樊啟祥，林 鵬，魏鵬程，李 果

（1. 中國華能集團(tuán)有限公司，北京 100031；2. 清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084）

1 研究背景

國家能源互聯(lián)網(wǎng)行動計劃大綱指出，要通過能源互聯(lián)網(wǎng)推動能源生產(chǎn)、消費(fèi)、體制變革和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，有力地推動我國能源革命［1］。2020年國家13部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出“以數(shù)字化、智能化升級為動力，創(chuàng)新突破相關(guān)核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)應(yīng)用”［2］。深入思考水電企業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)時代的新理論、新技術(shù)、新對策，并開啟以能源革命與信息化變革為核心的智能建造，這是大勢所趨，是保障國家和社會高質(zhì)量持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵［3-4］。

水電作為清潔可再生能源，是實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo)，促進(jìn)國家能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分。截至2020年底，中國水電裝機(jī)容量總量3.8億kW左右，待開發(fā)水力資源一半以上集中在高海拔地區(qū)的雅魯藏布江、瀾滄江、怒江和金沙江流域，國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)［5］明確要實(shí)施雅魯藏布江下游水電資源開發(fā)。高海拔地區(qū)水電建設(shè)具有“四高”（高寒、高地應(yīng)力、高地震烈度、高水頭），“四大”（大埋深、大落差、大保護(hù)、大溫差），“三長”（長冬歇、長隧洞、長周期）等特點(diǎn)，高海拔水電工程智能建造技術(shù)的應(yīng)用范圍、專業(yè)領(lǐng)域、融合深度、覆蓋周期等要求更高，且端、網(wǎng)、云、自然、交通、通訊等基礎(chǔ)條件較弱，特別是開發(fā)過程中將遇到典型河段生態(tài)調(diào)控、地下空間健康環(huán)境控制、土石方時空平衡利用、長大水工隧洞襯砌建造、深厚覆蓋層地基振沖置換、高位雪崩泥石流災(zāi)害防治及綠色生產(chǎn)輔助系統(tǒng)等特有新問題和新挑戰(zhàn)，對安全、優(yōu)質(zhì)、綠色、高效開發(fā)水電資源提出了更高的要求，需要更好開發(fā)運(yùn)用數(shù)字化、智能化技術(shù)和管理手段，來實(shí)現(xiàn)這些建設(shè)目標(biāo)。因此，開展高海拔地區(qū)水電工程智能建造挑戰(zhàn)與對策研究，具有重要意義。

目前，國內(nèi)外針對水電工程智能建造研究主要包含理論、技術(shù)和管理平臺三方面，主要進(jìn)展如下：（1）理論，早期學(xué)者提出智能建造重點(diǎn)在于建造過程中數(shù)值技術(shù)、智能技術(shù)的充分利用［6］。信息化、智能化技術(shù)逐漸被應(yīng)用到水電工程建設(shè)中［7］，如糯扎渡［6］、溪洛渡［8-10］、向家壩、白鶴灘［11］、烏東德［4］等高壩。通過工程實(shí)踐和研究的深入，眾多學(xué)者提出了不同的智能建造定義［12-13］，樊啟祥等［14］進(jìn)一步明確了智能建造內(nèi)容、過程和類別等內(nèi)涵，強(qiáng)調(diào)閉環(huán)控制理論是智能建造的核心。（2）技術(shù)，近10年來，智能建造技術(shù)在建筑、土木及水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施建造行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛［8，15-16］。相對比較成熟和應(yīng)用較廣泛的數(shù)字化和智能化技術(shù)，包括智能碾壓［17］、智能溫控［18］、智能灌漿［11］、智能安全［12，19-20］、3D打?。?1］及BIM應(yīng)用［22］等。在交通、水工隧洞及電站廠房等地下工程方面，盾構(gòu)隧道信息化施工智能技術(shù)［23］、隧道施工多元信息智能監(jiān)控系統(tǒng)［24］、隧洞排水設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)［25］相繼得到應(yīng)用。表1為水利水電工程已有典型智能建造技術(shù)，它們推動了水利水電工程建造技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展。（3）管理平臺，基于溪洛渡、烏東德、白鶴灘等大型水電工程實(shí)踐研發(fā)的Idam綜合管理平臺［8］，是當(dāng)前水電工程智能建造最具代表性管理平臺之一。在安全生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境管控等方面，如安全隱患排查治理系統(tǒng)［20］，現(xiàn)場監(jiān)理人員管理和評價系統(tǒng)［26］，電力系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)安全智能評估［27］，水質(zhì)、生態(tài)、環(huán)境監(jiān)測傳感管理平臺［28］等也得到應(yīng)用。

表1 已有水利水電工程智能建造技術(shù)

面對高海拔地區(qū)自然環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)、工程建設(shè)等建設(shè)特點(diǎn)，現(xiàn)有資源如人類活動、施工機(jī)械、機(jī)電設(shè)備的能力與效率等面臨新的挑戰(zhàn)，生態(tài)環(huán)境調(diào)查評估保護(hù)監(jiān)測分析的手段與方法、雪崩冰崩及其泥石流等自然災(zāi)害、強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動對復(fù)雜環(huán)境下水工建筑物的全生命期安全影響等問題一定程度上超出了現(xiàn)有的工程認(rèn)知，對傳統(tǒng)的、定型的、熟悉的工程方法提出了新的挑戰(zhàn)，相關(guān)工程建造理論、工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程管理要求已超出現(xiàn)有實(shí)踐與規(guī)范，水電開發(fā)全生命期綠色化、無人化、電氣化、智能化的管理目標(biāo)，對建設(shè)要素感知、實(shí)時數(shù)據(jù)處理、智能預(yù)測預(yù)警、智能建造關(guān)鍵裝備、全要素全過程全成本智能管理等提出了新命題、新問題、新要求，其解決方案還需結(jié)合水電開發(fā)的迫切現(xiàn)實(shí)要求深入研究。本文首先分析高海拔地區(qū)水電工程建設(shè)特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和應(yīng)用原則，構(gòu)建了高海拔地區(qū)智能建造閉環(huán)控制方法和智能管理體系；進(jìn)而基于智能閉環(huán)控制理論，闡述典型河段生態(tài)調(diào)控、地下空間健康環(huán)境控制、土石方時空調(diào)配平衡利用、長大水工隧洞襯砌智能化施工、深厚覆蓋層地基振沖碎石樁智能控制、地質(zhì)災(zāi)害防治及綠色生產(chǎn)輔助系統(tǒng)等新挑戰(zhàn)，提出智能建造相應(yīng)的對策。

2 高海拔水電工程建設(shè)的特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和原則

2.1 高海拔地區(qū)水電工程建造特點(diǎn)與挑戰(zhàn)從高海拔地區(qū)水電工程河流規(guī)劃、工程布置、建設(shè)實(shí)施、運(yùn)行維護(hù)等時空演變特性看，可歸納其自然環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)、工程建設(shè)等特點(diǎn)（表2）。同時，高海拔水電開發(fā)還面臨無人區(qū)本底資料缺少、地域特性相關(guān)的電力消納市場協(xié)調(diào)處理復(fù)雜、市場化電價承受能力有限、建設(shè)征地和移民搬遷安置艱巨、科技積累和技術(shù)水平不高、開發(fā)建設(shè)體制機(jī)制深化改革等挑戰(zhàn)。這些特點(diǎn)和挑戰(zhàn)疊加，使高海拔水電工程建設(shè)和電站運(yùn)行面臨更大的風(fēng)險。

