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轨道交通数字勘察关键技术的研究及应用

轨道交通数字勘察关键技术的研究及应用 城市轨道交通网CCRM
2022-01-30
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导读:城市轨道交通创新技术推广项目简介 城市轨道交通创新技术推广项目的推出起源于2006年7月19日住


城市轨道交通创新技术推广项目简介

城市轨道交通创新技术推广项目的推出起源于2006年7月19日住建部“城市轨道交通关键技术研讨会”会议纪要(建会(2006)8号),会议提出要总结我国城市轨道交通发展的成功经验,推广已取得成效的创新技术及先进工艺工法。

中国土木工程学会轨道交通分会自2006年起每年开展创新推广技术征集,并进行评选。截止目前,共发布178项城市轨道交通创新推广技术及项目。

本次从2021年2月份开始征集,共收到59项,经专家评审,共评出了“轨道交通数字勘察关键技术的研究及应用”等20项技术类项目和“青岛市地铁8号线工程北段”等8项工程类项目为城市轨道交通技术创新推广项目,在全国轨道交通建设中予以推广。其中 8项工程类技术创新项目同时作为詹天佑奖轨道交通类申报入库项目。   


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轨道交通数字勘察关键技术的研究及应用


完成单位:北京城建勘测设计研究院有限责任公司

主要完成人:朱    霞、唐    超、邢立军、庞    炜、李世民、黄溯航、周玉凤、任传斌、胡晓飞、李芳凝


1 主要技术特点描述


1.1 国内外技术发展现状


随着全国轨道交通行业的蓬勃发展,数字信息技术也广泛应用在勘察生产领域,信息化系统的开发与应用,一改往日的传统办公方式,为专业人员提供了极大的便利。

在国外,二十世纪七十年代,发达国家对岩土工程勘察信息化的研究开始起步。七十年代,美国地质调查院建立了50多个信息系统,用来监管地质环境、地理地形、水资源等领域信息,率先迈上了地质空间信息化管理的道路。等到了八十年代,在美国基于 GIS 对工程地质数据信息化进行分析评价,取得了不错的成果。1991年,美国科学基金会和联邦公路管理局联合创建了一个用于收集与管理美国岩土工程试验现场信息的系统,这 是一个基于GIS的大型岩土工程勘察数据库,为美国岩土工程勘察信息化提供基础。同时,经过了十几年经验的积累与技术水平的提高,日本大阪地区建成了大阪湾地层数据库系统,统计钻孔信息达到了30000 条。2011 年,Cui 等建立一个信息系统,通过收集陆海原位和土工试验数据,为后来的工作提供支持。Ryży ński 和 Nałęcz 等通过整合多级数据库建立了工程地质数据库,为工程勘察信息化和与 BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)等技术的融合提供了数据基础。

在国内,相对于国外勘察信息化研究情况,我国在这方面的起步较晚,在二十世纪的五十年代中期到二十世纪末,国内勘测设备制造企业和软件开发企业紧密结合勘察设计单位的需求,针对岩土工程勘察的各个环节研发了外业数据采集、室内土工试验数据采集和内业数据处理软件,这些设备和软件提高了整个勘察设计行业装备和应用新技术的水平,为岩土工程勘测工作提供了极大的便利。比如:上世纪90年代初期,江苏院陆续开发了静力触探试验数据处理软件包、工程地质剖面图绘制软件、成图数据编辑系统、场地类别计算工具包、岩土参数数理统计工具包等多项工具类产品,以程序化的方式,替代了繁琐的手工计算。2009年至2014年,黄河勘测规划设计有限公司搭建了多属性勘察数据采集与处理系统。2015年,马苏对通信勘察业务中的智能移动终端应用系统进行了研究。2016年,刘文彬等利用 java 语言设计开发了岩土工程勘察外业数据采集系统。2017年,裴丽娜等研发了基于Android的工程勘察数字采集系统。2018年,李进敏等对工程地质内外业一体化平台进行了研究。2019年,齐菊梅等对兰州市水源地建设工程的勘察数据进行了数字化采集。2020年,张金平对公路工程地质数据采集系统进行了研究。这些设备和软件大部分是基于岩土工程勘察过程中单个环节设计的,虽然解决了某些数据采集、数值计算和绘制图件的问题,但仍处于分散作业的状态,各环节之间数据和信息不能顺畅流动和传输,没有体现岩土工程勘察全过程信息化的理念。

随着轨道交通行业勘察设计市场环境的变化,质量监管部门对勘察单位的质量要求越来越高,传统的勘察企业迫切需要解决勘察生产各环节脱节和分散作业的现状,通过对现有勘察软件进行改造,或补充开发相应软件,把整个勘察设计过程有机的串联起来,实现勘察生产全过程一体化作业。


1.2 关键技术内容及技术路线


1.2.1系统研究目标


(1)提高生产效率

针对勘察生产各关键环节开发相应的勘察生产支撑作业软件,实现勘察生产全过程一体化作业,把整个勘察设计过程有机的串联起来,使勘察生产各环节之间数据能够自动流转和传输,提高勘察专业的生产效率、规范作业流程。

