余學(xué)農(nóng)，王路，饒小康

（1.國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，成都 610072;2.長(zhǎng)江科學(xué)院武漢長(zhǎng)江儀器自動(dòng)化研究所，武漢 430010）

施工管理數(shù)字化體系在大崗山水電站中的運(yùn)用

余學(xué)農(nóng)1，王路2，饒小康2

（1.國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，成都 610072;2.長(zhǎng)江科學(xué)院武漢長(zhǎng)江儀器自動(dòng)化研究所，武漢 430010）

介紹了將計(jì)算機(jī)、GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)相結(jié)合的施工數(shù)字化管理系統(tǒng)在大崗山水電站中的運(yùn)用，并詳述了三維可視化仿真、施工灌漿、混凝土溫控及安全爆破監(jiān)測(cè)4個(gè)成果實(shí)例。該系統(tǒng)可建立符合現(xiàn)場(chǎng)大壩施工特點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集模式，實(shí)現(xiàn)三維可視化查詢、混凝土溫控查詢和分析，以及基礎(chǔ)處理工程的過(guò)程控制和質(zhì)量管理。數(shù)字化體系的建立能夠?qū)崿F(xiàn)施工數(shù)據(jù)的集中整合管理與共享，促進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化和個(gè)性化，為建設(shè)方的決策提供技術(shù)支持。

大崗山水電站;施工管理數(shù)字化;三維仿真;灌漿;大壩溫控;爆破;纜機(jī)運(yùn)行管理;視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1 工程概況

數(shù)字化水電站管理系統(tǒng)是隨計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)的發(fā)展在水利水電行業(yè)中逐步發(fā)展起來(lái)的信息化重要工具，集成測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)代壩工理論，能高效分析和處理大壩建設(shè)期的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并及時(shí)掌握大壩系統(tǒng)安全狀況和運(yùn)行性態(tài)，為企業(yè)自身和上級(jí)相關(guān)部門提供電站信息化管理及決策支持，實(shí)現(xiàn)電站的安全運(yùn)行。

數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)是融多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與監(jiān)控技術(shù)為一體的、新興的監(jiān)控技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)這2個(gè)相互獨(dú)立系統(tǒng)的融合。電站建設(shè)期單靠人工觀測(cè)、人工輸入計(jì)算機(jī)、人工進(jìn)行整編分析，工作量大，觀測(cè)頻次和精度受到限制，難以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和一致性，也無(wú)法及時(shí)掌握水工建筑物的工作性態(tài)。將數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)引入水電站的施工管理中，已成為利用現(xiàn)代化管理技術(shù)提高水電站施工管理水平的必然趨勢(shì)。

大崗山水電站是大渡河干流中游上段具有周調(diào)節(jié)性能的高壩大型水電站。壩型為混凝土雙曲拱壩，電站樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、水墊塘及二道壩、泄洪隧洞、引水及尾水建筑物、發(fā)電廠房、開(kāi)關(guān)站等組成，電站設(shè)計(jì)裝機(jī)總?cè)萘? 600 MW，多年平均年發(fā)電量117.0億kW。

“大崗山水電站施工管理數(shù)字化系統(tǒng)”就是針對(duì)大崗山水電站施工全過(guò)程，利用現(xiàn)代先進(jìn)的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件和自動(dòng)化技術(shù)，集成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整編、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)綜合分析和反饋決策等功能于一體的管理系統(tǒng)平臺(tái)。

2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）

水電工程施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，它不僅涉及壩區(qū)地形地質(zhì)、水工樞紐布置等靜態(tài)信息，而且還要反映水文動(dòng)態(tài)變化、地形填挖、永久工程及臨時(shí)建筑物動(dòng)態(tài)施工等大量動(dòng)態(tài)的施工邏輯關(guān)系。GIS（Geological Information System）特有的空間數(shù)據(jù)組織形式，為反映施工過(guò)程這種具有時(shí)空特征的空間信息提供了條件。

本系統(tǒng)采用GIS軟件平臺(tái)，結(jié)合二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)出大崗山水電站工程施工信息管理系統(tǒng)總體框架。該系統(tǒng)由平面施工總布置信息查詢模塊、施工面貌查詢模塊、施工投資信息查詢模塊、工程信息實(shí)時(shí)控制模塊以及三維仿真模塊構(gòu)成，包括圖形庫(kù)、屬性庫(kù)、模型庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是通過(guò)在局域網(wǎng)中的一臺(tái)（多臺(tái)）計(jì)算機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件而構(gòu)建成的服務(wù)器，它可以為用戶提供各種服務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)用以實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站施工的采集數(shù)據(jù)、儀器參數(shù)，以及以數(shù)據(jù)、文件、圖形、表格、多媒體等形式存在的其他各類相關(guān)的信息資料進(jìn)行全面管理，為系統(tǒng)的方法、模型、推理提供各種類型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

