數(shù)字孿生東莊水利樞紐智能建造管控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

摘" 要：東莊水利樞紐工程是大體積混凝土雙曲拱壩，在建設(shè)過程中，時(shí)刻面臨著混凝土溫度裂縫、灌漿壓力、平倉振搗質(zhì)量等諸多問題。為滿足智能建造需求，以微服務(wù)為技術(shù)架構(gòu)，集成混凝土施工智能溫控、混凝土平倉振搗監(jiān)控、混凝土生產(chǎn)過程監(jiān)控、數(shù)字孿生等技術(shù)，通過匯集和處理現(xiàn)地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，構(gòu)建了基于BIM+GIS的數(shù)字孿生東莊水利樞紐智能建造管控系統(tǒng)，為工程建設(shè)有效地提供了決策支持和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：水利工程；混凝土；智能建造；數(shù)字孿生

中圖分類號(hào)：TP273；TP242" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2025）04-0133-06

Research and Application of Intelligent Construction Control System for Digital Twin Dongzhuang Water Conservancy Hub

CHEN Jianchang， TIAN Yongsheng

（Yunhe （Henan） Information Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou" 450003， China）

Abstract： The Dongzhuang water conservancy hub project is a mass concrete hyperbolic arch dam， which constantly faces many problems such as concrete temperature cracks， grouting pressure， and quality of leveling and vibration during the construction process. To meet the requirements of intelligent construction， the intelligent construction control system for Digital Twin Dongzhuang Water Conservancy Hub based on BIM+GIS is constructed by collecting and processing on-site monitoring data， which adopts microservice as the technical architecture and integrates the technologies including intelligent temperature control for concrete construction， monitoring of concrete leveling and vibration， monitoring of concrete production processes， Digital Twin and so on. It effectively provides decision support and remote monitoring for project construction.

Keywords： water conservancy project; concrete; intelligent construction; Digital Twin

0" 引" 言

東莊水利樞紐工程屬于混凝土雙曲拱壩，為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在建設(shè)過程中，面臨著溫度裂縫、灌漿壓力、平倉振搗質(zhì)量等嚴(yán)峻問題挑戰(zhàn)[1-3]。隨著溪洛渡，白鶴灘等特高拱壩的建設(shè)成功，數(shù)字化、智能化的建設(shè)管控手段[4-5]，以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等先進(jìn)技術(shù)[6]在智能建造領(lǐng)域運(yùn)用也越來越深入，對水利樞紐的建造起到了很大的支撐作用。

近年來，水利部先后出臺(tái)《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》等系列文件，為水利工程數(shù)字孿生建設(shè)確立了方向并提出了技術(shù)要求。通過將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在水利樞紐智能建造領(lǐng)域，對進(jìn)一步提高智能建造的模擬仿真水平，實(shí)現(xiàn)水利樞紐的高效、穩(wěn)定、高質(zhì)量建設(shè)具有重要意義。

本文研究的數(shù)字孿生東莊水利樞紐智能建造管控系統(tǒng)，基于BIM+GIS數(shù)字孿生平臺(tái)，將智能建造關(guān)鍵技術(shù)與大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、數(shù)字孿生、IoT等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)東莊水利樞紐工程建設(shè)過程中“全面感知、可靠傳遞、智能處理、高效協(xié)同、便捷應(yīng)用”的工程信息化目標(biāo)，充分發(fā)揮工程建設(shè)效益。

1" 智能建造管控系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字孿生水利樞紐智能建造管控系統(tǒng)采用五層體系框架，即數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)設(shè)施層、孿生支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和綜合展示層，以及網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系等組成，如圖1所示。

1.1" 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集主要是大壩澆筑智能溫控、平倉振搗智能監(jiān)控、混凝土生產(chǎn)過程監(jiān)控、混凝土運(yùn)輸過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。通過埋設(shè)各類傳感和控制儀器，實(shí)現(xiàn)混凝土溫度、冷卻通水、混凝土生產(chǎn)、混凝土運(yùn)輸?shù)刃畔⒌膶?shí)時(shí)自動(dòng)采集和傳輸。信息采集是整個(gè)施工智能監(jiān)控的基礎(chǔ)，是東莊水利樞紐工程施工智能監(jiān)控的“眼睛”，關(guān)乎整個(gè)施工監(jiān)控系統(tǒng)的成效。

1.2" 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是整個(gè)系統(tǒng)的底層物理基礎(chǔ)，是其他各層的依托，主要包括計(jì)算、存儲(chǔ)、機(jī)房、大屏監(jiān)控等實(shí)體環(huán)境和有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、北斗通信、物聯(lián)網(wǎng)等通信環(huán)境。

