基于智慧工程理念的雙江口水電站智能地下工程系統建設探索

李善平，肖培偉，唐茂穎，段 斌，陶春華

(國電大渡河流域水電開發有限公司，四川成都610041)

基于智慧工程理念的雙江口水電站智能地下工程系統建設探索

李善平，肖培偉，唐茂穎，段 斌，陶春華

(國電大渡河流域水電開發有限公司，四川成都610041)

隨著智慧產業的不斷深化發展，智慧工程建設將對我國水電行業的發展產生深遠而重大的影響。結合雙江口水電站工程特點，基于智慧工程基本概念和總體架構，研究了雙江口水電站智能地下工程業務系統；分析了地下工程數據中心與決策會商中心，以及施工資源實時定位監控、快速高精度測量與計量管理、埋管埋件統計及管理、混凝土生產澆筑監控與管理、施工環境監控預警與決策分析、洞室群施工仿真及進度管理、爆破安全控制與微震監測成果集成管理、圍巖監測與穩定分析動態反饋分析成果集成管理等模塊；介紹了雙江口水電站智能地下工程系統建設進展情況。智能地下工程系統將為雙江口水電站優質、高效建設奠定基礎。

智慧工程；地下工程；系統建設；雙江口水電站

0 引 言

隨著云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、虛擬現實、人工智能等技術的興起和運用，它們正在改變著我們早已熟悉的傳統行業和產業。利用信息化、數據化、智能化的手段和方式給傳統行業和產業增添了智慧的大腦，于是“智慧地球”、““智慧城市”、“智慧企業”等智慧產業相繼誕生，智慧浪潮風起云涌[1]。在智慧背景下，我國的水電行業也正在面臨重大變革。我國水電開發企業的主要任務是進行水電工程建設、電站生產檢修、電力調度交易等[2]。涂揚舉等人研究了智慧企業的基本概念、建設目標、管理模型、建設路徑[3]，探索了水電企業如何建設智慧企業[4]，實施了智慧大渡河建設[5]。

我國水電開發企業的“智慧企業”建設主要內容涵蓋智慧工程、智慧電廠、智慧檢修、智慧調度等。嚴軍、周業榮、李善平等人在智慧企業體系和架構下制定了智慧工程建設實施方案[6]，并在大渡河流域水電工程建設中進行了有益的嘗試。隨著智慧產業的不斷深化發展，智慧工程建設將對我國水電行業的發展產生深遠而重大的影響。本文結合大渡河雙江口水電站的智慧工程建設，就智能地下工程進行了一些研究和探索。

1 智慧工程理念簡介

1.1 基本概念

智慧工程是智慧企業四大業務單元腦之一，它以“全方位、全過程、可追溯、智能化”為特征，將物聯網、大數據、人工智能等前沿技術，與工程安全、質量、進度、投資、環保(以下簡稱“五控制”)等業務深度融合，實現業務風險的自動感知、自動預判、自主決策的工程管理新模式[6]。

就水電開發企業而言，智慧工程是項目建設全生命周期的智能管理體系，是工程全方位業務數據量化與標準化的統一平臺，是核心管理信息集成集中與智能協同的管控中心，是實現管理風險自動預判與自主決策的指揮中心。

1.2 總體架構

結合水電工程特點，智慧工程采用“一中心、二平臺、三板塊”的總體架構，如圖1所示。

“一中心”是指工程信息中心，是智慧工程實現自動預判、自主決策的信息基礎。它負責工程相關信息的存儲、分析、查詢和共享，實現各業務系統間數據的互聯互通，是智慧工程的數據及知識來源。

