淺談大型水利水電工程施工智能控制技術(shù)應(yīng)用

劉娟蘭

江西瑞希建設(shè)工程有限公司

淺談大型水利水電工程施工智能控制技術(shù)應(yīng)用

劉娟蘭

江西瑞希建設(shè)工程有限公司

傳統(tǒng)質(zhì)量管理依賴于從業(yè)人員專業(yè)素養(yǎng)與責(zé)任，無法滿足精細(xì)化控制要求。基于全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制的閉環(huán)控制的拱壩智能化建設(shè)理念，攻克了拱壩智能化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)—智能溫控、智能振搗、數(shù)字灌漿；研發(fā)了成套裝置和控制系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)人工質(zhì)量粗放管理模式，實(shí)現(xiàn)混凝土壩施工過程精細(xì)化、個(gè)性化控制，并依托工程數(shù)據(jù)集成模型DIM 以及建設(shè)各方業(yè)務(wù)協(xié)同平臺(tái)iDam， 通過數(shù)據(jù)在項(xiàng)目各方間的有效交流， 實(shí)現(xiàn)拱壩智能化建設(shè)的感知、分析與控制的有效運(yùn)轉(zhuǎn)， 為高壩真實(shí)工作性態(tài)的過程仿真和預(yù)測、施工方案的動(dòng)態(tài)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)， 確保了大壩整體安全。

水電工程；智能溫控；智能振搗；協(xié)同工作平臺(tái)iDam；大壩全景信息模型DIM

一、研究背景

目前，國內(nèi)水電工程信息化控制主要集中在土石壩和碾壓混凝土壩，水布埡面板堆石壩、糯扎渡心墻堆石壩、官地碾壓混凝土壩等通過在碾壓施工機(jī)械上安裝傳感器感知施工狀態(tài)、通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將施工機(jī)械和監(jiān)控中心連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交流、通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端服務(wù)器分析處理實(shí)現(xiàn)反饋控制。

雖然物聯(lián)移動(dòng)技術(shù)已逐步應(yīng)用于水利水電工程，但對大體積混凝土通水冷卻和常態(tài)混凝土澆筑質(zhì)量智能控制理論和方法還沒有系統(tǒng)的探討和研究。

二、大體積混凝土智能控制關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有3個(gè)顯著的特征：一是全面感知；二是可靠傳遞；三是智能處理。智能化建壩，就是基于物聯(lián)網(wǎng)，利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)，按照“統(tǒng)一模型、平臺(tái)和接口，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、全面、及時(shí)、共享，直接面向生產(chǎn)需求，重在預(yù)測、預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)控，應(yīng)用操作簡單、直觀、逼真、智能”的原則，實(shí)現(xiàn)大體積混凝土壩施工全過程在線、實(shí)時(shí)、智能監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、高速度建設(shè)。

⑴大體積混凝土通水冷卻智能控制關(guān)鍵技術(shù)。將現(xiàn)代控制思想與經(jīng)典控制原理相結(jié)合，設(shè)計(jì)出具有模糊特性的PID 控制系統(tǒng)。通過通水邊界、溫度和溫度偏差及溫度變化率等計(jì)算出應(yīng)通流量后，把其傳送給控制箱中的控制器，控制器采用PID調(diào)節(jié)法對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，穩(wěn)定控制流量，進(jìn)而控制混凝土溫度。通水冷卻智能溫度控制平臺(tái)管理軟件， 可實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測大壩混凝土溫度， 通水進(jìn)出口水溫、流量， 流態(tài)等信息， 為不同澆筑倉提供個(gè)性化的溫度控制策略， 是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測分析一體化的基礎(chǔ)平臺(tái)。

⑵大體積混凝土澆筑質(zhì)量智能控制技術(shù)

①混凝土運(yùn)輸全過程智能監(jiān)控技術(shù)。在側(cè)卸車上安裝集成物聯(lián)設(shè)備， 在運(yùn)輸?shù)缆返闹攸c(diǎn)關(guān)注位置設(shè)置RFID 標(biāo)簽，在纜機(jī)吊鉤上安裝傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測側(cè)卸車和纜機(jī)的工作位置、轉(zhuǎn)運(yùn)與卸載等參數(shù)，實(shí)時(shí)分析運(yùn)輸過程中運(yùn)料屬性、排隊(duì)時(shí)間、運(yùn)輸耗時(shí)、物料匹配、運(yùn)行安全、運(yùn)輸效率等，并通過客戶端實(shí)時(shí)圖形化顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表輸出等方式完成運(yùn)輸過程質(zhì)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析；同時(shí)，結(jié)合運(yùn)輸過程關(guān)鍵的控制指標(biāo)，對實(shí)時(shí)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能判斷，發(fā)現(xiàn)超出控制指標(biāo)時(shí)發(fā)送報(bào)警和建議措施，實(shí)現(xiàn)智能反饋控制與預(yù)警。

