李善平，肖培偉，唐茂穎，段 斌，陶春華

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610041)

基于智慧工程理念的雙江口水電站智能地下工程系統(tǒng)建設探索

李善平，肖培偉，唐茂穎，段 斌，陶春華

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610041)

隨著智慧產(chǎn)業(yè)的不斷深化發(fā)展，智慧工程建設將對我國水電行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠而重大的影響。結合雙江口水電站工程特點，基于智慧工程基本概念和總體架構，研究了雙江口水電站智能地下工程業(yè)務系統(tǒng)；分析了地下工程數(shù)據(jù)中心與決策會商中心，以及施工資源實時定位監(jiān)控、快速高精度測量與計量管理、埋管埋件統(tǒng)計及管理、混凝土生產(chǎn)澆筑監(jiān)控與管理、施工環(huán)境監(jiān)控預警與決策分析、洞室群施工仿真及進度管理、爆破安全控制與微震監(jiān)測成果集成管理、圍巖監(jiān)測與穩(wěn)定分析動態(tài)反饋分析成果集成管理等模塊；介紹了雙江口水電站智能地下工程系統(tǒng)建設進展情況。智能地下工程系統(tǒng)將為雙江口水電站優(yōu)質(zhì)、高效建設奠定基礎。

智慧工程；地下工程；系統(tǒng)建設；雙江口水電站

0 引 言

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等技術的興起和運用，它們正在改變著我們早已熟悉的傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)。利用信息化、數(shù)據(jù)化、智能化的手段和方式給傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)增添了智慧的大腦，于是“智慧地球”、““智慧城市”、“智慧企業(yè)”等智慧產(chǎn)業(yè)相繼誕生，智慧浪潮風起云涌[1]。在智慧背景下，我國的水電行業(yè)也正在面臨重大變革。我國水電開發(fā)企業(yè)的主要任務是進行水電工程建設、電站生產(chǎn)檢修、電力調(diào)度交易等[2]。涂揚舉等人研究了智慧企業(yè)的基本概念、建設目標、管理模型、建設路徑[3]，探索了水電企業(yè)如何建設智慧企業(yè)[4]，實施了智慧大渡河建設[5]。

我國水電開發(fā)企業(yè)的“智慧企業(yè)”建設主要內(nèi)容涵蓋智慧工程、智慧電廠、智慧檢修、智慧調(diào)度等。嚴軍、周業(yè)榮、李善平等人在智慧企業(yè)體系和架構下制定了智慧工程建設實施方案[6]，并在大渡河流域水電工程建設中進行了有益的嘗試。隨著智慧產(chǎn)業(yè)的不斷深化發(fā)展，智慧工程建設將對我國水電行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠而重大的影響。本文結合大渡河雙江口水電站的智慧工程建設，就智能地下工程進行了一些研究和探索。

1 智慧工程理念簡介

1.1 基本概念

智慧工程是智慧企業(yè)四大業(yè)務單元腦之一，它以“全方位、全過程、可追溯、智能化”為特征，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術，與工程安全、質(zhì)量、進度、投資、環(huán)保(以下簡稱“五控制”)等業(yè)務深度融合，實現(xiàn)業(yè)務風險的自動感知、自動預判、自主決策的工程管理新模式[6]。

就水電開發(fā)企業(yè)而言，智慧工程是項目建設全生命周期的智能管理體系，是工程全方位業(yè)務數(shù)據(jù)量化與標準化的統(tǒng)一平臺，是核心管理信息集成集中與智能協(xié)同的管控中心，是實現(xiàn)管理風險自動預判與自主決策的指揮中心。

1.2 總體架構

結合水電工程特點，智慧工程采用“一中心、二平臺、三板塊”的總體架構，如圖1所示。

“一中心”是指工程信息中心，是智慧工程實現(xiàn)自動預判、自主決策的信息基礎。它負責工程相關信息的存儲、分析、查詢和共享，實現(xiàn)各業(yè)務系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，是智慧工程的數(shù)據(jù)及知識來源。

“二平臺”是指工程管控平臺和決策會商平臺，是智慧工程實現(xiàn)自動預判、自主決策的中樞。工程管控平臺是在工程信息中心的基礎上，結合風險分級預警模型及決策知識庫，實現(xiàn)工程KPI管控、風險分級預警及智能輔助決策，對各工程項目“五控制”進行綜合管控。決策會商平臺是從宏觀、微觀全景展現(xiàn)智慧工程，實現(xiàn)信息系統(tǒng)與工程建設現(xiàn)場的全方位、全過程無縫對接交互，并利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，實現(xiàn)重大技術問題和“疑難雜癥”的智能決策支持和遠程“會診”。