表2 高海拔地區(qū)水電工程建設(shè)主要特點(diǎn)

2.2 高海拔水電工程智能建造遵循的原則高海拔地區(qū)的自然、結(jié)構(gòu)、建設(shè)等特點(diǎn)，要求工程建造活動遵循生態(tài)保護(hù)、本質(zhì)安全、質(zhì)量控制、資源利用和價值創(chuàng)造等基本原則：

（1）生態(tài)優(yōu)先。由于特殊的地理位置和地形條件，高海拔地區(qū)擁有極其豐富且獨(dú)特的自然和生物資源，有的項(xiàng)目鄰近自然保護(hù)區(qū)或生態(tài)紅線，環(huán)境保護(hù)壓力大。工程干支流、梯級及調(diào)節(jié)性水庫和徑流電站、天然河流徑流補(bǔ)給構(gòu)成一個以水工程為核心的新的高原水生態(tài)、水環(huán)境及水資源系統(tǒng)，其調(diào)度協(xié)調(diào)控制難度大。處理高海拔地區(qū)豐富水力資源開發(fā)和生物多樣性保護(hù)的關(guān)系，構(gòu)建資源開發(fā)生態(tài)判斷準(zhǔn)則、關(guān)鍵控制指標(biāo)和梯級生態(tài)調(diào)度控制指標(biāo)等必須堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先，促進(jìn)綠色、智能技術(shù)與管理創(chuàng)新在工程生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。

（2）本質(zhì)安全。高海拔地區(qū)水電工程安全管控涉及到規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維的全生命周期，不僅要解決變化的工程生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境中不確定性帶來的工程永久安全問題，也要解決復(fù)雜水文、地形、地質(zhì)環(huán)境，如冰湖、雪崩、泥石流等頻發(fā)地質(zhì)災(zāi)害對工程施工和電站運(yùn)行中人員、機(jī)器設(shè)備、物料等全資源要素、全工藝過程及全業(yè)務(wù)流程帶來的挑戰(zhàn)，更要面對高海拔缺氧、復(fù)雜地下施工環(huán)境對人員健康和安全帶來的巨大挑戰(zhàn)。杜絕人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素及管理缺陷，需要在已有技術(shù)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研發(fā)適應(yīng)高海拔地區(qū)的智能傳感設(shè)備、智能機(jī)器人等安全管控技術(shù)，培育智能建造安全文化，達(dá)到工程全周期本質(zhì)安全的要求。

（3）精品工程。精品工程是對工程建設(shè)質(zhì)量的更高要求和追求，一般要制定高于現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)和工藝措施，并通過系統(tǒng)的保證體系來實(shí)現(xiàn)。如，三峽工程精品機(jī)組及金沙江下游大型梯級電站精品工程［10］，通過制定先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)、工藝要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，建立完善嚴(yán)格精細(xì)化的技術(shù)與質(zhì)量管理體系來實(shí)現(xiàn)。高海拔工程建設(shè)的環(huán)境嚴(yán)峻性、技術(shù)挑戰(zhàn)性、運(yùn)行可靠性和品質(zhì)耐久性更要追求精品工程，要圍繞資源投入、工藝過程、業(yè)務(wù)流程、結(jié)構(gòu)性態(tài)、工程進(jìn)度、實(shí)物成本等六個要素，積極應(yīng)用智能建造控制理論，采取數(shù)字化、智能化技術(shù)進(jìn)行全過程的偏差管理和變更管理，創(chuàng)新電氣化、無人化施工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全零隱患、質(zhì)量零缺陷、環(huán)保零違規(guī)、進(jìn)度零延誤、成本零浪費(fèi)、行為零問責(zé)的“六零”工程建設(shè)管理目標(biāo)。如在高海拔地區(qū)不同工藝環(huán)節(jié)和應(yīng)用場景中，研發(fā)升級智能振沖、3D打印、智能碾壓、智能溫控等智能建造技術(shù)，充分考慮網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與智能化技術(shù)應(yīng)用對接，做好通信規(guī)劃和布置，為建設(shè)精品工程奠定基礎(chǔ)。

（4）資源利用。水電工程在高效利用水力資源產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)等綜合效益的同時，也要針對工程規(guī)模大、施工工期長、物質(zhì)材料設(shè)備消耗多及建設(shè)資金大的特點(diǎn)，持續(xù)進(jìn)行資源及資金投入的動態(tài)優(yōu)化。通過優(yōu)化設(shè)計、提高作業(yè)效率，做好節(jié)水、節(jié)電、節(jié)材，降低能耗，對于工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的各類材料如工程開挖料也要做好資源化綜合利用，減少資源消耗，降低碳排放，節(jié)省建設(shè)資金。工程開挖渣料并不是廢料和棄料，具有資源價值，宜遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)、再生利用原則，進(jìn)行資源化開發(fā)和利用。一方面通過工程布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工組織的結(jié)合減少開挖量，另一方面要把開挖料作為工程建設(shè)自身的建筑材料如混凝土骨料和構(gòu)件制品來利用，也可以用于地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境治理、河岸防護(hù)、人造灘頭濕地、生態(tài)景觀營造、建筑構(gòu)件產(chǎn)品化生產(chǎn)、地方基礎(chǔ)設(shè)施與生產(chǎn)生活發(fā)展用地等。同時，要增強(qiáng)對施工范圍地面表土、陸生植被等資源稀缺性、珍貴性的認(rèn)識，提前做好規(guī)劃與施工組織，通過建設(shè)過程時空調(diào)控發(fā)揮其作用。在生產(chǎn)輔助系統(tǒng)如施工用水、用電等方面，要通過以需定供的全過程智能調(diào)控技術(shù)達(dá)到綠色發(fā)展、資源節(jié)約、循環(huán)使用的目標(biāo)。

