輸電線路數字化巖土工程勘察技術研究

關國杰，譚光杰

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

我國“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要提出“加快數字化發展 建設數字中國”。數字技術革命將推動人類社會進入全新的數字經濟時代，傳統勘察設計行業的數字化發展和轉型勢在必行。

本文基于特高壓電網的輸電線路巖土工程勘察工作的實際需求和發展趨勢，創新研發了一系列的數據處理、采集、存儲軟件，對整個勘察作業過程進行數字化改造，進而實現了巖土工程勘察的數字化生產。

1 數字化巖土工程勘察技術理念

1.1 基本概念

生產數字化巖土工程勘察數據的巖土工程勘察活動稱為數字化巖土工程勘察，其中數字化巖土工程勘察數據指具有巖土工程勘察特定數據結構的數字化數據。

數字化巖土工程勘察技術的內涵可以理解為將巖土工程勘察成果以電子介質為載體、以離散化和標準化的數據庫或數據模型等特定數據結構進行記錄和傳遞；其核心內容是基于巖土工程勘察專業工作特點和生產方式進行的數據模型、數據結構和數據流程的定制化開發；其實現方式基于通用的軟件平臺和硬件模塊，面向的對象主要是巖土工程勘察專業人員，成品出資方式可以根據項目特點進行個性化定制。從外延來看，隨著移動互聯網技術快速發展和移動設備輕型化，巖土工程勘察成果的數據載體和傳輸方式發生了變化，數據生產的過程也正在全面數字化，比如：勘察數據的采集、傳輸、分享、處理、移交等多個環節正在朝著全過程數字化生產邁進。

1.2 與傳統巖土工程勘察的區別

與數字化巖土工程勘察相對應，生產傳統紙質或電子化勘察數據的巖土工程勘察活動可稱為傳統巖土工程勘察。對比分析來看，數字化巖土工程勘察或傳統巖土工程勘察的典型過程基本相同，分為活動策劃、執行、資料整理與校審、巖土工程勘察成果提交等4個過程。過程雖然相同，但兩者存在以下5點不同。

1)信息流及其載體發生了本質變化，傳統勘察為紙介質信息，數字化巖土工程勘察為標準格式化數據，有利于數據平臺集成[1]。

2)信息共享與分享方式發生根本性變化，數字化數據可通互聯網技術實時遠程分享，外業工程師和技術主管之間可以實現遠程實時協同工作，強化了巖土工程勘察過程管理，進而有效消除巖土工程勘察中大量不確定性問題，最大程度地避免“災難性勘察成果”，提高勘察成果質量，降低了質量風險[1]。

3)巖土工程勘察數據處理與勘察成果提交方式發生了變化。傳統巖土工程勘察很難針對同一勘察成果提供多格式版本，數字化巖土工程勘察可依據設計專業或業主需要快速提供不同數據格式表達的勘察成果，適應性和顧客滿意度更高。

4)基于前述生產過程中的數字化過程文件和成果資料，能快速建立數據庫，為發展數據挖掘或人工智能等新興技術儲備基礎數據。

5)數字化巖土工程勘察在輸電線路勘察中進一步提高了生產效率。

2 工作流程和主要技術方法

根據輸電線路巖土工程勘察的工作特點和生產實際，西南電力設計院勘測工程分公司自主開發了基于AutoCAD的圖件矢量化插件、地平線巖土擴展程序(Geo-line)、野外巖土工程勘察移動數據采集軟件(以下簡稱“多采APP”)等軟件。Geo-line可以實現的主要功能包括：多源數據存儲與轉換、原始數據整理、定制模板輸出成品。多采APP主要功能為野外數據的采集、存儲、整理、分析和分享，主要信息包括輸電線路野外工程地質調查和勘探數據，以及現場照片，現場巖土工程簡要分析評價，現場設計條件等相關內容，具體內容主要包括地貌單元、地形坡度、地物植被、地層巖性、地下水、不良地質作用、基礎形式建議、相關建議措施、桿塔根開和塔型、記錄時間、塔位現場照片等。

基于上述功能，中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司(以下簡稱“西南院”)巖土工程勘察團隊具備了實現從勘測大綱編制準備、外業勘察、現場過程管理、資料整理、成果提交、工地代表服務(以下簡稱“工代服務”)等全過程數字化勘察的能力。

數字化勘察的工作流程和主要技術方法如圖1所示。

圖1 數字化勘察全過程工作流程和主要技術方法

從2018年起，隨著多采APP正式投用至今，西南院自主開發的全套數字化勘察技術已經在白鶴灘—浙江±800 kV、駐馬店—武漢1 000 kV、雅中—江西±800 kV等特高壓線路工程以及川藏鐵路配套供電工程、白鶴灘電站左岸/右岸500 kV送出工程等多個超高壓線路工程中投入生產并成功應用。