1.3" 孿生支撐層

孿生支撐層主要包括數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)和大數(shù)據(jù)中心。數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)和大數(shù)據(jù)中心是整個(gè)信息化系統(tǒng)的核心中間層，是構(gòu)建連接基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，是以應(yīng)用服務(wù)器、中間件技術(shù)為核心的基礎(chǔ)軟件技術(shù)支撐平臺(tái)。

數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)由BIM平臺(tái)、GIS平臺(tái)、BIM+GIS孿生基礎(chǔ)平臺(tái)、公共服務(wù)、分布式組件等組成。通過工程全量多維建模，構(gòu)筑工程BIM模型數(shù)據(jù)，融合庫區(qū)及流域地理空間數(shù)據(jù)，形成多維多尺度時(shí)空數(shù)據(jù)底板，并對外提供調(diào)用接口服務(wù)，如圖2所示。

大數(shù)據(jù)中心對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等進(jìn)行集中存儲(chǔ)、規(guī)范管理，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行交換共享與數(shù)據(jù)分析，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供完善的數(shù)據(jù)資源支撐。

1.4" 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層聚焦工程施工智能管控、智慧工地、工程建設(shè)管理、數(shù)字孿生基礎(chǔ)應(yīng)用、工程數(shù)字門戶、協(xié)同辦公系統(tǒng)等是東莊水利樞紐工程建設(shè)過程中的核心業(yè)務(wù)需求，用于實(shí)現(xiàn)工程信息化的核心業(yè)務(wù)邏輯，是水利工程智慧化的直接體現(xiàn)和應(yīng)用。

1.5" 綜合展示層

綜合展示層以東莊水利樞紐工程區(qū)域基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)和BIM模型為載體，集成工程的基本屬性、澆筑監(jiān)測監(jiān)控信息、建設(shè)管理信息等數(shù)據(jù)，運(yùn)用BIM、GIS、VR等展示技術(shù)，通過Web、移動(dòng)、大屏等終端進(jìn)行顯示，為用戶提供管理和決策環(huán)境，打造用戶與系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)時(shí)交互的窗口。

2" 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

東莊水利樞紐智能建造管控的業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用B/S模式建設(shè)，分為工程監(jiān)管數(shù)字門戶、大壩澆筑智能溫控應(yīng)用平臺(tái)、數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)、樞紐工程施工智能管控、水墊塘二道壩施工管控、引水發(fā)電系統(tǒng)施工管控、平倉振搗智能監(jiān)控、混凝土生產(chǎn)過程監(jiān)控等子系統(tǒng)。鑒于子系統(tǒng)數(shù)量較多，且業(yè)務(wù)邊界明顯，為了降低各子系統(tǒng)之間的耦合度，提高服務(wù)的獨(dú)立性，便于后期維護(hù)和拓展，采用Spring Cloud微服務(wù)架構(gòu)[7]進(jìn)行建設(shè)，如圖3所示。

3" 系統(tǒng)功能組成

3.1" 工程監(jiān)管數(shù)字門戶

工程監(jiān)管數(shù)字門戶是應(yīng)用服務(wù)的集中管控平臺(tái)，匯聚整合大壩澆筑智能溫控應(yīng)用平臺(tái)、數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)、樞紐工程施工智能管控、水墊塘二道壩施工管控、引水發(fā)電系統(tǒng)施工管控、平倉振搗智能監(jiān)控、混凝土生產(chǎn)過程監(jiān)控等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶統(tǒng)一管理、角色集中授權(quán)、權(quán)限統(tǒng)一認(rèn)證、系統(tǒng)單點(diǎn)登錄、建設(shè)內(nèi)容管理和展示的功能，如圖4所示。

3.2" 數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)

基于WebGL技術(shù)和B/S架構(gòu)，將BIM與GIS集成進(jìn)行場景的深度搭建，包括BIM模型與DEM/DOM、傾斜攝影的融合、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等，打通數(shù)據(jù)接口、模型接口、場景接口等，構(gòu)建具備以地理信息為支撐、工程全景建模疊加、數(shù)據(jù)孿生智能服務(wù)功能的BIM+GIS數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)，全面支撐工程建設(shè)智能管控的三維可視化功能的實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)支持大壩相關(guān)BIM模型、庫區(qū)地形地貌三維模型、GIS數(shù)據(jù)模型的管理、融合、注冊、發(fā)布，對外提供服務(wù)接口，為工程建設(shè)智能管控三維可視化仿真展示提供輕量化模型服務(wù)支撐，如圖5所示。

3.3" 大壩澆筑智能溫控應(yīng)用平臺(tái)

