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如何映射地下基础设施的各种技术?

地面穿透雷达(GPR),电磁定位(EML)和建筑信息建模(BIM)被广泛地用于地铺在地面公用事业网络和隐藏结构下方,降低工程风险并建立3D地图,以辅助表面和地下构造。

1896年11月在特里蒙特和公园街道上建造,资料来源:波士顿档案馆

由Ananya Narain.
由Ananya Narain.

行业经理|原子能委员会

1896年11月,波士顿:受到欧洲国家地下隧道建设的启发,美国的工业和贸易城市,纽约和波士顿,争先恐后地在繁忙的街道下移动人们。波士顿赢得了比赛。1896年,市政官员开始在Tremont街和Park街的Boylston站设计、规划和建造“美国第一条地铁”。

尽管有战略工程和建设计划,波士顿地铁系统的建设也伴随着挑战——地下地下设施的导航和挖掘以及地下基础设施的老化。无法获得精确的地下基础设施地图加剧了工程师和测量人员在施工过程中面临的危险障碍。1987年,臭名昭著的特里蒙特街瓦斯爆炸就是这样一个路障,就在波士顿公共大楼和地铁建设附近。爆炸引发了与普通人的多次辩论,抗议未来任何地铁站的规划和建设,以及波士顿的大挖掘项目。因此,有必要对现有和复杂的公用事业系统、墓地、地下基础设施进行数字测绘。

所有建筑项目都需要在施工工作流程之前和期间的地下公用事业网络的地理位置。它是设计,规划,建造和维护地面上方任何项目的关键部分。隐藏的地下实用网络历史地危及了许多人的生命。对于建筑业主和挖掘机,缺乏有关地下网络的存在,性质和位置的信息往往会产生具有挑战性的情况。

1896年波士顿普通波士顿常见的Tremolston站的建设

直到二十年前,没有办法创建躺在我们的道路和人行道下方的基础设施的3D模型。然而,近年来,技术进步有助于地下电缆,管道,隧道等复杂网络的外表公用事业工程(SUE),以减少低效率并建立地下的实时3D地图。“重要的是要查看构建基础设施的整个生命周期。通常,当我们查看整个模型时,在很少的情况下,您实际上会看到映射的地下实用程序。在我与测量师的互动中,特别是公用事业测量师,实际上这是结合两个世界 - 表面和地下的最大头痛或挑战之一 - “Katherine Broder, Leica Geosystems建筑工具部门总裁

最大的挑战是将两个世界 - 表面和地下面相结合“

凯瑟琳·布罗德

徕卡地铁系统总裁建设工具部门

在架构,工程和建筑(AEC)行业中,进行系统调查和地下实用基础设施的数字映射是至关重要的。“地下是一个令人难以置信的复杂环境,其具有重要的公用事业资产,基础设施资产和建筑物。随着空间压力的增加,较高的土地价格和紧凑型资源效率的城市的驱动,我们看到更多的城市发展地下。因此,对地下的了解是提供成功建设和再生项目的关键,“解释说ROLLO HOME,ORCRENCE调查的铅协调员冰山

新的传感和传感器技术正在捕捉更多、更精确的有关资产和土壤的数据。”

罗洛回家,

冰山项目地形测量首席协调员

在协议迈克尔两家,地下实用程序映射总监,DGT Associates.“基于地下基础设施系统测量的精确数字地图对于AEC行业的众多专业人士、资产所有者、州和地方政府机构以及军事组织来说是至关重要的,有助于工程、建设、运营和维护(O&M)的各个方面,以便在各自的学科领域做出明智的决定。”地下基础设施的测绘和建模可以帮助建筑公司降低公用事业拥挤的风险。

地球物理调查技术普遍采用。这些协助映射隧道,拱顶等曼德的功能“

迈克尔二起

DGT公司地下工程制图主任

通常,施工前的活动包括SUE的过程,即对现有的地下基础设施进行地理定位,并使用BIM原理创建相同的3D模型来启动施工过程。忽视地下基础设施,尤其是公用事业网络,会造成安全问题,并可能拖累建设项目。“据统计,90%的建设项目被推迟,其中超过50%的延迟与地下的不确定性有关。利用3D模型对地下设施进行精确测量、分析和可视化将大大降低这种风险。亚历山大·范·诺特,辉固全球业务线总监,土地用地特征

