基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的隧道地質(zhì)信息精細(xì)化管理系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

李 濤, 仇文革, 劉 毅

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031；2. 成都天佑智隧科技有限公司, 四川 成都 610031)

0 引言

地質(zhì)是龍頭，影響并控制著隧道正常有序的建設(shè)。為快速、準(zhǔn)確、全面、及時(shí)掌握隧道地質(zhì)情況，實(shí)現(xiàn)“巖變我變”的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工目的，根據(jù)規(guī)范[1]要求，在隧道建設(shè)過(guò)程中，需依次開(kāi)展地質(zhì)勘察、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及掌子面地質(zhì)素描工作，直至隧道貫通。在隧道施工過(guò)程中持續(xù)不斷地積累了大量的地質(zhì)相關(guān)資料，亟需借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行信息化管理[2-4]，例如鐵路總公司、中鐵西南科學(xué)研究院有限公司、成都理工大學(xué)[5]均研發(fā)了相應(yīng)的隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)收集及地質(zhì)異常預(yù)警等信息化管理功能，但數(shù)據(jù)利用率低，管理粗放，不能達(dá)到精細(xì)化管理。1)如何構(gòu)建預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)，基于地質(zhì)后評(píng)估實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)方法的優(yōu)選組合，提高預(yù)報(bào)手段的準(zhǔn)確性及經(jīng)濟(jì)性。2)針對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)的多解性、不確定性，如何集成其他地質(zhì)資料形成更多的約束條件，輔助分析，提高成果判譯的準(zhǔn)確性、可靠性。3)如何根據(jù)地質(zhì)異常動(dòng)態(tài)調(diào)整更新預(yù)報(bào)計(jì)劃，根據(jù)預(yù)報(bào)計(jì)劃實(shí)時(shí)提醒施作，避免預(yù)報(bào)的不連續(xù)或施作延誤。4)地質(zhì)異常預(yù)警分級(jí)推送及快速處置，但處置方案的優(yōu)先對(duì)比缺失。5)目前掌子面素描多采用傳統(tǒng)人工素描，因其工作量大、專業(yè)性強(qiáng)、時(shí)效性高，往往導(dǎo)致該項(xiàng)工作流于形式，無(wú)法真實(shí)再現(xiàn)開(kāi)挖地質(zhì)。文獻(xiàn)[6]雖實(shí)現(xiàn)了掌子面圖像自動(dòng)素描、自動(dòng)圍巖分級(jí)與報(bào)表自動(dòng)化，但受限圖像質(zhì)量及地質(zhì)的復(fù)雜多變性影響，漏識(shí)、誤識(shí)結(jié)構(gòu)面的情況時(shí)有發(fā)生，如何利用人工校核修正漏識(shí)、誤識(shí)的數(shù)據(jù)，以提高掌子面自動(dòng)素描的準(zhǔn)確率仍需深入研究。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是指基于不斷更新的數(shù)據(jù)(在線和離線), 實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)、調(diào)度、監(jiān)控、診斷、決策和優(yōu)化等各種期望功能[7-9]。

現(xiàn)階段，隧道建設(shè)突飛猛進(jìn)[10]，積累了大量的地質(zhì)預(yù)報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)，具備采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行精細(xì)化管理的條件。在傳統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，嘗試構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)流程算法，研發(fā)新的隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS (tunnel geology information system)，集成隧道勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)、施工階段超前預(yù)報(bào)地質(zhì)、掌子面開(kāi)挖揭示地質(zhì)，實(shí)現(xiàn)隧道地質(zhì)高度集成共享(信息化)及業(yè)務(wù)流程的科學(xué)化管理(精細(xì)化)。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)構(gòu)建

基于預(yù)報(bào)計(jì)劃、施作、分析、預(yù)警、處置等業(yè)務(wù)流程，結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)原理重塑業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的數(shù)據(jù)化、精細(xì)化、智能化管理。

1.1 基于地質(zhì)后評(píng)估的預(yù)報(bào)方法優(yōu)選

根據(jù)開(kāi)挖揭示的最準(zhǔn)確、直觀的掌子面地質(zhì)進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)及超前預(yù)報(bào)地質(zhì)的后評(píng)估，構(gòu)建預(yù)報(bào)方法準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)庫(kù)。基于地質(zhì)后評(píng)估準(zhǔn)確率實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)程序如圖1所示。

結(jié)合地質(zhì)后評(píng)估準(zhǔn)確率及預(yù)報(bào)方法綜合單價(jià)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整預(yù)報(bào)方案，提高預(yù)報(bào)手段的準(zhǔn)確性及經(jīng)濟(jì)性。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)報(bào)方法優(yōu)選流程如圖2所示。

1.2 施作提醒與延誤精細(xì)化管控

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與掌子面素描隨工程進(jìn)度實(shí)時(shí)施作。為避免預(yù)報(bào)施作不連續(xù)并定量化考評(píng)地質(zhì)工作，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的施作提醒與延誤施作實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)功能，其流程如圖3所示。

