宋曉建， 裴彥青， 趙宇飛， 姜 龍

(1. 新疆葛洲壩大石峽水利樞紐開發(fā)有限公司，新疆 烏什縣 843402；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

1 概述

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，“智慧地球”概念得以提出，“智慧”概念在水利領(lǐng)域得以體現(xiàn)。數(shù)字水利和智慧水利是水利信息技術(shù)不同的發(fā)展階段[1-2]。初期，隨著全數(shù)字?jǐn)z影測量、遙測、遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、可視化等現(xiàn)代化信息技術(shù)出現(xiàn)，構(gòu)建成一體化的數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境，并在可視化的條件下提供決策支持，增強(qiáng)決策的科學(xué)性和預(yù)見性[3]?，F(xiàn)階段，以"互聯(lián)網(wǎng)+"的思維和BIM的跨界應(yīng)用開拓水利創(chuàng)新之路，大壩建設(shè)管理云平臺、一體化智能灌漿、無人集群智能填筑、混凝土澆筑智能溫控、TBM輔助掘進(jìn)等在水利工程施工過程中取得階段性成果[4-12]，解決了信息采集實時性差、數(shù)據(jù)應(yīng)用程度低、易形成信息孤島、以及難以滿足高標(biāo)準(zhǔn)的施工質(zhì)量綜合控制等問題，實現(xiàn)了單一分項工程的智能化管理。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM+等新一代信息技術(shù)崛起，從水利工程的規(guī)劃階段開始，實現(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)行的全壽命周期智慧化任重道遠(yuǎn)，水利工程建設(shè)全過程智慧化管控旭日初升。本文結(jié)合信息化發(fā)展現(xiàn)狀以及水利工程建設(shè)管理信息化研究與實踐中的經(jīng)驗，擬建設(shè)基于“BIM+GIS+IOT+區(qū)塊鏈+AR”等多技術(shù)融合的大石峽水利樞紐工程建設(shè)智慧管理云平臺，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)一個源、施工一張圖、業(yè)務(wù)一條線、管理一張網(wǎng)”的智慧化管控，全面提升工程建設(shè)信息化水平。

2 工程簡介

2.1 工程概況

新疆大石峽水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)境內(nèi)阿克蘇河一級支流庫瑪拉克河中下游、溫宿縣與烏什縣交界處的大石峽峽谷河段。工程建設(shè)任務(wù)是在保證向塔里木河干流生態(tài)供水總量目標(biāo)的前提下，承擔(dān)灌溉、防洪、發(fā)電等綜合利用，并為進(jìn)一步改善向塔里木河干流生態(tài)供水過程創(chuàng)造條件。攔河壩為混凝土面板砂礫石壩，最大壩高247m，為國內(nèi)外同類型大壩最高壩。水庫正常蓄水位1700m，水庫總庫容11.7億m3，電站裝機(jī)容量750MW，多年平均發(fā)電量18.93億kW·h，工程等別為I等大(1)型工程。工程完工形象如圖1所示。

圖1 大石峽水利樞紐工程完工形象

2.2 工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

新疆大石峽水利樞紐工程為特高混凝土面板砂礫石壩，為已建和在建的世界第一高混凝土面板壩和世界第一高砂礫石壩。工程整體具有高壩、高邊坡、高地震烈度、高泄洪流速、高挖填強(qiáng)度等“五高”，管理模式新“一新”，地形地質(zhì)復(fù)雜、自然氣候復(fù)雜、社會環(huán)境復(fù)雜等“三復(fù)雜”的特點(diǎn)。其具體工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)見表1。

3 智慧建設(shè)目標(biāo)與原則

3.1 建設(shè)目標(biāo)