(2)降低沟通成本

通过多人多项目同时并行推进的分布式协同办公模式,打破勘察专业现有各系统之间的信息孤岛,实现各系统之间的互通互联,解决勘察生产各环节脱节和离散作业的现状,降低勘察生产流程上各环节之间的沟通成本。

(3)对数据和成果高效管理

建立一套针对工程勘察数据标准和接口规范,实现对勘察专业基础数据和成果的高效存储与管理,为勘察技术和管理人员提供快速查询和分析决策支持,提高勘察成果的管理和应用水平。

(4)提升质量监管水平

用信息化的手段对工程勘察项目进行内外业全过程的质量监控,解决监管难、手段单一、不及时等痛点问题,保证数据传输过程中的不可篡改性,提高勘察单位的技术质量服务水平,提升业主的工程勘察质量监管水平。


1.2.2系统研究内容


(1)针对勘察生产的各个环节研发相应的支撑勘察专业作业的基础性软件,包括勘察外业采集子系统、勘察生产管理子系统、土工试验信息化子系统、三维地质建模子系统等一系列软件,使勘察外业、内业、试验不同生产环节的信息得以关联、流转,最终形成覆盖勘察生产全流程的勘察全过程一体化信息系统(以下简称“勘察一体化系统”),做到各环节之间的数据和信息能够互联互通,实现从勘察纲要策划、外业采集、土工试验、内业整理、成果审核、资料存档全过程的信息化管理。

(2)在实现勘察全过程信息化的基础上,根据轨道交通业主对勘察单位的质量监管要求,定制化研发工程勘察质量监管平台,通过勘察外业数据传输实时化、现场质量控制可视化等方式,实现对勘察生产质量、进度、费用、成果等的全过程、全方位的监管,通过信息化方式提升工程勘察质量监管水平。


1.2.3技术路线


(1)顶层架构设计

要实现岩土工程勘测全过程信息化,设计一套适合勘察生产业务的信息化顶层架构是第一步。本单位以岩土工程勘察作业过程为核心,以提高生产效率、优化作业流程、规范数据标准和提升专业能力为目标,以多系统间协同交互、数据集成和共享为导向,构架了工程勘察全过程一体化信息化建设的顶层设计方案,从系统架构、逻辑架构设计、数据库设计等多方面进行综合设计,兼顾安全性、稳定性、通用性、灵活性等系统要求。

①总体架构设计

通过全面梳理勘察生产从任务接受、方案策划、现场作业、内业整理、提交成品到最终资料归档和资料再利用的整个过程,确定了以智勘云大数据中心为核心,形成了服务勘察业务全流程,同时满足业主、政府质量监管需求的总体架构设计。系统的总体架构设计如图1 所示。

图1 总体架构设计


对于勘察单位,通过使用勘察外业采集子系统、勘察生产管理子系统、土工试验信息信息化一系列软件,实现勘察生产流程全覆盖,做到从勘察纲要策划、外业采集、土工试验、内业整理、成果审核、资料存档全过程的信息化管理。

勘察单位在使用勘察一体化系统的同时,通过统一数据标准和接口标准,将外业原始数据和内业成果数据提交到智勘云大数据中心,进行统一的存储和管理,再根据各地轨道交通业主的需求,从智勘云数据中心抽取数据进行展示和统计分析,通过工程勘察质量监管子系统,进行企业管理、人员管理、项目管理、进度展示、工作量统计、费用核算、勘探现场视频管理、异常状态管理等,满足轨道交通业主的质量、进度、费用、成果、设计过程等生产全过程的质量监管。

②逻辑架构设计

勘察一体化系统的使用范围涵盖本单位全国40多个城市的勘察分院及项目部,从系统运行性能和开发周期等方面综合考虑,采用 C/S 架构的系统设计,C/S 架构即客户端/服务端架构,具有性能强大、运行效率高、支持离线工作等优点。开发语言采用 C#语言。整体系统的逻辑架构主要包括有应用层、业务层、数据层、基础层4个层次,如图2所示。

图2 系统的逻辑架构


应用层,提供用户面向的系统界面,是系统功能的载体,负责与用户交互和数据展示。包括外业 App 数据采集系统和勘察生产管理系统两部分功能。

业务层,形成模块化的业务流程组织模块,各部分通过接口或网络协议连接。包括综合信息展示模块、数据处理模块、基础库模块、工程管理模块、成果图模块和工程审核模块。其中外业 App 数据采集属于数据处理模块。

数据层,负责数据储存和数据访问,采用混合架构模式,兼顾内外业、离线在线一体化作业。其中客户端采用轻量级的 SQLite 数据库,外业 App 采用 My SQL数据库,服务端采用 Mysql 数据库。

基础层,是系统硬件支撑,主要包括网络设备、存储设备、安全设备、中间件、计算集群、云服务。

③数据库设计

数据库设计最主要还是要满足勘察业务需求,从数据库设计的角度,对外业采集APP、勘察生产管理子系统、土工试验信息化三个业务系统的数据库设计进行统一架构设计,根据表的性质和用户类型,分为公共表和专用表两类,专用表又分为外业表、内业表和土工试验表三小类,公共表由外业、内业和土工试验三个系统共用,外业表由外业采集APP单独专用,内业表由勘察生产系统专用,土工试验表由土工试验信息化系统专用如图3所示。