利用三维模型对地下设施进行精确测量、分析和可视化,将显著降低施工风险。”

亚历山大•范Noort

全球商业排队总监,陆地特征,FUGRO

Geoff Zeiss,校长,在Poles,加拿大之间他举例说明了SUE流程对智能建设的重要性:“不知道地下基础设施在哪里,已经在美国产生了估计每年100亿美元的产业。每个建设项目都需要在施工前和施工期间选址地下设施。”在大多数建设项目中,地下被忽略,导致生产力趋于稳定。Geoff认为,项目业主和承包商越来越认识到数字技术在地下测绘和建设中的应用:“人们认识到,当数字技术在地下被忽视时,会对建设项目和更广泛的国民经济造成拖累。提高可靠性和共享关于地下的位置信息可以被看作是提高建设生产率的‘低垂的果实’。”他说。

在地下基础设施领域有重要的技术创新来检测和评估网络资产

杰夫蔡司

校长,两极之间,加拿大

理解技术

建设项目(新和现有)需要最新的技术和岩土工程中现有调查过程的改进。新技术创新使基础设施的映射掩埋地下。随着Broder所说,“建筑物通常不是检测专家,而且他们并非所有测量师。因此,该技术必须触及一个社区,该社区具有非常强烈的需求,可以获得可靠的数据,但它们也需要它以可用的格式进行决定。“

先进传感器、探地雷达(GPR)、电磁定位、激光雷达和BIM等创新技术解决方案在为地下项目承包商创建信息化解决方案方面发挥着关键作用。Twohig说:“今天,受前人的启发,绘制地下基础设施地图的最佳实践和调查原则采用了新技术,以改善数据收集、数据存储和高度可靠的2D和3D公用事业信息的传播。”

最近,GPR特别掌握了地下行业的关注。GPR为使用高频无线电脉冲的工程师和构造函数创建地图或地图的图像,以检测地下结构和物体。GPR提供了非破坏性和非侵入过程,提供了对其他原理图无法实现的建造场所的准确视图。另一方面,电磁定位器用于“无源”和“有源”模式,以确定埋地实用程序的位置和深度。希斯·普里查德,地理空间委员会主要项目负责人N解释说,“所使用的技术类型将取决于用户的需求,但GPR和EML等数据收集工具的进步不仅有可能提高单个挖掘地点的安全性和效率,而且还能提高数据集本身的质量和有用性。如果这些数据被用来纠正错误和填补缺失的空白。”

数据收集工具(如GPR和EML)的进步有可能提高个人挖掘网站的安全性和效率“

希斯普里查德

英国地理空间委员会主要项目负责人

蔡斯赞同普里查德的观点,他指出:“目前被认为是探测地下设施最佳实践的技术已经使用了几十年,其特点是在特定条件和特定类型的地下设备下速度缓慢、不可靠,而且对操作者来说很危险。最近,探地雷达得到了越来越多的关注,主要是因为它可以探测地下金属和非金属物体,可以进行连续的数字扫描,还因为它可以捕捉地下物体的3D位置。”

承包商、测量员和项目所有者越来越依赖于先进的集成硬件和软件能力来绘制地下基础设施。硬件可以检测基础设施,而软件可以处理并在3D地图上显示结果。地下测绘方面的显著进步使得与项目所有者共享地下信息的准确性和速度不断提高。GPS、蓝牙信号、云和GIS的使用都被发现有助于施工前期和地下施工过程。“硬件变得更加友好,更加健壮,现在有了一些不错的改进,比如启用了蓝牙,允许现场设备之间无缝连接。另一方面,启用GPS的设备在监控现场员工的同时,在全球准确度方面有很大帮助。我相信主要的进步是在软件领域。软件变得更容易使用,更健壮,能够量化重复的模式,算法等,”说John Robinson,董事,Malcom Hughes土地测量师有限公司,英国.因此,目前的硬件和软件改进大大提高了行业标准工具的效率和能力。

“这至关重要的是,地面建模以上被视为一个项目以实现BIM优势的项目”

