轨道交通工程勘察全过程一体化信息系统的建设与应用

朱 霞，马全明，唐 超，胡晓飞，邢立军，李芳凝

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101）

1 研究背景

近年来，随着计算机技术的广泛应用，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，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，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陆续被开发，以程序化的方式，替代了繁琐的手工计算[1]。2009—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[2]。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[3]。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[4]。2017年，裴丽娜等研发了基于Android 的工程勘察数字采集系统[5]。2018 年，李进敏等对工程地质内外业一体化平台进行了研究[6]。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[7]。2020 年，张金平对公路工程地质数据采集系统进行了研究[8]。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地流动和传输，没有体现岩土工程勘察全过程信息化的理念。2020 年，曹聚凤等对贵州省岩土工程勘察内外业一体化系统进行了探讨[9]。2020 年，王立等对内外业一体化作业系统的设计和实现要点进行了深入分析[10]。综上所述，勘察内外业一体化系统确实是勘察行业未来的发展趋势，但用于轨道交通工程的案例较少。

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问题。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地串联起来，实现勘察生产全过程一体化作业，这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 研究目标

针对轨道交通线性工程线路长、跨度大、地质情况复杂、标准不统一等特点，基于统一的顶层架构设计、统一的数据标准和接口规范，针对勘察生产的各关键环节，开发相应的信息化软件，使勘察外业、内业、试验等不同生产环节的信息得以关联、流转，相互之间产生协同交互，把整个勘测设计过程有机地串联起来，做到各环节之间的数据和信息能够互联互通，进而提高勘察生产效率，降低劳动强度。

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，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。

3 顶层设计

本信息化系统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。

3.1 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，同时又满足业主、政府质量监管需求的总体架构设计，如图1 所示。

图1 总体架构设计 Figure 1 Overall architecture design

针对勘察生产不同环节，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，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。

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、设计等生产全过程的质量监管。

3.2 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应用层、业务层、数据层、基础层4 个层次，如图2 所示。

1) 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。

2) 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。

3) 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MySQL 数据库，服务端采用MySQL 数据库。

4) 基础层。它是系统硬件支撑，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。

3.3 数据库设计

数据库设计的核心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3 个业务系统进行统一架构设计。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3 个小类；公共表由外业、内业和土工试验3个系统共用，其中外业表由外业采集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(见图3)。

在数据库整体架构设计下，勘察数据的内部流转如下：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上留有备份，以保证数据的安全性和可追溯性。

图2 系统逻辑架构 Figure 2 System logic architecture

4 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，使本软件在功能设计上着重体现对业务流程的全面支持，将方案策划、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、资料归档等功能点作为基本要求，涵盖岩土工程勘察全业务范畴，着力打造平台级专业支撑体系。同时，从功能设计、实现方式等方面体现专业性，既符合用户的专业使用习惯，又要在业务流程设计中 具备一定的弹性，能适应业务流程的变更。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3 个子系统(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)为例，说明系统的主要功能设计。

图3 数据库设计 Figure 3 Database design

4.1 勘察外业采集子系统

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，再进行后续的内业数据处理和计算工作，从而简化内、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机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。野外钻探记录表自动生成的软件界面如图4 所示。

4.2 勘察生产管理子系统

勘察生产管理子系统主要是面向勘察生产，提供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的优化，适应勘察单位的长远需求。

图4 野外钻探记录表自动生成界面 Figure 4 Interface of automatically generated field drilling records

系统基于GIS 技术使工程管理可视化，将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；实现勘察大纲和成果资料的线上审核，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；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；研发以钻孔为基础，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；研发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；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，规范勘察数据中的描述、岩土定名、地质成因、时代、钻孔图例等通用字典；兼容市场上主流的勘察软件，支持主流勘察软件数据的快捷导入导出，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，将数据汇交到工程勘察质量监管子系统。系统地图可视化展示、成果表生成、成果图生成、纲要审核及成果审核软件界面如图5～8 所示。

图5 地图可视化展示 Figure 5 Map visualization

图6 成果表生成 Figure 6 Achievement table generation

4.3 工程勘察质量监管子系统

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。

图7 成果图生成 Figure 7 Achievement map generation

图8 纲要审核及成果审核 Figure 8 Outline review and achievement review

系统对所有正在实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，查看勘探点的钻探进度、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，对外业钻探数据的异常进行提醒，以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。系统视频监控查看、费用结算管理软件界面如图9、10 所示。

图9 视频监控查看 Figure 9 Video surveillance view

图10 费用结算管理 Figure 10 Cost settlement management

5 关键技术

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 在线编辑等作为主要技术支撑，从而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。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。

5.1 数据同步技术

轨道交通工程多处于地下、山洞、山区等，勘察工程师所处的工作环境难以保证都具备网络通信条件，因此勘察一体化系统的开发应考虑离线使用的实际需求。

为更好地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。

为满足以上功能需求，系统的技术实现路线如下：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，服务端的在线数据选自MySQL、SQLServer 数据库，客户端的离线数据选自SQLite 数据库，客户端与服务端通过网络通信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；如果本地有数据，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同步。多台客户端之间的数据同步和共享，需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，同时又保证服务端和客户端数据的统一性。

5.2 全线统一分层管理

由于勘察行业的历史原因，工程勘察领域往往对同一地区的地层划分有不同的见解，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，就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，通过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，具体实现步骤如下：

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；在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，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，需要修改则返回工程标准地层表进行。

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工程标准地层表中；若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；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。

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，但各项目之间的描述可以有区别。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，也兼顾了项目之间描述差异的个性化需求。

6 应用推广

该系统为本单位的内部科研项目，于2018 年12 月31 日开发完成，并通过勘测院内部专家验收。系统经过一段时间的试运行，本单位所有涉及勘察专业的专业院和各外埠分院均减少了重复性工作，个别项目的工作效率提升达30%～50%，降低生产成本达20%～30%。截至目前，本单位32 个部门、597 个用户，共计新增283 个项目、14 594 个钻孔。

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、资料存档全过程的一体化管理，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，提高了勘察成果的管理和应用水平。

同时，通过统一的数据标准和接口标准，帮助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、深圳等地的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的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的勘察企业和工程勘察质量监管部门推广。

7 结语

采用轨道交通岩土工程勘察全过程一体化信息系统，从本质上解决了数据沟通成本的问题；基于全流程一体化的设计思路，打通了全部生产环节。从短期看，可以提升作业效率，规范作业流程，有效提升勘察质量监管水平；从长期看，可以积累勘察行业的大数据，逐渐构建城市勘察大数据系统，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。