夾巖數字大壩系統(tǒng)在工程精細管理中的應用

楊文 劉東海 譚其志 馮友文

摘要：夾巖水利樞紐工程面板堆石壩建設過程中涉及眾多動靜態(tài)信息，如何綜合集成這些信息，為工程建設管理與大壩運行提供全面準確的信息支持，是工程建設中需要解決的重要技術問題。結合夾巖工程特點與需求，研制開發(fā)了夾巖數字大壩系統(tǒng)，對大壩建設過程中的質量、安全、進度等信息進行動態(tài)采集，構建了基于B/S模式的大壩綜合信息集成平臺和三維虛擬模型，動態(tài)耦聯工程建設信息、三維場景和無人機航拍全景，實現了夾巖大壩建設多源信息的可視化、虛實化管理與數字化歸檔，為參建各方對工程進行精細管理，以及大壩運行后的健康診斷提供了信息應用和支撐平臺，從而為創(chuàng)新工程建設管理手段、打造優(yōu)質精品工程提供強有力的技術保障。

關鍵詞：面板堆石壩; 數字大壩; 精細管理; 三維可視化; 夾巖水利樞紐工程

中圖法分類號： TP391文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.039

夾巖水利樞紐工程是國務院確定的“十三五”時期建設的172項重大水利工程之一，是貴州省水利建設龍頭項目，水庫正常蓄水位1 323 m，總庫容13.23億m?3，壩后電站裝機容量90 MW，總供水人口267萬人，為I等大（一）型工程，總投資186億元。工程建成后將在黔西北地區(qū)構建起以大型水利樞紐為支撐的安全有效的水資源保障體系。夾巖水利樞紐工程大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高154 m，壩長429 m，大壩等級高、規(guī)模大，涉及施工環(huán)節(jié)及參建單位眾多，實現精細化管理是確保工程建設始終受控，提高施工質量的重要手段。目前，夾巖面板堆石壩填筑碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)[1]已投入運行，大壩壩體內埋設有各類安全監(jiān)測儀器以對壩體結構狀況進行健康診斷。除此之外，工程建設過程中還涉及進度、面貌等其他信息。如何把上述眾多動靜態(tài)信息進行綜合集成、可視化管理與數字化歸檔，進而為大壩施工、運行與工程建設管理等提供全面、快捷、直觀的信息服務和決策支持，是工程建設精細管理中需要解決的重要技術問題。

鐘登華[2-3]開拓性地提出了水利水電工程施工實時控制關鍵技術和網絡環(huán)境下數字大壩集成技術，為水利工程施工信息化管理提供了技術路線和實現手段。目前，該技術已在糯扎渡水電站[4]、長河壩水電站[5]、梨園水電站[6]、溧陽抽水蓄能電站、南水北調高填方渠道工程等近20個工程中取得了成功的應用。隨著物聯網、大數據與云計算、智能技術等的發(fā)展，數字大壩正向智慧大壩發(fā)展演化，以實現動態(tài)精細化的可感知、可分析、可控制的智能化大壩建設與運行管理[7]。

近年來，無人機（UAV）技術發(fā)展迅猛，很多學者開始探索該技術在工程管理中的應用。Wang等[8]利用無人機搭載激光雷達實時采集工程面貌信息，并結合建筑物BIM實現了施工質量的實時控制;Melo等[9]基于工程實例，評估了無人機在施工現場進行安全檢查的可行性;Ellenberge等[10]研究了利用無人機圖像自動識別橋梁結構損傷的方法。然而，UAV在水利工程面板堆石壩管理中的應用還較為少見，如何對大壩施工實景面貌進行動態(tài)采集與集成，從而輔助進度分析與工程決策，也是有待解決的問題。

本文借鑒已有工程數字大壩建設經驗，針對夾巖面板堆石壩工程特點與需求，研發(fā)了夾巖數字大壩系統(tǒng)，研究利用無人機航拍輔助進度分析的具體實現技術和夾巖大壩建設質量、安全、進度等信息的動態(tài)可視化集成方法，可為參建各方對工程進行精細管理及大壩運行后的健康診斷提供有力的支撐平臺。