约翰。罗宾逊

Malcom Hughes Land Surveyors Limited主任,英国

除了GPR和EML这两种探测传感器之外,还有一些定位传感器非常重要,因为它们能够收集准确的数据,并能够实现地面与地下的关联。此外,机器人全站仪、GNSS等技术也被结合在一起,将这两个世界结合起来。“价值主张在于软件,”Broder补充道。软件是管理数据的平台,以一种非常精确的方式将数据汇集在一起,然后将其提供给目标群体。

在建筑领域,BIM的采用是一个主要的趋势,在过去的十年中,由于可持续发展和更高的生产力的需要而加速发展。BIM也被发现在降低与地下施工场地相关的工程风险方面至关重要。它使项目所有者能够详细评估和评估新建设对现有地下基础设施的影响,反之亦然。众所周知,在岩土工程过程中应用BIM原理有助于降低项目风险和不确定性,创建更好的现场调查,生成3D地质模型和简化工作流程,以节省时间和精力。

建筑公司使用一个完全集成的、多学科的BIM软件,不仅可以降低总体成本,还可以减少地下设施记录的低效,更好地可视化施工前后的潜在障碍。Robinson表示,BIM对于构建地下实时3D地图至关重要。“至关重要的是,将地上和地下建模视为一个单一的项目,以充分实现BIM的优势。能够以3D方式查看地下数据,以及实际/可感知的地下设施的大小/直径,有助于工程师以可视化的方式理解风险,从而更容易地进行碰撞检测。”

集成的BIM和地理空间解决方案在一起,提供了地下基础设施检测,投资项目回报和设施的生命周期管理的改进,并有助于减轻与地下活动相关的风险。“BIM和地理空间提供了建模地下基础设施的基本技术,”蔡司说。GIS和BIM解决方案在一起提供了观察和更好地了解地下和复杂的公用事业网络的能力,以与上述表面方式交叉参考未来的建筑活动。BIM和GIS解决方案 - 适用于地下公用事业工程师,一起帮助生成地下管道的详细计划,并通过使用可视化工具和冲突检测能力,建设公​​司能够解决新的和现有施工功能之间的冲突。

创新的数字解决方案

有许多技术增强了地下基础设施的发现。3D现实捕捉解决方案、移动激光扫描仪、激光雷达、无人机和热成像系统正在建设项目的地下公用事业测绘中获得一席之地。Rollo Home补充说:“新的传感技术正开始获取更多、更精确的有关资产、它们的状况和它们所处的土壤的数据。”

2019年6月,英国政府推出了政府技术创新战略。该策略列出了政府通过新兴技术创新所需的基础。它为各部门提供了一个框架,以便使用技术为数字数据制定技术。技术创新也有望在地下基础设施映射解决方案中。“近年来,我们在收集,存储和分析地理空间数据的方式上看到了重要的技术进步。随着技术和市场的发展,未来的软件和硬件可能会出现今天未知的,“Pritchard增加了。

有两种说法是,已经有许多复杂的调查技术存在于地下调查。他说:“先进的地球物理调查技术已被广泛应用于帮助定位和测绘公共设施、隧道、拱顶和地下储罐等人为特征。最初设计用于绘制地下地质图的工具已经适应了基础设施制图,与行业意识和需求的增长相一致。”他进一步强调了地理空间领域的具体进展,称无人机和激光雷达的使用对地下基础设施和定位我们的调查结果产生了巨大影响。

毕马威(KPMG)的一份名为《智能基础设施测绘地下设施》(Smart Infrastructure Mapping Underground Utilities)的报告强调,利用先进传感器、电子传感器、机器人、摄像头和机器学习等新技术来测绘地下基础设施。蔡司强调,“在地下基础设施领域有重要的技术创新,如地面和地下的现实捕获和机器学习检测和评估网络资产,这些将极大地改变公用事业运营业务。”

使用增强现实来看,查看地下实用基础设施是一种迷人的技术趋势。VGIS是该领域的工具,利用了三种技术的功能 - 增强现实,GIS和Microsoft Hololens - 并允许沉浸式体验。地理空间数据被转换为增强现实显示器和全息图,使现场工人能够看到地下基础设施,以便为地下构造计划开挖而明智的决定。

国家政策和标准

地下信息是一项全国性挑战,需要各利益攸关方在所有部门开展合作。因此,国家政府的作用至关重要。由于认识到维持地下资产登记的社会、经济和环境成本,各国政府正鼓励共享地下基础设施的位置。

