代艷芳，浦承松，姜毅國(guó)

(1.云南省調(diào)水中心，昆明 650051；2.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，昆明 650021)

0 引 言

水利工程的發(fā)展與貢獻(xiàn)是人類文明歷史的重要組成部分，水利工程建設(shè)與管理技術(shù)也在不斷的探索、實(shí)踐和總結(jié)中不斷進(jìn)步。從最初以人工力量實(shí)施的筑堤擋水、開渠引流，經(jīng)歷了現(xiàn)代土木力學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械化施工階段，引入模型試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和信息化管理等重要手段的自動(dòng)化建管階段，發(fā)展到目前水利工作者正致力于研究利用大型計(jì)算軟件、融合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展水利工程數(shù)字化、智能化管理階段，以適應(yīng)當(dāng)代水資源開發(fā)與利用，優(yōu)化配置、精準(zhǔn)調(diào)度的要求。

“十二五”以來，圍繞區(qū)域水資源配置、防洪減災(zāi)、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保護(hù)等功能，以水資源緊缺、水生態(tài)脆弱和水環(huán)境惡化等地區(qū)為重點(diǎn)的大型河湖水系連通工程正處于規(guī)劃興建高峰期。長(zhǎng)距離的引調(diào)水工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)與管理呈現(xiàn)出規(guī)模大，技術(shù)難點(diǎn)多而復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期短，施工工期緊、周期長(zhǎng)，建設(shè)管理事務(wù)繁雜，數(shù)據(jù)處理量浩大等特點(diǎn)，而建成后通過自動(dòng)化精準(zhǔn)調(diào)度有效實(shí)現(xiàn)工程綜合功能目標(biāo)的要求越來越高，即為進(jìn)一步提高水利基建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)精度、建管水平和工程綜合運(yùn)行成效，建立數(shù)字化水利體系是關(guān)鍵。隨著現(xiàn)代工業(yè)、計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算智能技術(shù)的逐步融合，工程三維設(shè)計(jì)、施工及相關(guān)監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)采集與整理分析技術(shù)迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇，單體建筑物重要工序的數(shù)字化管理在三峽、豐滿[1]、溪洛渡[2]、糯扎渡[3]等大型水利水電項(xiàng)目上都有成功運(yùn)用，從中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)更為大型引調(diào)水工程開展全生命周期的信息實(shí)時(shí)、在線采集與分析，可視化施工管控，為引調(diào)水工程涉及一定區(qū)域范圍內(nèi)水資源綜合配置智慧管理[4]奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上所述，應(yīng)當(dāng)前水資源區(qū)域化配置，水利現(xiàn)代化管理的迫切需要，建設(shè)大型水利樞紐全生命周期信息化、數(shù)字化管理平臺(tái)，輔助工程有效開展建管與運(yùn)維，已具備實(shí)踐并逐步運(yùn)用的技術(shù)保障。而統(tǒng)一區(qū)域配置信息體系、統(tǒng)一技術(shù)構(gòu)架、統(tǒng)一控制平臺(tái)的基礎(chǔ)上，完成三維物理空間與工程范圍內(nèi)人類管理活動(dòng)實(shí)時(shí)信息(時(shí)間及實(shí)施情況二維信息)在同一多維信息化平臺(tái)上的深度融合，已在如牛欄江-滇池補(bǔ)水工程的大型跨區(qū)域調(diào)水工程上得到初步運(yùn)用，并針對(duì)多元數(shù)據(jù)的集成分析和多維模型的適應(yīng)性轉(zhuǎn)換，建設(shè)具有較強(qiáng)整體性、協(xié)同性、融合可擴(kuò)展性的區(qū)域智能化調(diào)度系統(tǒng)提出研究方向。

1 國(guó)內(nèi)水利信息化系統(tǒng)模式與運(yùn)用現(xiàn)狀調(diào)查

(1)水利信息化技術(shù)運(yùn)用簡(jiǎn)況。21世紀(jì)初，為適應(yīng)國(guó)家信息化建設(shè)、信息技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、流域和區(qū)域管理的要求，水利部提出遵循“統(tǒng)籌規(guī)劃、整合共享，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、安全優(yōu)先”的原則，通過充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入開發(fā)和廣泛利用水利信息資源，提高信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理和服務(wù)水平，全面提升水利事業(yè)活動(dòng)效率和效能的工作部署，為水利信息化[5]發(fā)展提出政策引導(dǎo)。

