土石方調運動態平衡技術研究與應用

丁志軍，張俊陽，王 超，戴洪義，黃宏美

(1. 中國葛洲壩集團第二工程有限公司，四川 成都 610091； 2. 武漢英思工程科技股份有限公司，湖北 武漢 430000)

1 研究目標

1.1 需解決的問題

水利水電工程(含其他基建工程)中土石方的開挖、運輸、填筑是一種廣泛應用的施工項目。但由于開挖階段施工道路變化較快、施工分包單位參與較多、渣料的堆存地點規范性不強、土石方計量單位較多(有方、趟、噸、運距)等原因。土石方開挖計量與有用料存放復用的管理一直是工程信息化管理的薄弱環節。

施工現場的管理中，如何實現運輸數據自動采集、運輸過程監控、運輸物料判別、運輸過程可回溯、數據自動統計和容錯等，一直是管理中難題。依靠人工統計、罰款、建立各種繁瑣的規章制度與手段限制數量造假、運輸不規范等行為，一方面效率低下，一方面容易激發矛盾。現代物流業的發展，為上述施工現場的管理問題提供了信息化、高效的手段。本產品將建立一套科學化的管理手段，使施工現場內部物料運輸路徑可視化、運輸數據透明化、運輸過程可追溯化、物料庫存實時化，確保業務數據處理的及時性、準確性、一致性，支持工程土石方調配方案的落地實施，提升工程整體信息化管理水平。

本產品具體而言，需要解決以下業務管理問題：

1)以運單為基礎，實現各個工程作業面上開挖出渣的管理，可以統計每個作業面、每班、到各個棄(存)料場、或施工部位的運輸趟次或運渣重量；

2)以運單為基礎，實現現場各種料場的進出料登記與管理。可以統計分析每個料場、每班、每種材料的進料量與出料量。本處的料場至少包含：棄料場、存料場、砂石料場、上壩料等；

3)以RFID技術為基礎，實現運單數據自動采集與匯集。包括：運輸車輛識別，計數機器人、地磅稱重系統間的數據集成，為運單提供趟次、重量等業務數據，并提供圖片等佐證資料；

4)通過場地運輸道路的定義，可以計算場內各主要道路的運輸強度、車輛平均行駛速度、運輸循環耗時等功效類型的分析數據；

5)給所有的運輸車輛提供車輛運輸記錄，以保證基于運單結算數據的準確性與可追溯性；

6)利用BIM系統各工程PBS節點的開挖設計方量數據、運輸的趟次與運輸距離，將運單數據換算成施工合同中的結算單位。

1.2 行業現狀與分析

土石方調運動態平衡技術研究適用目標客戶和目標市場較為廣泛，目標客戶主要面向業主、施工單位。系統可用于水利水電[1]、房建、機場、新能源、礦產等一系列基建工程土石方、礦產資源等挖運管理；可用于土石方開挖、運輸進行磅房物資管理全過程把控(收料、發料和調撥等)；后期可結合混凝土生產過程要料、發料和運輸進行全過程實現信息化手段管理。

研究方案適用于封閉場地內部的物料運輸管理，運輸路線相對固定，運輸線路有較強的重復性的應用場景。對于長距離的、路線變化較大的運輸方式，需采用基于GPS定位等多種配套線路規劃方式進行，成本較高、人為可操作性因素較多。

目前產品市場主要依托于水利水電行業[1]，通過項目不斷對產品功能及業務進行完善，后期完全可進行機場建設、路橋、煤炭開采、礦石開采等行業進行部分技術研究完善和推廣應用。

2 核心技術研究與業務流程分析

2.1 核心組成部分

1)場內調運監控。利用道邊RFID識別機器人自動識別車輛經過信息，并利用算法歸集車輛的有效運輸路徑，形成車輛運單。

2)地磅房稱重系統。通過RFID識別車輛，觸發稱重、拍照，自動生成磅單。

3)統計分析系統。提供運單統計、磅單統計、料場庫存、基于GIS展示車輛實時和歷史軌跡監控等統計分析。核心組成部分見圖1。

圖1 核心組成部分圖

2.2 核心流程

核心流程見圖2。

圖2 核心流程圖

2.3 核心業務管理對象

系統核心管理對象為運輸道路、運輸車輛、倉儲場地、施工部位(料源地、用料點)等，通過地磅稱重、道邊RFID計數機器人和APP運單指派等方式生成施工現場數字化運輸單據的管理手段。

對業主方的應用需求：①通過系統掌握工程總體用料單的開采、儲存、消耗情況；②通過系統掌握主控材料的入場、倉儲、消耗情況；③系統的電子運單能夠作為業主對承包商、承包商之間相互結算的依據；④運輸數據了解現場的運輸資源配置情況、運輸強度等數據。

對施工方的應用需求：①通過系統掌握主控材料、有用料等關鍵資源的入場、倉儲、消耗情況；②系統的電子運單能夠作為業主對承包商、承包商之間、總承包商對協作隊之間、協作隊與司機間相互結算的依據；③運輸數據了解現場的運輸資源配置情況、運輸強度等數據；④運單及庫存數據可以作為承包商后期成本分析的數據來源。

