江河截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)

周厚貴

（1.中國葛洲壩集團公司，湖北宜昌 443002；2.河海大學水利水電學院，南京 210098）

江河截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)

周厚貴1，2

（1.中國葛洲壩集團公司，湖北宜昌 443002；2.河海大學水利水電學院，南京 210098）

基于江河截流實施過程中的施工控制、管理和決策等問題的特點，通過分析截流實施過程技術要求與現(xiàn)實需求，提出了建立江河截流動態(tài)決策支持系統(tǒng)的系統(tǒng)目標、系統(tǒng)結構、系統(tǒng)功能及技術要求。該系統(tǒng)集截流施工過程的監(jiān)測、控制、管理和決策于一體，保障了截流施工全過程施工數(shù)據(jù)采集自動化、施工管理信息化、截流決策科學化，實現(xiàn)了截流過程安全可靠、精確可控、科學經(jīng)濟及準時截流的目標。通過在長江三峽明渠截流等工程中的應用，表明該系統(tǒng)可在實現(xiàn)精準控制江河截流進占過程，實現(xiàn)精準截流、有序截流等方面發(fā)揮重要作用。

截流；決策支持系統(tǒng)；施工管理；施工決策

1 概 述

河道截流施工環(huán)節(jié)雖然歷時短，但由于受工程量大、時間緊迫、施工場地狹窄、風險度高等不確定性因素的影響，成為水利水電樞紐建設中的重要節(jié)點之一。截流成功與否對于整個樞紐工程的進度、投資，以及樞紐預期功能的發(fā)揮都具有至關重要的意義［1，2］。

截流實施前的水力學計算和模型試驗是截流施工的基礎，而截流過程中的信息采集、信息傳輸、信息處理、方案決策、現(xiàn)場控制等問題的效率、信息化水平、科學化程度對于截流的順利實施同樣具有重要影響。為此，關于截流信息的采集、傳輸與處理方式等的研究成果層出不窮，并在江河截流實踐中發(fā)揮了重要作用。

在潮州供水樞紐工程一期截流施工中，通過水文遙測、計算機網(wǎng)絡等實現(xiàn)了截流水文信息的自動采集和傳輸［3］。在長江三峽大江截流過程中，以水流流態(tài)模擬和截流施工場景三維模擬為基礎，開發(fā)了長江三峽工程大江截流決策支持系統(tǒng)，并在工程實踐中得到良好的應用［4］。在長江三峽工程明渠截流施工中，通過ADCP測流系統(tǒng)、無人測艇測量技術、GPS水道測繪系統(tǒng)、無人立尺測量技術等的綜合應用，實現(xiàn)了對水位、流速、流量、流態(tài)、水下地形等項目的觀測，為三峽工程明渠截流提供了準確、可靠的實時水文信息［5］；并通過Trimble激光全站儀和EPSW98電子測繪系統(tǒng)的應用，自動、快速、準確地測定戧堤的口門水面寬度、戧堤裹頭形象和水下地形，為截流施工服務［6］。

以上研究工作分別從江河截流過程中的信息采集與傳輸、截流水力學計算、截流模擬等問題的系統(tǒng)研制與應用出發(fā)，為截流工作服務。本文則從截流過程中的施工控制、施工管理與施工決策角度，為實現(xiàn)精準控制江河截流進占過程，精準截流、有序截流，開發(fā)了集信息監(jiān)測、控制、管理和決策于一體的截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)，并在我國長江三峽等多項特大型、大型水電樞紐截流工程中得到良好應用，效益顯著。

2 系統(tǒng)應用背景與需求分析

江河截流施工實施過程的顯著特點有：時間緊迫，相關因素多（截流水力條件、截流材料的數(shù)量與性能、機械設備、料場分布及運輸?shù)缆?、設備與人員安全等），現(xiàn)場變化迅速，參與的人員多，設備多，施工強度高。而傳統(tǒng)的以人工工作為主的截流施工管理與決策方式已遠不能勝任這一高難度的工作。

因此，為實現(xiàn)高效、有序截流，即安全、準確、可控進占，對截流施工組織管理提出了以下要求：信息采集與傳輸?shù)淖詣踊畔⒌募苫?，截流過程實時監(jiān)控，快速決策，實時應變，即建立“江河截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)”。特別是在類似于我國長江三峽大流量、高落差的大江大河截流施工中，以上需求更為迫切。

通過對截流施工過程各環(huán)節(jié)的分析，系統(tǒng)需求即江河截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)的總目標主要有以下4個方面：

（1）強化科學管理和提高施工系統(tǒng)協(xié)調性能。通過本系統(tǒng)的實施，可以實現(xiàn)對施工過程中關鍵環(huán)節(jié)的監(jiān)控，包括對施工任務分配、作業(yè)進度、交接班、設備使用情況以及施工中的異常情況等進行記錄，同時通過本系統(tǒng)對各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并提供有關的決策方法和分析工具，從而為截流施工現(xiàn)場決策提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