基于大石峽水利樞紐工程特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合信息化發(fā)展現(xiàn)狀以及水利工程建設(shè)管理信息化研究與實踐中的經(jīng)驗，建設(shè)基于“BIM+GIS+IOT+區(qū)塊鏈+AR”等多技術(shù)融合的大石峽水利樞紐工程建設(shè)智慧管理云平臺，實現(xiàn)大石峽水利樞紐工程數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)驅(qū)動、情景模擬、動態(tài)管控、智慧決策等，主要目標(biāo)具體體現(xiàn)在六方面：①為大石峽水利樞紐工程建設(shè)智慧化管理提供群體協(xié)同平臺；②為大石峽水利樞紐工程建設(shè)質(zhì)量、進(jìn)度、安全、成本的高效管控提供重要科技手段；③為大石峽水利樞紐工程運(yùn)行長效安全智慧管控提供科學(xué)保障；④為大石峽水利樞紐工程提供全壽命期管控，保證數(shù)據(jù)的完整和可溯；⑤為大石峽水利樞紐工程提供新一代信息技術(shù)支撐，保障新技術(shù)與工程實際無縫銜接，具備出色的應(yīng)用、推廣價值；⑥為大石峽水利樞紐工程解決工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)與填報數(shù)據(jù)“兩張皮”問題，確?，F(xiàn)場與智慧工程同時設(shè)計、同時建設(shè)、同時運(yùn)行。

3.2 建設(shè)原則

為實現(xiàn)“數(shù)據(jù)一個源、施工一張圖、業(yè)務(wù)一條線、管理一張網(wǎng)”的智慧化管控，大石峽水利樞紐工程建設(shè)智慧管理云平臺主要依據(jù)的設(shè)計原則如下：①需求導(dǎo)向、目標(biāo)統(tǒng)領(lǐng)；②總體設(shè)計、分步實施；③安全實用、先進(jìn)可靠；④自主可控、性能高效；⑤統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、共享資源；⑥技術(shù)融合、智能應(yīng)用；⑦突出重點(diǎn)、務(wù)求實效；⑧統(tǒng)分兼顧、逐步迭代；⑨集中部署、保障運(yùn)行；⑩健全機(jī)制、創(chuàng)新服務(wù)。

表1 大石峽水利樞紐工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)匯總表

4 智慧建設(shè)頂層設(shè)計

4.1 頂層架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，秉承“泛在感知、BG為基、激活數(shù)據(jù)、多層互融、引領(lǐng)創(chuàng)新、協(xié)同共贏”建設(shè)理念，建設(shè)大石峽水利樞紐工程建設(shè)智慧管理云平臺，實現(xiàn)大石峽水利樞紐工程建設(shè)全過程、全要素、全方位的智慧化管控和業(yè)務(wù)閉環(huán)管理，實現(xiàn)質(zhì)量、進(jìn)度、成本及安全的統(tǒng)籌優(yōu)化，打造新時代的智慧水利示范精品。其智慧建設(shè)頂層架構(gòu)如圖2所示。從圖2可知：

(1)工程建設(shè)所依據(jù)的政策法規(guī)和安全體系是本平臺開發(fā)建設(shè)的基礎(chǔ)。

(2)感知層，主要通過RFID、寬頻定位、電子標(biāo)簽、攝像頭、無人機(jī)、高精度定位、人工觀測等手段，獲取本平臺的多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)，為平臺高效運(yùn)行提供真實、可靠的基礎(chǔ)資料。

(3)傳輸層，主要通過光纖、北斗、以太網(wǎng)、局域網(wǎng)、4G等手段，構(gòu)建全方位、多層次、全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，為本工程監(jiān)測監(jiān)控站、調(diào)度會商中心等之間的語音、數(shù)據(jù)、視頻等各種信息提供高速可靠的傳輸通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效、精準(zhǔn)的傳遞。

(4)基礎(chǔ)層，主要以云平臺的相關(guān)硬件和軟件為載體，將現(xiàn)場和智慧化工程無縫銜接，確保智慧大石峽安全、可靠運(yùn)行。

圖2 大石峽水利樞紐工程智慧建設(shè)頂層架構(gòu)

(5)數(shù)據(jù)層，主要將獲得的數(shù)據(jù)、文本、圖片、影像、視頻、聲音等資料，進(jìn)行存儲、規(guī)劃、梳理、抽取、交換、發(fā)布、服務(wù)等數(shù)據(jù)管理與服務(wù)，為云平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