“三板塊”是指樞紐、移民、送出三大板塊的專業(yè)應用，是智慧工程的業(yè)務基礎和自動感知核心。樞紐板塊通過建設智能大壩工程、智能廠房與泄洪工程、智能機電工程等業(yè)務管控系統(tǒng)，實現(xiàn)施工過程精細、精準管控，全面實現(xiàn)項目工程樞紐“五控制”目標。移民板塊主要是實現(xiàn)移民安置規(guī)劃可視化和實時動態(tài)跟蹤移民實施進展情況。送出板塊主要是跟蹤核準手續(xù)辦理情況及送出工程實施進度情況。

圖1 智慧工程總體架構

1.3 預期目標

(1)信息系統(tǒng)創(chuàng)新。建設全生命周期、全方位、多專業(yè)的協(xié)同管理信息系統(tǒng)，完成工程大數(shù)據(jù)中心、工程管控平臺和決策會商平臺、樞紐工程等各項業(yè)務系統(tǒng)建設，實現(xiàn)工程建設管控目標。

(2)管理理念創(chuàng)新。根據(jù)智慧工程自動預判、自主決策需要，建立工程管控模型理論體系，完善智慧工程風險評價體系、事件預警體系及決策糾偏體系，形成工程風險識別庫、決策支持庫。

(3)管理模式創(chuàng)新。智慧工程采用智慧企業(yè)“數(shù)據(jù)中心制”取代傳統(tǒng)企業(yè)“層級制”管理模式，內(nèi)部管理更加專業(yè)化、扁平化，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)跨專業(yè)間的共聯(lián)共享、智能協(xié)同。

(4)技術應用創(chuàng)新。圖像識別、高精度自動定位、大數(shù)據(jù)挖掘、快速精準測量、建筑信息模型(BIM)、人臉識別、自動駕駛、大規(guī)模移動互聯(lián)等信息化、智能化技術將在智慧工程中創(chuàng)新使用。

2 工程概況及特點

雙江口水電站正在積極推進智慧工程建設。它是大渡河干流上游控制性水庫，裝機容量200萬kW，多年平均年發(fā)電量77.07億kW·h，具有年調(diào)節(jié)能力。電站樞紐工程由攔河大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪建筑物等組成。攔河大壩采用土質(zhì)心墻堆石壩，最大壩高312 m，是目前世界已建和在建水電工程中的第一高壩，壩體填筑總量約4 400萬m3。引水發(fā)電系統(tǒng)布置于左岸，發(fā)電廠房采用地下式，廠內(nèi)安裝4臺立軸混流式水輪發(fā)電機組，采用“單機單管供水”及“兩機一室一洞”的布置格局，包括進水口、壓力管道、主廠房、副廠房、主變室、出線場、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞及尾水塔等建筑物。泄洪系統(tǒng)包括洞式溢洪道、直坡泄洪洞、利用施工后期導流洞改建的豎井泄洪洞和利用施工中期導流洞改建水庫放空洞，洞式溢洪道、直坡泄洪洞、放空洞布置于右岸，豎井泄洪洞布置于左岸。

雙江口水電站工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地形地質(zhì)條件復雜，河床覆蓋層最大厚度達76 m；心墻堆石壩壩體高度超過300 m，壩體及壩基變形穩(wěn)定、防滲排水、防震抗震等技術問題突出，筑壩難度大，質(zhì)量要求高；地下廠房區(qū)圍巖最大地應力達38 MPa，強度應力比小于4，巖爆問題較突出；泄洪建筑物布置具有窄河谷、高水頭、大泄量的特點，施工極其困難。引水發(fā)電工程系統(tǒng)和泄洪工程系統(tǒng)均是處于高地應力區(qū)的大規(guī)模地下洞室群。

3 智能地下工程系統(tǒng)建設方案

3.1 雙江口智慧工程業(yè)務系統(tǒng)

雙江口智慧工程業(yè)務系統(tǒng)由智能公共系統(tǒng)、智能大壩系統(tǒng)、智能廠房與泄洪系統(tǒng)、智能機電系統(tǒng)、智能公區(qū)系統(tǒng)等業(yè)務系統(tǒng)組成。智能公共系統(tǒng)是智慧工程的綜合業(yè)務系統(tǒng)；智能大壩系統(tǒng)、智能廠房與泄洪系統(tǒng)、智能機電系統(tǒng)是智慧工程的專業(yè)業(yè)務系統(tǒng)；智能公區(qū)系統(tǒng)是智慧工程公區(qū)管理的基礎業(yè)務系統(tǒng)。由于雙江口水電站廠房與泄洪系統(tǒng)均為地下工程，智能廠房與泄洪系統(tǒng)又稱為智能地下工程系統(tǒng)。