图3 数据库设计

在上图3的数据库整体架构设计下,勘察数据内部流转是这样的:一个新的机构入驻之后,通过在公共表建完组织机构、人员、工程、项目,再通过APP添加、后台Excel导入、内业CAD布孔等方式增加设计孔,设计孔通过APP采集变成成果孔,或者直接通过数据导入等方式,新增成果孔,通过外业采集APP和土工试验信息化系统采集数据,外业和土工试验的原始数据最终都汇交到内业表,同时这部分原始数据又在外业表和土工试验表留有备份,以保证数据的安全性和可追溯性。

(2)系统功能设计

勘察一体化系统功能设计以岩土工程勘察作业过程为核心,在对市场主流勘察软件和本单位现有勘察系统进行整合研究的基础上,确定本软件在功能设计上着重体现对业务流程的全面支持,从方案策划、外业采集、数据入库、勘察分层、数据统计、成果输出、图形绘制、报告生成、资料归档等功能点为基本要求,涵盖岩土工程勘察全业务范畴,在功能设计上体现全过程覆盖,着力打造平台级专业支撑体系。同时,从功能设计、实现方式等方面要体现专业性,既符合用户的专业使用习惯,在业务流程设计又要具备一定的弹性,能适用业务流程的变更。此外,软件的稳定性、通用性、友好性、兼容性、性能等各项指标要在国内同类软件中处于领先地位。

下面以勘察一体化系统包含的勘察外业采集子系统、勘察生产管理子系统、工程勘察质量监管子系统三个子系统为例,说明系统的主要功能设计:

①勘察外业采集子系统功能设计

勘察外业采集子系统主要解决勘察外业数据采集工作的信息化,实现数据采集的标准化、 无纸化,数据采集后可实时传递给内业勘察生产管理系统,进行后续的内业数据处理和计算工作,简化内、外业数据转换流程,同时,与工程勘察质量监管子系统对接,对异常信息进行统计,实现勘察外业质量的实时监管。

系统通过手机终端实时采集外业现场描述记录,连同时间、位置、描述人、现场照片等信息一同上传至质量监管平台,保证现场数据的真实可靠;通过外业钻探过程的中间质量检查和外业验收在线化,项目工程师可以在手持终端对外业工作进行终孔验收并在线签字,做到数据可溯源、质量责任可追溯;根据外业采集的描述数据自动生成野外钻探记录表,机长、编录员、技术员现场通过外业App签字并插入到电子野外钻探记录表中,实现外业编录过程数字化、无纸化。

②勘察生产管理子系统功能设计

勘察生产管理子系统主要面向勘察生产提供了岩土工程勘测过程中工程和项目管理、纲要管理、标准地层、数据导入、GIS地图管理、成果表生成、成果图生成、报告生成、坐标参数转换、基础库管理等全部功能,用于辅助勘察工程师进行数据处理、计算、成图以及报告生成等内业工作,是工程勘察支撑性作业平台。

系统在吸取理正、勘察之星等勘察软件优点的基础上,通过一体化的设计思路、各环节互联互通的理念,将勘察外业数据与内业工作进行无缝对接,实现勘察生产各环节数据的实时更新和共享,更能体现专业技术人员业务流程优化、适应勘察单位长远需求。

系统基于GIS 技术使工程管理可视化,所有项目和钻孔在地图上分层级显示,项目管理和数据管理合一,所有项目、钻孔、分层数据、成果资料等在地图界面可查可用,实现数据和资料的可视化管理,为构建勘察大数据打下基础;系统实现勘察大纲和成果资料实现线上审核,并保留审核意见、审核过程版本和审核最终版本,做到质量可追溯;系统实现辅助勘察专业进行数据处理、成果输出、报告生成等环节的生产半自动化,优化原有传统的数据加工和产品生产方式;系统研发了以钻孔为基础,构建含复杂构造的地质剖面图自动绘制算法,提高地质剖面图自动绘制的可靠性与实用性;基于AutoCAD二次开发模式,开发了交互式绘图系统,实现钻孔任意点选位置批量布置、沿线路批量布置、沿线路走向自动分图等功能;系统研发了勘察生产计算工具集,实现液化判别、桩基荷载计算、桩长估算、水和土的腐蚀性分析等自动计算,提升计算分析效率及精度;系统以国家、行业现行规范为依据,建立了勘察采集、内业全过程的数据标准,规范勘察数据中描述、岩土定名、地质成因、时代、钻孔图例等通用字典;系统兼容市场上主流的勘察软件,支持主流勘察软件数据快捷的导入导出,打通软件之间的数据接口,实现勘察数据的无损传递,并按统一的数据标准和接口将数据汇交工程勘察质量监管子系统。

③工程勘察质量监管子系统功能设计

工程勘察质量监管子系统为业主对勘察单位的质量监管提供信息化手段。通过勘察外业数据传输实时化、视频可视化等方式,实现轨道交通业主对勘察质量、进度、费用、成果等勘察生产全过程的信息化管理。