（5）價值創(chuàng)造。水電工程的建設(shè)過程是形成具有價值創(chuàng)造能力的優(yōu)質(zhì)資產(chǎn)的過程，其價值創(chuàng)造能力不僅體現(xiàn)在工程規(guī)劃設(shè)計各項(xiàng)功能的充分實(shí)現(xiàn)，更體現(xiàn)在其具有的本質(zhì)安全、精品質(zhì)量和運(yùn)行調(diào)控特性，可以在流域多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度［33］及區(qū)域性經(jīng)濟(jì)社會協(xié)同發(fā)展如水光互補(bǔ)開發(fā)利用中發(fā)揮更大的支撐和基礎(chǔ)作用。高海拔地區(qū)建設(shè)的水電站不僅能提供清潔電力產(chǎn)品，更是一個具有工程-社會-環(huán)境協(xié)同價值的優(yōu)質(zhì)資產(chǎn)。智能建造就是通過智能技術(shù)和智能化管理來確保水電資產(chǎn)的價值創(chuàng)造能力。隨著十多年的工業(yè)4.0及數(shù)字化進(jìn)程，各行各業(yè)積累沉淀了大量豐富的工程數(shù)據(jù)，形成了一定的數(shù)據(jù)資產(chǎn)和知識積累，下一階段主要是如何利用數(shù)據(jù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)資產(chǎn)的價值創(chuàng)造作用［34］。在實(shí)現(xiàn)綠色、安全、優(yōu)質(zhì)、高效的建設(shè)目標(biāo)的過程中，智能建造的價值創(chuàng)造能力也將體現(xiàn)在充分發(fā)揮積累的全過程全要素工程數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成可傳承的知識，促進(jìn)工程技術(shù)創(chuàng)新和建設(shè)管理提升。在資源投入共享、工程狀態(tài)預(yù)警、調(diào)控措施優(yōu)化、知識積累傳遞、多方協(xié)同工作上發(fā)揮工程數(shù)據(jù)積累及工程知識傳遞的作用，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，優(yōu)化工程行為與結(jié)構(gòu)狀態(tài)判斷指標(biāo)和判斷規(guī)則，優(yōu)化工程建造方法和實(shí)施技術(shù)路徑，優(yōu)化技術(shù)要求與工藝參數(shù)及其資源配置，為社會提供具有價值創(chuàng)造能力、可持續(xù)發(fā)展的水電資產(chǎn)。

3 高海拔智能建造閉環(huán)控制理論與管理

3.1 高海拔智能閉環(huán)控制理論水電工程建造是一次性活動，有明確的建造目的和要求，但也是一個創(chuàng)新性活動。建造過程中，不同工程和地域會遇到不同的水文過程、地質(zhì)和自然災(zāi)害等不確定性挑戰(zhàn)，工程建設(shè)過程中的階段性轉(zhuǎn)化和專業(yè)轉(zhuǎn)換特性，提高了一次性實(shí)現(xiàn)原有目標(biāo)的難度。工程建造需要時刻在變化中進(jìn)行分析，并采取及時有效的對策。智能閉環(huán)控制理論［13］即“全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時控制、持續(xù)優(yōu)化”，可有效應(yīng)對變化，提高建造效率，保證目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

基于閉環(huán)控制理論與高海拔地區(qū)水電工程發(fā)展特點(diǎn)和挑戰(zhàn)，本文構(gòu)建高海拔地區(qū)智能閉環(huán)控制模型（圖1）。隨著建設(shè)環(huán)境與建造物及其建造過程狀態(tài)的時空變化，表征環(huán)境與工程狀態(tài)函數(shù)，涵蓋生態(tài)調(diào)控、施工環(huán)境調(diào)控、資源利用、智能襯砌、智能振沖以及災(zāi)害防治等關(guān)鍵建造活動與環(huán)境，梳理主要建造活動的閉環(huán)控制關(guān)鍵參數(shù)（表3），建立建造活動的數(shù)字孿生模型；通過智能算法及回報反饋機(jī)制，依據(jù)關(guān)鍵控制參數(shù)與控制目標(biāo)的偏差變化，對狀態(tài)表征函數(shù)進(jìn)行更新［13］，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同；融合資源投入、工藝過程、業(yè)務(wù)流程、結(jié)構(gòu)性態(tài)、工程進(jìn)度和實(shí)物成本等六大管理要素，考慮自然與工程環(huán)境動態(tài)變化，基于數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)等智能算法計算工程建造“回報”，進(jìn)而優(yōu)化重構(gòu)真實(shí)分析對比的標(biāo)準(zhǔn)、判據(jù)和規(guī)則，升級開發(fā)智能裝備、產(chǎn)品和閉環(huán)管理邏輯，實(shí)現(xiàn)無人化管理，進(jìn)而對建造全過程的實(shí)時智能閉環(huán)控制流程、關(guān)鍵參數(shù)、感知、分析與控制的指標(biāo)以及回報或者智能算法的更新，即持續(xù)優(yōu)化過程。持續(xù)優(yōu)化的參數(shù)、流程、算法等依賴于深度學(xué)習(xí)和優(yōu)化目標(biāo)，是智能系統(tǒng)不斷提升的關(guān)鍵，表3列舉了部分未來可能優(yōu)化的參數(shù)。

圖1 高海拔水電全要素智能閉環(huán)控制邏輯框圖

表3 高海拔水電工程主要建造活動智能閉環(huán)控制的關(guān)鍵參數(shù)

3.2 智能建造三維四要素協(xié)同系統(tǒng)分析方法基于智能建造閉環(huán)控制理論，面對高海拔地區(qū)更為復(fù)雜和特殊的水電建設(shè)環(huán)境，亟需在已有智能建造技術(shù)（表1）基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)：（1）全要素的數(shù)字孿生；（2）多方人機(jī)協(xié)同；（3）無人智能偏差控制、糾偏；（4）可持續(xù)的優(yōu)化與調(diào)整；（5）資源共享與協(xié)同工作，知識的有效傳遞與傳承，使水電工程在全生命周期里具有持續(xù)價值創(chuàng)造的能力。針對高海拔地區(qū)水電工程開發(fā)建設(shè)遇到的典型河段的生態(tài)調(diào)控、地下空間健康環(huán)境、土石方利用時空平衡、長大水工隧洞襯砌優(yōu)化與智能化施工、深厚覆蓋層地基振沖碎石樁置換工藝智能控制、地質(zhì)災(zāi)害防治及綠色生產(chǎn)輔助系統(tǒng)等特有新問題。智能建造閉環(huán)控制系統(tǒng)管理分析方法主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）水電工程智能建造活動必須聚焦工程業(yè)務(wù)問題，如技術(shù)、安全健康、生態(tài)環(huán)保等問題，要充分發(fā)揮數(shù)字化、智能化手段的作用，來解決問題，提升建設(shè)績效。本文從項(xiàng)目管理全周期，專業(yè)知識與研究方法、工作程序與邏輯等3個維度，以及工程項(xiàng)目建設(shè)管理包含的時間-空間-質(zhì)量-數(shù)量等4個要素，建立水電工程智能建造活動三維四要素協(xié)同系統(tǒng)分析框架，見圖2。從智能建造閉環(huán)控制理論［13］出發(fā)，此框架中強(qiáng)調(diào)了智能建造的創(chuàng)新性、知識運(yùn)用的綜合性、管理決策的科學(xué)性。其中3個維度具體指：（a）項(xiàng)目管理全周期，即工程建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃-建設(shè)-運(yùn)行的全生命期，包括動議立項(xiàng)、調(diào)研勘測、河流規(guī)劃、預(yù)可研（可研）設(shè)計、招標(biāo)設(shè)計、施工設(shè)計、建設(shè)實(shí)施、運(yùn)行維護(hù)、持續(xù)提升等；（b）專業(yè)知識與研究方法，即理論分析、試驗(yàn)測試、監(jiān)測反饋、仿真復(fù)核、大數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化、邊緣計算、人工智能、云平臺、區(qū)塊鏈等；（c）工作程序與邏輯，即問題提出、目標(biāo)制定、準(zhǔn)則建立、方案設(shè)計、建模尋優(yōu)、綜合評價、科學(xué)決策及項(xiàng)目實(shí)施等。4個要素是采用智能建造解決典型河段的生態(tài)調(diào)控、地下空間環(huán)境健康、土石方時空平衡、水工隧洞智能襯砌、深厚覆蓋層地基智能振沖、地質(zhì)災(zāi)害防治及綠色生產(chǎn)輔助系統(tǒng)等問題以及建造活動的主要變量（見表3），通過運(yùn)行智能化技術(shù)來調(diào)控這些變量的各類屬性，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖2 水電工程智能建造活動三維四要素協(xié)同系統(tǒng)分析框架