“二平臺”是指工程管控平臺和決策會商平臺，是智慧工程實現自動預判、自主決策的中樞。工程管控平臺是在工程信息中心的基礎上，結合風險分級預警模型及決策知識庫，實現工程KPI管控、風險分級預警及智能輔助決策，對各工程項目“五控制”進行綜合管控。決策會商平臺是從宏觀、微觀全景展現智慧工程，實現信息系統與工程建設現場的全方位、全過程無縫對接交互，并利用大數據、人工智能等技術，實現重大技術問題和“疑難雜癥”的智能決策支持和遠程“會診”。

“三板塊”是指樞紐、移民、送出三大板塊的專業應用，是智慧工程的業務基礎和自動感知核心。樞紐板塊通過建設智能大壩工程、智能廠房與泄洪工程、智能機電工程等業務管控系統，實現施工過程精細、精準管控，全面實現項目工程樞紐“五控制”目標。移民板塊主要是實現移民安置規劃可視化和實時動態跟蹤移民實施進展情況。送出板塊主要是跟蹤核準手續辦理情況及送出工程實施進度情況。

圖1 智慧工程總體架構

1.3 預期目標

(1)信息系統創新。建設全生命周期、全方位、多專業的協同管理信息系統，完成工程大數據中心、工程管控平臺和決策會商平臺、樞紐工程等各項業務系統建設，實現工程建設管控目標。

(2)管理理念創新。根據智慧工程自動預判、自主決策需要，建立工程管控模型理論體系，完善智慧工程風險評價體系、事件預警體系及決策糾偏體系，形成工程風險識別庫、決策支持庫。

(3)管理模式創新。智慧工程采用智慧企業“數據中心制”取代傳統企業“層級制”管理模式，內部管理更加專業化、扁平化，實現了數據跨專業間的共聯共享、智能協同。

(4)技術應用創新。圖像識別、高精度自動定位、大數據挖掘、快速精準測量、建筑信息模型(BIM)、人臉識別、自動駕駛、大規模移動互聯等信息化、智能化技術將在智慧工程中創新使用。

2 工程概況及特點

雙江口水電站正在積極推進智慧工程建設。它是大渡河干流上游控制性水庫，裝機容量200萬kW，多年平均年發電量77.07億kW·h，具有年調節能力。電站樞紐工程由攔河大壩、引水發電系統、泄洪建筑物等組成。攔河大壩采用土質心墻堆石壩，最大壩高312 m，是目前世界已建和在建水電工程中的第一高壩，壩體填筑總量約4 400萬m3。引水發電系統布置于左岸，發電廠房采用地下式，廠內安裝4臺立軸混流式水輪發電機組，采用“單機單管供水”及“兩機一室一洞”的布置格局，包括進水口、壓力管道、主廠房、副廠房、主變室、出線場、尾水調壓室、尾水隧洞及尾水塔等建筑物。泄洪系統包括洞式溢洪道、直坡泄洪洞、利用施工后期導流洞改建的豎井泄洪洞和利用施工中期導流洞改建水庫放空洞，洞式溢洪道、直坡泄洪洞、放空洞布置于右岸，豎井泄洪洞布置于左岸。

雙江口水電站工程區地震基本烈度為Ⅶ度，地形地質條件復雜，河床覆蓋層最大厚度達76 m；心墻堆石壩壩體高度超過300 m，壩體及壩基變形穩定、防滲排水、防震抗震等技術問題突出，筑壩難度大，質量要求高；地下廠房區圍巖最大地應力達38 MPa，強度應力比小于4，巖爆問題較突出；泄洪建筑物布置具有窄河谷、高水頭、大泄量的特點，施工極其困難。引水發電工程系統和泄洪工程系統均是處于高地應力區的大規模地下洞室群。

3 智能地下工程系統建設方案

3.1 雙江口智慧工程業務系統

雙江口智慧工程業務系統由智能公共系統、智能大壩系統、智能廠房與泄洪系統、智能機電系統、智能公區系統等業務系統組成。智能公共系統是智慧工程的綜合業務系統；智能大壩系統、智能廠房與泄洪系統、智能機電系統是智慧工程的專業業務系統；智能公區系統是智慧工程公區管理的基礎業務系統。由于雙江口水電站廠房與泄洪系統均為地下工程，智能廠房與泄洪系統又稱為智能地下工程系統。