系统对所有在施和已完成项目建立钻孔数据库,管理人员可通过列表和GIS界面相结合的方式,查看勘探点钻探进度、异常情况、外业描述记录和钻孔柱状图;系统根据业主制定的异常判断规则和异常处理机制,通过外业采集的时间、位置等参数,判断数据是否异常,进行外业钻探数据的异常提醒,便于主管部门进行核查;系统通过视频监控设备与钻探现场勘探点关联,利用4G技术对钻孔野外钻探过程实行远程实时视频监管,实现视频监控设备影像的实时查看和历史回访等功能;系统内置勘察计费标准,用户针对不同钻孔类型自由定义单价后,自动统计汇总勘察工作量,并基于单价、工作量、算法自动计算支付费用。


1.3在环保、节能、创新方面的指标


(1)系统建设应遵循国家、北京市及行业相关标准规范;

(2)系统通过行业协会组织的专家委员会评审验收;

(3)以该项目为主题在国内核心期刊发表论文一篇;

(4)申请软件著作权至少一项;

(5)完成专利20项,发明专利15项,实用新型4项,外观专利1项;

(6)申报省市级、学会、协会等相关科技进步奖项至少一项;

(7)通过勘察全过程无纸化办公,节约过程用纸每年约60%,减少办公场地租赁费用每年约50%;

(8)与传统生产模式相比,降低管理成本10%,提高工作效率20%;

(9)向全国20余个城市推广应用。


1.4主要技术特点和创新点


1.4.1主要技术特点

(1)全过程:从项目建立、纲要制作、外业采集、数据处理、成果审核及输出的勘察生产全过程、一体化、信息化管理,使勘察生产外业和内业数据无缝流转,打破勘察生产各环节之间的数据壁垒,减少重复工作,提升勘察生产效率;

(2)透明化:勘察单位使用内外业一体化软件,从源头获取勘察外业电子数据,资料处理阶段避免数据表格导入导出等人为操作,做到勘察生产全过程公开透明,便于质量监管部门对勘察单位全过程数据的质量监管,从勘察生产各环节避免数据造假;

(3)可视化:使工程管理可视化,所有项目和钻孔在地图上分层级展示,项目管理和数据管理合一,所有项目、钻孔、分层数据、成果资料等在地图界面灵活查用,实现数据和资料的可视化管理;

(4)协同化:勘察内外业数据一站式管理,多单位、多部门、多角色协同办公,支持离线在线两种模式,不局限一台电脑、一个办公地点,不受网络限制,提升项目生产效率;

(5)层级化:按工程-项目-钻孔的层级管理模式,对于大型工程根据实际情况进行切割,划分成多个项目进行管理,分工点、区域等情况出报告,对勘察项目层级化、精细化管理;

(6)自动化:基于项目和钻孔的基础数据、原位数据、室内试验数据等,自动生成统计表、计算表和成果表,表格按照定制的模板生成,模板可依用户的习惯的进行定制,实现勘察数据处理自动化;

(7)规范化:以国家、行业现行规范为依据,建立勘察采集、内业全过程的数据标准,规范勘察数据中描述、岩土定名、地质成因、时代、钻孔图例等通用字典,按统一的数据标准和接口将数据汇交质量监管平台;

(8)开放化:兼容市场上主流的勘察软件,支持主流勘察软件数据快捷的导入导出,对接工程勘察质量监管平台。


1.4.2主要技术创新点


为满足以上功能设计,本系统主要采用了地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、计算机图形学(CAD)、数据同步、Word在线编辑等主要技术支撑,实现覆盖工程勘察专业内、外业各种工作需求的轨道交通岩土工程勘察全过程一体化信息系统。下面以数据同步技术、全线统一分层管理技术为例,说明关键技术的实现过程:


1.4.2.1数据同步技术

为更好的适应不同工作环境的需求,针对具体业务场景进行分析,最终确定数据采集、绘图、编辑和运算等内业数据处理功能,需支持用户在离线状态下操作本地数据库,新建工程、纲要审核、地图查询及展示、人员库、系统管理等功能,对数据实时性要求较高,必须联网才能使用。

为了满足这种对需求,系统采用CS开发模式,分离线和在线两种方式,客户端和服务端各有一个数据库,服务器端在线数据库选自MySQL、SQLServer,客户端离线数据选自SQLite数据库。客户端与服务端通过网络通讯进行数据的上传和下载,下载时,系统自动判断客户端数据库,如果本地没数据,系统从服务端下载最新的数据,如果有数据,系统进行客服端和服务端数据版本的比较,自动确定最终版本。同样,上传时,用户对各版本进行判断,最终确定服务端上保留的版本,从而保证服务器的数据库和本地的数据库的同步。多台客户端之间的数据同步和共享,通过在有网状态下,将一台电脑上的数据同步更新到服务器上,其他电脑从服务器端下载数据到本地,从而保证客户端获取的是最新数据。这样的数据管理方式既保证各个勘察工程师工作的独立性,同时又保证了服务端和客户端数据的统一性。


1.4.2.2全线统一分层管理技术

由于勘察行业历史原因,工程勘察领域往往对同一地区的地层划分具有不同的见解,特别是不同专业的勘察单位对同一地区的地层划分分歧会更大,当多家勘察单位共同参与一项轨道交通线性工程时,采用信息化手段对工程进行整体把控,形成统一的工程标准地层,成为本领域技术人员急需解决的技术问题。为了解决现有技术中存在的问题,本系统研究了一种新的基于全线管理模式的标准地层服务方法,所述方法的实现步骤如下:


