输电线路数字化岩土工程勘察技术研究

关国杰，谭光杰

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出“加快数字化发展 建设数字中国”。数字技术革命将推动人类社会进入全新的数字经济时代，传统勘察设计行业的数字化发展和转型势在必行。

本文基于特高压电网的输电线路岩土工程勘察工作的实际需求和发展趋势，创新研发了一系列的数据处理、采集、存储软件，对整个勘察作业过程进行数字化改造，进而实现了岩土工程勘察的数字化生产。

1 数字化岩土工程勘察技术理念

1.1 基本概念

生产数字化岩土工程勘察数据的岩土工程勘察活动称为数字化岩土工程勘察，其中数字化岩土工程勘察数据指具有岩土工程勘察特定数据结构的数字化数据。

数字化岩土工程勘察技术的内涵可以理解为将岩土工程勘察成果以电子介质为载体、以离散化和标准化的数据库或数据模型等特定数据结构进行记录和传递；其核心内容是基于岩土工程勘察专业工作特点和生产方式进行的数据模型、数据结构和数据流程的定制化开发；其实现方式基于通用的软件平台和硬件模块，面向的对象主要是岩土工程勘察专业人员，成品出资方式可以根据项目特点进行个性化定制。从外延来看，随着移动互联网技术快速发展和移动设备轻型化，岩土工程勘察成果的数据载体和传输方式发生了变化，数据生产的过程也正在全面数字化，比如：勘察数据的采集、传输、分享、处理、移交等多个环节正在朝着全过程数字化生产迈进。

1.2 与传统岩土工程勘察的区别

与数字化岩土工程勘察相对应，生产传统纸质或电子化勘察数据的岩土工程勘察活动可称为传统岩土工程勘察。对比分析来看，数字化岩土工程勘察或传统岩土工程勘察的典型过程基本相同，分为活动策划、执行、资料整理与校审、岩土工程勘察成果提交等4个过程。过程虽然相同，但两者存在以下5点不同。

1)信息流及其载体发生了本质变化，传统勘察为纸介质信息，数字化岩土工程勘察为标准格式化数据，有利于数据平台集成[1]。

2)信息共享与分享方式发生根本性变化，数字化数据可通互联网技术实时远程分享，外业工程师和技术主管之间可以实现远程实时协同工作，强化了岩土工程勘察过程管理，进而有效消除岩土工程勘察中大量不确定性问题，最大程度地避免“灾难性勘察成果”，提高勘察成果质量，降低了质量风险[1]。

3)岩土工程勘察数据处理与勘察成果提交方式发生了变化。传统岩土工程勘察很难针对同一勘察成果提供多格式版本，数字化岩土工程勘察可依据设计专业或业主需要快速提供不同数据格式表达的勘察成果，适应性和顾客满意度更高。

4)基于前述生产过程中的数字化过程文件和成果资料，能快速建立数据库，为发展数据挖掘或人工智能等新兴技术储备基础数据。

5)数字化岩土工程勘察在输电线路勘察中进一步提高了生产效率。

2 工作流程和主要技术方法

根据输电线路岩土工程勘察的工作特点和生产实际，西南电力设计院勘测工程分公司自主开发了基于AutoCAD的图件矢量化插件、地平线岩土扩展程序(Geo-line)、野外岩土工程勘察移动数据采集软件(以下简称“多采APP”)等软件。Geo-line可以实现的主要功能包括：多源数据存储与转换、原始数据整理、定制模板输出成品。多采APP主要功能为野外数据的采集、存储、整理、分析和分享，主要信息包括输电线路野外工程地质调查和勘探数据，以及现场照片，现场岩土工程简要分析评价，现场设计条件等相关内容，具体内容主要包括地貌单元、地形坡度、地物植被、地层岩性、地下水、不良地质作用、基础形式建议、相关建议措施、杆塔根开和塔型、记录时间、塔位现场照片等。

基于上述功能，中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司(以下简称“西南院”)岩土工程勘察团队具备了实现从勘测大纲编制准备、外业勘察、现场过程管理、资料整理、成果提交、工地代表服务(以下简称“工代服务”)等全过程数字化勘察的能力。

数字化勘察的工作流程和主要技术方法如图1所示。

图1 数字化勘察全过程工作流程和主要技术方法

从2018年起，随着多采APP正式投用至今，西南院自主开发的全套数字化勘察技术已经在白鹤滩—浙江±800 kV、驻马店—武汉1 000 kV、雅中—江西±800 kV等特高压线路工程以及川藏铁路配套供电工程、白鹤滩电站左岸/右岸500 kV送出工程等多个超高压线路工程中投入生产并成功应用。