隨著GIS、DB、RS等信息技術(shù)的迅速發(fā)展，水利水情、安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等專業(yè)模塊、模型的集成，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的融合運(yùn)用，促使基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，對(duì)某項(xiàng)單體建筑物關(guān)鍵工序進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線施工管控的手段從萌芽走向成熟。在三峽大壩施工中，探索性地按工程部位、分工序?qū)崟r(shí)采集和錄入施工信息；糯扎渡工程建設(shè)中實(shí)現(xiàn)了高心墻壩碾壓質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]；溪洛渡水電站施工中做到了拱壩混凝土施工全過程數(shù)據(jù)的在線采集與控制等[2]，積累了關(guān)于信息實(shí)時(shí)自動(dòng)化采集和精細(xì)化監(jiān)控，專業(yè)信息數(shù)字化集成與分析，管理網(wǎng)絡(luò)化和可視化的運(yùn)用成果，為更多數(shù)字水利、智能水利[4]的實(shí)踐奠定基礎(chǔ)，并隨著深度運(yùn)用得到改進(jìn)與發(fā)展，勢(shì)必能更廣泛地試用于區(qū)域性的水利管理工作。

(2)協(xié)同設(shè)計(jì)專業(yè)模塊開發(fā)運(yùn)用現(xiàn)狀。目前，水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[4]，水利水電BIM設(shè)計(jì)聯(lián)盟正致力于建立以BIM應(yīng)用為載體的，輔助項(xiàng)目業(yè)主開展從三維協(xié)同設(shè)計(jì)到項(xiàng)目仿真[5]輔助建管、運(yùn)營(yíng)、可視化遠(yuǎn)程調(diào)度等全生命周期精細(xì)化管理的技術(shù)研究工作。據(jù)調(diào)查，不同專業(yè)使用不同的BIM軟件，建筑建模[6-8]主要就是Revit、Archicad、Microstation、DP等等。機(jī)電專業(yè)用MagiCAD的多，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)用Tekla的多，三維流程工廠還有其他類型的軟件。目前在工程領(lǐng)域開展多維協(xié)同設(shè)計(jì)與施工仿真可視化管理平臺(tái)開發(fā)的領(lǐng)跑者是Autodesk開發(fā)的Revit，Dasseult公司開發(fā)的Catia，Bentley MicroStation[9]，其紛紛響應(yīng)BIM數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和輕量化處理技術(shù)的要求。提出以三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)為核心,與業(yè)務(wù)系統(tǒng)深度融合的PowerBIM平臺(tái)，涵蓋了Autodesk、Bentley、CATIA平臺(tái)，并通過自主或購(gòu)買研發(fā)地質(zhì)、配筋、造價(jià)等模塊，逐步完善三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行三大環(huán)節(jié)建模及模型協(xié)調(diào)性研究[10]，滿足傳統(tǒng)水電、水利、水務(wù)、市政、交通及新能源等行業(yè)的工程應(yīng)用，有助于加快統(tǒng)一水利數(shù)據(jù)平臺(tái)的進(jìn)程，推進(jìn)協(xié)同設(shè)計(jì)，向智能化水利轉(zhuǎn)變的進(jìn)程。由此可見，實(shí)現(xiàn)水利工程全生命周期(PLM)管理的軟件平臺(tái)基礎(chǔ)已初步具備。

(3)水利工程自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)狀。自動(dòng)化管理系統(tǒng)是水利工程中的靈魂工程，也是水利工程的輔助工程，有效可靠的自動(dòng)化系統(tǒng)能做到及時(shí)、準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)輔助分析與操作控制，遠(yuǎn)程調(diào)度等功能，為水利工程安全運(yùn)行監(jiān)控、自動(dòng)化控制與辦公，水雨情預(yù)報(bào)預(yù)警等管理工作提供了有力的技術(shù)保障。我國(guó)水利自動(dòng)化工程建設(shè)起步較晚，目前大部分大中型水利項(xiàng)目配置了包括防洪調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、水工設(shè)備計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)和安全監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化系統(tǒng)，基本采用現(xiàn)地、集控、調(diào)度分層、分布、開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[11]。由于水利工程自動(dòng)化系統(tǒng)是一種硬件和軟件相結(jié)合的系統(tǒng)，其硬件環(huán)節(jié)多而分散、多為隱蔽埋設(shè)，且對(duì)硬件以及軟件的供應(yīng)商或開發(fā)商缺乏必要、完善的技術(shù)規(guī)范約束，自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)彼此互聯(lián)性差、數(shù)據(jù)共享性能差，交換性差，自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)廠家技術(shù)依賴性大，運(yùn)行維護(hù)困難。致使自動(dòng)化系統(tǒng)作用不能充分發(fā)揮。為此，國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列關(guān)于水利信息自動(dòng)化建設(shè)的規(guī)范性文件，對(duì)軟硬件接口、數(shù)據(jù)庫(kù)格式等進(jìn)行規(guī)范統(tǒng)一，增強(qiáng)技術(shù)兼容性，特別是上層軟件和硬件設(shè)備的統(tǒng)一化，以進(jìn)一步推進(jìn)水利自動(dòng)化調(diào)度管理向精準(zhǔn)化發(fā)展。