1系統(tǒng)總體結構

針對工程實際情況，夾巖數字大壩系統(tǒng)需滿足以下功能：① 需對大壩填筑碾壓過程中的實時監(jiān)控數據、安全監(jiān)測數據以及施工進度數據進行綜合集成;② 對工程樞紐布置及大壩建設場景進行三維數字建模，實現虛擬數字大壩的瀏覽漫游;③ 動態(tài)關聯大壩建設管理信息與三維模型，用直觀、形象的方式實現工程建設的精細管理。根據上述系統(tǒng)需求，提出如下系統(tǒng)技術構架和功能結構。

1.1系統(tǒng)技術架構

根據夾巖面板堆石壩工程應用需求和建設目標，采用現代信息技術與先進軟件開發(fā)工具，設計了如圖1所示的基于B/S模式的系統(tǒng)技術架構。

系統(tǒng)采集的數據包括屬性數據和影像模型數據兩種類型。通過填筑碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)和安全監(jiān)測系統(tǒng)對碾壓質量信息和安全監(jiān)測信息進行采集，并定期錄入大壩填筑碾壓進度信息。對于影像模型數據，工程三維模型作為重要基礎數據在系統(tǒng)應用前預存入數據庫，工程面貌由無人機定期采集，視頻監(jiān)控則由現場定點視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集。

屬性數據與影像模型間根據實現的業(yè)務邏輯，通過ID映射等方式相互關聯，以便在后續(xù)應用中，借助實景影像、三維模型等視覺數據對質量、安全、進度信息進行直觀表達。

用戶通過瀏覽器登陸系統(tǒng)，從服務器獲取工程建設信息，實現基于三維場景的工程信息可視化管理及輔助決策。

1.2系統(tǒng)功能結構

如圖2所示，從功能定位出發(fā)，整個系統(tǒng)可劃分為6個子系統(tǒng)：分別為碾壓質量數字化系統(tǒng)、安全監(jiān)測數字化系統(tǒng)、施工進度數字化系統(tǒng)、樞紐布置數字化系統(tǒng)、工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)和樞紐布置數字化系統(tǒng)、工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)和工程面貌航拍全景系統(tǒng)?，F將它們各自功能簡單介紹如下。

圖2系統(tǒng)功能結構Fig.2System function structure

（1） ?碾壓質量數字化系統(tǒng)?；诰W絡環(huán)境下的大壩施工三維數字模型（反映實際三維進度形象），集成面板堆石壩填筑碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)獲取的碾壓質量信息，實現完工倉面碾壓軌跡、碾壓遍數、壓實厚度和激振狀態(tài)等施工過程信息的可視化查詢與管理。動態(tài)錄入大壩試坑檢測質量信息，建立網絡環(huán)境下的試坑三維數字模型，使得用戶根據位置、時間等條件篩選便能可視化地查詢試坑檢測結果。

（2） ?安全監(jiān)測數字化系統(tǒng)。建立大壩變形、沉降、滲流等安全監(jiān)測儀器布置的三維可視化模型，實現監(jiān)測儀器的分類別、分斷面顯示和大壩安全監(jiān)測設施布置的三維場景漫游。建立安全監(jiān)測動態(tài)信息與監(jiān)測儀器三維模型的一一對應連接，實現點擊儀器模型便可查詢其對應數據信息，并可對大壩變形、沉降、水平位移、滲壓、應力應變等監(jiān)測量進行統(tǒng)計分析與圖表繪制。

（3） ?施工進度數字化系統(tǒng)。建立大壩二維和三維進度模型，實現網絡環(huán)境下大壩計劃進度和實際的可視化查詢與動態(tài)仿真，并能生成二維進度形象對比圖和工程量對比圖，以方便進度偏差分析。

（4） ?樞紐布置數字化系統(tǒng)。在對工程施工場地布置、道路交通、樞紐布置、地形地貌情況等數字化處理基礎上，建立夾巖水庫面板堆石壩施工總布置三維模型，實現工程三維場景的交互漫游與操作，為觀察大壩細部設計和樞紐布置提供逼真的交互式平臺。

（5） ?工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。集成夾巖工程壩區(qū)現場視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以方便監(jiān)管人員隨時調用遠程查看大壩碾壓作業(yè)情況，并與碾壓監(jiān)控信息進行對比分析。