第一步:获取工程信息建立工程,新建工程时即配置一个标准地层数据表,一个工程对应一个工程标准地层表,工程下的每一个项目都可以引用这个工程的标准地层表,对工程下的标准地层表进行修改时,项目的标准地层表同步更新。


第二步:获取项目信息并在对应的工程下建立项目,并建立空的项目标准地层表,项目标准地层表用来继承工程标准地层表的地层数据,需要修改的话需返回工程标准地层表进行修改。


第三步:在项目下进行钻孔的录入,获取钻孔分层数据,并遍历钻孔的每一个分层,判断钻孔相应分层的地层数据是否存在在工程标准地层表中,若是有,则将数据存储到项目标准地层表中,若没有,则将项目标准地层表锁定,且在工程标准地层表中建立新的地层后,将项目标准地层表解锁,并存入相应地层的数据。

其中,项目标准地层表修改时需返回工程标准地层表进行修改,在工程标准地层表修改时项目标准地层表需要联动修改;项目标准地层表在配置时可以修改和添加,不会影响工程标准地层表的内容。

该基于全线管理模式的标准地层服务方法可以使一个工程下的所有项目的分层(相同层号的岩土定名、分类、地质成因和年代)保持一致,但一个工程的各项目之间描述可以有区别。这样既保证了一个轨道交通工程地质分层的统一性和标准化,也兼顾项目之间描述差异的个性化需求。


1.4.2.3 CAD自动连层技术

由于地质情况复杂,总结几种典型地层特征,包括:地层连续分布、地层透镜体、地层尖灭、地层连续缺失、地层间断缺失五种情况,主要针对这几种典型特征考虑自动连层的处理方法。

(1)基本原理

针对两个钻孔之间的地层,使用经验法分析地层的特点来确定地层的连接方式,通过自动连层可以根据已有数据自动分析绘制分层线,不需要用户再去手动连接每层的分层线。

(2)交互及前期准备

以连续的3个钻孔为分析单元,按照约定的算法自动分析地层的连接关系,并自动在剖面图中创建地层线。地层线可以是多段线或样条曲线,其图层、颜色、线型等属性都可以在程序中进行配置。



图4几种典型的地质类型


获得图面上的所有钻孔线,根据钻孔线形成的包围框判断这些钻孔线是否已有分层线,如果已有分层线将其删除掉给出提示语,再进行自动连层算法,如果没有分层线直接进行自动连层算法。

(3)自动连层算法

针对上面的几种特殊情况,详细叙述一下自动连层的算法及实现步骤。

图5自动连层流程图

①对获得钻孔线进行排序,按照x值由小到大进行排序,并建立堆栈;

②依次拿到相邻两个的钻孔地层数据,两个钻孔的地层从顶部开始依次往下进行比较,如果另一侧的地层堆栈为空,直接用三角形的方式连接,这种情况即为透镜体;

③如果某个钻孔的地层已经到达底部,那个该点处就直接连接另一个钻孔的地层点;

④如果没有到达底部尝试再取下一个地层判断是否可以形成透镜体,如果可以形成透镜体判断是左侧透镜体还是右侧透镜体,判断条件是左侧钻孔的下个地层和右侧钻孔的下个地层是否相同,如果不行同,再取下下个地层进行判断是否可以形成透镜体,如果可以形成那么绘制非透镜地层下面的地层线,然后找到非透镜体地层上面的地层线,计算中间的平均高程,绘制透镜体的两条地层线;

⑤如果没有形成透镜体,就是默认连层方式,左侧地层点连接右侧地层点;

⑥单侧尖灭,如果是交叉层号,直接按大层号连接,即左侧一层和右侧二层相同,左侧二层和右侧一层相同,那么就按照右侧一层进行处理层号从上到下顺序处理。如果不是交叉地层且小层号与对侧钻孔地层2相同,那么先处理大层号。


(4)生成剖面图

生成剖面图前首先要准备好数据,几乎用到项目窗口下所有数据表的数据以及生成的平面图的数据。数据准备好之后生成剖面图的流程比较灵活有多种选择,可以对剖线自动分层后生成剖面图;可以对剖线手动分层入库后生成剖面图;也可以对剖线自动分层后再手动分层进行人工干预和修改入库后生成剖面图。生成的剖面图如果需要进行填充可以在设置里面勾选自动填充,系统会根据分层数据对应到数据库的配置参数进行自动填充,不同类型的层号定义不同的线宽和颜色配置,一般主层为白色粗线,亚层为蓝色细线,次亚层为黄色细线。方便用户操作,节约工作时间。


1.4.2.4动态生成柱状图技术

通过预先准备好需要的钻孔、地层各种数据,在后台预置能够使用的输出模板类型,然后根据钻孔的相关数据自动生成钻孔柱状图。分为cad端和客户端两种方式自动生成柱状图:

(1)cad端

先选择生成柱状图的数据来源,是钻孔分层数据还是最原始的外业岩土描述数据,再获得钻孔对应的数据,根据数据进行计算是否需要进行分图设置,如果需要则计算分图插入点,主要采用属性块和计算分图数据算法,根据钻孔数据自动生成柱状图,并对柱状图进行分幅处理。

