輸電線路數(shù)字化巖土工程勘察技術(shù)研究

關(guān)國杰，譚光杰

(中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

我國“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要提出“加快數(shù)字化發(fā)展 建設(shè)數(shù)字中國”。數(shù)字技術(shù)革命將推動人類社會進入全新的數(shù)字經(jīng)濟時代，傳統(tǒng)勘察設(shè)計行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展和轉(zhuǎn)型勢在必行。

本文基于特高壓電網(wǎng)的輸電線路巖土工程勘察工作的實際需求和發(fā)展趨勢，創(chuàng)新研發(fā)了一系列的數(shù)據(jù)處理、采集、存儲軟件，對整個勘察作業(yè)過程進行數(shù)字化改造，進而實現(xiàn)了巖土工程勘察的數(shù)字化生產(chǎn)。

1 數(shù)字化巖土工程勘察技術(shù)理念

1.1 基本概念

生產(chǎn)數(shù)字化巖土工程勘察數(shù)據(jù)的巖土工程勘察活動稱為數(shù)字化巖土工程勘察，其中數(shù)字化巖土工程勘察數(shù)據(jù)指具有巖土工程勘察特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化數(shù)據(jù)。

數(shù)字化巖土工程勘察技術(shù)的內(nèi)涵可以理解為將巖土工程勘察成果以電子介質(zhì)為載體、以離散化和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)模型等特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行記錄和傳遞；其核心內(nèi)容是基于巖土工程勘察專業(yè)工作特點和生產(chǎn)方式進行的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流程的定制化開發(fā)；其實現(xiàn)方式基于通用的軟件平臺和硬件模塊，面向的對象主要是巖土工程勘察專業(yè)人員，成品出資方式可以根據(jù)項目特點進行個性化定制。從外延來看，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展和移動設(shè)備輕型化，巖土工程勘察成果的數(shù)據(jù)載體和傳輸方式發(fā)生了變化，數(shù)據(jù)生產(chǎn)的過程也正在全面數(shù)字化，比如：勘察數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分享、處理、移交等多個環(huán)節(jié)正在朝著全過程數(shù)字化生產(chǎn)邁進。

1.2 與傳統(tǒng)巖土工程勘察的區(qū)別

與數(shù)字化巖土工程勘察相對應(yīng)，生產(chǎn)傳統(tǒng)紙質(zhì)或電子化勘察數(shù)據(jù)的巖土工程勘察活動可稱為傳統(tǒng)巖土工程勘察。對比分析來看，數(shù)字化巖土工程勘察或傳統(tǒng)巖土工程勘察的典型過程基本相同，分為活動策劃、執(zhí)行、資料整理與校審、巖土工程勘察成果提交等4個過程。過程雖然相同，但兩者存在以下5點不同。

1)信息流及其載體發(fā)生了本質(zhì)變化，傳統(tǒng)勘察為紙介質(zhì)信息，數(shù)字化巖土工程勘察為標(biāo)準(zhǔn)格式化數(shù)據(jù)，有利于數(shù)據(jù)平臺集成[1]。

2)信息共享與分享方式發(fā)生根本性變化，數(shù)字化數(shù)據(jù)可通互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時遠程分享，外業(yè)工程師和技術(shù)主管之間可以實現(xiàn)遠程實時協(xié)同工作，強化了巖土工程勘察過程管理，進而有效消除巖土工程勘察中大量不確定性問題，最大程度地避免“災(zāi)難性勘察成果”，提高勘察成果質(zhì)量，降低了質(zhì)量風(fēng)險[1]。

3)巖土工程勘察數(shù)據(jù)處理與勘察成果提交方式發(fā)生了變化。傳統(tǒng)巖土工程勘察很難針對同一勘察成果提供多格式版本，數(shù)字化巖土工程勘察可依據(jù)設(shè)計專業(yè)或業(yè)主需要快速提供不同數(shù)據(jù)格式表達的勘察成果，適應(yīng)性和顧客滿意度更高。