2 項(xiàng)目概述

牛欄江-滇池補(bǔ)水工程(以下簡(jiǎn)稱牛欄江工程)作為跨區(qū)域、跨流域的長(zhǎng)距離引水項(xiàng)目，滇池水污染防治的關(guān)鍵性措施，被列為國(guó)家172項(xiàng)重大水利工程之一，云南省“十二五”期間的20項(xiàng)重大工程之首，工程建設(shè)與運(yùn)行成效備受關(guān)注。牛欄江工程主要任務(wù)為近期重點(diǎn)向滇池補(bǔ)水，遠(yuǎn)期向曲靖市供水，同時(shí)作為昆明市的備用水源。工程跨越云南省曲靖市和昆明市境內(nèi)六縣區(qū)，主要由水源工程、干河泵站提水工程和輸水工程組成，即在牛欄江干流(曲靖段)建成了高214 m的面板堆石壩，總庫(kù)容為4.48 億m3的德澤水庫(kù)樞紐，經(jīng)裝機(jī)為4×22.5 MW，設(shè)計(jì)揚(yáng)程221 m的干河泵站提水，通過總長(zhǎng)115.85 km的輸水線路輸送至昆明市盤龍江，清水穿城進(jìn)入滇池。

工程投運(yùn)以來，工程運(yùn)行總體穩(wěn)定，已向昆明市滇池生態(tài)補(bǔ)水25 億m3，其中向昆明市城市應(yīng)急供水1.15 億m3，極大補(bǔ)充滇池的水資源量，與其他五大工程措施聯(lián)合發(fā)力，促使滇池水質(zhì)由劣Ⅴ類向Ⅴ類轉(zhuǎn)化并持續(xù)好轉(zhuǎn)，滇池綜合治理效益明顯。同時(shí)為昆明市提供了可靠的應(yīng)急備用水源，極大提升了城市抗供水危機(jī)的能力，入城打造了大型人工瀑布、盤龍江清水通道城市水景觀等社會(huì)效益，充分體現(xiàn)了“一水多用，綜合利用”的治水理念。

3 牛欄江補(bǔ)水工程信息化建管系統(tǒng)構(gòu)建及運(yùn)用

3.1 信息化方案立項(xiàng)背景

牛欄江補(bǔ)水工程是在國(guó)家針對(duì)“三湖”治理提出“抓緊治理已經(jīng)迫在眉睫，刻不容緩”且“要進(jìn)一步做好調(diào)水引流工作，積極實(shí)施‘滇池引水’工程,增加湖泊的生態(tài)水量，增強(qiáng)湖水的自凈能力”的背景下，云南省委、省政府果斷決策立項(xiàng)興建的大型水資源綜合配置項(xiàng)目。工程從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工到建成不到6年時(shí)間，在工程設(shè)計(jì)周期短、施工工期緊、戰(zhàn)線長(zhǎng)，巖溶地區(qū)地下工程占比大，設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)性場(chǎng)地施工交叉并行，涉及多項(xiàng)設(shè)計(jì)研發(fā)、施工制造技術(shù)攻關(guān)的條件下，各參建單位都面臨海量數(shù)據(jù)的及時(shí)采集、集成計(jì)算、協(xié)同分析后指導(dǎo)設(shè)計(jì)、管控施工、輔助管理決策的難題。為此，研究建立了業(yè)主負(fù)責(zé)，設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、制造及科研技術(shù)咨詢協(xié)同的信息化工作平臺(tái)(如圖1)。以工程“三高兩難”為重點(diǎn)，有針對(duì)性地構(gòu)建一套三維設(shè)計(jì)到加載了時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)控制屬性的五維信息管理系統(tǒng)，輔助完成設(shè)計(jì)優(yōu)化和有效的建設(shè)管理。