②混凝土倉面作業(yè)振搗質(zhì)量智能控制技術(shù)。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制終端，實(shí)時(shí)智能感知平倉、振搗等澆筑質(zhì)量控制關(guān)鍵參數(shù)，智能分析判斷坯層厚度、坯層覆蓋時(shí)間、振搗深度、振搗時(shí)長等，并通過客戶端的實(shí)時(shí)圖形化顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表輸出等方式實(shí)現(xiàn)平倉、振搗的數(shù)據(jù)分析功能；同時(shí)，結(jié)合振搗施工關(guān)鍵參數(shù)的控制指標(biāo)，對智能感知與分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能判斷，發(fā)現(xiàn)超出控制指標(biāo)，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警和建議措施，實(shí)現(xiàn)智能反饋控制與預(yù)警，有效避免了漏振、欠振、過振等混凝土施工質(zhì)量問題。

⑶基礎(chǔ)處理數(shù)字灌漿監(jiān)控技術(shù)。利用先進(jìn)的無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)，通過具有無線傳輸功能的灌漿自動(dòng)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，利用設(shè)在灌漿工程現(xiàn)場施工面的監(jiān)控中心，接收各施工面的灌漿數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控灌漿現(xiàn)場，自動(dòng)檢測記錄儀是否處在在線狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)對大范圍分散施工的集中化監(jiān)控和實(shí)時(shí)管理，解決了灌漿工程監(jiān)理人少監(jiān)控分散難題，保證了數(shù)據(jù)安全和工程質(zhì)量。

三、數(shù)據(jù)集成模型與智能化協(xié)同平臺(tái)搭建

⑴數(shù)據(jù)集成模型-大壩全景信息模型DIM。DIM是智能大壩的數(shù)據(jù)中心，在全面繼承大壩BIM 設(shè)計(jì)信息的基礎(chǔ)上，以工程結(jié)構(gòu)物分解(PBS)、結(jié)構(gòu)物(地質(zhì))三維模型為核心，工程建造過程中動(dòng)態(tài)集成工程設(shè)計(jì)信息、施工過程信息、安全監(jiān)測信息等與大壩工程相關(guān)的所有信息，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)面向大壩建造過程及工程全生命周期的建筑物綜合信息管理。模型利用參數(shù)化增量建模與剖切建模等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)施工期結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)態(tài)更新、施工過程信息動(dòng)態(tài)疊加等問題，支持現(xiàn)場數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的模型同步更新、支持動(dòng)態(tài)形象展現(xiàn)與信息共享、實(shí)現(xiàn)物料的實(shí)時(shí)跟蹤，支持實(shí)時(shí)的工程量統(tǒng)計(jì)與工程質(zhì)量跟蹤與評(píng)價(jià)。

⑵智能化建設(shè)業(yè)務(wù)協(xié)同工作平臺(tái)iDam。平臺(tái)(Intelligent Dam Management)，采用企業(yè)級(jí)分布式應(yīng)用架構(gòu)， 基于MS.Net2.0 平臺(tái)、可視化VTK 平臺(tái)、工業(yè)數(shù)據(jù)接口以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式(TICI)等技術(shù)構(gòu)架。業(yè)務(wù)處理與數(shù)據(jù)采集層，主要應(yīng)用手持式數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、業(yè)務(wù)工作流等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)操作層的日常業(yè)務(wù)功能；數(shù)據(jù)查詢與單據(jù)輸出層，主要應(yīng)用自定義單據(jù)組件、動(dòng)態(tài)報(bào)表組件、二維圖表及數(shù)據(jù)輸入輸出接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場采集的各類原始數(shù)據(jù)直觀展示與查詢；綜合查詢與分析對比層，應(yīng)用三維可視化技術(shù)、二維圖形、商業(yè)智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維視景交互漫游，動(dòng)態(tài)搜索與查詢各部位的相關(guān)計(jì)劃、進(jìn)度、溫度、質(zhì)量等信息，以及施工方案對比、計(jì)劃與進(jìn)度對比、原材料檢測與試驗(yàn)符合率與變化趨勢等分析； 關(guān)鍵指標(biāo)評(píng)價(jià)與預(yù)報(bào)警層，服務(wù)于工程綜合管理與決策，應(yīng)用數(shù)字儀表盤、預(yù)報(bào)警平臺(tái)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵績效指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)與動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，以及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)與預(yù)報(bào)警，并以在線消息、手機(jī)短信方式，實(shí)現(xiàn)快速反饋、實(shí)時(shí)控制與問題糾正。

結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，筑壩技術(shù)得到了不斷進(jìn)步。大型水電工程建設(shè)和運(yùn)行面臨更加復(fù)雜的自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境，需要運(yùn)用數(shù)字化、信息化、智能控制技術(shù)，落實(shí)精細(xì)化管理措施，從而保證施工質(zhì)量和工程全壽命周期的安全可靠運(yùn)行。

[1]馬洪琪.等.重大水利水電工程施工實(shí)時(shí)控制關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011，13(12)：20-27.

[2]鐘桂良，尹習(xí)雙，等.高拱壩混凝土運(yùn)輸過程智能控制技術(shù)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，41(2)：55-58.