3 勘察準備

數字化巖土工程勘察技術在勘察準備階段的主要功能是實現掃描圖矢量化技術和多源數據集成。

3.1 掃描圖矢量化技術

巖土工程勘察須建立在區域地質圖等基礎數據之上，因此掃描圖矢量化技術是數字化巖土工程勘察實現的前置技術。巖土工程勘察野外填圖完成的紙質或掃描區域圖，不能直接用于數字化集成，需通過矢量化技術將其轉換為數字化數據。西南院組建的專業團隊基于AutoCAD軟件自主開發了插件和Geo-line，能夠用于區域地質圖矢量化，也可以通過地理信息系統軟件圖像配準技術矢量化區域地質圖等掃描圖件。

經過幾十年的積累，已完成了大量全國及區域性基礎性的地質圖件坐標矢量化工作，并對近年來各工程收集到的礦權數據、地質災害數據完成了分類整理，建立了圖庫和相應的圖庫索引，基于Geo-line建立了基礎地質信息數據庫。在勘察大綱的準備階段，通過查詢數據庫中的已知地質信息，可以預先分析判斷場地的工程地質條件和主要巖土工程問題，優化勘探工作方案布置。該項工作的實施，對于工程項目在上述圖件中準確位置查詢、距離查詢、面積查詢得以實現。同時，對上述圖件中關鍵元素進行矢量化，將矢量化成果投射到公共地理信息平臺，實現了地質信息的快速疊加，使得工程項目從準備到實施階段可以綜合利用各類地質信息。

3.2 多源數據集成

通過前序矢量化圖件中地質信息的數字化收集，對于已有的區域地質、斷裂構造、礦產、地質災害、人類工程活動等多源數據通過Geoline進行疊加整合。同時，對于工作現場新收集到了礦權、地質災害、設施等信息，也可以隨時將其坐標信息添加至該工程的Geo-line數據庫中，進行動態管理。

通過以上工作，可實現工程所需地質信息的數據集成，集成后的數據可以選擇對應不同的坐標體系，疊加在各種比例的工程路徑底圖或公共地理信息平臺上，應用于室內室外的選線定位工作。尤其是在野外調查現場，可以方便、快速地查詢塔位附近的已知宏觀工程地質信息，輔助現場微觀調查和分析評價。Geo-line數據庫界面如圖2所示，某輸電線路工程數據集成情況如圖3所示。

圖2 地平線巖土擴展程序(Geo-line)界面

圖3 某輸電線路工程數據集成示意圖

通過前期多源數據集成的數字化巖土工程勘察比傳統巖土工程勘察相比更容易早發現問題。工程實踐中，編制勘測大綱之前，外業工程師和技術主管基于集成數據平臺完成勘測大綱編制前置的數據分析與判斷，發現并圈定潛在問題區，確定巖土工程勘察重點地段。

4 勘察外業工作

數字化巖土工程勘察技術在勘察外業工作中的主要功能體現在數據采集和數據整理2個階段。

4.1 數據采集

多采APP是基于安卓系統開發的適用于輸電線路工程外業現場勘查數據采集、存儲、整理、分析和分享的軟件，具有自主知識產權。

多采APP完全是基于巖土工程勘察實際工作場景和作業流程開發，塔位基本信息界面包括設計條件、地形地貌、地層巖性、地層深度、地震、地下水、不良地質、余土處理和勘探點信息等內容如圖4所示。通過標準化定制模板如圖5所示。

圖4 塔位基本信息界面

圖5 標準化定制模板和電子羅盤輔助采集界面

多采APP可以滿足不同勘察場景、不同項目特點，進行快速調整和適應；對于標準信息，可以采用選項內置的方式進行選擇，確保了記錄方式標準化，同時也豐富了采集信息來源的多樣性。其次，多采APP具有數據錄入類型多樣化的特點，可以錄入包含文本、數字、單選、多選、計算、查詢、圖像、視頻和音頻等30多種類型的數據。同時，可以實現遠程實時信息共享和協同，將現場工程地質調查的所有信息直接與總部共享，提高溝通效率和精度，有利于質量控制和提高工作效率。此外，結合手機內置的各種工具，還可輔助實測產狀、坡度等信息，為工程人員準確記錄現場工程地質條件提供了有效支撐。

同時，由于電子化采集對于重復簡單信息可以通過調用標準語句等進行填寫和修改，現場照片采集實現了自動編號和添加描述等功能，使得外業工程師在調查中的工作效率進一步得到提高。

