 勘察項(xiàng)目信息概覽Fig.3 An Overview of Investigation Project Information

圖4 勘察進(jìn)度統(tǒng)計(jì)分析Fig.4 Statistical Analysis of Investigation Progress

針對(duì)城市軌道交通勘察點(diǎn)多面廣、安全文明施工要求高等管理難題，本系統(tǒng)設(shè)立了勘察安全作業(yè)開(kāi)孔的標(biāo)準(zhǔn)流程，將逐孔交底、移位報(bào)批、挖探開(kāi)孔、注漿封孔、終孔驗(yàn)收等制度固化為10 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步驟，勘察現(xiàn)場(chǎng)施工須按步驟將管線探測(cè)、挖探開(kāi)孔、施工圍蔽、封孔注漿等關(guān)鍵環(huán)節(jié)影像資料實(shí)時(shí)上傳、永久保存，并在重要節(jié)點(diǎn)由管理人員進(jìn)行審批確認(rèn)。借助信息化手段，強(qiáng)化了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全、文明施工的管控，減少了因鉆探損傷地下管線和地下建（構(gòu)）筑物事故。

利用GIS 技術(shù)在多源數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)表達(dá)方面的優(yōu)勢(shì)，將城市軌道交通線站位、勘察項(xiàng)目、鉆孔位置等信息在GIS 地圖上展示，實(shí)現(xiàn)在地圖上實(shí)時(shí)查看勘察項(xiàng)目分布、鉆孔分布和鉆孔作業(yè)狀態(tài)，查詢(xún)施工中及已完工的鉆孔柱狀圖，能夠任意指定鉆孔生成地質(zhì)剖面圖，為野外管理巡檢、質(zhì)量抽查、協(xié)同校驗(yàn)工作成果等提供了便利。

3.2 勘察數(shù)據(jù)信息采集

勘察質(zhì)量水平很大程度受制于勘察原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性?，F(xiàn)場(chǎng)勘察技術(shù)人員使用手機(jī)APP 實(shí)時(shí)上傳鉆探回次記錄、地層編錄、取樣、室內(nèi)試驗(yàn)、原位測(cè)試記錄等數(shù)據(jù)信息，并及時(shí)記錄鉆孔位置、作業(yè)時(shí)間、作業(yè)人員等信息，能實(shí)時(shí)生成鉆孔柱狀圖、測(cè)試曲線圖，確保了勘察數(shù)據(jù)采集與記錄內(nèi)容及時(shí)、真實(shí)、準(zhǔn)確、完整和可追溯。廣州城市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃調(diào)整線路及粵港澳大灣區(qū)城際線路均已全面應(yīng)用軌道交通勘察信息化系統(tǒng)，部分線路的鉆探、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)功能應(yīng)用分別如圖5、圖6所示。

圖5 勘探數(shù)據(jù)采集Fig.5 Acquisition of Exploration Data

圖6 原位測(cè)試及土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集Fig.6 Acquisition of In-situ Test and Geotechnical Test Data

3.3 勘察總體（含監(jiān)理）管理

借助勘察信息化系統(tǒng)，勘察單位可發(fā)起提交開(kāi)工報(bào)告、勘察大綱報(bào)審、鉆孔準(zhǔn)備檢查、鉆孔移位報(bào)審、工作周報(bào)或月報(bào)等流程，勘察總體（含監(jiān)理）單位可發(fā)起旁站記錄、勘察檢查記錄、整改通知等流程。各勘察參建單位在線上完成各項(xiàng)報(bào)審和審批流程，提高工作協(xié)作效率，確保各環(huán)節(jié)工作的規(guī)范性、及時(shí)性。