3.2 雙江口智能地下工程系統模塊

針對雙江口水電站地下工程特點和實際情況，其智能地下工程系統建設主要包括以下模塊。

3.2.1 施工資源實時定位監控模塊

實施目的：監控地下工程主要設備的實時位置和地下洞室的交通流量。

實施方案：對可能擁堵路段在岔口布置視頻監控或RFID監控，通過圖像識別或RFID監控流量。洞內施工車輛通過智慧工區的WIFI基站進行定位。洞外車輛定位采用GPS監控。

3.2.2 快速高精度測量與計量管理模塊

實施目的：實現工程量的精確計量，輔助超欠挖控制和工程量計量。

實施方案：利用三維激光掃描儀進行開挖洞段的全景掃描；對激光點云進行處理建立實景三維模型；對照實景三維模型與設計模型、地質三維模型，量化超欠挖工程量，并分析合理性；對照噴混凝土前后的實景三維模型，分析噴混凝土工程量和厚度是否滿足要求。三維激光掃描設備與施工期掃描工作，已有成熟實施經驗；超欠挖對比、噴混凝土量分析等功能，在廠房決策會商中心的三維模型全過程綜合展示與查詢模塊中實現。

3.2.3 埋管埋件統計及管理模塊

實施目的：便于機電工程與土建交面的預埋管件的三維精細化設計、埋件清單及實際埋設情況的監控統計。

實施方案：采用三維設計技術進行埋管埋件的精細化設計、碰撞檢測，生成埋管埋件清單；利用RFID技術，及時采集實際埋設情況，并與清單進行對比，實現埋設情況的及時監控與預警。

3.2.4 混凝土生產澆筑監控與管理模塊

實施目的：自動采集混凝土生產過程的原材料檢測、配料、運輸等過程的數據；實現混凝土生產、運輸、澆筑各環節的統一調度，加強銜接、提升效率，及時預警“運錯料”等問題。對土石方運輸車輛進行實時定位，追蹤開挖渣料運輸去向和時間。

實施方法：在拌和樓安裝RFID讀寫器、在混凝土運輸車加裝RFID標簽，實現生產與運輸的準確銜接；實現澆筑倉位混凝土需求的提出與拌和樓生產的智能調度與匹配；通過在拌和樓生產系統加裝數據自動傳輸模塊，實現生產數據實時、自動錄入決策會商系統，實現生產過程的實時監控。

3.2.5 施工環境監控預警與決策分析模塊

對于有害氣體監控，目前有較為成熟的為基于電化學、光離子等原理研發的有害氣體分析傳感器，主要用于CO、H2S、CO2、NO2等有害氣體的監測。但目前是集成在手持設備中，需要針對水電工程洞室開挖的特點進行微型化、工業化、功能化定制改造，并集成噪音等傳感器模塊。

實現監測數據的自動化采集、無線傳輸與分析預警。集成無線通信模塊，對傳感器監測數據進行解算，實時傳輸傳感器檢測數據至后方服務器，對比控制指標進行預警。

實施智能通風系統。根據監控信息，增加軸流風機等通風設備的遠程控制模塊，改善通風環境；記錄通風參數和環境監測數據的規律，作為后續風機自動化控制的參考。

3.2.6 洞室群施工仿真及進度管理模塊

該模塊通過仿真分析洞室群之間的動態復雜時空邏輯關系，揭示地下工程施工行為特征，優化洞室群施工方案，提升進度控制能力。其主要功能包括實時監測引水發電系統開挖、支護、襯砌、灌漿等施工進度；模擬洞室開挖全過程，預先發現施工干擾問題，指導施工進度計劃的合理制訂；輸入不同施工資源配置方案，模擬不同配置方案下的施工進度，輔助合理配置施工設備；模擬復雜交叉洞室群的施工交通狀況，分析各關鍵岔口的交通繁忙指標和出現概率，提醒施工管理人員重點關注可能擁堵的關鍵岔口，做好交通調度和安全管理，并為施工支洞布置優化提供建議；采用動態可視化仿真技術，基于施工仿真數值分析成果，直觀展示施工過程和施工方案；分析開挖出渣強度和進度，為場內土石方整體平衡優化與調度提供數據和接口；建立分析模型，對關鍵線路施工進度進行預警。