(2)客户端

客户端采用vectordraw结合OpenGL技术进行图形绘制,vectordraw具有VectorDraw Developer Framework(VDF)应用程序可视化的图形引擎库和VectorDraw web library (javascript)矢量图形库,VectorDraw和CAD的实体机制类似,通过OpenDwg接口读取dwg图,通过自己特有的实体机制绘制出类似dwg的图纸,然后通过OpenGl转换为可见图形,转存为dwg通过文件流的方式保存为图片供客户端使用。


1.4.2.5四参数转换技术

在勘察专业实际生产中,钻孔坐标是地方坐标,不同城市、不同项目之间的投影转换参数可能都不相同。为解决不同项目、不同城市之间的坐标转换问题,使所有的数据都在一张地图中展示,本项目从测量学方面做了深入研究,最终集成了四参数转换技术,实现了CAD和地理坐标的互相转换,让钻孔在CAD和地图中分别展示,提高对钻孔数据的可视化分析能力。

目前,系统不仅支持WGS84、西安80、北京54、CGCS2000之间的互相转换,还集成了百度、高德等地图之间的互相转换,做到一个项目一套参数,提高了数据的转换精度。最终形成了以WGS84为数据标准,提供不同地图、不同坐标系之间的转换服务。

1.4.2.6原位测试结果实时计算技术

由于原位测试击数修正和杆长修正计算过程较复杂,尤其是重型动力触探击数需要先进行击数修正,再进行杆长修正,杆长修正要进行双线性插值,计算量较大,现场难以实时完成,行业现状处理方式是现场记录原始数据,后期再在勘察软件内对原位测试试验结果进行修正,这就导致计算结果不及时,无法实时发现数据问题。

为解决这个问题,本项目研究了一种实时计算原位测试结果的技术,该技术可以在工程勘察外业采集系统APP上,通过击数计算和击数修正模块,对原位测试试验数据进行实时计算锤击数,再通过内置的调取修正系数表,基于修正系数表以及基础数据计算修正系数,并根据修正系数计算修正后击数,帮助工程师在现场及时发现数据问题进行改正。


1.5技术成果评价、取得专利、

是否编制技术规范标准等情况说明


(1)软件著作权,《勘察生产管理系统》获国家版权局颁发的计算机软件著作权。

(2)第三方测试报告,《勘察生产管理系统》由第三方测评机构出具了第三方测试报告。

(3)成果评价意见,《工程勘察一体化生产管理系统》由中国土木工程学会轨道交通分会出具了科学技术成果评价意见书。

(4)专利,勘察生产系统、外业采集app共申请专利20项,其中,发明专利15项,实用新型4项,外观专利1项,目前,《一种基于多精度分级地图展示及检索服务的勘察设计系统》、《一种勘察取样送样信息化的工程勘察内外业一体化系统》、《应用于岩土工程勘察行业的图形叠加生成的方法》、《基于离散度最小原则勘察试验数据自动化处理的方法》、《基于数据同步服务的辅助勘察设计系统》、《全流程的内外业一体化的勘察生产系统及方法》、《一种实时计算原位测试结果的工程勘察外业采集系统》、《应用于岩土工程勘察行业的钻孔连续布设方法》、《一种数据进行多种计算分析的勘察系统及实现方法》、《应用于岩土工程勘察行业的图形检索方法》、《基于多维度复杂业务的审核系统》、《应用于岩土工程勘察行业的自动分图方法》等15个发明专利全部通过专利局初审。

(5)用户使用评价,勘察一体化系统在佛山市交通科技有限公司、深圳地铁集团和中国冶金地质总局地球物理勘查院推广应用之后,用户反馈的使用评价和应用证明。

(6)系统推广应用业绩,2020年12月,与佛山市交通科技有限公司签订《智慧路桥勘察设计管理子平台研发项目》合同。


2成果应用情况说明


2.1使用效果评价


本产品在北京、深圳等地多个轨道交通勘察项目中得到应用,经过一段时间的试运行,各使用部门反映良好,通过对勘察专业从项目建立、外业采集、内业整理、资料管理到信息发布勘察生产全过程的信息化、自动化管理,优化了原有传统的数据加工和产品生产方式,提升了勘察专业的生产效率、规范了作业流程、提高了勘察成果的管理和应用水平。

该项目的建设,对勘察工作带来了以下改变:

(1)提高工作效率

本系统作为一套用于勘察项目生产管理全过程的信息系统,实现勘察专业产品生产、审核、传递流程的自动化,能规范作业流程,降低管理成本,提高工作效率。

(2)对数据和成果的高效管理

通过对勘察专业基础数据的高效存储与管理,为勘察专业人员提供快速查询和分析决策支持。

数据标准化:以国家、行业现行规范为依据,建立一套企业内部勘察采集、内业全过程的数据标准,规范采集数据中的岩土定名、岩土描述等,规范内业阶段轨道交通全线统一分层,保证全过程数据质量的可控性,提高勘察专业技术水平;

数据的完整性:离散→整体、共享,打破数据孤岛,各项目、各城市、各用户、各阶段之间的数据共享和协同;

