新基建背景下的智能勘察設計發展研究

任軍輝，張衛龍，2，武瑞宏，任曉春，2，石 碩，鄧 川

（1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043；2. 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西西安 710043）

1 引言

新基建這個概念于2018年12月在中央經濟工作會議上被首次提出，隨后納入政府工作報告中，并作為國家“十四五”規劃和 2035 年遠景目標綱要[1]。新基建是貫徹智慧經濟時代新發展理念，促進吸收新科技革命成果，實現國家生態化、數字化、智能化、高速化、新舊動能轉換與經濟結構對稱態，建立現代化經濟體系的國家基礎設施建設。其以經濟發展為主導、科技革新為核心、信息智能化交互為媒介，以新發展為理念，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，是面向高質量發展的需要；是提供數字轉型、智能升級、融合創新等服務的基礎設施體系[2]。新基建不僅具有基建投資屬性，也是供給側結構性改革的重要環節，是實現綠色經濟、雙碳經濟戰略的重要途徑與基礎設施保障，同時為傳統陸路交通等基建行業帶來新的機遇與挑戰。新基建與交通強國戰略相輔相成，同為“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃的延續，是支撐國內經濟大循環、國際經濟交流循環的“雙循環”發展理論基礎[3]，是后疫情時代拉動世界最大最全工業產業門類發展的催動劑，可與新工藝技術共同降低產品的物流成本與生產成本，拉動國內經濟內循環，消減區域產業不均衡與經濟發展不均衡帶來的限制作用，大力綜合發展各地產業優勢，提升我國產品技術在國際上的競爭優勢。

勘察設計是基建工程建設的先遣，其成果及技術服務覆蓋整個項目工程全生命周期，為其建立工程時空基準、技術規范、綜合形態標準等，支撐項目數字孿生平臺與協同平臺構建，并時刻引進吸收交叉學科新技術，同時最先面臨新型產業的沖擊，具有技術革新特性強與技術迭代時效性短的特性。因此必然在新基建時代背景下，主導并參與智能化技術的推廣應用，牽引整個基建行業在交通強國戰略經濟與市場需求刺激下，完成行業供給側結構性改革，帶領一大批深耕創新領域的企業進入新時代，實現從勞動密集型到以人工智能（AI）輔助的智能化知識產權事務型企業的轉變，壓縮內外業人工干預空間，降低人工成本輸出，保持在未來工業4.0產業鏈中長期占據領導地位與競爭優勢。智能勘察設計的目的是融合新基建、新技術成果，迭代推進新基建建設，可見勘察設計智能化發展與交通強國戰略、新基建密切相關。

智能化勘察設計體系的發展形態與發展方向，需與新型技術緊密結合，面向國內經濟發展與國民亟需的需求。針對不同用戶群體，通過從不同體系層次闡述智能化勘察設計體系建設需構建的體系架構，剖析不同架構節點自身與節點間的功能與銜接關系，闡明現階段智能勘察設計需攻克的技術難題與業務增長點。智能化勘察設計圖如圖1所示，展示出勘察設計智能化體系構造。

2 數據感知

數據感知是工程基建實施的基礎與數據獲取的接口，傳統勘察設計數據感知模式解決數據有無的問題，數據感知方式單一、平臺協同度低，無法及時評估數據的質量。高效獲取完整有效數據，智能化數據感知體系則追求數據的有效性、完整性、高效性、適用性協同采集模式，把數據預處理技術、時空對齊同步技術、質量檢查、數據缺失檢測、環境自適應技術、智能數據感知技術等從事后處理階段下沉至外業裝備采集階段。并集成多源傳感器，實現設備之間的協同耦合，增加采集設備智能化的同時，降低人工成本與時間成本，為后續處理提供更為標準化、抽象化、友好型的數據接口，方便實現海量數據直接協同解譯。智能化的數據感知能力是智能化工程的重要標志之一，也是智能化勘察設計首要解決技術問題與科學問題之一。智能勘察設計活動成果覆蓋工程全生命周期，涉及多個專業領域，整合了多個行業作業成果，成果形式不盡相同，數據體量與模式迥異，必然針對不同感興趣信息與需求采用適應的采集方式與數據模態，其采集平臺涵蓋航天、航空、地面、地下、水下等多層次多方位泛化數據；另外隨著新型感知手段的推廣、高性能工業智造的加持、新一代信息技術的變革，出現多樣化的數據標準、便攜性的采集手段與數據感知方式，導致智能勘察設計感知數據模態迥異、形式復雜。一般智能化勘察設計涉及的感知數據可分為地理空間數據、屬性數據、元數據、業務數據等，數據感知示意圖如圖2所示。