隶属于英国内阁办公室的地理空间委员会正投资390万英镑在两个试点项目上(一个由位于英格兰东北部的英国地形测量局领导,另一项由伦敦大伦敦管理局(Greater London Authority in London)负责),以测试建立一个全国性地下资产数据共享平台的可行性,该平台旨在显示地下资产(包括管道、电力和电信电缆)的地理位置。“对于地理空间委员会的全国地下资产登记试点来说,这意味着更好地利用全国各地地下公用事业资产所有者已经拥有的数据,并推广新技术和流程,以修正数据中的不准确或差距。一个显示地下资产位置和状况的数据共享平台将有助于更好地规划挖掘工作,提高工人的安全。”普里查德强调。

荷兰在2015年通过了一项立法,建立了地下基础登记(BRO)或地下关键登记(Key Registry for the Subsurface)。法律规定,挖掘机必须与登记处共享岩土工程数据。虽然国家政府的角色是确保数据的维护,但私人地理空间公司也参与了BRO。“在很多情况下,私人地理空间公司收集、分析和记录BRO数据。在其他情况下,他们在主要流程中使用BRO数据,开发和/或使用支持使用BRO数据的主要流程的软件,”一位政府消息人士说。

冰山项目——由英国地质调查局、地形测量局和未来城市弹射器联合发起,旨在通过更好地利用地下信息来提高土地的生存能力。Home解释说:“现在需要的是一个政府支持的地下数据交换框架,它可以与现有的城市数据系统集成。此外,还需要相应的国家标准和配套立法,以确保数据以正确的格式收集和共享。”

上面和下面的地面测绘在邮局广场,波士顿,马萨诸塞州,DGT联合

标准的重要性

当地理空间委员会在2018年发起“证据呼吁”时,许多受访者提到了连接数据集的挑战以及标准在改善互操作性方面可能发挥的作用。“英国有数百家(如果不是更多的话)地下公用事业资产的所有者,他们的大部分数据以不同的格式、规模和质量保存。当使用通用数据标准和数据转换过程描述和记录数据时,跨系统和软件使用数据的便利性就会增加。通用标准和数据转换流程还可以减少终端用户理解和使用数据所需的时间和精力,从而提高工作场所的效率,”普里查德解释说。

罗宾逊也是PAS128:2014的共同作者和指导小组PAS256:2017的成员,亮点,“没有标准或强大的规范,在从业者或设备之间无法衡量质量。在英国,PAS128是进入规范。在美国的艾西州38-02。全球许多其他国家使用这两种规格,因为它们被认为是最好的。每个国家都有自己独特的需求,通常规范需要更新/改变以适应。“

从实用程序角度来看,由于涉及空间参考,标准是至关重要的。Noort添加“在Fugro,我们遵循PAS 128,该PAS 128概述了所需的精度水平。标准非常重要 - 例如,该实用程序的空间位置至关重要。如果坐标由手持GPS确定,精度为1米至5米,这可能导致施工,维护或检验中的重大问题。“对地下资产的空间引用很重要,需要根据建立的标准和调查程序和协议来定义。

前进的道路:技术、标准和决心

任何建筑或运营和维护项目都基本上需要了解地下基础设施和基础设施的不同分类。这些范围从土壤结构,岩石图案,水文,人造公用事业,地下施工,电缆和下水道。建筑项目从根本上存在与安全,成本和日程相关的巨大风险,如果在预设阶段,存在不完整和不准确的地下信息。应注意,如果在构造之前未检测到地下基础设施,则可以在整个设计,规划和施工工作流程中导致额外的成本。人们也不能忽视施工人员和现有基础设施的可能性高风险。

世界上每个国家都面临着类似的背景基础设施问题——现有记录数据不可靠,地下公用事业拥塞,等等。虽然地下已经吸引了测量设备供应商的注意,但新技术创新的好处需要建筑公司、项目业主和测量组织进行沟通和探索。

建筑公司可以解开地下的谜团的轻松,这对建筑项目的成功进行了成功的项目来说是必不可少的。AEC部门需要适当重视Sue以加快其施工过程,同时降低其工程风险,提高生产力和确保质量和安全性。为了总结一下,随着地下数据变得可访问和可固化,根据给定的标准,通过地下平台可实现 - AEC部门将有更好的机会,以减少意外的挑战和加快未来建设项目。