（2）建立具有建模、定量、尋優(yōu)、閉環(huán)、調(diào)控等特點(diǎn)的智能建造數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。高海拔地區(qū)水電工程智能建造技術(shù)與管理的典型問題及對策方向見表4。解決這些問題，運(yùn)用智能算法、閉環(huán)對策、智能設(shè)備等技術(shù)，需要大量的工程數(shù)據(jù)，也將產(chǎn)生大量的工程數(shù)據(jù)，由此形成大量的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。通過開展數(shù)據(jù)挖掘分析，形成對策和控制技術(shù)，并持續(xù)生成新的有價值數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)有效、有價值的高海拔智能建造數(shù)據(jù)管理，需要滿足：（1）數(shù)據(jù)是有價值的，可借助財務(wù)術(shù)語表征；（2）數(shù)據(jù)管理需求是智能建造和運(yùn)維業(yè)務(wù)需求驅(qū)動的，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系和流程設(shè)計之初，就開始數(shù)據(jù)管理工作的規(guī)劃；（3）數(shù)據(jù)管理依賴于不同專長或能力的組織成員進(jìn)行合作，隨著組織需求的不同與數(shù)據(jù)本身的改變動態(tài)調(diào)整；（4）數(shù)據(jù)管理是全生命周期管理，應(yīng)充分認(rèn)識到數(shù)據(jù)在不同時空的數(shù)據(jù)特征，識別不同生命周期的安全、倫理風(fēng)險。

表4 高海拔智能建造技術(shù)與管理典型問題及對策

4 高海拔水電工程建設(shè)典型問題智能建造對策

4.1 典型河段的生態(tài)調(diào)控方法水庫水位與流域水資源高效利用以及生態(tài)系統(tǒng)息息相關(guān)［30］。圖3所示為高海拔地區(qū)某梯級電站調(diào)控示意模型，A 電站具有年調(diào)節(jié)能力，位于河流1 與河流2 匯合口上游；B為徑流式電站，正常蓄水位以下水位變幅小，為反調(diào)節(jié)水庫，位于匯合口下游一定距離處，河流1與河流2交匯處形成濕地公園。A水庫調(diào)節(jié)及其下游自然河段，以及B水庫蓄水回水會對交匯處河道產(chǎn)生影響。水庫淹沒、下泄水文過程、泥沙等條件的改變可能對濕地空間分布、水沙過程以及生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生影響。需要處理好電站建設(shè)與該河段生態(tài)保護(hù)及景觀維護(hù)之間的關(guān)系。

圖3 某梯級水電站聯(lián)合調(diào)度示意

因此考慮上游出庫流量，下游生態(tài)流量，下游發(fā)電取水流量，結(jié)合河流自然生態(tài)狀態(tài)將河流生態(tài)流量、匯口生態(tài)水位、引水發(fā)電流量等作為聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度規(guī)則的約束條件［30］，協(xié)調(diào)水庫干流與支流來水，核心在于控制上游A、下游B電站的水庫水位、下泄流量等設(shè)計運(yùn)行參數(shù)的選取。為保證電站B有一個穩(wěn)定的引水發(fā)電流量，在電站B的下泄流量滿足河流3的生態(tài)下泄流量要求，以及電站A的下泄流量滿足河流1的生態(tài)流量要求等約束條件下，通過調(diào)節(jié)電站A的下泄流量，使匯口及其以下到電站B的河段呈現(xiàn)仿自然生態(tài)及天然來流的特性，這里通過設(shè)定電站B的最小來流量minQiB作為特征控制指標(biāo)，匯口及其以下河流的生態(tài)景觀用基于河流河勢安全基礎(chǔ)上的仿自然河流生態(tài)景觀特性的指標(biāo)ei來衡量，如代表性斷面流量、特征部位河谷水面寬度、典型河段水面流速流態(tài)，可以通過歷史遙測不同年份不同流量下的匯口及上下游河流遙感影像資料、河流水上及水下地形資料及兩岸與生態(tài)及景觀相聯(lián)系的調(diào)查評價資料來綜合確定。

基于高海拔地區(qū)水庫運(yùn)行特點(diǎn)及SLM模型［29］，可建立水庫聯(lián)合調(diào)度概化模型：

約束條件：

目標(biāo)函數(shù)：QpgB=f(Qriver1，QiA，QoeA，QiB，QoeB，ei)

式中：QoA和QoB分別為電站A和電站B的下泄流量，QoeA和QoeB分別為河流2的電站A的下游的生態(tài)流量要求和河流3的電站B的下游的最小生態(tài)流量要求；QoB為電站B出庫流量，QpgB為電站B發(fā)電引用流量，QiB為B電站處來流量；Qriver1和Qr為濕地上游河流1自然河流徑流以及濕地區(qū)域降水補(bǔ)給，計算中所有流量統(tǒng)一單位量綱，通常使用單位m3/s。ei生態(tài)景觀特征指標(biāo)，i在圖3中表示電站B上游的河流1、河流2、河流3交匯區(qū)段和某一河流的的特定生態(tài)區(qū)段。QpgB目標(biāo)函數(shù)根據(jù)需求取最優(yōu)解。

基于水庫聯(lián)合調(diào)度概化模型，結(jié)合智能傳感控制與調(diào)度管理，可建立生態(tài)調(diào)控智能閉環(huán)調(diào)度控制體系，對生態(tài)平衡最小流量QminB和QmaxB進(jìn)行長期動態(tài)的監(jiān)測、分析、評價［35］，并通過對上游水庫下泄流量、河道生態(tài)流量及電站引用流量的動態(tài)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對兩河匯口生態(tài)景觀的調(diào)控。

4.2 地下空間環(huán)境健康控制隨著電氣化、機(jī)械化、自動化、智能化施工技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，水電工程建設(shè)過程中的施工人數(shù)將大量減少，尤其是地下空間的施工作業(yè)人員和艱苦狹窄環(huán)境下的手工勞動將大量減少。高海拔、大埋深、高地溫環(huán)境下建設(shè)人員及施工設(shè)備所處地理空間的環(huán)境健康質(zhì)量，對人身健康安全和施工效率都有直接的影響。因此，高海拔地區(qū)地下空間環(huán)境和人員健康狀態(tài)的預(yù)警預(yù)控是保證建設(shè)安全、建設(shè)質(zhì)量和建設(shè)進(jìn)度的關(guān)鍵，地下空間健康環(huán)境智能調(diào)控對策宜包括：