3 知識數據管理

現階段勘察設計知識數據管理停留在數據的信息化階段，勘察設計數據信息化面臨以下難點。

（1）數據孤島現象突出，現場大量一手資料以紙質為主，以照片與視頻等其他信息化手段為輔助，數據數字化不完全，數據數字化標準雜亂[4]。一方面由于行業標準更新滯后于技術的發展，需要存檔原始紙質資料數據；另外新技術的穩定性、可靠性與工程現實狀況需求有差距，無法適應工程實際復雜多變的環境，技術推廣動力與需求不適配；再者缺少便攜交互式友好的終端采集設備，以方便長期從事行業工程勘察設計人員操作。

（2）各勘察設計部門使用平臺參差不齊，專業產品數字化標準與智能化數據交互接口有差距，上下游產業關注的數據要點不同，存在專業知識壁壘，無縫數據共享能力與未來行業需求不匹配。

（3）數據共享安全性要求與措施實現困難，大型基建工程或國家重點基建工程需要嚴格保障數據安全、設施安全，數據的可靠性共享傳輸、安全驗證技術有待提高，需發展以區塊鏈技術、量子加密技術為核心的自主數據傳輸手段。

（4）勘察設計數據工程針對性強，參考價值與數據挖掘能力差，缺乏統籌管理、信息分析的能力，需歸集工程數據，以便建設企業知識數據管理平臺，實現數據資產創收。

智能化勘察設計處理的對象為通過各種采集手段獲取的多源異構多時相數據、屬性數據、業務數據、設計生成數據、施工數據等知識數據集。進入大數據時代之后，其數據復雜度、數據規模、數據使用效率出現了明顯差異[5]，數據呈現海量化、多元化、多行業關聯性發展，內在有效信息種類豐富與重要性日益凸顯，不能簡單通過傳統主流專業軟件加工處理。高效的時空大數據關聯與管理、信息挖掘、信息提取等技術為更智能服務提供可能性，但海量的異源數據面臨著組織、存儲、查詢、安全等管理的問題，需建立空間關聯、屬性關聯、業務事件關聯等混合關系關聯。構建不同業務主數據信息流交換接口，實時異構分布式存儲、計算、渲染、交互機制，支撐地理查詢、約束查詢、語義查詢、自然語言查詢等，最終實現基于大數據的知識數據管理體系，知識數據管理如圖 3所示。

4 數據協同處理

充分發揮大數據優勢，統籌挖掘勘察設計數據信息化穿透能力，協同處理工程全生命周期、全工序數據，是勘察設計領域智能化的必然基礎技術保障，是衡量體系智能化、信息化的重要指標之一，也是當前面臨的技術難點與業務痛點[6]。需要與之配套“微生態”數據協同處理與數據標準，借助物聯網、大數據、人工智能等先進技術手段，為智能勘察設計提供良好的技術變革支撐，以適應更復雜艱險環境，實現智慧知識庫建設與智慧數據服務體系，為其構造了豐富、清晰的行業未來期望[7]。

在勘察數據交付方面，隨著三維重建技術的發展，對實景三維的質量要求從幾何精度擴展到結構精度，期望室內外一體精細孿生數字產品，追求精細化、結構化綜合三維實體地理要素成果交付，方便銜接規劃設計平臺直接素材取樣與結構要素提取，解決傳統水密表層建模方式只能生產數據背景的窘境。但浪費了大量潛在的信息，中間成果也不能直接滿足后續規劃設計、精細設計的要求，需要進一步拓寬勘察與設計行業的數據流帶寬，延伸基礎數據應用深度與廣度。

在信息化設計方面，出現以建筑信息模型聯合擴展技術（BIM+）[8]為主導的協同設計技術，通過與其他新型信息技術耦合完成不同的任務，將業務功能、裝配流程、全生命周期以及元數據等集成，形成全數字化仿真，是數字孿生世界下實景的主要成模、分析手段。其具有數字化智能設計與業務智能化處理兩大特點，推動設計行業從模型重建復刻到正向設計發展、智能化設計發展[9-10]。