圖1 基于地質(zhì)后評(píng)估準(zhǔn)確率實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)程序

Fig. 1 Process of accuracy statistics in real time based on tunnel geology post-evaluation

圖2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)報(bào)方法優(yōu)選流程

Fig. 2 Process of method optimization of advanced geological prediction based on data drive

1.3 地質(zhì)異常實(shí)時(shí)預(yù)警與處置

每次預(yù)報(bào)成果判譯時(shí)，需結(jié)合其他地質(zhì)成果綜合判識(shí)掌子面前方地質(zhì)，并根據(jù)地質(zhì)異常程度實(shí)時(shí)預(yù)警并分級(jí)推送。地質(zhì)警情需及時(shí)、有效處置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理，其精細(xì)化管控流程如圖4所示。

圖3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)報(bào)施作實(shí)時(shí)提醒流程

Fig. 3 Process of real-time remind to implement advanced geological prediction based on data drive

圖4 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)異常預(yù)警與處置精細(xì)化管控流程

Fig. 4 Process of refined management and control of geology anomaly warning and disposal based on data drive

1.4 基于深度學(xué)習(xí)的掌子面圖像自動(dòng)素描

圖像識(shí)別技術(shù)在隧道掌子面素描應(yīng)用方面已相當(dāng)成熟，但高度依賴于圖像質(zhì)量，且掌子面開(kāi)挖揭示的地質(zhì)情況復(fù)雜多變，自動(dòng)識(shí)別準(zhǔn)確率有待改善。因此，為改善圖像識(shí)別效果，在文獻(xiàn)[8]掌子面自動(dòng)素描的基礎(chǔ)上，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行圖像深度學(xué)習(xí)[11-12]，不斷更新圖像識(shí)別模型，以提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率。基于深度學(xué)習(xí)的掌子面圖像自動(dòng)素描流程如圖5所示。

圖5 基于深度學(xué)習(xí)的掌子面圖像自動(dòng)素描流程

Fig. 5 Process of tunnel face image automatic sketching based on deep learning

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)

2.1 研發(fā)需求

通過(guò)融入與構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)流程算法，研發(fā)隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS，集成隧道勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)、施工階段的超前預(yù)報(bào)地質(zhì)、掌子面開(kāi)挖揭示地質(zhì)，實(shí)現(xiàn)隧道地質(zhì)信息的高度集成共享及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的信息化、精細(xì)化管控目標(biāo)。隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS研發(fā)需求如圖6所示。

圖6 隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS研發(fā)需求

2.2 TGIS功能介紹

隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS采用Mongo[13-14]作為數(shù)據(jù)庫(kù)，由其負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一調(diào)度，其與鐵路工程管理平臺(tái)交互流程如圖7所示。

圖7隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS數(shù)據(jù)與鐵路工程管理平臺(tái)交互流程

Fig. 7 Interaction process between TGIS data and railway engineering management platform

隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS相關(guān)功能為：

1)隧道地質(zhì)信息集成一體可視化展示(如圖8所示)。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)在線顯示隧道全部地質(zhì)信息，結(jié)合動(dòng)態(tài)比例尺、實(shí)時(shí)感知、超鏈接等技術(shù)，可詳細(xì)查看局部地質(zhì)，通過(guò)整體與局部相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)全方位把控隧道地質(zhì)的目的，另外，沿隧道里程方向連續(xù)三維可視化展示隧道地質(zhì)。隧道地質(zhì)三維可視化預(yù)警如圖9所示。隧道連續(xù)掌子面三維可視化展示如圖10所示。

2)隧道地質(zhì)工作量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與施作實(shí)時(shí)提醒(如圖11所示)。結(jié)合掌子面里程或施工日志的進(jìn)度信息，自動(dòng)推算下次預(yù)報(bào)里程距離，并通過(guò)微信或短信等工具提醒用戶做好準(zhǔn)備，保證預(yù)報(bào)工作的連續(xù)性，避免延誤施作。

3)基于每一開(kāi)挖掌子面進(jìn)行地質(zhì)后評(píng)估。據(jù)此實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)、超前預(yù)報(bào)地質(zhì)的準(zhǔn)確率，為地質(zhì)工作定量化評(píng)價(jià)及預(yù)報(bào)方法優(yōu)選提供數(shù)據(jù)支撐。基于掌子面素描的隧道地質(zhì)后評(píng)估如圖12所示。

4)預(yù)報(bào)成果判譯輔助分析(如圖13所示)。提供臨近相關(guān)其他地質(zhì)信息，盡可能形成更多的約束條件促使成果判譯更準(zhǔn)確。

5)基于異常地質(zhì)的預(yù)報(bào)方案實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整(如圖14所示)。結(jié)合預(yù)報(bào)地質(zhì)異常情況，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整原預(yù)報(bào)方案，以適應(yīng)異常地質(zhì)，提高預(yù)報(bào)的可靠性。