（6） ?工程形象面貌航拍全景系統(tǒng)。利用無人機定

期采集壩區(qū)施工全景，記錄工程整體形象面貌變化，實現壩區(qū)樞紐實景的交互漫游。通過不同時期工程面貌全景的對比，管理人員可直觀地從宏觀角度分析評價施工進度。

2系統(tǒng)開發(fā)的關鍵技術

2.1工程三維場景網絡可視化

要實現B/S模式下的綜合信息可視化管理，構建工程施工三維數字場景并實現網絡可視化發(fā)布是基礎前提。三維場景網絡可視化的目的是利用計算機圖形學、組件對象模型等技術將夾巖項目三維模型在網絡環(huán)境下發(fā)布，實現基于WEB瀏覽器的模型漫游、縮放、圖層控制等操作，為后續(xù)集成工程屬性信息（質量、安全、進度等），進而生動直觀的方式實現信息管理打下基礎。本次研究采用了基于多源空間數據的三維建模方案。具體來說，采用數字高程模型（DEM）疊加航拍遙感影像的方式構建工區(qū)地形，采用三維實體建模的方式構建壩體、溢洪道、圍堰等水工建筑物，并貼以適當紋理以增強真實感，最終將上述不同格式、不同來源的空間模型按統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)進行綜合，構建夾巖面板堆石壩施工三維虛擬場景。

采用ActiveX技術對構建完成的三維模型進行網絡可視化發(fā)布，該技術在保持瘦客戶端優(yōu)點的同時解決了動態(tài)顯示數據傳輸量大的問題，能有效保證網絡三維可視化的實現。如圖3所示，具體實現流程如下：① 用戶通過瀏覽器訪問內嵌ActiveX插件的Web頁面，瀏覽器自動下載插件并將ActiveX控件注冊到客戶端;② 用戶與圖形界面進行交互，通過ActiveX控件經網絡語言向Web應用服務器中的事務邏輯類提出數據請求;③ 應用服務器接收用戶請求，通過數據源訪問接口實現對空間數據庫的操作，將數據逆序傳到客戶端（瀏覽器），客戶端通過ActiveX控件于插件中實現數據及圖形的顯示。

2.2多源工程信息動態(tài)耦聯

夾巖面板堆石壩建設多源信息包括碾壓質量、安全監(jiān)測、施工進度、現場實景等。其中，碾壓質量信息由填筑碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)進行采集[1]，包括倉面開/閉倉時間、碾壓軌跡、碾壓遍數、壓實厚度、激振狀態(tài)以及試坑檢測等;安全監(jiān)測信息包括監(jiān)測儀器出廠信息、埋設信息和安全監(jiān)測數據（由安全監(jiān)測標信息系統(tǒng)采集）;施工進度信息包括計劃進度和實際進度兩方面，實際進度隨著壩體澆筑上升定期動態(tài)錄入;現場實景信息由工程視頻監(jiān)控和航拍面貌全景兩部分構成。

圖3基于ActiveX的三維場景網絡可視化發(fā)布Fig.3Web visualization of 3D scene based on ActiveX

所謂工程信息動態(tài)耦聯便是要將上述工程建設過程中動態(tài)采集更新的多源數據與網絡環(huán)境下的工程三維模型建立耦合映射關系，從而依托于三維數字模型對動態(tài)產生的工程建設信息進行直觀地表現和應用。圖4為多源工程信息動態(tài)耦聯模型。通過關鍵字段（倉面ID和儀器ID）關聯的方法，分別建立碾壓質量信息及安全監(jiān)測信息與碾壓施工三維數字模型和安全監(jiān)測三維數字模型的動態(tài)映射關系，從而實現相關信息的三維可視化交互查詢[11]。施工進度信息由用戶定期按實際施工情況錄入，系統(tǒng)從錄入信息中提取壩體填筑二/三維數字模型參數，動態(tài)繪制施工進度面貌。現場實景信息分別由工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)和無人機航拍采集，夾巖數字大壩系統(tǒng)提供數據訪問接口，以方便用戶隨時調用查看。