圖1 牛欄江工程信息系統(tǒng)構(gòu)建模式簡(jiǎn)圖

3.2 信息系統(tǒng)構(gòu)建思路

作為牛欄江補(bǔ)水工程建設(shè)管理業(yè)主，在對(duì)國(guó)內(nèi)水利信息化管理技術(shù)和數(shù)字大壩系統(tǒng)運(yùn)用調(diào)研的基礎(chǔ)上[12-14]，針對(duì)本工程系統(tǒng)復(fù)雜、專業(yè)多、承建單位多、戰(zhàn)線長(zhǎng)的特點(diǎn)，就各專業(yè)設(shè)計(jì)單位采用不同的三維設(shè)計(jì)軟件，施工信息采集裝置及數(shù)據(jù)處理軟件眾多的問題，提出圍繞一套三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過招標(biāo)階段的分標(biāo)規(guī)劃、建設(shè)期項(xiàng)目劃分，重構(gòu)合理單元模型，輔助開展質(zhì)量與安全管控，進(jìn)度及投資控制的可視化管理；按照實(shí)施情況更新轉(zhuǎn)換為竣工面貌的五維模型，支持后續(xù)運(yùn)維管理兩項(xiàng)主要任務(wù)，研究搭建了協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真輔助建設(shè)管理信息化系統(tǒng)(系統(tǒng)邏輯構(gòu)架如圖2)[15]，實(shí)現(xiàn)了工程全專業(yè)、全方位、全過程信息化管理，并向數(shù)字化分析、智能化管理推進(jìn)的預(yù)期成效。

3.3 BIM技術(shù)運(yùn)用初探

按照2011年中央1號(hào)文件關(guān)于“推進(jìn)水利信息化建設(shè)，全面實(shí)施‘金水工程’；提高水資源調(diào)控、水利管理和工程運(yùn)行的信息化水平，以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化。”的要求，牛欄江補(bǔ)水工程在2009年開工建設(shè)之初，按統(tǒng)一設(shè)計(jì)，分期實(shí)施的原則，圍繞①德澤水庫(kù)樞紐：巖溶地帶，高地震烈度區(qū)(9度)高面板壩填筑、趾板施工管控；②干河泵站：對(duì)國(guó)內(nèi)首次自主研發(fā)高揚(yáng)程大容量泵組的制造與安裝，開展全過程的信息數(shù)據(jù)跟蹤與分析；③116 km長(zhǎng)的輸水線路：強(qiáng)溶巖發(fā)育、高地下水位(最高205 m)條件下，長(zhǎng)隧洞施工安全及進(jìn)度控制等重點(diǎn)部位、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工管控，迅速啟動(dòng)三維設(shè)計(jì)建模，業(yè)主建管信息實(shí)施跟蹤及加載、可視化輔助管理等實(shí)踐活動(dòng)[14]，為工程建設(shè)的順利推進(jìn)和有效管控，提供助力。

圖2 牛欄江工程信息建管系統(tǒng)邏輯構(gòu)架圖

3.3.1 德澤水庫(kù)大壩及電站施工信息固化

德澤水庫(kù)面板堆石壩填筑的質(zhì)量及進(jìn)度管控是關(guān)鍵工序，河床趾板清基和地質(zhì)缺陷處理是重要隱蔽控制單元，壩后電站作為較獨(dú)立的實(shí)施主體，列作施工管控全過程數(shù)字化的試點(diǎn)。以上述示例：施工信息采集→傳輸→整編→加載固化→按管理需求運(yùn)用，初探三維設(shè)計(jì)模型到加載了時(shí)間、實(shí)施內(nèi)容信息五維建管模型轉(zhuǎn)換的過程(示例見圖3)。