（1）研發(fā)適應(yīng)高海拔地區(qū)超長深埋隧洞環(huán)境的人員智能健康可穿戴設(shè)備和實(shí)時定位交互通訊系統(tǒng)，形成對作業(yè)人員與施工環(huán)境的不間斷監(jiān)測與反饋。充分發(fā)揮智能健康可穿戴設(shè)備的計步、心率、呼吸、溫度、疲勞、睡眠、血壓血氧等監(jiān)測功能，實(shí)時收集高海拔地區(qū)佩戴人員安全健康信息并分析人員健康情況，及時反饋處理人員生理狀態(tài)、異常預(yù)警，建立不同工種、不同季節(jié)、不同時間段、不同性別、不同年齡段的健康評價標(biāo)準(zhǔn)體系。

（2）研發(fā)環(huán)境智能感知設(shè)備并建立分析調(diào)控系統(tǒng)，全面感知地下空間健康環(huán)境，全面提升高海拔地區(qū)地下空間作業(yè)效率和安全水平，如表3所示，智能感知包括氧氣O2、二氧化碳CO2等含量，濕度H、溫度T、粉塵Du、易燃易爆氣體G、風(fēng)速vw等；真實(shí)分析氣體濃度Con，氣體密度De，氣體分布Di、氣體成分Com 等特征指標(biāo)，實(shí)時控制通風(fēng)ven、供氧os、噴水降塵Ws、作業(yè)環(huán)境溫濕度及氣體成分Com和濃度Con等。對地下工程開挖中巖石爆破產(chǎn)生的粉塵、氣體，要在爆破區(qū)掌子面的有限空間范圍內(nèi)，構(gòu)建一個集降塵、通風(fēng)、爆破沖擊減緩的有害氣體吸收、排放的系統(tǒng)；對長大深埋隧洞和復(fù)雜地下洞室系統(tǒng)中化石燃料汽車等移動設(shè)備排出的有害氣體的沿程污染，要采取電動施工設(shè)備如重載電動汽車與電動挖裝機(jī)械替代化石燃料施工設(shè)備、無軌皮帶運(yùn)輸代替有軌運(yùn)輸，并對沿程形成的煙柱煙塞，研究其形成機(jī)制、運(yùn)移規(guī)律，針對性的從源頭和過程中進(jìn)行捕獲，避免長時間大范圍的沿程污染和累積污染。

（3）在控制作業(yè)環(huán)境和人員健康基礎(chǔ)上，研發(fā)具有人員安全知識監(jiān)察、作業(yè)活動規(guī)范監(jiān)察和智能自主環(huán)境監(jiān)察功能的地下空間智能環(huán)境巡檢機(jī)器人，減少高海拔地區(qū)水電建設(shè)的人員用工強(qiáng)度，克服地下作業(yè)環(huán)境的各種不確定性、不安全因素的影響，通過機(jī)器設(shè)備輔助施工安全管控，實(shí)現(xiàn)安全、智能、高效、自主巡察目標(biāo)。

最終通過人員健康控制技術(shù)和設(shè)備、地下空間作業(yè)環(huán)境控制綜合技術(shù)及智能巡檢機(jī)器人技術(shù)（圖4），實(shí)現(xiàn)對施工人員和工作環(huán)境（溫度、濕度、氧氣、灰塵密度等）的實(shí)時控制、匹配感知反饋，做到安全的人在安全的環(huán)境中健康安全的工作。

圖4 高海拔地區(qū)地下空間環(huán)境健康控制

4.3 土石方調(diào)配時空智能平衡方法大型水電工程建設(shè)都離不開工程開挖渣料的有效利用，尤其是有當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚墓こ?，以及混凝土工程量大品質(zhì)要求高的工程。工程規(guī)劃設(shè)計中，首先要把樞紐布置范圍內(nèi)的必須要開挖的渣料充分利用好，其次是開采一定的天然料來滿足水工建筑物的建設(shè)要求，這項(xiàng)工作受到工程建設(shè)階段和專業(yè)技術(shù)要求的制約。工程土石方智能平衡技術(shù)，通過結(jié)構(gòu)特性分析對可利用料進(jìn)行分類，將工程開挖料分類用于混凝土砂石骨料、地災(zāi)治理、生態(tài)修復(fù)以及場地填筑等，全面感知獲取開挖料基本性質(zhì)、澆筑、填筑、生態(tài)修復(fù)計劃等，真實(shí)分析需求計劃、生產(chǎn)計劃等，通過工程開挖料和工程用料的有機(jī)結(jié)合，建立挖-填-用物料平衡利用模型，計算分析工程時空、質(zhì)與量、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的資源利用平衡方案，構(gòu)建渣料種類、位置、運(yùn)輸路徑、砂石系統(tǒng)、工作面之間、地災(zāi)治理、生態(tài)回填區(qū)域的土石方平衡最優(yōu)函數(shù)，形成開挖料種類、產(chǎn)量監(jiān)控，設(shè)備運(yùn)行、車輛運(yùn)輸監(jiān)控，倉儲動態(tài)監(jiān)控的全方位監(jiān)測、分析、控制的開挖料閉環(huán)循環(huán)利用體系，實(shí)現(xiàn)對資源的最大化和綠色利用。具體應(yīng)用場景和對策有以下幾類：

（1）水電工程典型應(yīng)用場景就是土石壩的填筑施工。通過源頭開采-過程運(yùn)輸-建筑物分區(qū)按質(zhì)按量利用的動態(tài)規(guī)劃技術(shù)和基于目標(biāo)定位、行動軌跡、源匯匹配的智能調(diào)控技術(shù)，在落實(shí)工程渣料開挖爆破成型技術(shù)及全流程各環(huán)節(jié)電氣化挖裝運(yùn)施工設(shè)備選配技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過時間、空間以及料源品質(zhì)（塊徑、強(qiáng)度）、數(shù)量上的智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)成本及效率的有效控制，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計方案和施工方案，并在實(shí)施階段直接控制工程施工的全過程。從做到每一方工程渣料的充分利用來合理規(guī)劃不同建筑物部位、天然開采量場、暫存料場的時空匹配關(guān)系。