2.3工程形象面貌航拍全景制作

采用航拍方式制作工程施工面貌全景，有利于管理人員從宏觀視角總體把握項目建設進展。全景制作過程包括航拍照片采集、照片拼接處理和全景網絡發(fā)布3個步驟[12-13]。

（1） 航拍照片采集。本次研究采用大疆精靈Phantom 3作為航拍設備。起飛前，進行設備安裝并查看開機自檢信息，確保GPS信號、電池電量等狀態(tài)良好，同時宜選擇開闊平坦地帶作為起飛地點。起飛后，操控無人機至指定航拍地點（如壩址河床中軸線上空），調整云臺相機俯仰角，在俯拍、平拍和仰拍3種狀態(tài)下，分別旋轉機體360°各拍攝6～8張照片，并注意保證相鄰照片間有重疊部分。航拍任務完成后，指揮飛機返航，從機載存儲卡獲取照片。

（2） 照片拼接處理。圖像拼接是三維全景技術的關鍵，它將一系列有重疊邊界的普通圖像進行無縫拼接以得到全景圖。采集完成航拍圖后，對相鄰照片間的重疊部分進行像素加權融合處理，從而拼接出采集點處的框幅式全景圖，然后通過球面投影，將框幅式像片投影到以焦距為半徑的球面坐標系中。

（3） 全景網絡發(fā)布。通過網絡引擎將制作完成的航拍面貌全景發(fā)布渲染，實現基于Web瀏覽器的全景漫游瀏覽。調用引擎的應用編程接口，快速定制面向夾巖面板堆石壩建設管理應用需求的功能及界面。

3系統(tǒng)在工程建設精細管理中的應用

夾巖數字大壩系統(tǒng)自2018年3月起正式投入運行，在工程建設精細化管理中發(fā)揮了重要作用。如圖5所示為夾巖項目工程精細化管理框架。碾壓質量數字化系統(tǒng)、安全監(jiān)測數字化系統(tǒng)和施工進度數字化系統(tǒng)分別從碾壓質量管理、安全監(jiān)測管理和施工進度管理3方面為夾巖工程精細化管理提供直接的信息服務支撐，樞紐布置數字化系統(tǒng)、工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)和工程面貌航拍全景系統(tǒng)則為工程決策管理提供虛實場景的可視化輔助。

3.1碾壓質量管理

圖6為主堆石區(qū)某倉面碾壓信息的查詢界面，倉面區(qū)域及其邊界會在壩體相應高程面貌上高亮顯示。跟倉面相關的信息包括基本信息（名稱、設計碾壓參數等）和圖形報告。通過插值算法，倉面上任意一點都關聯了該點網格的相關碾壓質量信息，如網格坐標、碾壓遍數、碾壓高程、壓實厚度等。當用戶鼠標點擊碾壓倉面，該事件便會觸發(fā)WEB端的JavaScript代碼訪問后臺服務器，從數據庫中獲取相應的信息并向客戶端返回查詢結果。

通過碾壓圖形報告，管理人員可方便直觀地把握倉面整體碾壓質量[14-15]。圖7顯示了某倉面生成的3類圖形報告。碾壓軌跡圖形報告用于評價碾壓作業(yè)方向、行駛速度及激振狀態(tài)是否合格，超速碾壓和激振狀態(tài)不合格位置的軌跡會用高亮顏色顯示;碾壓遍數圖形報告用于評價整體碾壓遍數是否達標，并指示欠碾/漏碾位置;壓實厚度圖形報告則用于評價倉面壓實均勻性和壓實厚度是否合格。

3.2安全監(jiān)測分析與管理

圖8為安全監(jiān)測數字化系統(tǒng)界面。對于各類監(jiān)測儀器，由于其外形特征并非大壩安全監(jiān)測關注的重點，因此本研究采用不同形狀和顏色的三維形體來代表變位計、滲壓計及土壓力計等5類不同的監(jiān)測儀器。當某個儀器模型被點擊，該事件首先觸發(fā)獲取該模型對應的ID號碼，然后利用ID號從數據庫中檢索相應的出廠信息、埋設信息、監(jiān)測數據和統(tǒng)計信息，這些數據最后被推送到WEB端，在界面相應位置進行顯示，并利用HTML5 Canvas繪制監(jiān)測數據時程曲線。