（2）保證施工質量和提高生產(chǎn)效率。通過本系統(tǒng)的實施，對取料、運輸和填筑全過程的每一個關鍵工藝參數(shù)進行可視化監(jiān)測，切實保證整個施工過程按標準工藝規(guī)范實施，從而保證填筑指標達到規(guī)定的標準。計算機系統(tǒng)還將對所有關鍵工藝及運行參數(shù)進行記錄和管理，為工程技術人員分析施工質量事故原因提供依據(jù)。與此同時，通過本系統(tǒng)的實施，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的優(yōu)化管理和控制，大大提高生產(chǎn)效率。

（3）保障生產(chǎn)安全運行。通過本系統(tǒng)的實施，對取料、運輸和填筑各環(huán)節(jié)中關鍵施工設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并對關鍵部位的異常情況進行故障診斷。系統(tǒng)將對關鍵設備實施控制和安全保護，使設備運行安全得到保障，從而最大限度地減少設備和人身事故的發(fā)生，提高設備的使用率，同時為設備維修提供依據(jù)，減少備品、備件的積壓和浪費，還可延長設備使用壽命。

（4）提高經(jīng)濟效益。通過本系統(tǒng)的實施，在保障生產(chǎn)安全運行、保證施工質量和提高生產(chǎn)效率的前提下，可以大大提高經(jīng)濟效益。

圖1 江河截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)拓撲結構Fig.1 Topological structure of dynam ic decision supporting system for river closure construction

3 系統(tǒng)結構與功能設計

3.1 系統(tǒng)結構設計

從系統(tǒng)的需求出發(fā)，依據(jù)便于統(tǒng)一規(guī)劃、目標明確，便于數(shù)據(jù)采集和信息交換，各子系統(tǒng)既相互獨立又協(xié)同工作的原則，江河截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)功能設計

從江河截流的施工機械調度、料場使用優(yōu)化、信號檢測、施工管理與決策的需要出發(fā)，系統(tǒng)的功能體系主要包括以下4個方面，即4大子系統(tǒng)。

（1）施工作業(yè)優(yōu)化調度子系統(tǒng)：主要完成填筑設計、作業(yè)規(guī)劃和現(xiàn)場填筑作業(yè)優(yōu)化調度等功能，依據(jù)具體工程項目要解決的實際問題進行描述和分析，確定本系統(tǒng)的調度目的即目標函數(shù)。在分析實際問題特點的基礎之上，運用排隊論模型和啟發(fā)式算法，制定截流施工車輛的調度方案；通過線性規(guī)劃優(yōu)化模型的運用，制定各截流料場的優(yōu)化開采方案；建立啟發(fā)式算法的規(guī)則，使這些規(guī)則適用于系統(tǒng)的實際運行。使填筑施工達到協(xié)調、連續(xù)、優(yōu)化、安全等目的。

（2）信號監(jiān)測子系統(tǒng)：由數(shù)據(jù)采集預處理模塊、填筑進占過程監(jiān)測模塊、設備運行狀態(tài)監(jiān)測模塊、水流動態(tài)監(jiān)測模塊等組成。其中，數(shù)據(jù)采集預處理模塊主要完成對現(xiàn)場施工過程重要信號的監(jiān)測、采集與處理，為施工調度和管理提供可靠依據(jù)。

（3）管理與輔助決策子系統(tǒng)：主要完成對整個截流施工過程的管理，包括生產(chǎn)管理、質量管理、成本管理、設備管理和人員管理；并為施工生產(chǎn)提供重要的輔助決策信息，包括經(jīng)濟活動分析、施工現(xiàn)場事故案例分析、設備運行狀況分析和維修決策等信息。

（4）計算機網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)：是整個信息系統(tǒng)的支持環(huán)境，主要包括各站點的計算機、通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。

3.3 系統(tǒng)功能的技術要求

截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)是在瞬息萬變的截流施工過程中使用，對截流工程影響重大，因此除常規(guī)系統(tǒng)的要求外，對系統(tǒng)響應時間、系統(tǒng)抗干擾性、系統(tǒng)適應性等方面有更為嚴格的要求。

（1）系統(tǒng)響應時間：系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度、系統(tǒng)計算速度需要滿足現(xiàn)場要求。因此，需要實現(xiàn)對網(wǎng)絡速度做專門研究和規(guī)劃，測試算法效率能否滿足現(xiàn)實需要。

（2）系統(tǒng)抗干擾性：需要嚴格保證系統(tǒng)的抗干擾性，包括系統(tǒng)的物理障礙、惡劣的自然環(huán)境，以及系統(tǒng)使用中的誤操作。需要在硬件備用、數(shù)據(jù)備份等方面做好規(guī)劃。

（3）系統(tǒng)適應性：系統(tǒng)需要適應截流過程中的各種復雜情況、意外情況、突發(fā)事件，在系統(tǒng)各項功能相關性設置、數(shù)據(jù)流程設置、優(yōu)化模型與算法參數(shù)范圍（包括參數(shù)缺失）等方面考慮各種可能的情況。