2.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有眾多類型的傳感器，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括大壩與壩基、高邊坡、地下洞室等的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、水力學(xué)及水位、降雨、氣溫、水溫、波浪、淤積、冰凍、地震環(huán)境量監(jiān)測(cè)等。

本文采用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)可廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、大壩觀測(cè)系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.4 管理信息系統(tǒng)

本文采用目前最為常用的管理信息系統(tǒng)（MIS，Management Information System），是由人、計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備3方組成的一個(gè)能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行收集、存貯、加工、傳遞、維護(hù)和使用的系統(tǒng)。通過(guò)大崗山水電站MIS系統(tǒng)，建立與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理中心的有效快速通信，實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)交換和對(duì)水電站施工數(shù)字化系統(tǒng)的有效控制和管理。

3 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

大崗山水電站數(shù)字化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可按照“全面規(guī)劃、先易后難、分期實(shí)施”的原則進(jìn)行。

第1步:建設(shè)大崗山水電站施工數(shù)字化系統(tǒng)，包括自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和管理分析系統(tǒng)等;

第2步:建設(shè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分析;

第3步:完成全網(wǎng)的智能分析軟件配套，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全部功能，建立基于智能分析軟件方法庫(kù)、模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)的智能型綜合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

圖1 數(shù)字化系統(tǒng)功能模塊圖Fig.1Functional modules of the digital system

系統(tǒng)分為灌漿實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)、施工數(shù)字化模擬子系統(tǒng)、大壩溫控子系統(tǒng)、爆破子系統(tǒng)、纜機(jī)運(yùn)行管理子系統(tǒng)、工程進(jìn)度質(zhì)量管理子系統(tǒng)、水資源綜合管理分析子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化辦公子系統(tǒng)，其目的主要是為了實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程數(shù)字化、工程管理數(shù)字化、工程設(shè)計(jì)數(shù)字化和施工裝備數(shù)字化（如圖1）。

4 功能模塊簡(jiǎn)介

大崗山水電站施工數(shù)字化管理系統(tǒng)由三維可視化仿真、大壩灌漿、混凝土溫控、安全爆破、纜機(jī)運(yùn)行管理、水土保持、水資源、施工質(zhì)量及進(jìn)度、地質(zhì)巖層分析、視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)構(gòu)成。

4.1 三維可視化查詢分析系統(tǒng)

本項(xiàng)目建立綜合性的三維可視化仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)大崗山水電樞紐地形地貌、庫(kù)區(qū)狀況、工程總體屬性及進(jìn)度、質(zhì)量等信息以及仿真分析成果的綜合查詢與分析。

4.2 無(wú)線灌漿實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

灌漿數(shù)字化管理包括固結(jié)灌漿、帷幕灌漿與接縫灌漿管理。主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)灌漿工程的設(shè)計(jì)管理、施工過(guò)程管理、質(zhì)量管理與成果管理的功能。本功能系統(tǒng)的應(yīng)用，將大大提高施工企業(yè)在灌漿管理過(guò)程中的規(guī)范性，保證設(shè)計(jì)、施工、檢查等灌漿資料的完整性，提高灌漿成果整理的工作效率。

4.3 大壩溫控管理系統(tǒng)

混凝土溫控管理通過(guò)溫控?cái)?shù)據(jù)采集對(duì)大崗山拱壩典型壩段、敏感部位混凝土的溫度變化過(guò)程進(jìn)行全面有效跟蹤，記錄壩體混凝土升溫、降溫、灌漿等過(guò)程的溫度變化情況，反映混凝土斷面溫度狀態(tài)，全程記錄關(guān)鍵部位混凝土溫度梯度，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)混凝土溫控過(guò)程數(shù)據(jù)的綜合查詢與分析預(yù)警。

4.4 遠(yuǎn)程爆破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

遠(yuǎn)程爆破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理是在大壩施工過(guò)程中，采用多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將爆破振動(dòng)、噪聲等數(shù)據(jù)收集到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，形成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)，對(duì)各監(jiān)測(cè)單位的監(jiān)測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)資料等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。該系統(tǒng)中多種無(wú)線技術(shù)的運(yùn)用可降低布線成本，實(shí)現(xiàn)爆破有害效應(yīng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，為工程爆破安全提供技術(shù)保障。