借助視頻攝像頭、物聯(lián)網(wǎng)卡和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆探開(kāi)孔至終孔驗(yàn)收作業(yè)全過(guò)程視頻監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)視頻可借助移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳回至本地服務(wù)器保存。在視頻畫(huà)面中內(nèi)嵌工程名稱(chēng)、鉆孔編號(hào)、司鉆員、描述員等信息，并與鉆孔編號(hào)建立映射關(guān)系，當(dāng)前作業(yè)場(chǎng)景可實(shí)時(shí)查看，作業(yè)全過(guò)程的視頻可隨意回放，實(shí)現(xiàn)了野外作業(yè)過(guò)程可追溯。視頻監(jiān)控在勘察野外的應(yīng)用，方便管理人員遠(yuǎn)程了解勘察作業(yè)情況，節(jié)省了人力資源，實(shí)現(xiàn)了勘察現(xiàn)場(chǎng)全方位全過(guò)程監(jiān)控，消除了監(jiān)管盲區(qū)，監(jiān)督和約束作業(yè)人員行為，威懾了弄虛作假和違規(guī)作業(yè)，在質(zhì)量、安全、工期和經(jīng)濟(jì)性多方面產(chǎn)生了效益。

3.4 勘察成果管理

軌道交通線路建設(shè)產(chǎn)生大量的勘探孔數(shù)據(jù)和勘察報(bào)告，長(zhǎng)期以來(lái)這些數(shù)據(jù)和成果碎片化存儲(chǔ)于不同單位的不同電子文件夾中，數(shù)據(jù)與成果訪問(wèn)、獲取困難，數(shù)據(jù)共享交互度低，大量勘探數(shù)據(jù)不能重復(fù)利用分析、不能繼續(xù)發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值。軌道交通勘察信息化系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)、云計(jì)算和GIS 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于地圖的勘探孔數(shù)據(jù)和勘察報(bào)告鏈塊式存儲(chǔ)、快速查詢(xún)、便捷共享，并通過(guò)定制開(kāi)發(fā)進(jìn)一步分析和發(fā)掘勘探數(shù)據(jù)的價(jià)值。

本勘察信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了開(kāi)放式接口，可接入主流格式的勘探孔數(shù)據(jù)。截至2023 年1 月，廣州軌道交通運(yùn)營(yíng)線路621 km，在建線路527 km，除早期建成的少數(shù)線路外，其余線路共計(jì)約14萬(wàn)個(gè)勘探孔數(shù)據(jù)均已納入軌道交通勘察信息化系統(tǒng)管理，可在系統(tǒng)地圖上在線顯示與檢索勘探孔和項(xiàng)目成果信息，可選取多個(gè)勘探孔聯(lián)合成圖分析，為線網(wǎng)范圍的項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃、施工與運(yùn)維分析、巖土研究等提供大量可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持?？辈斐晒芾淼墓δ軕?yīng)用（以勘探孔為例）如圖7所示。

圖7 勘察成果（勘探孔）管理Fig.7 Management of Investigation Results（Boreholes）

4 結(jié)語(yǔ)

勘察信息化系統(tǒng)為城市軌道交通勘察技術(shù)和管理人員提供了易于獲取、高效可靠的信息化服務(wù)，使長(zhǎng)大線路工程統(tǒng)一勘察技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、保障勘察作業(yè)安全、確?？辈熨|(zhì)量和勘察真實(shí)性、高效管理和利用勘察成果不再困難。借助勘察信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了勘察施工遠(yuǎn)程管理、信息表單無(wú)紙化記錄、數(shù)據(jù)資料線上傳輸、多角色用戶(hù)云端協(xié)同辦公，革新了勘察作業(yè)和管理方式，改善了工作條件?？辈煨畔⒒到y(tǒng)應(yīng)用帶來(lái)的勘察質(zhì)量、安全、效率、經(jīng)濟(jì)性提升是全方位的。

未來(lái)，勘察信息化系統(tǒng)還應(yīng)結(jié)合城市軌道交通工程新的需求繼續(xù)迭代、優(yōu)化和完善，并在勘探測(cè)試數(shù)據(jù)融合、智能化判別、成果三維可視化、大數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘、接入城市信息模型平臺(tái)等方面深入探索，不斷提高勘察信息化系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。