4)基于前述生產(chǎn)過程中的數(shù)字化過程文件和成果資料，能快速建立數(shù)據(jù)庫，為發(fā)展數(shù)據(jù)挖掘或人工智能等新興技術(shù)儲備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5)數(shù)字化巖土工程勘察在輸電線路勘察中進一步提高了生產(chǎn)效率。

2 工作流程和主要技術(shù)方法

根據(jù)輸電線路巖土工程勘察的工作特點和生產(chǎn)實際，西南電力設(shè)計院勘測工程分公司自主開發(fā)了基于AutoCAD的圖件矢量化插件、地平線巖土擴展程序(Geo-line)、野外巖土工程勘察移動數(shù)據(jù)采集軟件(以下簡稱“多采APP”)等軟件。Geo-line可以實現(xiàn)的主要功能包括：多源數(shù)據(jù)存儲與轉(zhuǎn)換、原始數(shù)據(jù)整理、定制模板輸出成品。多采APP主要功能為野外數(shù)據(jù)的采集、存儲、整理、分析和分享，主要信息包括輸電線路野外工程地質(zhì)調(diào)查和勘探數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)場照片，現(xiàn)場巖土工程簡要分析評價，現(xiàn)場設(shè)計條件等相關(guān)內(nèi)容，具體內(nèi)容主要包括地貌單元、地形坡度、地物植被、地層巖性、地下水、不良地質(zhì)作用、基礎(chǔ)形式建議、相關(guān)建議措施、桿塔根開和塔型、記錄時間、塔位現(xiàn)場照片等。

基于上述功能，中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司(以下簡稱“西南院”)巖土工程勘察團隊具備了實現(xiàn)從勘測大綱編制準(zhǔn)備、外業(yè)勘察、現(xiàn)場過程管理、資料整理、成果提交、工地代表服務(wù)(以下簡稱“工代服務(wù)”)等全過程數(shù)字化勘察的能力。

數(shù)字化勘察的工作流程和主要技術(shù)方法如圖1所示。

圖1 數(shù)字化勘察全過程工作流程和主要技術(shù)方法

從2018年起，隨著多采APP正式投用至今，西南院自主開發(fā)的全套數(shù)字化勘察技術(shù)已經(jīng)在白鶴灘—浙江±800 kV、駐馬店—武漢1 000 kV、雅中—江西±800 kV等特高壓線路工程以及川藏鐵路配套供電工程、白鶴灘電站左岸/右岸500 kV送出工程等多個超高壓線路工程中投入生產(chǎn)并成功應(yīng)用。

3 勘察準(zhǔn)備

數(shù)字化巖土工程勘察技術(shù)在勘察準(zhǔn)備階段的主要功能是實現(xiàn)掃描圖矢量化技術(shù)和多源數(shù)據(jù)集成。

3.1 掃描圖矢量化技術(shù)

巖土工程勘察須建立在區(qū)域地質(zhì)圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之上，因此掃描圖矢量化技術(shù)是數(shù)字化巖土工程勘察實現(xiàn)的前置技術(shù)。巖土工程勘察野外填圖完成的紙質(zhì)或掃描區(qū)域圖，不能直接用于數(shù)字化集成，需通過矢量化技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字化數(shù)據(jù)。西南院組建的專業(yè)團隊基于AutoCAD軟件自主開發(fā)了插件和Geo-line，能夠用于區(qū)域地質(zhì)圖矢量化，也可以通過地理信息系統(tǒng)軟件圖像配準(zhǔn)技術(shù)矢量化區(qū)域地質(zhì)圖等掃描圖件。