(6)支撐層，主要通過GIM、GIS、云計算、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等算法，為智慧化工程中不同的功能模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)交換平臺，進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理平臺，以及儲存源數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲平臺，其中信息全過程管理標(biāo)準(zhǔn)中包括信息采集標(biāo)準(zhǔn)格式、數(shù)據(jù)存儲與分析的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)與元數(shù)據(jù)設(shè)計，源數(shù)據(jù)將經(jīng)過平臺層進(jìn)行清洗、甄別、稀疏、聚類、相關(guān)、預(yù)測、校驗、轉(zhuǎn)發(fā)等，是大數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、處理中心，還包括有支撐平臺應(yīng)用開發(fā)和支撐平臺服務(wù)的多個平臺系統(tǒng)，如BIM Cloud服務(wù)平臺、GIS服務(wù)平臺、AI訓(xùn)練平臺等，是支撐整個云平臺運(yùn)行的必要服務(wù)平臺，另外結(jié)合目前水利部正在推行的數(shù)字文檔電子簽證，保證工程建設(shè)過程中的重要數(shù)字文檔的合理地位與法律效力。

(7)業(yè)務(wù)層，構(gòu)建工程建設(shè)全過程的智慧業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，用以指導(dǎo)和控制工程建設(shè)過程，為工程順利推進(jìn)和“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的全方位管理提供應(yīng)用支撐，為工程協(xié)同化管理和工程智能決策提供支持和服務(wù)，實現(xiàn)工程信息的全方位分析與渲染，整體推進(jìn)大石峽水利樞紐工程建設(shè)和管理智能化水平。

(8)訪問層，包括大石峽水利樞紐工程建設(shè)管理云平臺門戶網(wǎng)站建設(shè)，多終端訪問和用戶角色劃分等。

(9)用戶層，即大石峽水利樞紐工程建設(shè)群體，包括建設(shè)管理者、設(shè)計、監(jiān)理、施工、監(jiān)督等相關(guān)人員。

4.2 技術(shù)架構(gòu)

擬采用FWeb平臺(統(tǒng)一資源云服務(wù)平臺)，該平臺是資源管理平臺、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)平臺、移動應(yīng)用開發(fā)平臺、云帳號中心平臺的總稱。其技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

云平臺遵循主流企業(yè)架構(gòu)風(fēng)格，設(shè)計遵循標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展性、先進(jìn)性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)總體設(shè)計原則，并且支持多語言，支持主流的微服務(wù)框架、支持前后端分離的開發(fā)模式，可擴(kuò)展性高、系統(tǒng)開發(fā)效率高等多個特點(diǎn)，可兼容WindowsServer、Linux、Unix等多個主流操作系統(tǒng)。

云平臺還能與國產(chǎn)及國外主流數(shù)據(jù)庫保持極好的交互性，同時開發(fā)平臺提供應(yīng)用、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、終端、通訊的安全管理，確保運(yùn)行的可控、可靠性，通過運(yùn)行監(jiān)控、集群管理、組件升級等運(yùn)行維護(hù)的支持，滿足平臺的高可用性要求。

圖3 大石峽水利樞紐工程智慧建設(shè)技術(shù)架構(gòu)

在FWEB開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上，對于網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施條件具備的項目現(xiàn)場，進(jìn)一步引入BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)項目管理數(shù)據(jù)從采集/感應(yīng)層到存儲/審批層、業(yè)務(wù)層、可視化展示層的縱向貫通，以及數(shù)據(jù)采集自動化、業(yè)務(wù)處理在線化和項目管理智能化。

在技術(shù)路線的選型和技術(shù)使用上，充分考慮自主產(chǎn)權(quán)技術(shù)研發(fā)和集成外部成熟系統(tǒng)相結(jié)合的方式，通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫銜接。

4.3 平臺特點(diǎn)

(1)BIM+GIS+AI技術(shù)的深度應(yīng)用。繼承設(shè)計階段BIM設(shè)計成果，結(jié)合實際施工過程項目劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行WEB端的BIM輕量化處理與參數(shù)精細(xì)化切割，與GIS、AI技術(shù)深度耦合，實現(xiàn)以單元工程為最小管理單元的施工過程精細(xì)化智能化管理。并且通過施工期的BIM模型的應(yīng)用與工程建設(shè)過程重要信息的加載，為水利樞紐運(yùn)行過程的BIM+GIS+AI技術(shù)應(yīng)用提供重要基礎(chǔ)。