大體積混凝土水利工程施工智能溫控以混凝土防裂為根本目的，運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)、GPS技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息挖掘技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)與通水冷卻溫控措施相結(jié)合，形成一套針對施工現(xiàn)場的大體積混凝土防裂動(dòng)態(tài)智能溫控應(yīng)用平臺(tái)。

大壩澆筑智能溫控應(yīng)用平臺(tái)[8-9]以溫控設(shè)備采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托溫升預(yù)測預(yù)報(bào)模型、理論溫控曲線模型、智能通水控制模型、溫控效果評(píng)價(jià)在線模型、智能保溫在線模型進(jìn)行在線數(shù)據(jù)分析，同時(shí)結(jié)合人工智能算法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)和自修正，并預(yù)測未來數(shù)值的變化。該平臺(tái)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以模型為核心，實(shí)現(xiàn)了溫控信息采集傳輸、溫控信息管理評(píng)價(jià)、開裂風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警、智能通水、智能保溫決策支持、溫控信息智能發(fā)布與干預(yù)等功能。

3.4" 樞紐工程施工智能管控

樞紐工程施工智能管控系統(tǒng)基于大壩混凝土溫度、大壩碾壓、大壩壩基灌漿等建設(shè)全過程自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了施工過程的智能化預(yù)警與控制。分設(shè)工程灌漿智能監(jiān)控、大壩混凝土澆筑施工監(jiān)控、大壩混凝土智能溫控和大壩施工綜合監(jiān)控子模塊，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)中心將動(dòng)態(tài)采集的大壩智能灌漿、大壩澆筑監(jiān)控、大壩智能溫控、過程控制、質(zhì)量驗(yàn)評(píng)等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理。同時(shí)結(jié)合數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)提供的BIM+GIS場景服務(wù)，實(shí)現(xiàn)樞紐工程施工過程數(shù)據(jù)與場景的交互功能，如圖6所示。

3.5" 水墊塘二道壩施工管控

水墊塘二道壩施工管控系統(tǒng)基于數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)服務(wù)，以水墊塘二道壩BIM模型為載體，通過讀取數(shù)據(jù)中心施工實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水墊塘二道壩基礎(chǔ)開挖、混凝土澆筑及施工進(jìn)度質(zhì)量的全流程監(jiān)測預(yù)警和智能化管控功能，為大壩工程的單元工程、分部工程、單位工程驗(yàn)收評(píng)定和竣工驗(yàn)收、安全鑒定及后續(xù)驗(yàn)收、運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、自動(dòng)化、高精度等特點(diǎn)的水墊塘二道壩施工管控系統(tǒng)。

3.6" 引水發(fā)電系統(tǒng)施工管控

引水發(fā)電系統(tǒng)施工管控系統(tǒng)基于數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)服務(wù)，以引水發(fā)電BIM模型為載體，通過數(shù)據(jù)中心讀取爆破環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、施工各類檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)施設(shè)備安裝調(diào)試檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，和多要素分析評(píng)價(jià)專業(yè)模型，對引水發(fā)電系統(tǒng)施工過程中的質(zhì)量、進(jìn)度進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)電站地下硐室開挖爆破、混凝土基礎(chǔ)澆筑、預(yù)埋件安裝等施工進(jìn)度質(zhì)量的全流程監(jiān)測預(yù)警和智能化管控功能。

3.7" 平倉振搗智能監(jiān)控

混凝土平倉振搗監(jiān)控[10]基于高精度GNSS、UWB、姿態(tài)傳感器及測距傳感等功能，實(shí)現(xiàn)平倉振搗作業(yè)過程參數(shù)實(shí)時(shí)感知；以現(xiàn)場構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，并基于工區(qū)有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳；通過構(gòu)建智能分析數(shù)據(jù)庫與模型庫，實(shí)現(xiàn)平倉過程智能監(jiān)控、振搗過程智能監(jiān)控及平倉-振搗協(xié)同分析。

平倉振搗智能監(jiān)控系統(tǒng)主要功能包括施工機(jī)械派遣、施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警、圖形報(bào)告生產(chǎn)等功能。施工機(jī)械派遣是根據(jù)現(xiàn)場施工情況，由監(jiān)控人員及時(shí)進(jìn)行平倉機(jī)、振搗機(jī)及人工振搗棒的設(shè)備派遣，通過機(jī)械派遣可以使得相對應(yīng)機(jī)械數(shù)據(jù)在倉面的實(shí)時(shí)展現(xiàn)。施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警主要是基于圖像算法，以BIM輕量化模型得到的倉面坐標(biāo)為底圖，將平倉過程、振搗過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在倉面內(nèi)實(shí)時(shí)繪制，并通過平倉-振搗過程分析，實(shí)現(xiàn)施工效率分析與反饋，如圖7所示。圖像報(bào)告生產(chǎn)是基于監(jiān)控成果，以倉面坐標(biāo)作為底圖進(jìn)行相關(guān)厚度、覆蓋率及振搗參數(shù)圖像報(bào)告繪制，可為后續(xù)倉面驗(yàn)收提供參考。

