數(shù)字烏東德
——基于三維可視化的工程協(xié)同管理探索

姜 亞 洲, 王 義 鋒, 姚 勛， 劉 元 達(dá)

(中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司烏東德籌備組，四川 成都 610041)

1 概 述

烏東德水電站位于金沙江下游河段，裝機(jī)容量10 200 MW，壩高265 m，如此大規(guī)模電站的建設(shè)對(duì)各種數(shù)據(jù)資料的高效管理提出了迫切需求。當(dāng)前信息技術(shù)的高速發(fā)展，為完整、高效地采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析、控制各種數(shù)據(jù)信息創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。采用現(xiàn)代信息化手段尤其是三維數(shù)字化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)提升水電工程建設(shè)管理與安全具有重要意義。然而，目前整個(gè)水電數(shù)字化建設(shè)工作中，從被動(dòng)“展示”走向主動(dòng)“管理”的成功項(xiàng)目尚不多見。

為進(jìn)一步提高烏東德水電站“質(zhì)量、安全、進(jìn)度、環(huán)保、投資”五要素的綜合控制水平，提升工程建設(shè)及運(yùn)行的管理能力和安全水平，烏東德籌備組基于三維數(shù)字化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，啟動(dòng)了“數(shù)字烏東德”項(xiàng)目整體規(guī)劃，通過委托專業(yè)開發(fā)公司與科研單位，其一期探索項(xiàng)目“數(shù)字導(dǎo)流洞”系統(tǒng)經(jīng)過半年的試運(yùn)行已經(jīng)正式上線并在施工區(qū)推廣應(yīng)用，為烏東德水電站導(dǎo)流洞工程建設(shè)的協(xié)同作業(yè)與現(xiàn)代管理提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。

2 “數(shù)字烏東德”的實(shí)施規(guī)劃與技術(shù)路徑

2.1 建設(shè)目標(biāo)

建立一個(gè)以地理信息系統(tǒng)(GIS)為基礎(chǔ)的數(shù)字開放平臺(tái)，在其上構(gòu)建三維幾何模型，在幾何模型上按工程項(xiàng)目劃分通過平臺(tái)接口加載各專業(yè)管理系統(tǒng)，包括集團(tuán)公司已有優(yōu)秀管理系統(tǒng)和工程建設(shè)中新提出的專業(yè)應(yīng)用需求，除技術(shù)數(shù)據(jù)后臺(tái)維護(hù)部分以外，要求各系統(tǒng)前端界面支持網(wǎng)頁(yè)瀏覽，特殊功能通過添加插件方式解決。即：建設(shè)三個(gè)“一”，分別是：

一個(gè)數(shù)字地球儀；

一套專業(yè)管理系統(tǒng)；

一個(gè)優(yōu)秀查看方式。

其中數(shù)字地球由三維地形、三維地質(zhì)模型以及三維結(jié)構(gòu)模型無縫疊加而成；一套專業(yè)管理系統(tǒng)指的是工程建設(shè)管理過程中各項(xiàng)管理業(yè)務(wù)工作機(jī)制的現(xiàn)代化技術(shù)協(xié)同應(yīng)用與集成；一個(gè)優(yōu)秀的查看方式應(yīng)包括充分利用現(xiàn)代智能便攜設(shè)備，實(shí)時(shí)、全面、具體地查看所需信息。圖1顯示了數(shù)字烏東德的整體框架。

圖1 數(shù)字烏東德整體框架圖

2.2 技術(shù)路徑

2.2.1 三維可視化——數(shù)字地球儀

三維數(shù)字地球由三維地形、三維地質(zhì)模型以及三維結(jié)構(gòu)模型無縫疊加而成，其中：

(1)三維地形地貌

三維地形地貌主要利用衛(wèi)片、航片及各種GIS技術(shù)等獲得數(shù)字正射影像圖DO M(圖2)及數(shù)字高程模型DE M(圖3)，通過疊加二者以達(dá)到三維地形地貌(圖4)，圖2為三峽壩區(qū)數(shù)字正射影像圖，圖3為三峽壩區(qū)數(shù)字高程模型，圖4為二者疊加效果。

