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、及時掌握隧道地質(zhì)情況，實(shí)現(xiàn)“巖變我變”的動態(tài)設(shè)計施工目的，根據(jù)規(guī)范[1]要求，在隧道建設(shè)過程中，需依次開展地質(zhì)勘察、超前地質(zhì)預(yù)報及掌子面地質(zhì)素描工作，直至隧道貫通。在隧道施工過程中持續(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)報數(shù)據(jù)庫，基于地質(zhì)后評估實(shí)現(xiàn)預(yù)報方法的優(yōu)選組合，提高預(yù)報手段的準(zhǔn)確性及經(jīng)濟(jì)性。2)針對地質(zhì)預(yù)報的多解性、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)異常動態(tài)調(diào)整更新預(yù)報計劃，根據(jù)預(yù)報計劃實(shí)時提醒施作，避免預(yù)報的不連續(xù)或施作延誤。4)地質(zhì)異常預(yù)警分級推送及快速處置，但處置方案的優(yōu)先對比缺失。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)、時效性高，往往導(dǎo)致該項(xiàng)工作流于形式，無法真實(shí)再現(xiàn)開挖地質(zhì)。文獻(xiàn)[6]雖實(shí)現(xiàn)了掌子面圖像自動素描、自動圍巖分級與報表自動化，但受限圖像質(zhì)量及地質(zhì)的復(fù)雜多變性影響，漏識、誤識結(jié)構(gòu)面的情況時有發(fā)生，如何利用人工校核修正漏識、誤識的數(shù)據(jù)，以提高掌子面自動素描的準(zhǔn)確率仍需深入研究。

數(shù)據(jù)驅(qū)動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、評價、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)報相關(guān)數(shù)據(jù)，具備采用數(shù)據(jù)驅(qū)動進(jìn)行精細(xì)化管理的條件。在傳統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，嘗試構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動業(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)計階段地質(zhì)、施工階段超前預(yù)報地質(zhì)、掌子面開挖揭示地質(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)動構(gòu)建

基于預(yù)報計劃、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)后評估的預(yù)報方法優(yōu)選

根據(jù)開挖揭示的最準(zhǔn)確、直觀的掌子面地質(zhì)進(jìn)行勘察設(shè)計階段地質(zhì)及超前預(yù)報地質(zhì)的后評估，構(gòu)建預(yù)報方法準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)庫?；诘刭|(zhì)后評估準(zhǔn)確率實(shí)時統(tǒng)計程序如圖1所示。

結(jié)合地質(zhì)后評估準(zhǔn)確率及預(yù)報方法綜合單價，動態(tài)優(yōu)化調(diào)整預(yù)報方案，提高預(yù)報手段的準(zhǔn)確性及經(jīng)濟(jì)性?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)報方法優(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)報與掌子面素描隨工程進(jìn)度實(shí)時施作。為避免預(yù)報施作不連續(xù)并定量化考評地質(zhì)工作，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的施作提醒與延誤施作實(shí)時統(tǒng)計功能，其流程如圖3所示。

圖1 基于地質(zhì)后評估準(zhǔn)確率實(shí)時統(tǒng)計程序

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)動的預(yù)報方法優(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)時預(yù)警與處置

每次預(yù)報成果判譯時，需結(jié)合其他地質(zhì)成果綜合判識掌子面前方地質(zhì)，并根據(jù)地質(zhì)異常程度實(shí)時預(yù)警并分級推送。地質(zhì)警情需及時、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)動的預(yù)報施作實(shí)時提醒流程

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)的掌子面圖像自動素描

圖像識別技術(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，且掌子面開挖揭示的地質(zhì)情況復(fù)雜多變，自動識別準(zhǔn)確率有待改善。因此，為改善圖像識別效果，在文獻(xiàn)[8]掌子面自動素描的基礎(chǔ)上，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動進(jìn)行圖像深度學(xué)習(xí)[11-12]，不斷更新圖像識別模型，以提高圖像識別的準(zhǔn)確率?；谏疃葘W(xué)習(xí)的掌子面圖像自動素描流程如圖5所示。

圖5 基于深度學(xué)習(xí)的掌子面圖像自動素描流程

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

2 系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)

2.1 研發(fā)需求

通過融入與構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動業(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)計階段地質(zhì)、施工階段的超前預(yù)報地質(zhì)、掌子面開挖揭示地質(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，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)。通過網(wǎng)頁實(shí)時在線顯示隧道全部地質(zhì)信息，結(jié)合動態(tài)比例尺、實(shí)時感知、超鏈接等技術(shù)，可詳細(xì)查看局部地質(zhì)，通過整體與局部相結(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)時統(tǒng)計與施作實(shí)時提醒(如圖11所示)。結(jié)合掌子面里程或施工日志的進(jìn)度信息，自動推算下次預(yù)報里程距離，并通過微信或短信等工具提醒用戶做好準(zhǔn)備，保證預(yù)報工作的連續(xù)性，避免延誤施作。

3)基于每一開挖掌子面進(jìn)行地質(zhì)后評估。據(jù)此實(shí)時統(tǒng)計勘察設(shè)計階段地質(zhì)、超前預(yù)報地質(zhì)的準(zhǔn)確率，為地質(zhì)工作定量化評價及預(yù)報方法優(yōu)選提供數(shù)據(jù)支撐?；谡谱用嫠孛璧乃淼赖刭|(zhì)后評估如圖12所示。

4)預(yù)報成果判譯輔助分析(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)報方案實(shí)時動態(tài)調(diào)整(如圖14所示)。結(jié)合預(yù)報地質(zhì)異常情況，實(shí)時動態(tài)調(diào)整原預(yù)報方案，以適應(yīng)異常地質(zhì)，提高預(yù)報的可靠性。

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

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

8)手機(jī)微信小程序，實(shí)時接收隧道地質(zhì)異常警情，并支持在線實(shí)時查詢隧道相關(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)時統(tǒng)計與施作實(shí)時提醒

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)后評估

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

圖13 預(yù)報成果判譯輔助分析

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(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(州)高鐵小三峽隧道為例，施工前優(yōu)化調(diào)整預(yù)報設(shè)計方案，共導(dǎo)入2.2萬條預(yù)報計劃數(shù)據(jù)，如圖18所示。

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

圖16 掌子面自動素描報表

(a) (b)

圖18 小三峽隧道預(yù)報計劃統(tǒng)計

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

隧道建設(shè)過程中，無一次預(yù)報延誤，保證了預(yù)報的連續(xù)性。截至目前，累計預(yù)報施作共2 381次。小三峽隧道預(yù)報施作統(tǒng)計如圖19所示。隧道施工中，分級推送黃色預(yù)警共13次，紅色預(yù)警共3次，及時進(jìn)行預(yù)警提醒并快速有效進(jìn)行預(yù)警處置，避免了險情擴(kuò)大。小三峽隧道預(yù)報地質(zhì)異常預(yù)警統(tǒng)計如圖20所示。

圖19 小三峽隧道預(yù)報施作統(tǒng)計

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

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

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

通過在多座隧道建設(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)計要求，相對于傳統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，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)通過融入與構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動業(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)計階段地質(zhì)、施工階段超前預(yù)報地質(zhì)、掌子面開挖揭示地質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)報方法優(yōu)選、臨近預(yù)報提醒、分級實(shí)時預(yù)警與有效處置、掌子面自動素描、預(yù)報成果輔助判識等功能，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)報數(shù)據(jù)采集、分析、處理的無縫銜接與成果判譯的自動化水平。

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。