3.2 雙江口智能地下工程系統(tǒng)模塊

針對雙江口水電站地下工程特點和實際情況，其智能地下工程系統(tǒng)建設主要包括以下模塊。

3.2.1 施工資源實時定位監(jiān)控模塊

實施目的：監(jiān)控地下工程主要設備的實時位置和地下洞室的交通流量。

實施方案：對可能擁堵路段在岔口布置視頻監(jiān)控或RFID監(jiān)控，通過圖像識別或RFID監(jiān)控流量。洞內(nèi)施工車輛通過智慧工區(qū)的WIFI基站進行定位。洞外車輛定位采用GPS監(jiān)控。

3.2.2 快速高精度測量與計量管理模塊

實施目的：實現(xiàn)工程量的精確計量，輔助超欠挖控制和工程量計量。

實施方案：利用三維激光掃描儀進行開挖洞段的全景掃描；對激光點云進行處理建立實景三維模型；對照實景三維模型與設計模型、地質(zhì)三維模型，量化超欠挖工程量，并分析合理性；對照噴混凝土前后的實景三維模型，分析噴混凝土工程量和厚度是否滿足要求。三維激光掃描設備與施工期掃描工作，已有成熟實施經(jīng)驗；超欠挖對比、噴混凝土量分析等功能，在廠房決策會商中心的三維模型全過程綜合展示與查詢模塊中實現(xiàn)。

3.2.3 埋管埋件統(tǒng)計及管理模塊

實施目的：便于機電工程與土建交面的預埋管件的三維精細化設計、埋件清單及實際埋設情況的監(jiān)控統(tǒng)計。

實施方案：采用三維設計技術進行埋管埋件的精細化設計、碰撞檢測，生成埋管埋件清單；利用RFID技術，及時采集實際埋設情況，并與清單進行對比，實現(xiàn)埋設情況的及時監(jiān)控與預警。

3.2.4 混凝土生產(chǎn)澆筑監(jiān)控與管理模塊

實施目的：自動采集混凝土生產(chǎn)過程的原材料檢測、配料、運輸?shù)冗^程的數(shù)據(jù)；實現(xiàn)混凝土生產(chǎn)、運輸、澆筑各環(huán)節(jié)的統(tǒng)一調(diào)度，加強銜接、提升效率，及時預警“運錯料”等問題。對土石方運輸車輛進行實時定位，追蹤開挖渣料運輸去向和時間。

實施方法：在拌和樓安裝RFID讀寫器、在混凝土運輸車加裝RFID標簽，實現(xiàn)生產(chǎn)與運輸?shù)臏蚀_銜接；實現(xiàn)澆筑倉位混凝土需求的提出與拌和樓生產(chǎn)的智能調(diào)度與匹配；通過在拌和樓生產(chǎn)系統(tǒng)加裝數(shù)據(jù)自動傳輸模塊，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時、自動錄入決策會商系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。

3.2.5 施工環(huán)境監(jiān)控預警與決策分析模塊

對于有害氣體監(jiān)控，目前有較為成熟的為基于電化學、光離子等原理研發(fā)的有害氣體分析傳感器，主要用于CO、H2S、CO2、NO2等有害氣體的監(jiān)測。但目前是集成在手持設備中，需要針對水電工程洞室開挖的特點進行微型化、工業(yè)化、功能化定制改造，并集成噪音等傳感器模塊。

實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、無線傳輸與分析預警。集成無線通信模塊，對傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進行解算，實時傳輸傳感器檢測數(shù)據(jù)至后方服務器，對比控制指標進行預警。

實施智能通風系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控信息，增加軸流風機等通風設備的遠程控制模塊，改善通風環(huán)境；記錄通風參數(shù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)律，作為后續(xù)風機自動化控制的參考。