圖2 三峽壩區(qū)數(shù)字正射影像圖

圖3 三峽壩區(qū)數(shù)字高程模型圖

圖4 疊加后的三峽庫(kù)區(qū)三維地形地貌圖

(2)三維地質(zhì)模型與三維結(jié)構(gòu)模型

通過采集地勘數(shù)據(jù)(圖5)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息，利用三維建模軟件(如Gocad、CA TIA、Ske tch Up等)即可構(gòu)建三維地質(zhì)數(shù)字模型(圖6)或三維結(jié)構(gòu)模型(圖7)。其中，借助專業(yè)的三維建模軟件，結(jié)構(gòu)尺寸可以通過修改參數(shù)實(shí)時(shí)更新。

圖5 地勘成果圖

圖6 三維地質(zhì)數(shù)字模型圖

(3)無縫集成

在三維數(shù)字地球上加載三維地形、三維地質(zhì)模型以及三維結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)無縫集成(圖8)，作為專業(yè)管理系統(tǒng)的載體。

3 基于三維可視化的工程協(xié)同管理創(chuàng)新探索

“數(shù)字烏東德”的探索項(xiàng)目“數(shù)字導(dǎo)流洞”系統(tǒng)已經(jīng)正式啟動(dòng)應(yīng)用并在施工區(qū)推廣。該系統(tǒng)開發(fā)了進(jìn)度模塊、安全監(jiān)測(cè)與反饋分析模塊。其中進(jìn)度模塊主要實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)流洞工程施工進(jìn)度三維動(dòng)態(tài)建設(shè)功能；安全監(jiān)測(cè)與反饋分析模塊實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、仿真分析與指導(dǎo)施工等主要功能。通過智能便攜設(shè)備的客戶端或?yàn)g覽器即可進(jìn)行施工區(qū)“現(xiàn)場(chǎng)辦公”，全面了解導(dǎo)流洞施工信息，及時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案或施工組織。

圖7 三峽大壩三維結(jié)構(gòu)模型(導(dǎo)入Google ear th)圖

圖8 吉奧GeoGlobe圖

3.1 進(jìn)度模塊——基于三維可視化的動(dòng)態(tài)協(xié)同作業(yè)平臺(tái)

常規(guī)工作中通常采用PP T與word文件匯報(bào)，主要通過數(shù)據(jù)、表格、圖片形式表達(dá)實(shí)際情況與解決措施，需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能從長(zhǎng)篇累牘中了解狀況，不能在短時(shí)間內(nèi)形象生動(dòng)地建立感性認(rèn)識(shí)，存在近期工作與累計(jì)工作對(duì)比不夠鮮明、討論內(nèi)容引起偏差等問題，降低了會(huì)議效率。為解決這些問題，“數(shù)字導(dǎo)流洞”系統(tǒng)開發(fā)了三維動(dòng)態(tài)展示、分析功能，通過各施工單位及時(shí)錄入施工計(jì)劃、進(jìn)度數(shù)據(jù)，建立導(dǎo)流洞工程施工三維動(dòng)態(tài)變化模型，及時(shí)顯示導(dǎo)流洞開挖、支護(hù)以及襯砌施工進(jìn)度形象與施工環(huán)境，效果生動(dòng)、形象。其具有以下特點(diǎn)：

(1)了解烏東德導(dǎo)流洞工程建設(shè)過程花費(fèi)時(shí)間大大減少，工作效率的提高就像從讀“劇本”思索耗時(shí)走向觀“電影”輕松一樣，減少了會(huì)議時(shí)間；

(2)通過對(duì)比實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃的差別，分析存在的實(shí)際問題，合理調(diào)整資源分配或更改計(jì)劃，爭(zhēng)取如期實(shí)現(xiàn)階段進(jìn)度目標(biāo)或減少工作超壓。圖9顯示了烏東德水電站右岸導(dǎo)流洞上游洞段開挖形象圖。