3.2.7 施工期安全監測成果集成管理模塊

該模塊集成管理地下洞室爆破安全控制與微震監測的成果數據并展示，包括地下工程開挖爆破振動安全控制標準及其爆破參數、開挖爆破方案、爆破參數、洞室收斂變形與應力監測數據、施工期微震監測數據、圍巖破壞程度等。同時，集成管理施工期圍巖監測與穩定分析動態反饋分析成果數據，包括開挖洞段的局部和整體穩定性評價結果、開挖支護參數的優化結果、圍巖穩定安全控制措施等，并將這些數據和信息展示在基于BIM技術的三維模型中，以指導工程施工和管理決策。

3.3 雙江口地下工程數據中心與決策會商平臺

基于智能地下工程系統各個模塊，通過建立統一數據標準，借助各類業務系統之間的數據轉換接口和模型轉換工具，采用mangoDB等NoSQL技術實現文檔、模型和關系型數據的異構數據存儲管理等技術和方法，建立地下工程數據中心，實現智能地下工程系統的數據集成，統一數據來源、建立數據之間的聯系，實現數據、文檔、模型的集中統一管理，為工程管控平臺、決策會商平臺、移動APP、各業務系統提供數據支撐。

在地下工程數據中心的基礎上，利用跨平臺模型融合輕量化技術、設計與施工數據標準協同技術、移動端BIM技術、三維可視化與交互技術等，構建廠房工程決策會商中心，實現可視化、交互式展示設計、施工過程動態信息，為廠房、泄洪工程建設過程綜合會商提供可視化平臺，為地下工程管理的綜合決策提供輔助支撐。

3.4 雙江口地下工程管理模式

基于智慧企業的“數據中心制”管理模式，雙江口工程采取“部門+中心”的管理模式。在該模式下，水電工程建設管理單位設置工程指揮中心，工程指揮中心下設大壩、廠房、泄洪、機電物資等4個分中心和綜合保障部、業務保障部、安全監察部等3個保障部門。工程指揮中心負責重大預警內容的處置和重大決策，分中心全面負責和實施所轄標段“五控制”管理，各保障部門對各分中心業務進行統籌、監督、協調和服務。廠房分中心、泄洪分中心的管理人員在地下工程決策會商平臺上，運用智能地下工程系統進行地下工程管理。

4 智能地下工程系統建設進展

雙江口水電站于2015年12月完成河道截流，大壩、地下廠房、泄洪三大主體建筑物工程施工已全面開展，雙江口智慧工程建設正結合主體工程施工有序實施。目前，雙江口智能地下工程系統建設正在按照規劃方案積極推進，2017年該系統下的各模塊將全面建成并投入使用，為雙江口水電站地下工程科學管理發揮重要作用。

5 結 語

智慧工程大量運用監測(監控)感知、BIM、智能識別、云計算、物聯網、移動互聯等技術，根據水電工程建設特點，實現了工程建設管理的信息化、數字化、智能化。同時，隨著各種技術地不斷進步，工程管理模式也將隨之調整，更好地促進了工程建設。在智慧工程理念指導下，雙江口水電站將努力建成技術先進、管理高效的創新工程，實現智慧工程建設目標。