6)基于深度學(xué)習(xí)的掌子面圖像自動(dòng)素描(如圖15所示)。結(jié)合圖像識(shí)別過(guò)程中的誤(漏)識(shí)別數(shù)據(jù)不斷更新模型，提高自動(dòng)素描的準(zhǔn)確率。

7)自動(dòng)報(bào)表。在上傳地質(zhì)信息成果的同時(shí)，按預(yù)定模板自動(dòng)生成相應(yīng)報(bào)表，減少用戶重復(fù)性報(bào)表編制工作，例如掌子面自動(dòng)素描報(bào)表，如圖16所示。

8)手機(jī)微信小程序，實(shí)時(shí)接收隧道地質(zhì)異常警情，并支持在線實(shí)時(shí)查詢隧道相關(guān)地質(zhì)信息及地質(zhì)異常信息的在線處置，如圖17所示。

圖8 隧道地質(zhì)信息集成一體可視化展示

圖9 隧道地質(zhì)三維可視化預(yù)警

圖10 隧道連續(xù)掌子面三維可視化展示

圖11 隧道地質(zhì)工作量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與施作實(shí)時(shí)提醒

Fig. 11 Real-time statistics of tunnel geological workload and real-time reminder

圖12 基于掌子面素描的隧道地質(zhì)后評(píng)估

Fig. 12 Geology post-evaluation based on tunnel face automatic sketching

圖13 預(yù)報(bào)成果判譯輔助分析

Fig. 14 Prediction scheme dynamic adjustment in real time based on abnormal geology

3 工程應(yīng)用

隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS已使用于(北)京張(家口)城際鐵路、鄭(州)萬(wàn)(州)高鐵、張(家界)吉(首)懷(化)高鐵、玉(溪)磨(憨)鐵路等多條鐵路線上的多座隧道。以鄭(州)萬(wàn)(州)高鐵小三峽隧道為例，施工前優(yōu)化調(diào)整預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)方案，共導(dǎo)入2.2萬(wàn)條預(yù)報(bào)計(jì)劃數(shù)據(jù)，如圖18所示。

Fig. 15 Tunnel face image automatic sketching based on deep learning

圖16 掌子面自動(dòng)素描報(bào)表

(a) (b)

圖18 小三峽隧道預(yù)報(bào)計(jì)劃統(tǒng)計(jì)

Fig. 18 Planning statistics of advanced geological prediction in Xiaosanxia Tunnel

隧道建設(shè)過(guò)程中，無(wú)一次預(yù)報(bào)延誤，保證了預(yù)報(bào)的連續(xù)性。截至目前，累計(jì)預(yù)報(bào)施作共2 381次。小三峽隧道預(yù)報(bào)施作統(tǒng)計(jì)如圖19所示。隧道施工中，分級(jí)推送黃色預(yù)警共13次，紅色預(yù)警共3次，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警提醒并快速有效進(jìn)行預(yù)警處置，避免了險(xiǎn)情擴(kuò)大。小三峽隧道預(yù)報(bào)地質(zhì)異常預(yù)警統(tǒng)計(jì)如圖20所示。

圖19 小三峽隧道預(yù)報(bào)施作統(tǒng)計(jì)

Fig. 19 Implementation statistics of advanced geological prediction in Xiaosanxia Tunnel

圖20 小三峽隧道預(yù)報(bào)地質(zhì)異常預(yù)警統(tǒng)計(jì)

Fig. 20 Warning statistics of geological prediction anomaly in Xiaosanxia Tunnel

通過(guò)在多座隧道建設(shè)期間使用可知，隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS界面友好、運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好，各項(xiàng)功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，相對(duì)于傳統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可普遍應(yīng)用于隧道工程施工，為隧道地質(zhì)信息化、精細(xì)化管控提供有效支撐。

4 結(jié)論與建議

1)通過(guò)融入與構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)流程算法，研發(fā)了新的隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS，高度集成了勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)、施工階段超前預(yù)報(bào)地質(zhì)、掌子面開(kāi)挖揭示地質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)報(bào)方法優(yōu)選、臨近預(yù)報(bào)提醒、分級(jí)實(shí)時(shí)預(yù)警與有效處置、掌子面自動(dòng)素描、預(yù)報(bào)成果輔助判識(shí)等功能，達(dá)到了隧道地質(zhì)信息精細(xì)化管理的目的。

2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS運(yùn)行穩(wěn)健，各項(xiàng)功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以很好地服務(wù)并指導(dǎo)隧道施工。但還需進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)采集、分析、處理的無(wú)縫銜接與成果判譯的自動(dòng)化水平。

3)采用隧道地質(zhì)信息系統(tǒng)TGIS進(jìn)行精細(xì)化管理是一種新的管理模式，目前還需進(jìn)一步探索新的管理制度或方法予以配套實(shí)施。