基于数据驱动的隧道地质信息精细化管理系统研发与应用

李 涛, 仇文革, 刘 毅

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031；2. 成都天佑智隧科技有限公司, 四川 成都 610031)

0 引言

地质是龙头，影响并控制着隧道正常有序的建设。为快速、准确、全面、及时掌握隧道地质情况，实现“岩变我变”的动态设计施工目的，根据规范[1]要求，在隧道建设过程中，需依次开展地质勘察、超前地质预报及掌子面地质素描工作，直至隧道贯通。在隧道施工过程中持续不断地积累了大量的地质相关资料，亟需借助计算机技术进行信息化管理[2-4]，例如铁路总公司、中铁西南科学研究院有限公司、成都理工大学[5]均研发了相应的隧道地质信息系统，基本实现了隧道超前地质预报的数据收集及地质异常预警等信息化管理功能，但数据利用率低，管理粗放，不能达到精细化管理。1)如何构建预报数据库，基于地质后评估实现预报方法的优选组合，提高预报手段的准确性及经济性。2)针对地质预报的多解性、不确定性，如何集成其他地质资料形成更多的约束条件，辅助分析，提高成果判译的准确性、可靠性。3)如何根据地质异常动态调整更新预报计划，根据预报计划实时提醒施作，避免预报的不连续或施作延误。4)地质异常预警分级推送及快速处置，但处置方案的优先对比缺失。5)目前掌子面素描多采用传统人工素描，因其工作量大、专业性强、时效性高，往往导致该项工作流于形式，无法真实再现开挖地质。文献[6]虽实现了掌子面图像自动素描、自动围岩分级与报表自动化，但受限图像质量及地质的复杂多变性影响，漏识、误识结构面的情况时有发生，如何利用人工校核修正漏识、误识的数据，以提高掌子面自动素描的准确率仍需深入研究。

数据驱动是指基于不断更新的数据(在线和离线), 实现预报、评价、调度、监控、诊断、决策和优化等各种期望功能[7-9]。

现阶段，隧道建设突飞猛进[10]，积累了大量的地质预报相关数据，具备采用数据驱动进行精细化管理的条件。在传统超前地质预报系统的基础上，尝试构建数据驱动业务流程算法，研发新的隧道地质信息系统TGIS (tunnel geology information system)，集成隧道勘察设计阶段地质、施工阶段超前预报地质、掌子面开挖揭示地质，实现隧道地质高度集成共享(信息化)及业务流程的科学化管理(精细化)。

1 数据驱动构建

基于预报计划、施作、分析、预警、处置等业务流程，结合数据驱动原理重塑业务逻辑，实现业务流程的数据化、精细化、智能化管理。

1.1 基于地质后评估的预报方法优选

根据开挖揭示的最准确、直观的掌子面地质进行勘察设计阶段地质及超前预报地质的后评估，构建预报方法准确率数据库。基于地质后评估准确率实时统计程序如图1所示。

结合地质后评估准确率及预报方法综合单价，动态优化调整预报方案，提高预报手段的准确性及经济性。基于数据驱动的预报方法优选流程如图2所示。

1.2 施作提醒与延误精细化管控

超前地质预报与掌子面素描随工程进度实时施作。为避免预报施作不连续并定量化考评地质工作，构建数据驱动的施作提醒与延误施作实时统计功能，其流程如图3所示。

图1 基于地质后评估准确率实时统计程序

Fig. 1 Process of accuracy statistics in real time based on tunnel geology post-evaluation

图2 基于数据驱动的预报方法优选流程

Fig. 2 Process of method optimization of advanced geological prediction based on data drive

1.3 地质异常实时预警与处置

每次预报成果判译时，需结合其他地质成果综合判识掌子面前方地质，并根据地质异常程度实时预警并分级推送。地质警情需及时、有效处置，实现闭环管理，其精细化管控流程如图4所示。

图3 基于数据驱动的预报施作实时提醒流程

Fig. 3 Process of real-time remind to implement advanced geological prediction based on data drive

图4 基于数据驱动的地质异常预警与处置精细化管控流程

Fig. 4 Process of refined management and control of geology anomaly warning and disposal based on data drive

1.4 基于深度学习的掌子面图像自动素描

图像识别技术在隧道掌子面素描应用方面已相当成熟，但高度依赖于图像质量，且掌子面开挖揭示的地质情况复杂多变，自动识别准确率有待改善。因此，为改善图像识别效果，在文献[8]掌子面自动素描的基础上，基于数据驱动进行图像深度学习[11-12]，不断更新图像识别模型，以提高图像识别的准确率。基于深度学习的掌子面图像自动素描流程如图5所示。

图5 基于深度学习的掌子面图像自动素描流程

Fig. 5 Process of tunnel face image automatic sketching based on deep learning

2 系统设计与研发

2.1 研发需求

通过融入与构建数据驱动业务流程算法，研发隧道地质信息系统TGIS，集成隧道勘察设计阶段地质、施工阶段的超前预报地质、掌子面开挖揭示地质，实现隧道地质信息的高度集成共享及基于数据驱动的信息化、精细化管控目标。隧道地质信息系统TGIS研发需求如图6所示。