（2）混凝土人工骨料及混凝土生產(chǎn)澆筑系統(tǒng)是又一個重要場景。面向水工混凝土襯砌單元工程的施工特性，研發(fā)地下分布式或相對集中布置的固定式或移動式的集混凝土骨料破碎、篩分、拌和，混凝土運(yùn)輸與混凝土襯砌施工與養(yǎng)護(hù)一體化的智能襯砌全過程施工工藝和成套裝備。地下砂石骨料破碎和生產(chǎn)系統(tǒng)要根據(jù)工程的規(guī)模、進(jìn)度、質(zhì)量要求，以及節(jié)能降耗等進(jìn)行綜合比選確定布置位置和生產(chǎn)規(guī)模。在水工襯砌中，通過地下洞室洞內(nèi)砂石拌合移動臺車上的砂石骨料制備裝置、輸送裝置和拌和裝置，改變傳統(tǒng)工法中開挖渣料外運(yùn)進(jìn)行骨料生產(chǎn)和混凝土拌和，再運(yùn)輸?shù)蕉磧?nèi)的作業(yè)方式，采用直接在洞內(nèi)近作業(yè)面布置骨料加工和混凝土拌合系統(tǒng)［31］，減少長距離開挖料外運(yùn)和成品料內(nèi)送等環(huán)節(jié)，減少能源資源消耗。對施工規(guī)劃后不需要利用的開挖渣料再直接外送到目的地進(jìn)行資源化利用。

（3）土石方時空平衡的聯(lián)系主要在運(yùn)輸設(shè)備，從碳中和與節(jié)能減排目的出發(fā)，需要建立工程現(xiàn)場低碳環(huán)保電氣化智能化的物流運(yùn)輸系統(tǒng)，根據(jù)開挖、填筑項(xiàng)目的工程量（分類）、施工進(jìn)度、點(diǎn)間運(yùn)距與運(yùn)輸單價等配置智能開挖、智能運(yùn)輸車輛與施工設(shè)備，在相應(yīng)設(shè)備上搭載智能傳感設(shè)備。建立現(xiàn)場內(nèi)外運(yùn)輸聯(lián)動調(diào)度模型，形成開挖料與地面、地下工程結(jié)合的循環(huán)利用體系。

4.4 長大水工隧洞混凝土智能化襯砌技術(shù)水工混凝土襯砌施工在混凝土材料、溫度控制、鋼模臺車、施工工藝等方面都做了很多技術(shù)創(chuàng)新和管理提升，為高水頭、大流量、高流速的泄洪系統(tǒng)提供了質(zhì)量保證［36-38］。但混凝土澆筑過程主要靠人工振搗，混凝土襯砌厚度大，分段式的混凝土拌和-運(yùn)輸-澆筑工藝沒有形成以倉面混凝土質(zhì)量驅(qū)動的一條龍智能調(diào)控系統(tǒng)。高海拔地區(qū)長大水工隧洞建設(shè)面臨埋深大、地應(yīng)力高等復(fù)雜地質(zhì)條件，同時面臨著高寒、缺氧等不利施工環(huán)境。在高海拔地區(qū)進(jìn)行襯砌混凝土施工時，如果僅依靠人工，則施工效率低、安全風(fēng)險高、質(zhì)量得不到保障、工程投資大。結(jié)合韌性混凝土材料技術(shù)及建筑物3D打印技術(shù)的發(fā)展，水工混凝土襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新要能更好的發(fā)揮巖體及其支護(hù)體、灌漿體、排水體與襯砌體等結(jié)構(gòu)的協(xié)同聯(lián)合作用，減少襯砌厚度，減少開挖洞徑，減少人工作業(yè)，研發(fā)與地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特性、施工工法、運(yùn)行工況相匹配的混凝土襯砌智能化施工技術(shù)和成套智能裝備，克服人力施工的不利因素，取得技術(shù)經(jīng)濟(jì)安全環(huán)保的綜合效益。為此，需要從圍巖襯砌復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計、高強(qiáng)低熱自密實(shí)韌性水工混凝土研制、混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸澆筑品質(zhì)檢測一體化工藝系統(tǒng)、全流程成套裝備及其調(diào)控系統(tǒng)等方面開展研究與創(chuàng)新。這個創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計的目的就是在不同圍巖特性下復(fù)合支護(hù)體系中混凝土襯砌設(shè)計厚度（結(jié)合鋼筋網(wǎng)的布置）能夠得到有效的控制。

面對埋深大、應(yīng)力高導(dǎo)致的圍巖變形控制難度大、混凝土襯砌施工時機(jī)把控難的問題，分析內(nèi)外水壓力條件及運(yùn)行工況下混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性和變形特性，結(jié)合襯砌混凝土規(guī)模化工程化施工可以實(shí)現(xiàn)的混凝土強(qiáng)度、變形、溫度、耐久等性能，并根據(jù)施工過程進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)施工期混凝土抗裂和結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，確保施工過程中形成的襯砌結(jié)構(gòu)及其與圍巖等支護(hù)體的整體性，防止高應(yīng)力巖爆對結(jié)構(gòu)的損傷；可采用應(yīng)力及變形監(jiān)測的方法，確定襯砌施工時機(jī)。襯砌施工時機(jī)要充分考慮圍巖自身性質(zhì)，圍巖自承能力強(qiáng)，襯砌時機(jī)適當(dāng)延后；圍巖破碎，襯砌時機(jī)則提前。對于軟弱破碎圍巖隧洞，由于隧洞開挖后周邊圍巖的二次應(yīng)力值通常已超過圍巖的屈服強(qiáng)度而形成塑性區(qū)，初期支護(hù)變形及變形速率均較大，很難在短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定。本研究提出圍巖開挖-支護(hù)-襯砌變形施工時機(jī)控制曲線（圖5）。

圖5 圍巖-支護(hù)變形曲線及施工時機(jī)示意

感知和分析曲線全面感知圍巖狀態(tài)，真實(shí)分析圍巖變形；控制曲線實(shí)現(xiàn)對圍巖支護(hù)及襯砌時機(jī)的控制。p0為原巖應(yīng)力線，pi為支護(hù)承受的圍巖壓力，pb為支護(hù)作用在圍巖的反力，pc為在圍巖與支護(hù)相互作用發(fā)生耦合變形時支護(hù)體提供的支護(hù)阻力；u0為開挖后的瞬時彈性位移，Δu為開始支護(hù)前圍巖的位移（包括彈性變形和塑性變形），ub為支護(hù)體位移，ui為有支護(hù)情況下理論上圍巖的最大位移，ud為無支護(hù)下圍巖開始坍塌破壞時的位移，umax為無支護(hù)下圍巖的最大變形。K1點(diǎn)為支護(hù)施工點(diǎn)；K2點(diǎn)為圍巖與支護(hù)相互作用的工作點(diǎn)，此處圍巖和支護(hù)的變形和受力達(dá)到平衡，理論上圍巖進(jìn)一步變形產(chǎn)生的力，小于支護(hù)體提供的支護(hù)阻力，此時圍巖的變形得到控制；K3點(diǎn)為圍巖坍塌破壞點(diǎn)，從K3到K4是圍巖逐步破壞的時期；到K4點(diǎn)時，圍巖已經(jīng)完全垮塌，不再變形也無變形載荷。上述節(jié)點(diǎn)將圍巖變形曲線分成三個區(qū)，Ⅰ區(qū)進(jìn)行開挖及排水；Ⅱ區(qū)巖體釋放變形，支護(hù)體開始發(fā)揮作用，該階段需要根據(jù)巖體變形情況，確定巖體錨噴支護(hù)及注漿加強(qiáng)的時機(jī)；Ⅲ區(qū)初次支護(hù)已經(jīng)完成，圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定，在該階段確定時機(jī)進(jìn)行永久襯砌結(jié)構(gòu)作業(yè)。