在數據綜合處理方面，多元數據融合、協同耦合增強數據質量工程需求強烈，需處理海量異構數據，提取增強感興趣信息，傳統的淺層學習無法解析異源異構數據，現行的深度學習方式隨著處理數據的復雜度增加，其處理精度依賴體量龐大的樣本數據，增加了樣本網絡泛化、推廣的成本與難度。必然需要以遷移學習為代表的新技術修正、完善人工智能處理技術體系，也是未來智能化勘察設計降低數據處理成本的必然途徑。

在數據協同交流方面，分布式與云技術的發展，為各終端角色協同處理大數據提供了技術實現手段，解決了單一平臺物理限制，實現無縫協作處理感知體驗。所有的業務終端基于瀏覽器和服務器架構模式（B/S），采用新一代網頁（web）開發技術構建客戶端與后臺端，無須受到硬件平臺類型的限制，根據業務類型的需求采用同步或異步方式最大限度利用現有資源與降低服務延時，海量三維數據渲染依賴新一代web顯示技術框架，打包集成像素流、渲染流等云渲染技術，利用第五代通信技術（5G）超帶寬與低延時技術解決傳輸失真與實時問題[11]，利用分布式圖形處理器（GPU）調度技術解決本地數據流解析與單一終端資源受限問題。

數據協同處理不僅需要協同各終端數據流交流處理，還需為用戶提供浸入式協同處理體驗，數字孿生技術解決了實景三維場景在時空序列空間的鏡像與業務處理能力，但其呈現方式還是以二維顯示器切片形式展示，海量的復雜高維度數據匯集爆炸式呈現，影響用戶便捷式操作。需發展浸入式體感交互操作接口，為未來智能產業數字化社區生態圈提供生物意識操作端口，迎接基于元宇宙的下一場信息革新，數據協同處理示意圖如圖4所示。元宇宙不僅是現實世界的擴容，不同于數字孿生僅是真實世界數字實體鏡像、數字世界的底層數據，是視覺浸入式的高級產物，作為平行世界的前序，在元宇宙中可以完成全數字化的社會產業運作，從某種層次看其已經實例化至不同領域，且提供了不同行業兼容性接口，實現數據之間的暢聯，工作任務之間的無縫協同運作[12]。當前協同數據處理發展的目標為最終形成智能化的勘察設計運營管理鏈、供應鏈、產業鏈、生態鏈。

5 業務系統化

工程勘察設計智能化的目的主要在于通過數字化手段提升整體布局實施的高度，通過長期的工程經驗與行業發展需求，構建高兼容性、專業性、信息化的業務模塊與自主技術體系。標準化主體業務流程與主體數據管理，以及產業化標準體系，形成圍繞數據核心資產的生態系統平臺集群。智能化、自動化作業全工序，提供技術創新數據平臺基礎，提升數據感知能力，提高大數據獲取能力與協同處理能力，消除知識數據交流壁壘，降低作業成本，提高工作效率，優化產業結構。通過業務系統平臺集群[13]，一方面減少勘察、設計、施工、運維數據交流的障礙；加快工程全工序運轉，減少工序中的人為失誤，及時預警紕漏、數據沖突、數據粗差、數據缺失、設計缺陷、施工違規、運維失誤等，保障成果質量；為日益增長的新應用需求點提供模塊化解決方案，且無須底層技術重新設計，為未來多樣化業務需求建立堅實技術基石。另一方面是智能勘察設計技術標準化、數據標準化、業務標準化的實體表現，為從業者提供實時智能化業務操作指南，降低了行業技術業務培訓到生產作業的高投入的現狀。

6 應用解決方案

豐富勘察設計應用場景、增幅工程大數據資產是當前乃至未來長期堅持的發展路線，是智能勘察設計領域培育增長新動能的需要?？辈煸O計應用市場隨著經濟發展，國民生活品質的追求，新型技術、發展理念不斷發展而變革，總體經歷了高速經濟發展時代、高質量經濟發展階段、大數據信息時代3個階段，每個階段都伴隨著技術生產力與生產需求關系的特殊性。