4.2 數據整理

基于多采APP軟件，現場采集數據可以通過靈活調用不同字段或輸入判別條件，進行實時整理和查詢，有助于外業工程師和技術主管及時掌握現場定位的總體情況，同時輔助工程師進行現場快速分析和判斷，有效解決工程中的重點、難點問題，如物探測試數據多測點繪圖對比分析，以及地震動參數修正等現場工作難點，如圖6所示。

圖6 物探測試數據多測點繪圖對比分析?及地震動參數修正界面

5 過程動態管理

數字化巖土工程勘察質量過程管理框架如圖7所示。該框架包括利用數字化資料庫、基于數據集成平臺的巖土工程勘察策劃、巖土工程勘察執行、資料整理與校審、勘察成果移交等管理節點，各節點之間的動態循環用箭頭流程線表示。

圖7 數字化巖土工程勘察質量過程管理框架[1]

根據輸電線路工程外業勘察的特點，針對重點地段的調查和現場工程地質條件復雜地段，外業工程師現場調查期間可以利用多采APP的桿塔勘察模板或工程地質調查模板進行現場記錄，如圖8所示，并運用軟件分享功能，將打包在一起的照片、視頻、音頻以及文字信息進行現場實時共享。質量技術管理團隊的主工、科長可以在遠程運用手機或電腦端查看現場調查情況。必要時，可以借助辦公自動化(office automation，OA)移動辦公軟件或企業微信等即時通訊工具進一步輔助巖土工程勘察和遠程指導。通過使用數字化勘察技術，現場勘察采集的信息可以及時有效地傳遞給技術主管團隊，從而有效提高了外業作業效率和質量。

圖8 遠程分享現場調查信息示意圖

針對現場選線和定位成果，外業工程師定期將整理好的數字化成果分享給主工和科長進行室內校審，并建立過程質量管理問答跟蹤表，如圖9所示。由問題位置、提問、回答和狀態四大部分組成，全過程跟蹤和記錄問題的解決過程，直到完成后關閉。

圖9 過程質量管理問答跟蹤表示意圖

6 內業資料整理和工代服務

6.1 內業資料整理

多采APP軟件采集的現場原始數據可以直接導入Geo-line中，其中的對應字段和格式已經在自主開發程序時進行了協調統一，能夠實現原始資料快速入庫建立工程數據庫。在成品資料整理過程中，可以按照不同工程的要求，定制成品一覽表格式模板，進行成品資料的編輯，具有較好的靈活性。內業資料整理數字化生產流程如圖10所示，其中，數據庫中內置了查詢統計等功能，可以實現快速排序、檢索等功能，提高了內業資料整理效率和出手質量。

圖10 內業資料整理數字化生產流程示意圖

數字化勘察技術的運用，省略了在室內將紙質版資料重新輸入原始數據等過程，大幅節約了內業資料整理時間；數據現場采集也因為標準字段等快捷功能的引入，比以往紙質記錄更規范高效。另外，成品資料的數據庫可以方便導出并轉化為設計專業需要的格式，在勘測設計協同方面具有明顯的效率優勢。

6.2 工代服務

結合生產實際，在大部分線路工程已實現成品資料的數據庫管理后，基于多采APP軟件靈活的表單化配置功能，定制開發了塔位處理模板(如圖11所示)和工代驗槽模板(如圖12所示)，用于工代服務。工代可以將成品數據庫快速導入智能移動終端多采APP軟件中，在塔位處理和工代驗槽現場，快速方便地查看施工圖勘察成果資料，對現場調查和驗槽信息及時記錄、比對，從而提高工代服務效率。同時，工代處理記錄的數字化，進一步補充完善了施工和運行過程中的重要反饋信息，為總結工程經驗和促進專業技術發展積累寶貴的數據資料。

圖11 塔位處理模板界面

圖12 工代驗槽照片記錄成果

7 結語

通過工程實踐不斷探索和優化研發，筆者所在單位團隊自主開發的AutoCAD圖件矢量化插件、Geo-line、多采APP等系列軟件相繼投入生產實踐，具備了輸電線路工程從勘察準備、外業勘察、過程動態管理、內業資料整理到工代服務全過程數字化巖土工程勘察能力。

現有軟件功能開發需求與實際生產流程、質量技術要求方面高度契合，全流程系統化運行兩年多以來，該數字化巖土工程勘察技術已經成功應用到多個特高壓和超高壓輸電線路工程，體現出架構設計合理、使用便捷高效、應用場景豐富、多源信息集成和運行安全穩定等特點，達到了提升工作效率、強化輸電線路工程過程質量管理的目的。后續將研發基于更多應用場景和需求的模板，豐富和延伸其應用領域，為后期基于大數據挖掘和人工智能等數字化新興技術的進一步發展奠定基礎。