(2)基于工程建設(shè)物聯(lián)技術(shù)、BIM技術(shù)以及施工過程實時精細(xì)化管理系統(tǒng)，建立了“管理平臺在‘云’、施工過程實時監(jiān)控在‘中’、工程建設(shè)管理信息感知在‘底’”的三層管理模式。

(3)基于標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字化的工程建設(shè)信息采集標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了水利工程管理業(yè)務(wù)模塊與工程施工過程實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、深度融合，可以保證水利樞紐建設(shè)管理平臺的“數(shù)據(jù)一個源、施工一張圖、業(yè)務(wù)一條線、管理一張網(wǎng)”，達(dá)到工程建設(shè)各參建單位的協(xié)調(diào)共享的高效管理，保證工程建設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度。

數(shù)據(jù)一個源：本系統(tǒng)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)中，以各種水利工程建設(shè)管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為依據(jù)，并且結(jié)合水利樞紐管理的業(yè)務(wù)需求，建立數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，保證系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來源唯一、出口唯一，保證系統(tǒng)中數(shù)據(jù)管理的高效與可靠。另外系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)還包括信息分析與處理標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)⒐こ探ㄔO(shè)文檔中的數(shù)據(jù)進(jìn)行碎片化，并對其進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提高數(shù)據(jù)的利用率，為工程建設(shè)建設(shè)管理優(yōu)化提供重要支撐。

施工一張圖：利用BIM技術(shù)，繼承工程設(shè)計階段的三維立體設(shè)計成果，建立基于工程項目劃分的施工期BIM模型，構(gòu)建水利樞紐數(shù)字孿生模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，實現(xiàn)BIM技術(shù)平臺的動態(tài)工程施工與結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，實現(xiàn)工程建設(shè)施工的一張圖管理。

業(yè)務(wù)一條線：在工程建設(shè)信息全過程管理基礎(chǔ)上，結(jié)合工程建設(shè)過程中各種業(yè)務(wù)管理的主要內(nèi)容，對水利樞紐工程進(jìn)行精細(xì)化施工組織與項目劃分，并結(jié)合工程建設(shè)文檔信息的采集、傳輸、整理、分析及歸檔等流程，將工程建設(shè)管理過程中的質(zhì)量評定、合同管理、進(jìn)度管理、文檔管理、檢驗檢測管理等業(yè)務(wù)實現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，保證各管理業(yè)務(wù)中的數(shù)據(jù)來源唯一、信息可靠、管理高效，提高管理效率與水平，實現(xiàn)業(yè)務(wù)一條線管理。

管理一張網(wǎng)：基于建立水利樞紐工程建設(shè)管理平臺，為工程參建各單位提供重要的數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同、管理高效的工程建設(shè)管理平臺，實現(xiàn)工程參建各單位的業(yè)務(wù)交互高效管理，實現(xiàn)工程建設(shè)一張網(wǎng)式管理。

5 智慧建設(shè)功能與關(guān)鍵技術(shù)

5.1 功能模塊

大石峽水利樞紐工程建設(shè)智慧化管理，分為三大類功能模塊，分別為分析決策類、工程建設(shè)類和現(xiàn)場施工類。

功能模塊如圖4—6所示。

圖4 分析決策類功能模塊全景

圖5 工程建設(shè)類功能模塊全景

圖6 現(xiàn)場施工類功能模塊全景

從圖4—6可見，分析決策類模塊提供給管理者和系統(tǒng)使用各角色各單位進(jìn)行項目整體瀏覽分析、實時全景查看項目進(jìn)展、智能預(yù)警等功能，對項目決策和管理起到全方位支撐作用；工程建設(shè)類模塊提供給管理者和系統(tǒng)使用各角色各單位進(jìn)行項目運(yùn)行全方位工作數(shù)字化支撐功能，使各角色各單位進(jìn)行有效業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、流程協(xié)同；現(xiàn)場施工類模塊對工程施工現(xiàn)場提供支撐功能，包括各項施工環(huán)節(jié)的實時智能化監(jiān)控、各項施工作業(yè)監(jiān)控、外部環(huán)境及施工污染監(jiān)控、農(nóng)民工施工班組管理和現(xiàn)場材料的使用管理等。