在高速經濟發展時代，勘察設計以高效提交成果為首要目的，其成果應用對象和場景比較單一，數據需求比較簡單，但其數據產品中差、錯、漏時有發生，周圍環境不夠協調，市場秩序不規范，體系建設不完整。在高質量經濟發展階段，勘察設計數據追求以人為本、與自然調和的發展思路，在適用性、高質量的基礎上，更注重終端用戶體驗，而傳統的數據服務理念與多樣化精細化業務需求存在巨大差異，無法滿足精品工程的需求。

直到大數據信息時代新型信息技術的崛起，新基建工業產業結構雛形形成，驅動全產業行業進行供給側革新，依托新型信息技術為智能化體驗提供了實現途徑。在大數據信息時代，工程應用解決方案需求方向表現為如下幾個方面。

（1）與5G物聯網、人工智能等相結合； 智能化統籌綜合布局成果實體在全生命周期內施工與運營中的角色； 考慮其要素復雜，實體關系繁多，需求更加精細化，信息感知與處理實時化、智能化、高效化、泛在化。

（2）與區塊鏈、云計算等結合，實現數據安全傳輸、數據信息加密、海量數據的高效計算與實時反饋，構建體系化平臺。

（3）智能化、多樣化應用解決方案，為下游產業提供更為高層次技術產品與分析平臺。壓縮高層應用多余資源與繁瑣工作投入，擴容行業市場范圍，推進國家重大工程高效建設，銜接國家重大戰略目標。

此類應用需求的增長與精細化需求，導致傳統施工、運維體系已經不能獨立適應與承載，亟需勘察設計技術開拓者介入，提供集群式的應用平臺與定制化解決方案。要求勘察設計部門除了提供基礎數據和勘察設計服務，還需具有總體思路，布局總體規劃，深扎智慧基建建設，注重生態資源保護，為高層戰略應用提供數據分析、規劃決策、運維監測等產品。推動勘察設計領域轉型數據產品服務到技術與數據資產服務，制定自上而下的體系標準，掌握行業市場的主動權，多元化擴展創收點，推動智能化、綠色發展。

7 智能化信息化發展障礙

智能化、信息化改造是勘察設計行業未來發展方向，是當下保持產值效益的長期唯一有效的途徑，但現階段勘察設計領域存在以下主要障礙，阻礙產業智能化信息化升級。

（1）對信息化意識淡薄、認知不足，對新生技術探索深度不足，生產作業創新意識淡薄，推廣力度與決心不足，缺乏大局觀。

（2）信息化技術與能力儲備不足、技術短板突出，以人為本的高端人才體系布局缺失，科研能力與智能化需求差距明顯，需營造良好的創新平臺與環境。

（3）信息化周期長、效益滯后、投入成本高、工作考核比重低等問題，科研管理體系高度依賴項目作業經驗，研發投入與期望落差明顯。總體表現在企業復雜的內外部運營環境與大力投入信息化升級的矛盾突出，需政策與運營環境雙重引導，實施“大集中、大統一”戰略，建立全局統一的數據標準、技術標準、協同標準、實施布設指南，總體統籌推動理念更新、動能變革、產業數字化發展跨越，激發舊基建活力，尋求“最大公約數”為各企業單位賦能，實現供給側結構改革。

8 總結

經濟數字化、智能化轉型是新工業革命塑造的必然趨勢，根據數字經濟發展規劃，未來是數字化經濟模式，數據為關鍵的生產要素，圍繞數據所產生的大數據感知、協同處理、智能業務、創新應用解決方案將成為智能勘察設計企業的寶貴數據信息資產。其將改變傳統勘察設計成果重復利用低、共享困難、再造價值低的窘境，延續數據作用生命周期，挖掘數據價值。以數據生產要素孕育新的生產力與生產模式，必將在勘察設計領域引發新模式、開拓新業態、構建數字生態。持續加強、推動不同行業上下游業務協同，貫通數據流程，使得全工序向自動化、智能化運轉發展，形成知識數據驅動的智能要素探測能力、管理能力、處理能力、決策能力等。降低勞動密集型投入，降低成本，提升作業效率，使企業在挑戰與機遇并存的競爭環境下脫穎而出，最終智能化勘察設計為新舊基建實體提供低碳技術支撐與運營環境。