圖3 德澤水庫(kù)施工信息化動(dòng)態(tài)管理示例

3.3.2 干河泵站泵組制安過程信息化管理

干河泵站采用地下式主廠房、地面式副廠房，泵站選用的 4 臺(tái)水泵，水泵揚(yáng)程、功率均屬國(guó)內(nèi)單級(jí)、單吸離心式水泵之最，居世界第二位，且為國(guó)內(nèi)首次自主研發(fā)。泵組研發(fā)中的模型試驗(yàn)、生產(chǎn)制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝及調(diào)試是技術(shù)管控核心?，F(xiàn)以信息固化4號(hào)泵組主要設(shè)備出產(chǎn)→進(jìn)場(chǎng)報(bào)驗(yàn)→安裝及檢查→單體調(diào)試→機(jī)組調(diào)試流程等重要環(huán)節(jié)的實(shí)施情況示例動(dòng)態(tài)管控進(jìn)程，積累形成的管理信息將為成套機(jī)組的良性運(yùn)行、維護(hù)及技術(shù)改造服務(wù)(干河泵站4號(hào)泵組安裝進(jìn)度管控流程圖如圖4)。

圖4 干河泵站4號(hào)泵組安裝進(jìn)度管控流程圖

3.4 聯(lián)合調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)

牛欄江工程于2013年底投入試運(yùn)行，在規(guī)劃的工程信息化系統(tǒng)框架內(nèi)已建成包括安全監(jiān)測(cè)、庫(kù)區(qū)水情、水質(zhì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、現(xiàn)地工程運(yùn)行監(jiān)測(cè)、監(jiān)控以及覆蓋工程全線的視頻監(jiān)控系統(tǒng)等自動(dòng)化系統(tǒng)。因工程站點(diǎn)分散、線路長(zhǎng)、泵站規(guī)模大，社會(huì)意義影響大，工程按照需求牽引，突出重點(diǎn)，統(tǒng)一設(shè)計(jì)，分步實(shí)施的原則，規(guī)劃建設(shè)了遠(yuǎn)程調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)全線各站點(diǎn)、各系統(tǒng)的集中監(jiān)控、工程運(yùn)行及區(qū)域聯(lián)合調(diào)度決策及信息化應(yīng)用與管理，支持完成全線自動(dòng)化統(tǒng)一調(diào)水過程。本工程調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)總體架構(gòu)采用縱向分層、橫向分區(qū)式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)邏輯圖如圖5所示。

圖5 牛欄江自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)邏輯圖

同時(shí)，按照云南省水利改革關(guān)于研究并逐步構(gòu)建云南水資源統(tǒng)一配置與調(diào)度管理模式的要求，牛欄江補(bǔ)水工程投運(yùn)初期，由聯(lián)合調(diào)度管理單位牽頭，結(jié)合工程跨區(qū)域、跨流域調(diào)水運(yùn)行的特點(diǎn)，整合工程水源區(qū)、工程樞紐和受水區(qū)滇池以及下游一定范圍已建成的水情、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為合理、科學(xué)開展區(qū)域水資源配置及工程運(yùn)行后評(píng)價(jià)提供了完整、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息支撐，為昆明城區(qū)防洪調(diào)度的科學(xué)決策與應(yīng)急處置，建立了有效的響應(yīng)機(jī)制。牛欄江工程自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)隨著數(shù)據(jù)庫(kù)的集成分析及控制平臺(tái)的整合，將成為云南跨區(qū)域水資源優(yōu)化配置及精準(zhǔn)調(diào)度的研究樣本。

4 結(jié) 語

計(jì)算機(jī)與工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，大型計(jì)算分析軟件的問世，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，建筑信息模型(BIM)技術(shù)在國(guó)內(nèi)大型水電站施工仿真監(jiān)管及牛欄江補(bǔ)水工程信息化系統(tǒng)建設(shè)中的成功運(yùn)用，為開發(fā)多維信息化系統(tǒng)輔助重點(diǎn)水利項(xiàng)目特別是長(zhǎng)距離調(diào)水、大水網(wǎng)工程開展從三維協(xié)同設(shè)計(jì)、工程建設(shè)可視化動(dòng)態(tài)管理到區(qū)域水資源優(yōu)化配置與精準(zhǔn)調(diào)度的全生命周期管理，提供了可靠的技術(shù)保障及引導(dǎo)深度運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)。隨著BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的進(jìn)一步完善和在水利管理中的推廣運(yùn)用，圍繞建立統(tǒng)一、開放式信息化平臺(tái)，多元信息集成與智能分析模塊的開發(fā)，模型協(xié)同轉(zhuǎn)換適應(yīng)性研究的不斷深入，將為促進(jìn)水利管理信息化向現(xiàn)代化、精細(xì)化、智能化轉(zhuǎn)變發(fā)揮積極引領(lǐng)作用。