4 工程應用實例

依據(jù)以上方案開發(fā)的江河截流決策支持系統(tǒng)已在我國的長江三峽工程大江截流、三期導流明渠截流、大渡河瀑布溝水電站截流、雅礱江錦屏一級水電站截流等工程中得到良好應用。下面簡要介紹本系統(tǒng)在長江三峽工程導流明渠截流施工中的應用情況。

三峽工程導流明渠截流采用上、下游雙戧立堵進占方式，工程量大，強度高，控制要求精確，施工系統(tǒng)龐大復雜。土石方填筑量為310萬m3，其中截流戧堤填筑量為78萬m3，包括石渣料、中小石、大塊石、特大塊石、混凝土四面體等多種填筑材料。截流施工使用各類設備399臺套，管理及作業(yè)人員超過5 000人［7］。

如此大規(guī)模的截流施工，用傳統(tǒng)的方法和手段來管理是遠遠不夠的，必須有一套現(xiàn)代化、高科技的管理方法和管理手段來進行全面管理和統(tǒng)籌。為使導流明渠實現(xiàn)安全可靠、精確可控、科學經(jīng)濟、準時截流的截流目標，建立了集監(jiān)測、控制、管理與決策于一體的截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)，使施工全過程實現(xiàn)了施工數(shù)據(jù)采集的自動化、管理工作的信息化、截流決策的科學化。系統(tǒng)界面示例如圖2所示。

圖2 三峽工程明渠截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)界面Fig.2 User interface of dynam ic decision supporting system for open channel closure of Three Gorges Project

通過系統(tǒng)的使用，實現(xiàn)了對三峽三期圍堰和明渠截流復雜施工系統(tǒng)的有效管理，實現(xiàn)了進占有序、步調協(xié)調、高效推進的目標。通過把現(xiàn)場上下游圍堰和料場的幾十個空間分布單元的參數(shù)進行集成，把復雜而嚴格的進占邏輯進行集成，把各種來流工況和進占程序的計算結果進行集成。并由集成的信息檢測與采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、邏輯計算系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)、指令調度系統(tǒng)綜合進行監(jiān)控，成功實現(xiàn)了對整個圍堰填筑特別是截流進占過程的有序控制。

5 結 語

江河截流施工歷來都是水電樞紐工程建設中的重點、難點問題，是工程建設的重要里程碑。為提高截流施工技術水平、減少截流風險，壩工界做了卓有成效的嘗試和探索。截流信息化作為其中的有效途徑之一，也成為提高截流管理效率和施工決策水平的重要方式。

針對江河截流實施期間的施工控制、施工調度、施工決策問題，為實現(xiàn)精準控制江河截流進占過程，實現(xiàn)精準截流、有序截流，本文提出了建立集信息監(jiān)測、控制、管理和決策于一體的截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)的構想。并對系統(tǒng)的結構體系、總體目標、功能體系與技術要點作了探討和研究。在相關技術的支持下，江河截流施工動態(tài)決策支持系統(tǒng)已成功開發(fā)并在長江三峽等重大工程截流施工中得到良好應用，效益顯著。

［1］ 鄭守仁，王世華，夏仲平，等.導流截流及圍堰工程［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.（ZHENG Shou-ren，WANG Shi-hua，XIA Zhong-ping，et al.Riv-er Diversion and Closure＆Cofferdam Engineering［M］.Beijing：China Waterpower Press，2005.（in Chinese））

［2］ 肖煥雄.施工導截流與圍堰工程研究［M］.北京：中國電力出版社，2002.（XIAO Huan-xiong.Research on River Diversion and Closure＆Cofferdam Engineering Construction［M］.Beijing：China Electric Power Press，2002.（in Chinese））

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［7］ 周厚貴.三峽工程導流明渠截流施工技術研究［M］.北京：科學出版社，2007.（ZHOU Hou-gui.Research on Construction Technology of River Closure on Open Diver-sion Channel in Three Gorges Project［M］.Beijing：Science Press，2007.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Dynam ic Decision Supporting System for River Closure Construction

ZHOU Hou-gui1，2
（1.China Gezhouba Group Corporation，Yichang 443002，China；2.College ofWater Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 21009，China）

Based on the characteristics of construction control，management and decision-making during the river closure implementation process，the author by analysing technical requirements and practical demands of river clo-sure，proposed the objectives，structure，functions and technical requirements of dynamic decision support system for river closure construction.This system integratesmonitoring，controlling，management and decision making of river closure construction，hence ensuring the automation of construction data acquisition，informatization of con-struction management，aswell as scientific decision of river closure construction.In thisway，itguarantees the safe and reliable，accurate and controllable，scientific and economic，and punctual river closure process.The applica-tion of the system in open channel closure of the Three Gorges and in other projects hasmanifested that the system plays a significant role in accurate dike advancing process controlling，and in precise and orderly river closure as well.

river closure；decision supporting system；construction management；construction decision

TV551.2

A

1001－5485（2011）02－0065－04

2010-07-23

周厚貴（1962-），男，湖北枝江人，教授級高級工程師，博士生導師，主要從事水電工程施工技術與管理研究，（電話）071-76710199（電子信箱）hougui＠tom.com。