图6 隧道地质信息系统TGIS研发需求

2.2 TGIS功能介绍

隧道地质信息系统TGIS采用Mongo[13-14]作为数据库，由其负责数据的统一调度，其与铁路工程管理平台交互流程如图7所示。

图7隧道地质信息系统TGIS数据与铁路工程管理平台交互流程

Fig. 7 Interaction process between TGIS data and railway engineering management platform

隧道地质信息系统TGIS相关功能为：

1)隧道地质信息集成一体可视化展示(如图8所示)。通过网页实时在线显示隧道全部地质信息，结合动态比例尺、实时感知、超链接等技术，可详细查看局部地质，通过整体与局部相结合的方法，实现全方位把控隧道地质的目的，另外，沿隧道里程方向连续三维可视化展示隧道地质。隧道地质三维可视化预警如图9所示。隧道连续掌子面三维可视化展示如图10所示。

2)隧道地质工作量实时统计与施作实时提醒(如图11所示)。结合掌子面里程或施工日志的进度信息，自动推算下次预报里程距离，并通过微信或短信等工具提醒用户做好准备，保证预报工作的连续性，避免延误施作。

3)基于每一开挖掌子面进行地质后评估。据此实时统计勘察设计阶段地质、超前预报地质的准确率，为地质工作定量化评价及预报方法优选提供数据支撑。基于掌子面素描的隧道地质后评估如图12所示。

4)预报成果判译辅助分析(如图13所示)。提供临近相关其他地质信息，尽可能形成更多的约束条件促使成果判译更准确。

5)基于异常地质的预报方案实时动态调整(如图14所示)。结合预报地质异常情况，实时动态调整原预报方案，以适应异常地质，提高预报的可靠性。

6)基于深度学习的掌子面图像自动素描(如图15所示)。结合图像识别过程中的误(漏)识别数据不断更新模型，提高自动素描的准确率。

7)自动报表。在上传地质信息成果的同时，按预定模板自动生成相应报表，减少用户重复性报表编制工作，例如掌子面自动素描报表，如图16所示。

8)手机微信小程序，实时接收隧道地质异常警情，并支持在线实时查询隧道相关地质信息及地质异常信息的在线处置，如图17所示。

图8 隧道地质信息集成一体可视化展示

图9 隧道地质三维可视化预警

图10 隧道连续掌子面三维可视化展示

图11 隧道地质工作量实时统计与施作实时提醒

Fig. 11 Real-time statistics of tunnel geological workload and real-time reminder

图12 基于掌子面素描的隧道地质后评估

Fig. 12 Geology post-evaluation based on tunnel face automatic sketching

图13 预报成果判译辅助分析

Fig. 14 Prediction scheme dynamic adjustment in real time based on abnormal geology

3 工程应用

隧道地质信息系统TGIS已使用于(北)京张(家口)城际铁路、郑(州)万(州)高铁、张(家界)吉(首)怀(化)高铁、玉(溪)磨(憨)铁路等多条铁路线上的多座隧道。以郑(州)万(州)高铁小三峡隧道为例，施工前优化调整预报设计方案，共导入2.2万条预报计划数据，如图18所示。

Fig. 15 Tunnel face image automatic sketching based on deep learning

图16 掌子面自动素描报表

(a) (b)

图18 小三峡隧道预报计划统计

Fig. 18 Planning statistics of advanced geological prediction in Xiaosanxia Tunnel

隧道建设过程中，无一次预报延误，保证了预报的连续性。截至目前，累计预报施作共2 381次。小三峡隧道预报施作统计如图19所示。隧道施工中，分级推送黄色预警共13次，红色预警共3次，及时进行预警提醒并快速有效进行预警处置，避免了险情扩大。小三峡隧道预报地质异常预警统计如图20所示。

图19 小三峡隧道预报施作统计

Fig. 19 Implementation statistics of advanced geological prediction in Xiaosanxia Tunnel

图20 小三峡隧道预报地质异常预警统计

Fig. 20 Warning statistics of geological prediction anomaly in Xiaosanxia Tunnel

通过在多座隧道建设期间使用可知，隧道地质信息系统TGIS界面友好、运行稳定、效果良好，各项功能达到设计要求，相对于传统超前地质预报系统具有明显的优势，可普遍应用于隧道工程施工，为隧道地质信息化、精细化管控提供有效支撑。

4 结论与建议

1)通过融入与构建数据驱动业务流程算法，研发了新的隧道地质信息系统TGIS，高度集成了勘察设计阶段地质、施工阶段超前预报地质、掌子面开挖揭示地质，实现了基于数据驱动的预报方法优选、临近预报提醒、分级实时预警与有效处置、掌子面自动素描、预报成果辅助判识等功能，达到了隧道地质信息精细化管理的目的。

2)现场应用表明，隧道地质信息系统TGIS运行稳健，各项功能达到设计要求，可以很好地服务并指导隧道施工。但还需进一步实现预报数据采集、分析、处理的无缝衔接与成果判译的自动化水平。

3)采用隧道地质信息系统TGIS进行精细化管理是一种新的管理模式，目前还需进一步探索新的管理制度或方法予以配套实施。