研發(fā)具有混凝土入倉、澆筑、自密實(shí)以及過程監(jiān)測、性能檢測及試件成型的混凝土襯砌鋼模臺車系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)、拌和、運(yùn)輸、澆筑振搗全工藝過程的質(zhì)量控制，保證澆筑質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)無人化、機(jī)械化、智能化，具體包括：（1）傳統(tǒng)鋼模臺車及其配套系統(tǒng)智能化升級改造。大水頭高流速含沙水流抗沖耐磨水工混凝土以及引水發(fā)電隧洞混凝土的表面成型質(zhì)量對大型建筑結(jié)構(gòu)3D打印移動式設(shè)備的定位精度、移動精度、混凝土打印噴頭工藝、混凝土成型不平整度等提出了挑戰(zhàn)，大斷面整體鋼模臺車為基礎(chǔ)的襯砌智能澆筑設(shè)備是目前較為現(xiàn)實(shí)的選擇，但要同時突破頂拱混凝土隨邊頂一體智能澆筑成型技術(shù)。（2）韌性混凝土澆筑自密實(shí)材料研發(fā)與技術(shù)應(yīng)用，研制具有適應(yīng)運(yùn)行及檢修工況變形安全的高韌性、高強(qiáng)、低熱混凝土，研制具有自密實(shí)功能并與支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同工作具有整體性的水工混凝土，保障襯砌混凝土變形安全及整體穩(wěn)定。

4.5 深厚覆蓋層地基振沖碎石樁智能控制西南地區(qū)尤其是高海拔地區(qū)水力資源富集的河段覆蓋層深厚，場地地震烈度高，普遍下伏有厚度較大、分布連續(xù)的砂土層，存在抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定、不均勻沉降變形、防沖刷和砂土地震液化等工程地質(zhì)問題，振沖碎石樁置換是提高地基承載力、防止液化的有效手段。傳統(tǒng)振沖樁施工存在信息、智能化水平較低，振沖器功率較小、功效較低，質(zhì)量檢測抽檢比例偏低，缺乏施工質(zhì)量在線監(jiān)控與檢測技術(shù)等不足。為實(shí)現(xiàn)高海拔地區(qū)深厚覆蓋層地基振沖碎石樁智能控制，需要建立基于專業(yè)管理流程和成樁工藝過程的數(shù)字化的管理系統(tǒng)，并通過對地層設(shè)計參數(shù)、振沖設(shè)備施工參數(shù)、實(shí)際地層參數(shù)、換填料品質(zhì)特性的在線檢測檢驗(yàn)，結(jié)合振沖加密換填改造后復(fù)合地層力學(xué)及變形特性的檢測評價，來優(yōu)化振沖工藝及成樁工藝，閉環(huán)調(diào)控振沖碎石樁施工參數(shù)，持續(xù)保證基礎(chǔ)處理效果。

（1）通過振沖樁控制參數(shù)分類表征和感知分析，實(shí)現(xiàn)地層參數(shù)的真實(shí)、準(zhǔn)確、實(shí)時、共享與交互的數(shù)字化，為振沖樁智能化施工與質(zhì)量檢測檢驗(yàn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；全面感知地質(zhì)Ge、地形Te要素，真實(shí)分析置換率As、應(yīng)力集中系數(shù)n、回填Ba等，實(shí)現(xiàn)對樁徑D、布樁形式Pf、樁間距Ps的實(shí)時控制。

（2）建立振沖參數(shù)與工藝智能聯(lián)動控制模型，通過一體化智能控制器及成樁可視化數(shù)字孿生仿真模擬及振沖工藝參數(shù)數(shù)據(jù)挖掘等，實(shí)現(xiàn)振沖與加料成樁全工藝過程多工序緊密協(xié)同的自動化、智能化控制及施工優(yōu)化。目前的振沖頭主要采用懸掛式，下降過程主要通過人工控制，要研制全機(jī)械化設(shè)備的智能控制系統(tǒng)。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，智能調(diào)控與地層特性相關(guān)的振沖參數(shù)。研究換填碎石品質(zhì)在線檢測及換填量在線計量系統(tǒng)。

（3）研究基于過程監(jiān)控的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來制定質(zhì)量檢測方案（部位、數(shù)量、手段）及方法，研究制定結(jié)合過程監(jiān)控大數(shù)據(jù)分析與質(zhì)量在線檢測成果的振沖碎石樁復(fù)合地基過程檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和仿真反演無法直接測量的成樁質(zhì)量指標(biāo)，完善不夠精細(xì)管理和實(shí)時分析調(diào)控的工藝過程，提升振沖樁施工質(zhì)量的智能控制水平，提高過程管理水平和施工效率，同時為優(yōu)化設(shè)計、成樁施工、驗(yàn)收評定及結(jié)構(gòu)安全等提供依據(jù)。

4.6 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警防治智能化技術(shù)高海拔地區(qū)雪崩、泥石流等自然地質(zhì)災(zāi)害具有構(gòu)成更加復(fù)雜，災(zāi)害鏈機(jī)理不明晰，以及多生突發(fā)性、巨大破壞性、潛在危害性等特點(diǎn)，超出了現(xiàn)有水電工程地質(zhì)災(zāi)害的認(rèn)識和防治水平，對交通設(shè)施、森林、工程建設(shè)、電站運(yùn)行及人類活動等造成了嚴(yán)重的破壞［32］。但雪崩的發(fā)生也有規(guī)律可循，在長期有效的觀測和分析的基礎(chǔ)上，也可以采取有效的措施。建設(shè)實(shí)時交互閉環(huán)智能控制的高海拔地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)和集技術(shù)與管理融合協(xié)同、常態(tài)防治措施與應(yīng)急響應(yīng)無縫銜接、政-產(chǎn)-學(xué)-研-用協(xié)同工作的控制體系，是預(yù)警防治雪崩、冰崩碎屑流、冰川泥石流、雪崩泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵。結(jié)合中國在西南地區(qū)大型水電工程地質(zhì)災(zāi)害防治的已有經(jīng)驗(yàn)，在高海拔地區(qū)尤其要加強(qiáng)地震及極端氣候環(huán)境下雪崩、冰崩泥石流的治理與預(yù)警。其監(jiān)測、預(yù)警和管控系統(tǒng)如下：

（1）通過天-空-地-水全要素的調(diào)查和分析，全面摸清不同地災(zāi)點(diǎn)，雪崩、冰崩和泥石流的成災(zāi)、致災(zāi)規(guī)律，結(jié)合工程布置、結(jié)構(gòu)特性、建設(shè)時序、輔助設(shè)施和內(nèi)外交通及服務(wù)保障系統(tǒng)，建立主要危險源及工程對象的時空關(guān)系，評價地災(zāi)風(fēng)險等級，確立管理控制目標(biāo)，開展工程設(shè)計、擬定治理措施、建設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)、開展反饋分析，制定風(fēng)險管理和應(yīng)急響應(yīng)的制度和措施，形成全要素、全過程的高海拔地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警智能系統(tǒng)，保證全生命期人員、設(shè)備和工程的安全。