經(jīng)過幾十年的積累，已完成了大量全國及區(qū)域性基礎(chǔ)性的地質(zhì)圖件坐標(biāo)矢量化工作，并對近年來各工程收集到的礦權(quán)數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)完成了分類整理，建立了圖庫和相應(yīng)的圖庫索引，基于Geo-line建立了基礎(chǔ)地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫。在勘察大綱的準(zhǔn)備階段，通過查詢數(shù)據(jù)庫中的已知地質(zhì)信息，可以預(yù)先分析判斷場地的工程地質(zhì)條件和主要巖土工程問題，優(yōu)化勘探工作方案布置。該項工作的實施，對于工程項目在上述圖件中準(zhǔn)確位置查詢、距離查詢、面積查詢得以實現(xiàn)。同時，對上述圖件中關(guān)鍵元素進行矢量化，將矢量化成果投射到公共地理信息平臺，實現(xiàn)了地質(zhì)信息的快速疊加，使得工程項目從準(zhǔn)備到實施階段可以綜合利用各類地質(zhì)信息。

3.2 多源數(shù)據(jù)集成

通過前序矢量化圖件中地質(zhì)信息的數(shù)字化收集，對于已有的區(qū)域地質(zhì)、斷裂構(gòu)造、礦產(chǎn)、地質(zhì)災(zāi)害、人類工程活動等多源數(shù)據(jù)通過Geoline進行疊加整合。同時，對于工作現(xiàn)場新收集到了礦權(quán)、地質(zhì)災(zāi)害、設(shè)施等信息，也可以隨時將其坐標(biāo)信息添加至該工程的Geo-line數(shù)據(jù)庫中，進行動態(tài)管理。

通過以上工作，可實現(xiàn)工程所需地質(zhì)信息的數(shù)據(jù)集成，集成后的數(shù)據(jù)可以選擇對應(yīng)不同的坐標(biāo)體系，疊加在各種比例的工程路徑底圖或公共地理信息平臺上，應(yīng)用于室內(nèi)室外的選線定位工作。尤其是在野外調(diào)查現(xiàn)場，可以方便、快速地查詢塔位附近的已知宏觀工程地質(zhì)信息，輔助現(xiàn)場微觀調(diào)查和分析評價。Geo-line數(shù)據(jù)庫界面如圖2所示，某輸電線路工程數(shù)據(jù)集成情況如圖3所示。

圖2 地平線巖土擴展程序(Geo-line)界面

圖3 某輸電線路工程數(shù)據(jù)集成示意圖

通過前期多源數(shù)據(jù)集成的數(shù)字化巖土工程勘察比傳統(tǒng)巖土工程勘察相比更容易早發(fā)現(xiàn)問題。工程實踐中，編制勘測大綱之前，外業(yè)工程師和技術(shù)主管基于集成數(shù)據(jù)平臺完成勘測大綱編制前置的數(shù)據(jù)分析與判斷，發(fā)現(xiàn)并圈定潛在問題區(qū)，確定巖土工程勘察重點地段。

4 勘察外業(yè)工作

數(shù)字化巖土工程勘察技術(shù)在勘察外業(yè)工作中的主要功能體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)整理2個階段。

4.1 數(shù)據(jù)采集

多采APP是基于安卓系統(tǒng)開發(fā)的適用于輸電線路工程外業(yè)現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)采集、存儲、整理、分析和分享的軟件，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。

多采APP完全是基于巖土工程勘察實際工作場景和作業(yè)流程開發(fā)，塔位基本信息界面包括設(shè)計條件、地形地貌、地層巖性、地層深度、地震、地下水、不良地質(zhì)、余土處理和勘探點信息等內(nèi)容如圖4所示。通過標(biāo)準(zhǔn)化定制模板如圖5所示。