3.8" 混凝土生產(chǎn)過程監(jiān)控

采取GNSS定位、傳感器、UWB、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)對拌合樓生產(chǎn)、運(yùn)輸車、纜機(jī)時(shí)空位置及作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，并將數(shù)據(jù)通過無線和有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

混凝土生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)通過讀取數(shù)據(jù)中心混凝土拌合樓生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)拌和過程每一盤混凝土偏差狀態(tài)的智能分析，并針對超出偏差閾值的狀態(tài)進(jìn)行智能反饋預(yù)警；系統(tǒng)通過讀取數(shù)據(jù)中心運(yùn)輸車、纜機(jī)時(shí)空位置及作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，并運(yùn)用空間匹配方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車與纜機(jī)的時(shí)空匹配分析，同時(shí)基于BIM+GIS場景實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車輛與纜機(jī)時(shí)空狀態(tài)的智能可視化分析與反饋。

4" 結(jié)" 論

在數(shù)字孿生智能建造管控系統(tǒng)的支撐下，有效保障了東莊水利樞紐建設(shè)的順利進(jìn)行。目前東莊水利樞紐已完成澆筑371倉，澆筑高度達(dá)728 m，澆筑方量達(dá)107萬立方米。本系統(tǒng)主要特點(diǎn)包含如下幾個(gè)方面：一是本系統(tǒng)緊密結(jié)合混凝土大壩建造過程中混凝土溫控、振搗、澆筑、生產(chǎn)、運(yùn)輸全過程的大壩澆筑智能監(jiān)控體系；二是本系統(tǒng)構(gòu)建了BIM+GIS數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)，建立覆蓋大壩、二道壩、引水發(fā)電系統(tǒng)的全量模型并支持智能建造的業(yè)務(wù)應(yīng)用；三是本系統(tǒng)圍繞工程實(shí)體建設(shè)過程，通過匯集和處理現(xiàn)地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，基于微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了決策支持和遠(yuǎn)程監(jiān)控為一體的智能建造管控系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了東莊水利樞紐工程“全面感知、可靠傳遞、智能處理、高效協(xié)同、便捷應(yīng)用”的工程信息化目標(biāo)，充分發(fā)揮了工程建設(shè)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張慶龍，馬睿，胡昱，等.大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力智能控制理論 [J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2021，40（5）：11-21.

[2] 樊啟祥，黃燦新，蔣小春，等.水電工程水泥灌漿智能控制方法與系統(tǒng) [J].水利學(xué)報(bào)，2019，50（2）：165-174.

[3] 楊寧，李靜，周紹武，等.高拱壩混凝土振搗智能控制技術(shù)研究與應(yīng)用 [J].中國農(nóng)村水利水電，2018（8）：176-178+185.

[4] 譚堯升，樊啟祥，汪志林，等.白鶴灘特高拱壩智能建造技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐 [J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2021，61（7）：694-704.

[5] 徐建軍，徐建榮.白鶴灘水電站特高拱壩技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐 [J].水電能源科學(xué)，2024，42（11）：1-6.

[6] 張鐘壬，馬睿，胡昱，等.大壩智能建造智能化程度評(píng)價(jià)方法探討 [J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2023，42（12）：108-118.

[7] 葛萌，李闖男，歐陽宏基，等.基于Spring Cloud 的微服務(wù)架構(gòu)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn) [J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（19）：23-26.

[8] 劉毅，辛建達(dá)，張國新，等.大體積混凝土溫控防裂智能監(jiān)控技術(shù) [J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2023，51（5）：1228-1233.

[9] 林鵬，李慶斌，周紹武，等.大體積混凝土通水冷卻智能溫度控制方法與系統(tǒng) [J].水利學(xué)報(bào)，2013，44（8）：950-957.

[10] 鐘桂良，尹習(xí)雙，劉金飛，等.大壩混凝土施工全過程智能監(jiān)控系統(tǒng)研究 [C]//創(chuàng)新時(shí)代的水庫大壩安全和生態(tài)保護(hù)——中國大壩工程學(xué)會(huì)2017學(xué)術(shù)年會(huì).長沙：黃河水利出版社，2017：431-438.

作者簡介：陳見長（1992—），男，漢族，河南鄭州人，工程師，碩士研究生，研究方向：水利信息化。

收稿日期：2024-09-05