城市轨道交通勘察信息化系统的设计与应用

王 典，郭清锋，袁 柱

（广州地铁设计研究院股份有限公司 广州 510010）

0 引言

城市轨道交通勘察场地主要为城区线状走廊带，具有作业线路长、周边环境复杂、勘察手段多样、外业时间长、原始数据体量大、安全质量监管难等特点，因此，城市轨道交通勘察具有很高的技术复杂性、环境敏感性和质量安全风险性。

当前GIS、移动互联网、物联网、5G 等技术快速发展，但勘察行业的信息化程度仍较低，大多数勘察企业信息化建设尚处于起步阶段［1］。多数勘察项目仍采用野外手工输入数据、旁站式管理、线下巡查、交付纸质表单、手动或半自动处理数据等方式，人为因素影响大导致数据可信度有时难以保证。并且，勘察人力消耗大、效率低、资料传递慢、过程难追溯，不利于质量、安全及成本控制。

根据国家住房和城乡建设部2021 年颁布的勘察相关法规［2］，钻探、取样、原位测试、室内试验等主要过程的影像资料应当留存备查；国家有关部门鼓励工程勘察企业采用信息化手段，实时采集、记录、存储工程勘察数据，鼓励工程勘察企业推进传统载体档案数字化，电子档案与传统载体档案具有同等效力。由此可见，勘察信息化包括作业手段信息化、数据档案电子化等内容，推行勘察信息化既是勘察企业保证勘察质量、提升勘察管理水平的必由之路，也是勘察行业发展的必然趋势。

1 研究背景

1.1 城市轨道交通勘察亟需解决的问题

1.1.1 勘察技术标准难落实、难统一

城市轨道交通工程线路长、工点多，勘察一般由多家单位联合完成，全线各工点勘探测试过程及成果标准应予以统一，一般由勘察设计总体单位编制和明确全线的勘察技术标准。实际工作中，由于涉及单位和人员多，勘探点分散，地质条件复杂多变，不同单位和人员完成的勘察工作难汇总、难比对校验，常常导致岩土定名与分层偏差、测试与取样偏离技术要求等问题，为进一步勘察资料整理、质量控制带来诸多不利。

1.1.2 城区勘察安全文明施工监管难度大

勘察安全文明施工是城市轨道交通勘察管理的突出重点和难点，管理人员必须时刻提防现场可能出现的安全文明施工隐患，但是，由于城市轨道交通勘察线路长，作业场地分散在街区、道路、公园、商业区、居民区等各类不同环境，现场监管受制于人力相对不足、作业标准的差异、人员在机台间辗转途中耗时较久、单个钻孔作业持续时间短、勘察设备流动性大等原因，勘察管理人员很难及时了解现场作业情况，即使了解作业情况后又常常不能迅速到达现场查看详情和处理解决问题。

1.1.3 传统记录方式效率低、易出错

目前勘察现场编录和钻探班组管理大多采用传统的“纸+笔”纸面记录方式，人员水平差异导致原始记录质量参差不齐，现场编录对于稍复杂的地质现象辨识是否正确、记录是否翔实高度依赖于技术人员经验与水平，人为因素影响显著，很容易造成不同项目、不同阶段、不同单位、不同项目组的野外编录标准不一，影响原始数据准确性。另外，纸面记录的勘察数据从野外到室内整理需要多级传递、多次转录，要投入大量人力且效率低，难以及时发现和校正错误数据。

1.1.4 勘察数据管理低效、价值发挥受限

野外勘探、原位测试和室内试验记录、影像资料等既是勘察报告编制的基础，也是需要留存备查的档案资料。传统勘察数据由于缺乏统一数据标准或采集的数据不规范，难以分析利用。由于传统勘察不能实时或迅速传递、共享数据，难以及时检查和校正原始数据。传统勘察的成果报告、勘探数据库缺少共享平台，造成勘察成果共享程度低，不仅难以检索和查询，而且不能使勘察数据进一步发挥出分析、研究和利用价值。

1.2 勘察信息化现状

近几年，国内勘察设计行业的勘察信息化技术取得了一系列理论成果与实践经验，呈现出系统结构趋于优化、总量持续增加的态势。郭丽丽等人［3-4］将GIS技术应用于岩土工程勘察信息系统，唐超［5］研究了轨道交通工程勘察外业数据的快速入库和信息化管理，蔡升华等人［6-9］研究了工程勘察内外业一体化平台，陈诗艾［10］研究了勘察外业数据采集信息化、外业远程监管、岩土试验信息化的关键技术，金宗川等人［11］实践和探索了工程勘察业务数字化转型的多种应用场景。