圖4 塔位基本信息界面

圖5 標(biāo)準(zhǔn)化定制模板和電子羅盤輔助采集界面

多采APP可以滿足不同勘察場景、不同項目特點，進行快速調(diào)整和適應(yīng)；對于標(biāo)準(zhǔn)信息，可以采用選項內(nèi)置的方式進行選擇，確保了記錄方式標(biāo)準(zhǔn)化，同時也豐富了采集信息來源的多樣性。其次，多采APP具有數(shù)據(jù)錄入類型多樣化的特點，可以錄入包含文本、數(shù)字、單選、多選、計算、查詢、圖像、視頻和音頻等30多種類型的數(shù)據(jù)。同時，可以實現(xiàn)遠程實時信息共享和協(xié)同，將現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查的所有信息直接與總部共享，提高溝通效率和精度，有利于質(zhì)量控制和提高工作效率。此外，結(jié)合手機內(nèi)置的各種工具，還可輔助實測產(chǎn)狀、坡度等信息，為工程人員準(zhǔn)確記錄現(xiàn)場工程地質(zhì)條件提供了有效支撐。

同時，由于電子化采集對于重復(fù)簡單信息可以通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)語句等進行填寫和修改，現(xiàn)場照片采集實現(xiàn)了自動編號和添加描述等功能，使得外業(yè)工程師在調(diào)查中的工作效率進一步得到提高。

4.2 數(shù)據(jù)整理

基于多采APP軟件，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)可以通過靈活調(diào)用不同字段或輸入判別條件，進行實時整理和查詢，有助于外業(yè)工程師和技術(shù)主管及時掌握現(xiàn)場定位的總體情況，同時輔助工程師進行現(xiàn)場快速分析和判斷，有效解決工程中的重點、難點問題，如物探測試數(shù)據(jù)多測點繪圖對比分析，以及地震動參數(shù)修正等現(xiàn)場工作難點，如圖6所示。

圖6 物探測試數(shù)據(jù)多測點繪圖對比分析?及地震動參數(shù)修正界面

5 過程動態(tài)管理

數(shù)字化巖土工程勘察質(zhì)量過程管理框架如圖7所示。該框架包括利用數(shù)字化資料庫、基于數(shù)據(jù)集成平臺的巖土工程勘察策劃、巖土工程勘察執(zhí)行、資料整理與校審、勘察成果移交等管理節(jié)點，各節(jié)點之間的動態(tài)循環(huán)用箭頭流程線表示。

圖7 數(shù)字化巖土工程勘察質(zhì)量過程管理框架[1]

根據(jù)輸電線路工程外業(yè)勘察的特點，針對重點地段的調(diào)查和現(xiàn)場工程地質(zhì)條件復(fù)雜地段，外業(yè)工程師現(xiàn)場調(diào)查期間可以利用多采APP的桿塔勘察模板或工程地質(zhì)調(diào)查模板進行現(xiàn)場記錄，如圖8所示，并運用軟件分享功能，將打包在一起的照片、視頻、音頻以及文字信息進行現(xiàn)場實時共享。質(zhì)量技術(shù)管理團隊的主工、科長可以在遠程運用手機或電腦端查看現(xiàn)場調(diào)查情況。必要時，可以借助辦公自動化(office automation，OA)移動辦公軟件或企業(yè)微信等即時通訊工具進一步輔助巖土工程勘察和遠程指導(dǎo)。通過使用數(shù)字化勘察技術(shù)，現(xiàn)場勘察采集的信息可以及時有效地傳遞給技術(shù)主管團隊，從而有效提高了外業(yè)作業(yè)效率和質(zhì)量。

圖8 遠程分享現(xiàn)場調(diào)查信息示意圖

針對現(xiàn)場選線和定位成果，外業(yè)工程師定期將整理好的數(shù)字化成果分享給主工和科長進行室內(nèi)校審，并建立過程質(zhì)量管理問答跟蹤表，如圖9所示。由問題位置、提問、回答和狀態(tài)四大部分組成，全過程跟蹤和記錄問題的解決過程，直到完成后關(guān)閉。

圖9 過程質(zhì)量管理問答跟蹤表示意圖

6 內(nèi)業(yè)資料整理和工代服務(wù)