数据的可复用性:老资料以信息化的方式、结构化的方式存储和管理,实现一键式查询和调用,提高数据的可复用性。

(3)改变传统的工作模式

用分布式网络办公模式代替传统的纸质作业模式,能解决人工作业方式和纸质管理模式的管理不规范、资料存放零散、信息不畅、沟通成本高等问题。

(4)加强技术质量管理

用信息化的手段实现了对勘察专业工程项目内外业过程的全覆盖,监控钻探工作流程,从源头保证数据的真实性,保证传输过程中数据的不可篡改性,提高技术质量管理的效率和准确率,减少和避免质量隐患的发生。

系统极大的提升了勘察专业的工作效率,在勘察生产流程自动化、信息化方面更产生了示范效应,为传统勘察企业内外业全过程一体化管理提供了思路和参考,研发成果有望直接推广至北京市乃至全国所有的勘测企业,产生巨大的社会与经济效益。


2.2市场需求分析


工程勘察传统工作模式从数据采集、传输到数据的管理、统计和使用,工程勘察全过程的各环节之间脱节,数据不能顺畅的流动和传输,重复性工作增加,不仅制约了勘察单位生产效率的提升,同时质量监管部门对于勘察单位的数据质量监管也无法保障,主要表现在如下几个方面:

(1)工程勘察信息化程度较低

外业数据采集采用纸质化表格记录的方式、数据处理后端的数据仅保存在工程师自己的电脑中,数据和信息以碎片化、非结构化的形式存储,不利于数据的集中管理和查询。

(2)工程勘察数据标准不统一

岩土工程勘察数据来源和数据格式繁多,无论是数据的记录、处理、保存和使用都没有一个统一的标准,特别是存在大量非结构化的数据,不利于后期数据挖掘和重复利用,首先要解决数据规范化、标准化、结构化的问题。

(3)工程勘察外业数据的真实性问题

勘察单位在野外现场勘探时少钻、漏钻地质钻孔等弄虚作假行为时有发生,钻探描述数据的真实性难于保证,工程勘察质量不可控。

(4)工程勘察安全事故时有发生

城市建设勘察工作中最主要的安全风险来自城市地下的各种管线,有电力、电信、水管、煤气等,传统的管理方式效率较低下,繁杂的管理工作,很容易存在细节的疏忽,一旦发生事故会造成重大的生命、财产损失,甚至引发社会影响。

针对勘察行业信息化水平落后的现状,国家对勘察设计行业信息化建设的要求愈发强烈,对工程质量、安全管理提出更高的要求,出台了一系列政策积极推动勘察设计行业信息化。北京、上海、新疆等试点城市,分别针对勘察质量信息化开展了一系列工作,并取得了一些成果。


基于以上背景,国内对于工程勘察全过程信息化的需求越来越迫切,包括从各种数据采集与传输,到数据的管理、统计、分析和使用,到结果和报告的存储、归档,勘察生产整个过程做到数据的顺畅流动和传输,不同软件和设备可以方便调用数据,将成为今后一段时间工程勘察行业发展的主要方向和工作目标。



2.3与国内外同类产品或技术的竞争力分析,

成果产业化前景分析


2.3.1与国内同类产品或技术的竞争力分析


目前国内市场上较成熟的勘察生产软件主要包括:云岩土、云勘、理正、华宇、秉睦GBIM等,其中云岩土和云勘是工程勘察外业采集软件、理正和华宇是工程勘察数据处理软件、秉睦GBIM是地质三维建模与分析软件。

2.3.1.1云岩土

云岩土分前端外业采集app和后台管理平台两部分,包括项目管理、标准地层管理、外业岩心数据编录、数据导入导出、数据分析、实验室对接等功能,是一个优化外业生产的工具,主要用户是外业钻探人员,外业采集完数据之后可以直接导入理正数据库,在理正软件进行下面的数据处理工作。优点:导入标准地层、岩芯拍照、柱状图和剖面图功能强大;缺点:云岩土app没有任何权限设置和管理流程的功能,不能根据描述员、项目负责人等用户区分不同的操作权限,不能根据不同的工程类型进行工点的拆分。


2.3.1.2秉睦

秉睦是国内较成熟的工程勘察三维建模软件,有成熟的算法支撑透镜体、褶皱等复杂地质体建模,地质建模算法在国内领先,有外业采集、内业处理到三维建模全套的产品体系。缺点:(1)产品出自于三维建模的设计思路,外业采集、内业处理部分产品都是为了满足与三维建模系统对接的需求,很多功能是为了验证在三维空间上是否冲突,系统是为了满足建模需要而不是满足勘察生产需要,这会导致用户在使用时会感觉异常复杂,极有可能带来勘察工作生产效率的下降。(2)此软件产品于近期公开发布并召开培训会,在培训会上发布方准备的适用于系统测试的数据,在培训过程中出现了建模的问题,现阶段秉睦需要通过收集这些问题来完善他们的产品。(3)三维取代二维进行分层、地质编录、数据处理、地质分析等,将意味着生产模式的改变,目前来说,国内的技术发展、市场需求、应用模式和标准规范等都不是很完善,并没有到真正可以推广使用的程度。