通过近几年的探索和应用，国内工程领域勘察企业信息化系统日趋完善，但针对城市轨道交通勘察特点，城市轨道交通工程信息化系统需满足勘探、测试和试验全过程勘察数据高效采集与管理、全线多个工点勘察作业同步动态管理、基于野外环境的施工作业视频监控、勘察各方协同办公及数据共享管理等要求，目前城市轨道交通勘察信息化方面的研究工作仍然较少，仍不满足当前的生产和管理需要。

2 系统架构及功能

2.1 系统架构

针对轨道交通勘察亟需解决的问题和轨道交通勘察信息化发展的需要，本单位研究和开发了广州城市轨道交通勘察信息化系统，系统组织架构如图1 所示。本系统通过勘察项目管理、勘察外业采集、土工试验数据采集、原位测试数据采集、勘察总体（含监理）管理、房屋基础调查等应用模块，构建了基于“GIS+多角色用户”的架构，实现勘察项目管理支持、协同作业、数据与信息管理。

图1 城市轨道交通勘察信息化系统架构Fig.1 Architecture of Urban Rail Transit Investigation Information System

2.1.1 项目管理支持

跟踪勘察质量、安全和进度管理目标，辅助编制勘察计划，动态分析并比较和预测勘察任务目标偏离情况，为勘察管理决策提供支持；在GIS地图上直观显示勘察项目信息和大量勘察数据，为勘察、设计、监测、建设、运营、地铁保护等单位提供管理支持。

2.1.2 协同作业

实现勘察、勘察总体（含监理）、建设等单位间协同工作和勘察信息共享，实现勘察数据和资料“不落地”及勘察全过程协同。

2.1.3 数据与信息管理

实现采集、存储、传递、加工和进一步整理勘探、原位测试和室内试验初始数据，管理勘察内、外业全过程记录表单，作业表单、试验数据、影像资料、成果报告实行数字化管理。

2.2 主要功能

勘察信息化系统包含勘察项目管理、勘察数据信息采集、勘察总体（含监理）管理、勘察成果管理4个子系统，具体包括勘察任务分配、人员及设备管理、进度与工作量统计、勘探大数据管理共14 个功能模块，系统功能架构示意图如图2所示。

图2 子系统及功能模块示意图Fig.2 Schematic Diagram of Subsystems and Functional Modules

3 工程应用

广州城市轨道交通勘察信息化系统于2020 年12月上线使用，先后已在粤港澳大湾区广州东至花都天贵、芳村至白云机场等多条城际线路、以及8 号线东延线、8 号线北延等轨道交通线路中全面应用，用户包括了勘察、设计、勘察总体（含监理）、建设单位等10 余家，应用的轨道线路总长超过260 km，已采集和处理勘探孔3.6 万个、勘探进尺140余万延米。

上述线路勘察实现了全过程信息化、全流程数据无纸化、流程审批在线化、视频监控全程化和实时化、各方办公协同化、质量和安全管理一体化，信息化系统研发的主要目标均已实现。

3.1 勘察项目管理

勘察项目管理功能主要包括城市轨道交通线路、工点管理，勘察项目信息管理，钻孔任务的创建与分配，勘察人员、钻探设备管理，钻探开孔安全管理、勘察进度与工作量统计分析、GIS地图展示勘察项目信息、勘察成果资料管理等。勘察项目管理、勘察进度统计分析应用分别如图3、图4所示。

图3 勘察项目信息概览Fig.3 An Overview of Investigation Project Information

图4 勘察进度统计分析Fig.4 Statistical Analysis of Investigation Progress

针对城市轨道交通勘察点多面广、安全文明施工要求高等管理难题，本系统设立了勘察安全作业开孔的标准流程，将逐孔交底、移位报批、挖探开孔、注浆封孔、终孔验收等制度固化为10 个标准步骤，勘察现场施工须按步骤将管线探测、挖探开孔、施工围蔽、封孔注浆等关键环节影像资料实时上传、永久保存，并在重要节点由管理人员进行审批确认。借助信息化手段，强化了对现场作业安全、文明施工的管控，减少了因钻探损伤地下管线和地下建（构）筑物事故。