6.1 內(nèi)業(yè)資料整理

多采APP軟件采集的現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入Geo-line中，其中的對應(yīng)字段和格式已經(jīng)在自主開發(fā)程序時進行了協(xié)調(diào)統(tǒng)一，能夠?qū)崿F(xiàn)原始資料快速入庫建立工程數(shù)據(jù)庫。在成品資料整理過程中，可以按照不同工程的要求，定制成品一覽表格式模板，進行成品資料的編輯，具有較好的靈活性。內(nèi)業(yè)資料整理數(shù)字化生產(chǎn)流程如圖10所示，其中，數(shù)據(jù)庫中內(nèi)置了查詢統(tǒng)計等功能，可以實現(xiàn)快速排序、檢索等功能，提高了內(nèi)業(yè)資料整理效率和出手質(zhì)量。

圖10 內(nèi)業(yè)資料整理數(shù)字化生產(chǎn)流程示意圖

數(shù)字化勘察技術(shù)的運用，省略了在室內(nèi)將紙質(zhì)版資料重新輸入原始數(shù)據(jù)等過程，大幅節(jié)約了內(nèi)業(yè)資料整理時間；數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集也因為標(biāo)準(zhǔn)字段等快捷功能的引入，比以往紙質(zhì)記錄更規(guī)范高效。另外，成品資料的數(shù)據(jù)庫可以方便導(dǎo)出并轉(zhuǎn)化為設(shè)計專業(yè)需要的格式，在勘測設(shè)計協(xié)同方面具有明顯的效率優(yōu)勢。

6.2 工代服務(wù)

結(jié)合生產(chǎn)實際，在大部分線路工程已實現(xiàn)成品資料的數(shù)據(jù)庫管理后，基于多采APP軟件靈活的表單化配置功能，定制開發(fā)了塔位處理模板(如圖11所示)和工代驗槽模板(如圖12所示)，用于工代服務(wù)。工代可以將成品數(shù)據(jù)庫快速導(dǎo)入智能移動終端多采APP軟件中，在塔位處理和工代驗槽現(xiàn)場，快速方便地查看施工圖勘察成果資料，對現(xiàn)場調(diào)查和驗槽信息及時記錄、比對，從而提高工代服務(wù)效率。同時，工代處理記錄的數(shù)字化，進一步補充完善了施工和運行過程中的重要反饋信息，為總結(jié)工程經(jīng)驗和促進專業(yè)技術(shù)發(fā)展積累寶貴的數(shù)據(jù)資料。

圖11 塔位處理模板界面

圖12 工代驗槽照片記錄成果

7 結(jié)語

通過工程實踐不斷探索和優(yōu)化研發(fā)，筆者所在單位團隊自主開發(fā)的AutoCAD圖件矢量化插件、Geo-line、多采APP等系列軟件相繼投入生產(chǎn)實踐，具備了輸電線路工程從勘察準(zhǔn)備、外業(yè)勘察、過程動態(tài)管理、內(nèi)業(yè)資料整理到工代服務(wù)全過程數(shù)字化巖土工程勘察能力。

現(xiàn)有軟件功能開發(fā)需求與實際生產(chǎn)流程、質(zhì)量技術(shù)要求方面高度契合，全流程系統(tǒng)化運行兩年多以來，該數(shù)字化巖土工程勘察技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到多個特高壓和超高壓輸電線路工程，體現(xiàn)出架構(gòu)設(shè)計合理、使用便捷高效、應(yīng)用場景豐富、多源信息集成和運行安全穩(wěn)定等特點，達到了提升工作效率、強化輸電線路工程過程質(zhì)量管理的目的。后續(xù)將研發(fā)基于更多應(yīng)用場景和需求的模板，豐富和延伸其應(yīng)用領(lǐng)域，為后期基于大數(shù)據(jù)挖掘和人工智能等數(shù)字化新興技術(shù)的進一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。