2.3.1.3理正

理正包括一系列的工程勘察产品,其中理正工程地质勘察软件,分为公路版、铁路版、水利版等版本,主要包括数据采集和录入、数据导入导出、自动生成平面图、剖面图、柱状图、自动生成成果表、统计表、进行液化判别等分析、计算、自动生成文字报告等功能。优点:功能强大、专业化程度高、规范化数据接口、数据的导入导出方便;缺点:理正分单机版和网络版,单机版拆分严重,一个勘察软件被拆分成许多功能模块,整体性较差,彼此之间设置障碍不共享。


2.3.1.4北京勘察设计院的勘测宝系列软件

北京市勘察设计院的勘察设计软件偏重于分块话处理,对于单个项目支持比较好,并且包含众多的设计分析工具集。不适合大型勘察项目的多项目集约管理模式。


2.3.1.5云勘平台

云勘平台是上海城勘信息科技有限公司以平台为中心,打造的数据交流中心平台。上海城勘信息科技有限公司地处上海,以上海本土为出发点,重点围绕的是上海及周边地区,尤其对软土地区勘察计算分析较为擅长,在住建部大力推广以信息化提升勘察质量的政策之后,集中打造云数据管理中心,重点是收集各种数据,对于计算分析功能仍留给市场其它软件。


2.3.1.6本软件与上述软件的综合比较


(1)本系统基于一个数据中心、一个管理后台、三个子系统的顶层设计思路,外业采集、数据处理和成果资料管理三个子系统之间既相互关联又互相独立、可拆可合,支持子系统独立对外销售,也可以整体展示,同时系统考虑后期客户的可扩展性,既支持不同勘察企业入驻、企业下的不同部门管理权限的灵活定制,也支持后期实验室采集子系统、质量管理子系统以及业主质量监管平台的接入。

(2)本系统实现了从项目建立、纲要制作、外业采集、数据处理、成果审核及输出的勘察生产全过程、内外业一体化管理,打通了勘察生产上、下游之间的数据共享和传输,同时与市场上通用的理正等专业勘察软件之间保持规范的数据接口,打破了勘察生产各环节之间的数据壁垒和信息孤岛,避免重复性工作,提升勘察生产效率。

(3)本系统不仅仅是辅助勘察生产的工具集,围绕勘察生产流程进行了定制化开发,并能满足大部分勘察企业的管理需求,实现了审核流程的自动化、信息化,包括对勘察大纲、中间成果、成果报告的在线审核,对审核过程和审核意见留痕,自动留存审核流程中的过程版本和各审核版本,并将审核最终版本提交资料室归档、施工图审查和专家审查。

(4)我院勘察系统是以大型市政、轨道交通、铁路、公路等集约式项目管理为开发理念,将多个项目看成一个整体,既可应用于单独的一个项目,也可以将多项目合并成一个工程进行管控。更加有利于数据的流通、分享、统一、规范。例如可以保证轨道交通、铁路、公路等市政项目全线分层统一、参数互相参照,减少工程主持人经验积累时间,快速、高效、高质量的完成项目生产。


2.3.2成果产业化前景分析


本项目研发成果有望向全国勘察企业和工程勘察质量监管部门推广应用,从短期可以提升勘察单位的作业效率,提升质量监管部门的勘察质量监管水平,从长期看可以积累勘察行业大数据,逐渐构建城市勘察大数据,做到勘察数据可共享可复用,为后续工程建设提供经验借鉴和数据参考,为未来建立城市级三维地质模型打下基础。

3经济效益和社会效益评价

(1)经济效益

本项目创新技术和成果已经成功在城市轨道交通建设过程中应用,整套技术体系已经非常成熟,并在全国范围进行了应用推广,包括烟台市轨道交通1号线一期工程岩土工程勘察信息化项目、西安市轨道交通十号线一期工程设计项目-4标段勘测产品全BIM化技术服务、济南市轨道交通R3线一期工程建筑信息模型(BIM)应用技术服务项目、北京地铁28号线勘测BIM化项目、佛山智慧路桥勘察设计信息化管理平台项目等,仅佛山一个城市的项目合同额就达398万元,从应用效果来看,完全可以满足城市轨道交通勘察全过程信息化管理的需要,在内外业一体化协同作业、工程勘察质量监管等方面取得了良好应用。

本项目成果计划在全国进行应用推广,未来三年推广应用城市不低于五个,总合同额不低于2000万。

(2)社会效益

本项目面向勘察生产流程,开发了一套辅助勘察专业的生产工具,实现了从勘察纲要策划、外业采集、土工试验、内业整理、成果审核、资料存档全过程一体化管理,打破了勘察生产各环节之间的数据壁垒和信息孤岛,减少了重复性工作和中间环节,提升了勘察专业生产的作业效率、规范了作业流程、提高了勘察成果的管理和应用水平。

同时,通过统一数据标准和接口标准,使各勘察单位向轨道交通业主进行外业原始数据和内业成果数据的汇交,保证业主通过工程质量监管平台对勘察生产全过程进行质量监管,该系统已在北京、佛山、深圳等地多个轨道交通业主和勘察单位中得到应用,形成了对上服务业主、对下满足勘察生产需求的全方位一体化勘察信息化解决方案,并取得了较好的经济和社会效益,研发成果有望向北京市乃至全国勘察企业和工程勘察质量监管部门推广应用。



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