3.2.6 洞室群施工仿真及進度管理模塊

該模塊通過仿真分析洞室群之間的動態(tài)復雜時空邏輯關系，揭示地下工程施工行為特征，優(yōu)化洞室群施工方案，提升進度控制能力。其主要功能包括實時監(jiān)測引水發(fā)電系統(tǒng)開挖、支護、襯砌、灌漿等施工進度；模擬洞室開挖全過程，預先發(fā)現(xiàn)施工干擾問題，指導施工進度計劃的合理制訂；輸入不同施工資源配置方案，模擬不同配置方案下的施工進度，輔助合理配置施工設備；模擬復雜交叉洞室群的施工交通狀況，分析各關鍵岔口的交通繁忙指標和出現(xiàn)概率，提醒施工管理人員重點關注可能擁堵的關鍵岔口，做好交通調(diào)度和安全管理，并為施工支洞布置優(yōu)化提供建議；采用動態(tài)可視化仿真技術，基于施工仿真數(shù)值分析成果，直觀展示施工過程和施工方案；分析開挖出渣強度和進度，為場內(nèi)土石方整體平衡優(yōu)化與調(diào)度提供數(shù)據(jù)和接口；建立分析模型，對關鍵線路施工進度進行預警。

3.2.7 施工期安全監(jiān)測成果集成管理模塊

該模塊集成管理地下洞室爆破安全控制與微震監(jiān)測的成果數(shù)據(jù)并展示，包括地下工程開挖爆破振動安全控制標準及其爆破參數(shù)、開挖爆破方案、爆破參數(shù)、洞室收斂變形與應力監(jiān)測數(shù)據(jù)、施工期微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、圍巖破壞程度等。同時，集成管理施工期圍巖監(jiān)測與穩(wěn)定分析動態(tài)反饋分析成果數(shù)據(jù)，包括開挖洞段的局部和整體穩(wěn)定性評價結果、開挖支護參數(shù)的優(yōu)化結果、圍巖穩(wěn)定安全控制措施等，并將這些數(shù)據(jù)和信息展示在基于BIM技術的三維模型中，以指導工程施工和管理決策。

3.3 雙江口地下工程數(shù)據(jù)中心與決策會商平臺

基于智能地下工程系統(tǒng)各個模塊，通過建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，借助各類業(yè)務系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和模型轉(zhuǎn)換工具，采用mangoDB等NoSQL技術實現(xiàn)文檔、模型和關系型數(shù)據(jù)的異構數(shù)據(jù)存儲管理等技術和方法，建立地下工程數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)智能地下工程系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，統(tǒng)一數(shù)據(jù)來源、建立數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、文檔、模型的集中統(tǒng)一管理，為工程管控平臺、決策會商平臺、移動APP、各業(yè)務系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

在地下工程數(shù)據(jù)中心的基礎上，利用跨平臺模型融合輕量化技術、設計與施工數(shù)據(jù)標準協(xié)同技術、移動端BIM技術、三維可視化與交互技術等，構建廠房工程決策會商中心，實現(xiàn)可視化、交互式展示設計、施工過程動態(tài)信息，為廠房、泄洪工程建設過程綜合會商提供可視化平臺，為地下工程管理的綜合決策提供輔助支撐。

3.4 雙江口地下工程管理模式

基于智慧企業(yè)的“數(shù)據(jù)中心制”管理模式，雙江口工程采取“部門+中心”的管理模式。在該模式下，水電工程建設管理單位設置工程指揮中心，工程指揮中心下設大壩、廠房、泄洪、機電物資等4個分中心和綜合保障部、業(yè)務保障部、安全監(jiān)察部等3個保障部門。工程指揮中心負責重大預警內(nèi)容的處置和重大決策，分中心全面負責和實施所轄標段“五控制”管理，各保障部門對各分中心業(yè)務進行統(tǒng)籌、監(jiān)督、協(xié)調(diào)和服務。廠房分中心、泄洪分中心的管理人員在地下工程決策會商平臺上，運用智能地下工程系統(tǒng)進行地下工程管理。

4 智能地下工程系統(tǒng)建設進展

雙江口水電站于2015年12月完成河道截流，大壩、地下廠房、泄洪三大主體建筑物工程施工已全面開展，雙江口智慧工程建設正結合主體工程施工有序?qū)嵤?。目前，雙江口智能地下工程系統(tǒng)建設正在按照規(guī)劃方案積極推進，2017年該系統(tǒng)下的各模塊將全面建成并投入使用，為雙江口水電站地下工程科學管理發(fā)揮重要作用。

5 結 語

智慧工程大量運用監(jiān)測(監(jiān)控)感知、BIM、智能識別、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等技術，根據(jù)水電工程建設特點，實現(xiàn)了工程建設管理的信息化、數(shù)字化、智能化。同時，隨著各種技術地不斷進步，工程管理模式也將隨之調(diào)整，更好地促進了工程建設。在智慧工程理念指導下，雙江口水電站將努力建成技術先進、管理高效的創(chuàng)新工程，實現(xiàn)智慧工程建設目標。