（2）通過雪崩、泥石流發(fā)生前期的區(qū)域降水量監(jiān)測、環(huán)境溫度濕度監(jiān)測、積雪（水）深度監(jiān)測、輻射；雪崩泥石流發(fā)生過程中和發(fā)生后的紅外監(jiān)測，形成雪崩泥石流發(fā)生前、中、后的全過程監(jiān)測體系，可為研究雪崩、泥石流的形成、引發(fā)特征、災(zāi)害評估、預(yù)警等創(chuàng)造條件。掌握雪崩、泥石流演變規(guī)律，大大提高預(yù)警的時效性和準(zhǔn)確性，通過有效的工程措施和技術(shù)手段，避免二次災(zāi)害帶來的不利影響。通過三向振動傳感器、紅外監(jiān)測、視頻監(jiān)測等新技術(shù)的結(jié)合，可大大提高監(jiān)測精度。

（3）通過真實(shí)分析降水量、振動頻率、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等，實(shí)現(xiàn)對雪崩泥石流空間分布、時間分布的控制；研發(fā)施工范圍內(nèi)的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與分析平臺，研究復(fù)雜環(huán)境因素下冰崩泥石流的變化規(guī)律與機(jī)理，建立地災(zāi)環(huán)境風(fēng)險實(shí)時診斷與預(yù)警技術(shù)，形成高海拔地區(qū)災(zāi)害防治預(yù)警預(yù)控平臺。

4.7 綠色生產(chǎn)輔助系統(tǒng)傳統(tǒng)水電工程施工供水、供電、廢水處理與排放等生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的過程管理及成本控制較為粗放。高海拔地區(qū)生態(tài)環(huán)境要求建設(shè)綠色集約的生產(chǎn)輔助系統(tǒng)，就是基于環(huán)境承載力，實(shí)現(xiàn)各類輔助生產(chǎn)系統(tǒng)按需供水、按需供電、按需供氣的過程閉環(huán)智能控制，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員、物質(zhì)材料、施工設(shè)備及建設(shè)強(qiáng)度之間的協(xié)同匹配。其主要對策如下：

（1）基于環(huán)境承載力分析和智能閉環(huán)控制理論，建立多場景、多建造活動的用水、用電、用氣等需求標(biāo)準(zhǔn)和過程控制指標(biāo)，實(shí)時測定不同工作場景、不同功率作業(yè)機(jī)器、不同工作標(biāo)準(zhǔn)的施工資源消耗定額，研發(fā)智能供水、智能供電、生產(chǎn)廢水全過程智能控制、電氣化設(shè)備在線控制等綠色智能生產(chǎn)輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的比較分析和動態(tài)評價優(yōu)化。

（2）運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，精確分析并預(yù)測當(dāng)前和未來施工現(xiàn)場的需水、需電和需氣量，實(shí)現(xiàn)對取水、用水、排水，發(fā)電、輸電、配電、用電，制氫、儲氫、供氫，制氧、儲氧、供氧的實(shí)時控制；通過工程資源消耗數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量的時空分析，滿足不同施工強(qiáng)度的供應(yīng)需求，實(shí)現(xiàn)施工資源的在線績效管理。

（3）綜合利用工程相關(guān)區(qū)域的風(fēng)能、太陽能、水能、儲能與氫能系統(tǒng)，構(gòu)建滿足不同機(jī)械、不同工作面、不同工作場景施工需要的電氣化、數(shù)字化綠色電力儲能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高海拔地區(qū)工程建設(shè)施工用電、用氧、用氫的多能互補(bǔ)綠色生產(chǎn)。

（4）分析工程建造活動全時空過程各類作業(yè)的碳排放分布演化規(guī)律，識別典型排放源，構(gòu)建不同場景、不同設(shè)備、不同技術(shù)要求的碳排放量和碳中和算法，指導(dǎo)不同工作區(qū)域研發(fā)綠色建造技術(shù)和節(jié)能減排技術(shù)；建立建設(shè)過程碳排放預(yù)警控制參數(shù)、指標(biāo)、密度云圖，實(shí)現(xiàn)高海拔地區(qū)水電工程施工碳排放的智能管控。

5 結(jié)語

通過智能建造高質(zhì)量開發(fā)高海拔地區(qū)水電資源是實(shí)現(xiàn)中國清潔能源可持續(xù)發(fā)展的重要手段，是保護(hù)雪域高原生態(tài)環(huán)境、推進(jìn)國家生態(tài)文明建設(shè)的重要方法。本文對高海拔地區(qū)水電工程智能建造挑戰(zhàn)與對策開展研究，主要結(jié)論如下：

大型水電工程智能建造是一個持續(xù)創(chuàng)新、價值創(chuàng)造的過程。當(dāng)前中國水電工程建造已經(jīng)初步形成了以數(shù)字仿真、智能碾壓、智能通水及智能灌漿等為代表的水電工程智能建造技術(shù)。通過調(diào)研，分析了高海拔地區(qū)水電工程的自然環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)以及工程建設(shè)的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)，提出要遵循生態(tài)優(yōu)先、本質(zhì)安全、精品工程、資源利用、價值創(chuàng)造等基本原則。

結(jié)合高海拔水電過程建設(shè)面對的工程技術(shù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)管理等新問題，提出了高海拔智能建造閉環(huán)控制理論及智能技術(shù)拓展應(yīng)用與創(chuàng)新研發(fā)的主要領(lǐng)域和關(guān)鍵問題，定義了高海拔水電工程主要建造活動智能閉環(huán)控制的關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)合水電工程建設(shè)規(guī)律和高海拔水電工程特點(diǎn)與挑戰(zhàn)，構(gòu)建了聚焦工程業(yè)務(wù)問題的三維度（項(xiàng)目管理全周期-專業(yè)知識與研究方法-工作程序與邏輯）四要素（時間-空間-質(zhì)量-數(shù)量）協(xié)同系統(tǒng)分析框架，同時建立具有建模、定量、尋優(yōu)、閉環(huán)、調(diào)控等特點(diǎn)的智能建造數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，為分析高海拔水電工程建造活動的閉環(huán)智能控制提供了有效的工作工具。

針對典型河段生態(tài)調(diào)控、地下空間環(huán)境健康、土石方利用平衡、長大水工隧洞襯砌優(yōu)化、深厚覆蓋層地基振沖碎石樁置換、雪崩泥石流地質(zhì)災(zāi)害防治及綠色集約生產(chǎn)輔助系統(tǒng)等特有新問題，提出了智能建造閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)路徑和相應(yīng)對策，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)優(yōu)先、本質(zhì)安全、精品工程、資源利用、價值創(chuàng)造的工程績效提供了技術(shù)方向，可供高海拔地區(qū)大型水電工程智能建造技術(shù)與管理的創(chuàng)新和實(shí)踐參考。