3 勘察准备

数字化岩土工程勘察技术在勘察准备阶段的主要功能是实现扫描图矢量化技术和多源数据集成。

3.1 扫描图矢量化技术

岩土工程勘察须建立在区域地质图等基础数据之上，因此扫描图矢量化技术是数字化岩土工程勘察实现的前置技术。岩土工程勘察野外填图完成的纸质或扫描区域图，不能直接用于数字化集成，需通过矢量化技术将其转换为数字化数据。西南院组建的专业团队基于AutoCAD软件自主开发了插件和Geo-line，能够用于区域地质图矢量化，也可以通过地理信息系统软件图像配准技术矢量化区域地质图等扫描图件。

经过几十年的积累，已完成了大量全国及区域性基础性的地质图件坐标矢量化工作，并对近年来各工程收集到的矿权数据、地质灾害数据完成了分类整理，建立了图库和相应的图库索引，基于Geo-line建立了基础地质信息数据库。在勘察大纲的准备阶段，通过查询数据库中的已知地质信息，可以预先分析判断场地的工程地质条件和主要岩土工程问题，优化勘探工作方案布置。该项工作的实施，对于工程项目在上述图件中准确位置查询、距离查询、面积查询得以实现。同时，对上述图件中关键元素进行矢量化，将矢量化成果投射到公共地理信息平台，实现了地质信息的快速叠加，使得工程项目从准备到实施阶段可以综合利用各类地质信息。

3.2 多源数据集成

通过前序矢量化图件中地质信息的数字化收集，对于已有的区域地质、断裂构造、矿产、地质灾害、人类工程活动等多源数据通过Geoline进行叠加整合。同时，对于工作现场新收集到了矿权、地质灾害、设施等信息，也可以随时将其坐标信息添加至该工程的Geo-line数据库中，进行动态管理。

通过以上工作，可实现工程所需地质信息的数据集成，集成后的数据可以选择对应不同的坐标体系，叠加在各种比例的工程路径底图或公共地理信息平台上，应用于室内室外的选线定位工作。尤其是在野外调查现场，可以方便、快速地查询塔位附近的已知宏观工程地质信息，辅助现场微观调查和分析评价。Geo-line数据库界面如图2所示，某输电线路工程数据集成情况如图3所示。

图2 地平线岩土扩展程序(Geo-line)界面

图3 某输电线路工程数据集成示意图

通过前期多源数据集成的数字化岩土工程勘察比传统岩土工程勘察相比更容易早发现问题。工程实践中，编制勘测大纲之前，外业工程师和技术主管基于集成数据平台完成勘测大纲编制前置的数据分析与判断，发现并圈定潜在问题区，确定岩土工程勘察重点地段。

4 勘察外业工作

数字化岩土工程勘察技术在勘察外业工作中的主要功能体现在数据采集和数据整理2个阶段。

4.1 数据采集

多采APP是基于安卓系统开发的适用于输电线路工程外业现场勘查数据采集、存储、整理、分析和分享的软件，具有自主知识产权。

多采APP完全是基于岩土工程勘察实际工作场景和作业流程开发，塔位基本信息界面包括设计条件、地形地貌、地层岩性、地层深度、地震、地下水、不良地质、余土处理和勘探点信息等内容如图4所示。通过标准化定制模板如图5所示。

图4 塔位基本信息界面

图5 标准化定制模板和电子罗盘辅助采集界面

多采APP可以满足不同勘察场景、不同项目特点，进行快速调整和适应；对于标准信息，可以采用选项内置的方式进行选择，确保了记录方式标准化，同时也丰富了采集信息来源的多样性。其次，多采APP具有数据录入类型多样化的特点，可以录入包含文本、数字、单选、多选、计算、查询、图像、视频和音频等30多种类型的数据。同时，可以实现远程实时信息共享和协同，将现场工程地质调查的所有信息直接与总部共享，提高沟通效率和精度，有利于质量控制和提高工作效率。此外，结合手机内置的各种工具，还可辅助实测产状、坡度等信息，为工程人员准确记录现场工程地质条件提供了有效支撑。

同时，由于电子化采集对于重复简单信息可以通过调用标准语句等进行填写和修改，现场照片采集实现了自动编号和添加描述等功能，使得外业工程师在调查中的工作效率进一步得到提高。