3.3施工進度管理

在施工進度數字化系統(tǒng)中，計劃進度由開發(fā)人員在系統(tǒng)開發(fā)時預錄入，實際進度則隨施工進程推進由管理人員動態(tài)錄入。圖9顯示了截至2018年4月的施工進度對比分析。通過分析，可以看到下游堆石區(qū)趕在計劃進度之前超額完成了填筑任務，而主堆石區(qū)則出現了明顯的滯后。引起滯后的原因是壩踵凹槽處薄弱層較多，基坑開挖處理困難，導致填筑開始時間滯后，從而影響了后續(xù)填筑碾壓。目前，在建設單位緊密督促下，施工單位日夜奮戰(zhàn)，已完成基坑處理工作，并開始了大強度的填筑碾壓工作，計劃按期達到度汛高程。

3.4虛實場景輔助決策管理

夾巖數字大壩系統(tǒng)提供了包括三維虛擬模型和航拍實景等在內的工程場景可視化工具，以輔助管理人員用更直觀的方式進行決策分析，如圖10所示。樞紐布置數字化系統(tǒng)基于設計信息構建夾巖工程樞紐布置的三維虛擬場景，可用于輔助方案比選、會商研討、工程形象推廣等。工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時采集關鍵區(qū)域影像視頻，起到監(jiān)管督促作用，并可利用壩面填筑區(qū)域攝像頭輔助碾壓質量監(jiān)控。工程面貌航拍全景由系統(tǒng)維護人員定期（一周一次）于壩址和上游圍堰兩個點位采集制作，該系統(tǒng)用于管理人員整體把握施工全貌，并與施工進度數字化系統(tǒng)互為驗證，歷史上不同時期的航拍全景都會歸檔記錄，方便用戶隨時調取查看。

4結 語

針對夾巖面板堆石壩工程應用需求，筆者所在團隊開發(fā)了夾巖“數字大壩”系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于B/S模式的技術架構，動態(tài)采集大壩建設過程中的質量、安全、進度等信息，構建工程三維虛擬場景和無人機航拍全貌實景，并將工程建設信息、三維場景和航拍全景進行耦聯集成，實現了夾巖大壩建設多源信息的可視化、虛實化管理與數字化歸檔。自2018年3月正式投入運行以來，系統(tǒng)運作良好，在工程建設精細化管理中發(fā)揮了重要作用，為創(chuàng)新工程建設管理手段、打造優(yōu)質精品工程提供了強有力的技術保障。

通過高清視頻識別耦合三維模型，進而從一個整體畫面對工地現場進行調度指揮和應急處置，可進一步提高工程建設管理效率和水平，這將是進一步要做的研究工作。

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引用本文：楊文，劉東海，譚其志，馮友文.夾巖數字大壩系統(tǒng)在工程精細管理中的應用[J].人民長江，2019，50（2）：218-223.

Application of digital dam system in fine management of Jiayan Water Conservancy Project

YANG Wen?，LIU Donghai?2，TAN Qizhi?，FENG Youwen?3

（1.Guizhou Water Investment Group Co.， Ltd.， Guiyang 551700， China;2.State key Laboratory for Simulation and Safety of Hydraulic Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China;3.Sinohydro Bureau 12 Co.， Ltd.， Hangzhou 310000， China）

Abstract： There are massive dynamic and static information involved in the face rockfill dam construction of Jiayan Water Conservancy Project. How to comprehensively integrate these information and provide accurate information support for construction management and dam operation is an important technical problem to be solved in engineering construction. According to the characteristics and requirements of Jiayan Water Conservancy Project， a digital dam system was developed， which dynamically collected the information of quality， safety and progress in the construction. And then comprehensive dam information integration platform and 3D virtual dam model based on B/S model were built， which can dynamically couple engineering construction information， 3D scene and aerial photograph panorama of UAV， so the visualization-virtual management and numerical archiving of multi-source information in Jiayan dam construction were realized. All of these works provide information application and support platform for all parties involved in the construction to conduct fine management for the project and the health diagnosis after the dam operation. Thus， it provides strong technical guarantee for innovating the management means of engineering construction and creating high-quality projects.

Key words：face rockfill dam; digital dam; fine management; 3D visualization; Jiayan Water Conservancy Project