智能地下工程系統是智慧工程的重要組成部分，通過數據中心、云計算中心、一體化平臺的建設，將地下工程管理所有數據、流程進行統籌管理、挖掘、分析、利用，保障了數據來源的唯一性和業務流程的連貫性，使得流程更加快捷、溝通更加有效、決策更加高效，實現工業化和信息化的深度融合。智能地下工程系統將在雙江口水電站地下工程建設管理過程中全面推行并發揮重要作用，為智慧工程的發展奠定基礎。

智慧工程創造出了一種新模式：基礎感知—數據管理—業務支撐—綜合管理—智慧決策，每一個環節帶動著所有智能系統全力實現最終目標——安全、質量、進度、投資、環?！拔蹇刂啤?，360°全方位監測管控，三維可視化全過程追溯，數據零誤差，風險零死角，決策零延遲。可以預見，智慧工程將在不久的將來成為水電開發企業轉型升級的重要推動力，在水電工程建設管理中得到廣泛的應用，并創造豐碩的成果。

[1]涂揚舉, 鄭小華, 何仲輝, 等. 智慧企業框架與實踐[M]. 北京：經濟日報出版社, 2016.

[2]涂揚舉. 瀑布溝水電站建設管理探索與實踐[J]. 水力發電, 2010, 36(6)： 12- 15.

[3]涂揚舉. 智慧企業建設引領水電企業創新發展[J]. 企業文明, 2017(1)： 9- 11．

[4]涂揚舉. 水電企業如何建設智慧企業[J]. 能源, 2016(8)： 96- 97．

[5]涂揚舉. 建設智慧企業, 實現自動管理[J]. 清華管理評論, 2016(10)： 29- 37．

[6]國電大渡河流域水電開發有限公司. “國電大渡河智慧企業”建設戰略研究與總體規劃報告[R]. 成都： 國電大渡河流域水電開發有限公司, 2015．

[7]國電大渡河流域水電開發有限公司. “國電大渡河智慧企業”建設之“智慧工程”總體方案[R]. 成都： 國電大渡河流域水電開發有限公司, 2016．

[8]國電大渡河流域水電開發有限公司. 四川大渡河雙江口水電站“智慧工程”建設總體規劃方案[R]. 成都： 國電大渡河雙江口工程建設管理分公司, 2016.

[9]王冠雄. 迎接不可阻擋的“智能+”時代[EB/OL]. 2016.6.28. http:∥wangguanxiong.baijia.baidu.com/article/517515.

(責任編輯 焦雪梅)

Exploration on Intelligent Underground Engineering Construction of Shuangjiangkou Hydropower Station Based on the Idea of Intelligent Engineering

LI Shanping, XIAO Peiwei, TANG Maoying, DUAN Bin, TAO Chunhua
(Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610041, Sichuan, China)

With the development of intellectual industry, the construction of intelligent engineering will has a profound and significant influence on the development of hydropower industry in China. Combined with the engineering characteristics of Shuangjiangkou Hydropower Station and based on the basic concept and general framework of intelligent engineering, the intelligent underground engineering system of Shuangjiangkou Hydropower Station is studied. The underground engineering data center and consultation command center, real time positioning monitoring module for construction resource, fast and high-precision measurement and metering management module, detailed design and installation monitoring module of buried pipes, concrete production monitoring and management module, integrated display and warning module for environmental monitoring information, construction simulation and schedule management module of cavern group, integrated management of blasting safety control and microseismic monitoring results and dynamic feedback analysis and result integrated management module of surrounding rock monitoring and stability are analyzed. The construction of intelligent underground engineering system is introduced. The system will lay a foundation for high quality and efficient construction of Shuangjiangkou Hydropower Station．

intelligent engineering; underground engineering; system construction; Shuangjiangkou Hydropower Station

2017- 05- 22

李善平(1963—)，男，河南方城人，教授級高工，碩士，主要從事水電工程建設技術和管理工作；段斌(通訊作者)．

TV554

A

0559- 9342(2017)08- 0067- 04