4.5 纜機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)

纜機(jī)是大崗山水電站混凝土施工中的主要垂直運(yùn)輸設(shè)備。系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)纜機(jī)運(yùn)行管理辦法的基礎(chǔ)上，定期統(tǒng)計(jì)纜機(jī)運(yùn)行分項(xiàng)考核指標(biāo)，如:纜機(jī)完好率、纜機(jī)故障率、纜機(jī)利用率、調(diào)運(yùn)混凝土利用率、輔助作業(yè)吊運(yùn)利用率、閑置率等參數(shù)，保證纜機(jī)運(yùn)行的完好率，提高纜機(jī)的運(yùn)行效率。

4.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于各項(xiàng)目的管理者，可以通過(guò)登錄工地視頻監(jiān)控圖像與語(yǔ)音錄像系統(tǒng)，隨時(shí)掌握并及時(shí)解決項(xiàng)目日常施工生產(chǎn)中的施工進(jìn)度計(jì)劃完成情況與項(xiàng)目施工質(zhì)量、安全狀況和工地的材料、物資與人員和資金使用、協(xié)調(diào)和調(diào)度，使工程項(xiàng)目的生產(chǎn)更加順利。

5 應(yīng)用實(shí)例

大崗山施工數(shù)字化管理系統(tǒng)涵蓋大壩三維可視化仿真、混凝土的澆注、溫控、灌漿、安全監(jiān)測(cè)、纜機(jī)運(yùn)行等方面，體系龐大、涵蓋面廣，系統(tǒng)的建設(shè)周期性較長(zhǎng)，下面就現(xiàn)有應(yīng)用成果進(jìn)行部分功能展示。

5.1 施工進(jìn)度可視化仿真模塊

系統(tǒng)建立大壩三維可視化模型，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)融入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的澆筑方案和機(jī)械配套方案的仿真以及澆注面貌的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，并能模擬大壩施工動(dòng)態(tài)效果，實(shí)時(shí)查詢水工建筑物的施工參數(shù)信息，為客戶提供直觀、快捷的查詢方式（如圖2所示）。

圖2 拱壩三維可視化模型Fig.2Three-dimensional visual model of arch dam

5.2 施工灌漿模塊

灌漿作為大壩施工中的隱蔽性工程，施工進(jìn)度和質(zhì)量難以直觀衡量，為了方便對(duì)大壩灌漿施工過(guò)程進(jìn)行管理和監(jiān)控，數(shù)字化大壩管理系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)對(duì)廊道等信號(hào)盲區(qū)進(jìn)行局部組建網(wǎng)絡(luò)，將灌漿過(guò)程采集的重要參數(shù)實(shí)時(shí)收集，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)絡(luò)，形成一套無(wú)線灌漿網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控大壩灌漿施工各類參數(shù)，進(jìn)行成果統(tǒng)計(jì)分析，質(zhì)量管理和過(guò)程管理，并為后期施工決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持（如圖3所示）。

圖3 大崗山水電站灌漿管理信息系統(tǒng)功能頁(yè)面Fig.3Home page of the grouting MIS for Dagangshan hydropower station

5.3 大壩溫控模塊

溫控是拱壩澆筑過(guò)程中的重點(diǎn)，數(shù)字化大壩管理系統(tǒng)中融入的溫控子模塊涉及溫控標(biāo)準(zhǔn)信息、氣象信息、砼實(shí)時(shí)溫信息以及通水冷卻等信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度、應(yīng)力仿真計(jì)算，將實(shí)測(cè)和仿真計(jì)算溫度歷時(shí)曲線進(jìn)行對(duì)比，并重構(gòu)溫度場(chǎng)，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整溫控措施提供理論支持，確保每一澆筑塊混凝土的溫控質(zhì)量（如圖4所示）。

圖4 某倉(cāng)面混凝土平均溫度曲線（澆筑前、澆筑后）Fig.4Curves of average temperature of concrete on the pouring surface（before and after concrete pouring）

5.4 遠(yuǎn)程爆破監(jiān)測(cè)模塊

遠(yuǎn)程爆破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成爆破記錄儀、爆破傳感器和中央傳感器，實(shí)現(xiàn)爆破監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)多個(gè)爆破點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)遠(yuǎn)程爆破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)爆破記錄儀的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、儀器標(biāo)定，并在爆破完畢后能及時(shí)查詢爆破震動(dòng)波形圖、頻譜圖以及其他重要爆破參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，有助于指導(dǎo)爆破安全作業(yè)，減少爆破震動(dòng)帶來(lái)的危害。（如圖5、圖6所示）。