4.2 数据整理

基于多采APP软件，现场采集数据可以通过灵活调用不同字段或输入判别条件，进行实时整理和查询，有助于外业工程师和技术主管及时掌握现场定位的总体情况，同时辅助工程师进行现场快速分析和判断，有效解决工程中的重点、难点问题，如物探测试数据多测点绘图对比分析，以及地震动参数修正等现场工作难点，如图6所示。

图6 物探测试数据多测点绘图对比分析 及地震动参数修正界面

5 过程动态管理

数字化岩土工程勘察质量过程管理框架如图7所示。该框架包括利用数字化资料库、基于数据集成平台的岩土工程勘察策划、岩土工程勘察执行、资料整理与校审、勘察成果移交等管理节点，各节点之间的动态循环用箭头流程线表示。

图7 数字化岩土工程勘察质量过程管理框架[1]

根据输电线路工程外业勘察的特点，针对重点地段的调查和现场工程地质条件复杂地段，外业工程师现场调查期间可以利用多采APP的杆塔勘察模板或工程地质调查模板进行现场记录，如图8所示，并运用软件分享功能，将打包在一起的照片、视频、音频以及文字信息进行现场实时共享。质量技术管理团队的主工、科长可以在远程运用手机或电脑端查看现场调查情况。必要时，可以借助办公自动化(office automation，OA)移动办公软件或企业微信等即时通讯工具进一步辅助岩土工程勘察和远程指导。通过使用数字化勘察技术，现场勘察采集的信息可以及时有效地传递给技术主管团队，从而有效提高了外业作业效率和质量。

图8 远程分享现场调查信息示意图

针对现场选线和定位成果，外业工程师定期将整理好的数字化成果分享给主工和科长进行室内校审，并建立过程质量管理问答跟踪表，如图9所示。由问题位置、提问、回答和状态四大部分组成，全过程跟踪和记录问题的解决过程，直到完成后关闭。

图9 过程质量管理问答跟踪表示意图

6 内业资料整理和工代服务

6.1 内业资料整理

多采APP软件采集的现场原始数据可以直接导入Geo-line中，其中的对应字段和格式已经在自主开发程序时进行了协调统一，能够实现原始资料快速入库建立工程数据库。在成品资料整理过程中，可以按照不同工程的要求，定制成品一览表格式模板，进行成品资料的编辑，具有较好的灵活性。内业资料整理数字化生产流程如图10所示，其中，数据库中内置了查询统计等功能，可以实现快速排序、检索等功能，提高了内业资料整理效率和出手质量。

图10 内业资料整理数字化生产流程示意图

数字化勘察技术的运用，省略了在室内将纸质版资料重新输入原始数据等过程，大幅节约了内业资料整理时间；数据现场采集也因为标准字段等快捷功能的引入，比以往纸质记录更规范高效。另外，成品资料的数据库可以方便导出并转化为设计专业需要的格式，在勘测设计协同方面具有明显的效率优势。

6.2 工代服务

结合生产实际，在大部分线路工程已实现成品资料的数据库管理后，基于多采APP软件灵活的表单化配置功能，定制开发了塔位处理模板(如图11所示)和工代验槽模板(如图12所示)，用于工代服务。工代可以将成品数据库快速导入智能移动终端多采APP软件中，在塔位处理和工代验槽现场，快速方便地查看施工图勘察成果资料，对现场调查和验槽信息及时记录、比对，从而提高工代服务效率。同时，工代处理记录的数字化，进一步补充完善了施工和运行过程中的重要反馈信息，为总结工程经验和促进专业技术发展积累宝贵的数据资料。

图11 塔位处理模板界面

图12 工代验槽照片记录成果

7 结语

通过工程实践不断探索和优化研发，笔者所在单位团队自主开发的AutoCAD图件矢量化插件、Geo-line、多采APP等系列软件相继投入生产实践，具备了输电线路工程从勘察准备、外业勘察、过程动态管理、内业资料整理到工代服务全过程数字化岩土工程勘察能力。

现有软件功能开发需求与实际生产流程、质量技术要求方面高度契合，全流程系统化运行两年多以来，该数字化岩土工程勘察技术已经成功应用到多个特高压和超高压输电线路工程，体现出架构设计合理、使用便捷高效、应用场景丰富、多源信息集成和运行安全稳定等特点，达到了提升工作效率、强化输电线路工程过程质量管理的目的。后续将研发基于更多应用场景和需求的模板，丰富和延伸其应用领域，为后期基于大数据挖掘和人工智能等数字化新兴技术的进一步发展奠定基础。