智能地下工程系統(tǒng)是智慧工程的重要組成部分，通過數(shù)據(jù)中心、云計算中心、一體化平臺的建設，將地下工程管理所有數(shù)據(jù)、流程進行統(tǒng)籌管理、挖掘、分析、利用，保障了數(shù)據(jù)來源的唯一性和業(yè)務流程的連貫性，使得流程更加快捷、溝通更加有效、決策更加高效，實現(xiàn)工業(yè)化和信息化的深度融合。智能地下工程系統(tǒng)將在雙江口水電站地下工程建設管理過程中全面推行并發(fā)揮重要作用，為智慧工程的發(fā)展奠定基礎。

智慧工程創(chuàng)造出了一種新模式：基礎感知—數(shù)據(jù)管理—業(yè)務支撐—綜合管理—智慧決策，每一個環(huán)節(jié)帶動著所有智能系統(tǒng)全力實現(xiàn)最終目標——安全、質(zhì)量、進度、投資、環(huán)保“五控制”，360°全方位監(jiān)測管控，三維可視化全過程追溯，數(shù)據(jù)零誤差，風險零死角，決策零延遲?？梢灶A見，智慧工程將在不久的將來成為水電開發(fā)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要推動力，在水電工程建設管理中得到廣泛的應用，并創(chuàng)造豐碩的成果。

[1]涂揚舉, 鄭小華, 何仲輝, 等. 智慧企業(yè)框架與實踐[M]. 北京：經(jīng)濟日報出版社, 2016.

[2]涂揚舉. 瀑布溝水電站建設管理探索與實踐[J]. 水力發(fā)電, 2010, 36(6)： 12- 15.

[3]涂揚舉. 智慧企業(yè)建設引領水電企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展[J]. 企業(yè)文明, 2017(1)： 9- 11．

[4]涂揚舉. 水電企業(yè)如何建設智慧企業(yè)[J]. 能源, 2016(8)： 96- 97．

[5]涂揚舉. 建設智慧企業(yè), 實現(xiàn)自動管理[J]. 清華管理評論, 2016(10)： 29- 37．

[6]國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司. “國電大渡河智慧企業(yè)”建設戰(zhàn)略研究與總體規(guī)劃報告[R]. 成都： 國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司, 2015．

[7]國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司. “國電大渡河智慧企業(yè)”建設之“智慧工程”總體方案[R]. 成都： 國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司, 2016．

[8]國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司. 四川大渡河雙江口水電站“智慧工程”建設總體規(guī)劃方案[R]. 成都： 國電大渡河雙江口工程建設管理分公司, 2016.

[9]王冠雄. 迎接不可阻擋的“智能+”時代[EB/OL]. 2016.6.28. http:∥wangguanxiong.baijia.baidu.com/article/517515.

(責任編輯 焦雪梅)

Exploration on Intelligent Underground Engineering Construction of Shuangjiangkou Hydropower Station Based on the Idea of Intelligent Engineering

LI Shanping, XIAO Peiwei, TANG Maoying, DUAN Bin, TAO Chunhua
(Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610041, Sichuan, China)

With the development of intellectual industry, the construction of intelligent engineering will has a profound and significant influence on the development of hydropower industry in China. Combined with the engineering characteristics of Shuangjiangkou Hydropower Station and based on the basic concept and general framework of intelligent engineering, the intelligent underground engineering system of Shuangjiangkou Hydropower Station is studied. The underground engineering data center and consultation command center, real time positioning monitoring module for construction resource, fast and high-precision measurement and metering management module, detailed design and installation monitoring module of buried pipes, concrete production monitoring and management module, integrated display and warning module for environmental monitoring information, construction simulation and schedule management module of cavern group, integrated management of blasting safety control and microseismic monitoring results and dynamic feedback analysis and result integrated management module of surrounding rock monitoring and stability are analyzed. The construction of intelligent underground engineering system is introduced. The system will lay a foundation for high quality and efficient construction of Shuangjiangkou Hydropower Station．

intelligent engineering; underground engineering; system construction; Shuangjiangkou Hydropower Station

2017- 05- 22

李善平(1963—)，男，河南方城人，教授級高工，碩士，主要從事水電工程建設技術和管理工作；段斌(通訊作者)．

TV554

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0559- 9342(2017)08- 0067- 04