圖5 某爆破某方向振動(dòng)波形圖Fig.5Vibration waveform of blasting in a certain direction

圖6 某爆破震動(dòng)頻譜圖Fig.6Vibration spectrum of blasting

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)大崗山水電站施工管理數(shù)字化的技術(shù)、功能模塊進(jìn)行論述，引入了現(xiàn)有成果實(shí)例進(jìn)行闡述，充分論述了利用信息化手段能夠有效地對(duì)大崗山水電站的建設(shè)期和運(yùn)行期進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)控和管理，并詳細(xì)介紹了數(shù)字化體系中灌漿施工、溫控、三維仿真、爆破安全監(jiān)測(cè)4個(gè)現(xiàn)存功能模塊，有助于促進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化、個(gè)性化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的集中整合、管理與共享，為建設(shè)方技術(shù)決策提供量化支持。

數(shù)字化水電站起步較晚，隨著十二五規(guī)劃的實(shí)施，水利信息重視程度越來(lái)越高，越來(lái)越多的信息技術(shù)勢(shì)必將融入到水利工程建設(shè)中，大壩數(shù)字一體化將會(huì)充分為各建設(shè)方提供便捷、有效、科學(xué)的管理平臺(tái)。

［1］鐘登華，劉勇，宋洋.水電工程可視化動(dòng)態(tài)管理信息系統(tǒng)研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005，（4）:98-102.（ZHONG Deng-hua，LIU Yong，SONG Yang.Research on the Visualization Dynamic Management Information System of Hydropower Project［J］.China Rural Water and Hydropower，2005，（4）:98-102.（in Chinese））

［2］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1998.（ZHU Bo-fang.Temperature Stress and Temperature Control for Mass Concrete［M］. Beijing:China Electric Power Press，1998.（in Chinese））

［3］朱伯芳，張國(guó)新，許平，等.混凝土高壩施工期溫度與應(yīng)力控制決策支持系統(tǒng)［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，39 （1）:1-6.（ZHU Bo-fang，ZHANG Guo-xin，XU Ping，et al.Decision Making Support System for Temperature and Stress Control of High Concrete Dams in Construction Period［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2008，39 （1）:1-6.（in Chinese））

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［6］吳中如，顧沖時(shí)，胡群革，等.綜述大壩安全綜合評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)［J］.水電能源科學(xué)，2000，18（2）:1-5.（WU Zhong-ru，GU Chong-shi，HU Qun-ge，et al.An Investigation on the Dam Safety Comprehensive Appraisal Expert System［J］.Water Resources and Power，2000，18（2）:1 -5.（in Chinese））

［7］張宗亮，鐘登華.超高面板堆石壩監(jiān)測(cè)信息管理與安全評(píng)價(jià)的理論及實(shí)踐［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41 （9）:1083-1086.（ZHANG Zong-liang，ZHONG Denghua.Theory and Application of Monitoring Information Management and Safety Assessment for Super-High Concrete-Faced Rockfill Dam［J］.Journal of Tianjin University，2008，41（9）:1083-1086.（in Chinese））

（編輯:王慰）

Application of Digital Construction Management System to Dagangshan Hydropower Station

YU Xue-nong1，WANG Lu2，RAO Xiao-kang2
（1.China Guodian Dadu River Hydropower Development Co.Ltd.，Chengdu610072，China; 2.Instrumentation and Automation Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China）

A digital construction management system which integrates computer technology，GIS technology，data-base technology，and wireless sensor network technology is introduced，and its application to the Dagangshan Hydropower Station is described.Functions inclusive of 3-D visual simulation，grouting monitoring，concrete temperature control and safe blasting monitoring are elaborated in detail.With this system，a data collection mode which fits the dam construction characteristics is established.Moreover，3-D visual query，query and analysis of concrete temperature control，as well as process control and quality management for foundation treatment works are also accomplished.Digital system could manage and share the centralized data，standardize，refine and personalize the construction site，and provide technical support for the decision-making of hydropower construction.

Dagangshan hydropower station;digitalization of construction management;3-D simulation;grouting; dam temperature control;blasting;cable machine management;video surveillance system

TP317

A

1001-5485（2013）04-0098-05

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.020 2013，30（04）:98-102

2012-02-13

國(guó)家科技支撐計(jì)劃專項(xiàng)（2012BAH10B00）

余學(xué)農(nóng)（1971-），男，湖北鄂州人，高級(jí)工程師，主要從事水電工程管理工作，（電話）13508162707（電子信箱）357992497@qq.com。