利用GIS 技术在多源数据融合与数据表达方面的优势，将城市轨道交通线站位、勘察项目、钻孔位置等信息在GIS 地图上展示，实现在地图上实时查看勘察项目分布、钻孔分布和钻孔作业状态，查询施工中及已完工的钻孔柱状图，能够任意指定钻孔生成地质剖面图，为野外管理巡检、质量抽查、协同校验工作成果等提供了便利。

3.2 勘察数据信息采集

勘察质量水平很大程度受制于勘察原始数据的真实性、准确性。现场勘察技术人员使用手机APP 实时上传钻探回次记录、地层编录、取样、室内试验、原位测试记录等数据信息，并及时记录钻孔位置、作业时间、作业人员等信息，能实时生成钻孔柱状图、测试曲线图，确保了勘察数据采集与记录内容及时、真实、准确、完整和可追溯。广州城市轨道交通第三期建设规划调整线路及粤港澳大湾区城际线路均已全面应用轨道交通勘察信息化系统，部分线路的钻探、原位测试和室内试验数据采集的系统功能应用分别如图5、图6所示。

图5 勘探数据采集Fig.5 Acquisition of Exploration Data

图6 原位测试及土工试验数据采集Fig.6 Acquisition of In-situ Test and Geotechnical Test Data

3.3 勘察总体（含监理）管理

借助勘察信息化系统，勘察单位可发起提交开工报告、勘察大纲报审、钻孔准备检查、钻孔移位报审、工作周报或月报等流程，勘察总体（含监理）单位可发起旁站记录、勘察检查记录、整改通知等流程。各勘察参建单位在线上完成各项报审和审批流程，提高工作协作效率，确保各环节工作的规范性、及时性。

借助视频摄像头、物联网卡和计算机技术，实现钻探开孔至终孔验收作业全过程视频监控，现场作业视频可借助移动网络实时传回至本地服务器保存。在视频画面中内嵌工程名称、钻孔编号、司钻员、描述员等信息，并与钻孔编号建立映射关系，当前作业场景可实时查看，作业全过程的视频可随意回放，实现了野外作业过程可追溯。视频监控在勘察野外的应用，方便管理人员远程了解勘察作业情况，节省了人力资源，实现了勘察现场全方位全过程监控，消除了监管盲区，监督和约束作业人员行为，威慑了弄虚作假和违规作业，在质量、安全、工期和经济性多方面产生了效益。

3.4 勘察成果管理

轨道交通线路建设产生大量的勘探孔数据和勘察报告，长期以来这些数据和成果碎片化存储于不同单位的不同电子文件夹中，数据与成果访问、获取困难，数据共享交互度低，大量勘探数据不能重复利用分析、不能继续发挥数据价值。轨道交通勘察信息化系统通过互联网、云存储、云计算和GIS 等技术，实现了基于地图的勘探孔数据和勘察报告链块式存储、快速查询、便捷共享，并通过定制开发进一步分析和发掘勘探数据的价值。

本勘察信息化系统设计了开放式接口，可接入主流格式的勘探孔数据。截至2023 年1 月，广州轨道交通运营线路621 km，在建线路527 km，除早期建成的少数线路外，其余线路共计约14万个勘探孔数据均已纳入轨道交通勘察信息化系统管理，可在系统地图上在线显示与检索勘探孔和项目成果信息，可选取多个勘探孔联合成图分析，为线网范围的项目建设规划、施工与运维分析、岩土研究等提供大量可靠的基础数据支持。勘察成果管理的功能应用（以勘探孔为例）如图7所示。

图7 勘察成果（勘探孔）管理Fig.7 Management of Investigation Results（Boreholes）

4 结语

勘察信息化系统为城市轨道交通勘察技术和管理人员提供了易于获取、高效可靠的信息化服务，使长大线路工程统一勘察技术标准、保障勘察作业安全、确保勘察质量和勘察真实性、高效管理和利用勘察成果不再困难。借助勘察信息化系统，实现了勘察施工远程管理、信息表单无纸化记录、数据资料线上传输、多角色用户云端协同办公，革新了勘察作业和管理方式，改善了工作条件。勘察信息化系统应用带来的勘察质量、安全、效率、经济性提升是全方位的。

未来，勘察信息化系统还应结合城市轨道交通工程新的需求继续迭代、优化和完善，并在勘探测试数据融合、智能化判别、成果三维可视化、大数据价值挖掘、接入城市信息模型平台等方面深入探索，不断提高勘察信息化系统的应用价值。