2.4 核心業務流程圖

根據對管理對象的描述，系統將實現如下幾個部分業務的數據流圖：

1)開挖出渣運輸數據流，見圖3。

圖3 開挖出渣運輸數據流圖

2)場內調運(上壩料/砂石料)數據流，見圖4。

圖4 場內調運(上壩料/砂石料)圖數據流圖

3)車輛采集信息和運單對應數據流程，見圖5。車輛最新運單的初始登記時間與到達終點登記的時間形成的時間范圍，作為本車輛通過機器人采集信息推送的條件，形成車輛運輸的完整運單數據。

圖5 車輛采集信息和運單對應數據流程圖

4)地磅房物資驗收數據流，見圖6。

圖6 地磅房物資驗收數據流圖

3 土石方調運動態平衡技術研究在句容抽水蓄能電站的推廣應用

3.1 句容抽水蓄能電站工程概述

句容抽水蓄能電站由國家電網公司建設，項目建在句容市邊城鎮境內，依托侖山湖和附近山體，主要建設6臺22.5萬kW單級立軸可逆式水泵水輪發電機組，以及上下水庫、輸水系統、地下廠房等建筑物，總用地約394 hm2，總投資96億元。葛洲壩集團承建該電站上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和開關站、場內道路等施工內容，合同工期87個月。

句容抽水蓄能電站是葛洲壩集團目前國內在建的、規模最大的施工總承包項目，也是集團公司在抽水蓄能電站細分市場中首次全面承接主體工程的施工任務，工程的建設具有強烈的示范效應。幾年來隨著國家科技強國戰略的實施、工業4.0、物聯網、大數據、智慧工程、智慧城市等現代化管理概念蓬勃發展，也逐漸對水電工程傳統的管理方式、生產方式帶來觀念上的沖擊。作為句容工程的業主單位，國網新源一直非常重視數字工程、智慧工程的建設工作。近5年來，先后在豐滿、績溪、荒溝、沂蒙等一批投資建設的抽水蓄能電站中積極推進數字化的管理方式，取得了顯著的成績。因此，本項目工程的建設目標不僅是要按照合同工期，交付出高質量的工程產品，而且要在技術上、管理上取得創新突破，為集團公司在數字化管理、精細化管理、智能化控制上的提升提供積極、有益的實踐與探索，也為集團公司在國網新源市場的后期拓展打下堅實地基礎。

3.2 句容土石方調運動態平衡技術研究與應用的重要性

這個由中國能建葛洲壩集團承建的句容抽水蓄能電站工程，在抽水蓄能領域占三項世界第一，分別是世界第一高的抽水蓄能電站庫盆大壩、世界第一高的瀝青混凝土面板堆石壩以及世界第一大填筑規模的抽水蓄能電站[2-5]。

目前，全球最大蓄能電站是正在建設的河北豐寧抽水蓄能電站[1]，規劃裝機容量3 600 MW。但這個裝機容量是“句容站”3倍多的“世界老大”壩高120 m，填筑總方量448.8萬m3，分別是“句容站”的3/5和不足1/6。

根據設計方案，句容抽水蓄能電站建成后裝機容量為1 350 MW，樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和開關站等組成。上水庫主、副壩均采用瀝青混凝土面板堆石壩，正常蓄水位267 m，相應庫容1 702.7 m3。其中，壩頂高程272.4 m，主壩最大壩高182.3 m，壩頂長度810 m，上水庫主壩和庫盆填筑量近3 000萬m3。

該項目專家組還調閱了美國巴斯康蒂抽水蓄能電站、日本神流川水電工程等世界知名抽水蓄能水電站建筑資料，最終確認句容抽水蓄能水電站占據三個“世界第一”。

由此看來，解決大方量土石方開挖、調運、存儲和消耗是整個工程順利建成的重中之重，系統性開挖、調運、存儲和消耗，使整個大壩填筑施工順利開展，為專家團隊決策作下一步土石方調運與動態平衡分析提供強有力數據支撐。

3.3 土石方調運動態平衡技術研究在句容抽水蓄能電站應用產生的直接經濟效益

土石方調運動態平衡技術的研究在句容抽水蓄能電站推廣應用，采用智慧化手段、土石方設計等技術應用，加快了施工效率和調運管控效率，為工程整體節省工期30 d，每天僅按50萬成本計算，為整體工程直接節約成本近千萬元。

4 研究性總結

本文探討了基于物聯網技術、RFID自動識別技術、圖像識別抓拍技術、LED指引技術、大集成等關鍵性技術，全過程監控土石方挖填運調配中，挖方填方位置、車輛運輸道路、運輸趟次等關鍵參數，實現土石方自動計量統計功能，與土石方調配平衡功能。實現了全流程自動化、可視化和可追溯性，實現了土石方從開挖、運輸、庫存和消耗全流程自動化監控、統計和分析。大大提高了車輛通行效率，確保了人員的安全性，滿足了工程保質保量快速建設要求，為創優質工程提供強有力的數據支撐[2-5]。