大石峽水利樞紐工程建設(shè)智慧化管理，其典型的管理模塊內(nèi)容、主要功能和輸出信息如圖7所示。

5.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，基于建立的水利工程建設(shè)精細(xì)化管理云平臺，如圖8—9所示，開展工程建設(shè)運(yùn)行高效協(xié)同管理與監(jiān)控，提高工程建設(shè)運(yùn)行管理效率與水平。

(2)基于壩料級配、含水率的實時感知、碾壓機(jī)械無人駕駛無損快速改裝技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大壩填筑的壩料級配與含水、路徑規(guī)劃、環(huán)境感知、動作執(zhí)行及質(zhì)量評判的智慧化施工，如圖10—11所示。

(3)依托“布-鉆-灌-檢”的灌漿施工全過程智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖12所示，利用鉆孔多源檢測技術(shù)的地層綜合感知技術(shù)與裝備，如圖13所示，進(jìn)行灌前地層精細(xì)感知、灌漿過程動態(tài)調(diào)控、灌漿質(zhì)量實時評價的全過程的智能化監(jiān)控。

(4)基于BIM+GIS+AI+VR技術(shù)的水利工程建設(shè)信息三維立體分析與渲染管理系統(tǒng)，進(jìn)行參數(shù)化的BIM模型切割，形成施工過程管理最小單元和輕量化處理，如圖14所示，構(gòu)建BIM模型實時加載施工數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，實現(xiàn)水利工程建設(shè)動態(tài)三維形象化精細(xì)化管控。

圖8 水利工程建設(shè)管理云平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖9 水利工程建設(shè)管理云平臺主要功能模塊及應(yīng)用展示

圖10 基于施工機(jī)械無人駕駛的大壩填筑智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖11 基于無人駕駛技術(shù)的智慧碾壓施工機(jī)械

圖12 “布-鉆-灌-檢”的灌漿施工全過程智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖13 灌漿鉆孔隨鉆信息實時感知系統(tǒng)與主要傳感器測量信息

(5)基于區(qū)塊鏈技術(shù)，通過拌合樓的要料單與配料單的建設(shè)與應(yīng)用，逐步向前擴(kuò)展到原材料供貨商的重要信息、向后逐步擴(kuò)展到混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)以及質(zhì)量檢測等方面，進(jìn)行混凝土拌和及澆筑全過程的數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)全節(jié)點(diǎn)、全過程的覆蓋，如圖15所示，從而實現(xiàn)混凝土施工全過程的精細(xì)化管控。

6 結(jié)語

本文主要從新疆大石峽水利樞紐工程建設(shè)智慧管理需求出發(fā)，結(jié)合目前先進(jìn)信息化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，開展了該樞紐工程智慧建設(shè)總體規(guī)劃與頂層設(shè)計，通過整個平臺架構(gòu)的設(shè)計，遵循標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展性、先進(jìn)性、穩(wěn)定性等設(shè)計原則，并且將目前最新發(fā)展的信息化技術(shù)納入其中，實現(xiàn)全過程全方位的多維精細(xì)化管理。并在平臺上將與工程建設(shè)中關(guān)鍵的施工過程實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)作為單獨(dú)的子系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)，實現(xiàn)了既全面又重點(diǎn)突出，即全要素又關(guān)鍵突出的特點(diǎn)。

圖14 輕量化技術(shù)處理流程圖

但是實際建設(shè)過程中，尚需要進(jìn)一步結(jié)合大石峽水利樞紐工程實際，進(jìn)行頂層設(shè)計與規(guī)劃的動態(tài)調(diào)整與優(yōu)化，真正做到平臺的應(yīng)用能夠切實提高工程建設(shè)管理水平，保證工程施工質(zhì)量，為工程建設(shè)運(yùn)行的安全、智慧、高效提供重要支撐。

圖15 砼生產(chǎn)及混凝土澆筑智能管理流程