圖9 右岸導(dǎo)流洞上游洞段開挖示意圖

3.2 安全監(jiān)測(cè)與反饋分析模塊——基于三維可視化的協(xié)同管理

為及時(shí)了解導(dǎo)流洞開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性，導(dǎo)流洞通常布設(shè)永久安全監(jiān)測(cè)斷面和施工臨時(shí)安全監(jiān)測(cè)斷面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡查，發(fā)現(xiàn)圍巖變形后及時(shí)處理。但不能解決下層開挖圍巖變形預(yù)測(cè)問題，特別是當(dāng)開挖過程中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況惡化時(shí)，不能快速預(yù)測(cè)下一層開挖后的圍巖變形。為此，安全監(jiān)測(cè)與反饋分析模塊結(jié)合上層開挖安全監(jiān)測(cè)資料，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演分析圍巖力學(xué)參數(shù)，再利用反分析處的圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，預(yù)測(cè)下一層開挖可能引起的圍巖變形，并根據(jù)圍巖類別，建立圍巖變形預(yù)警閾值，一旦圍巖變形達(dá)到閾值，數(shù)字導(dǎo)流洞系統(tǒng)將通過系統(tǒng)消息、郵件或手機(jī)信息(此二項(xiàng)尚待開發(fā))等方式直接通知用戶，并在三維模型標(biāo)出發(fā)生位置，在變形時(shí)程曲線中采用預(yù)警黃線給出危險(xiǎn)程度。

通過安全監(jiān)測(cè)與反饋分析模塊，給出了整個(gè)導(dǎo)流洞工程的三維結(jié)構(gòu)模型，并在其上標(biāo)出安全監(jiān)測(cè)斷面位置，點(diǎn)擊后跳出安全監(jiān)測(cè)斷面儀器埋設(shè)位置及示意圖(圖10)，點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)儀器后調(diào)出變形時(shí)程曲線，如果發(fā)現(xiàn)異常，可通過鏈接，調(diào)出開挖程序、施工環(huán)境或仿真計(jì)算成果(圖11)，綜合分析圍巖變形異常情況，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急管理機(jī)制并調(diào)查圍巖變形異常原因。例如右岸3號(hào)導(dǎo)流洞K0+260安全監(jiān)測(cè)斷面左側(cè)拱肩多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突然增加，通過點(diǎn)擊系統(tǒng)消息，即可在三維模型中定位該監(jiān)測(cè)斷面與儀器(圖10)，通過點(diǎn)擊儀器，即可調(diào)查變形時(shí)程曲線、周邊環(huán)境及開挖方案(圖11)，在較短的時(shí)間內(nèi)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，為正確決策分析提供及時(shí)、全面的資料。

3.3 智能便攜設(shè)備

圖10 3#導(dǎo)流洞K0+260安全監(jiān)測(cè)斷面圖

圖11 3#導(dǎo)流洞K0+260安全監(jiān)測(cè)斷面變形時(shí)程曲線與施工環(huán)境圖

通過智能便攜設(shè)備的客戶端或?yàn)g覽器，加載“數(shù)字導(dǎo)流洞”系統(tǒng)即可進(jìn)行施工區(qū)“現(xiàn)場(chǎng)辦公”，對(duì)著空間某一位置，即可了解未來施工完畢這一

位置的形象面貌、施工方案以及可能的圍巖變形情況，并根據(jù)這些信息合理調(diào)度資源，及時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案或施工組織。圖12為基于IPAD的“數(shù)字導(dǎo)流洞”系統(tǒng)(尚待完善)。

4 結(jié)論與建議

(1)數(shù)字化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)三維可視化動(dòng)態(tài)變化過程，可以通過分析實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃之

間的差別，合理調(diào)整資源分配或更改計(jì)劃，爭(zhēng)取如期實(shí)現(xiàn)階段進(jìn)度目標(biāo)或減少工作超壓，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

(2)安全監(jiān)測(cè)與仿真計(jì)算，可以預(yù)測(cè)導(dǎo)流洞開挖圍巖變形，并通過設(shè)置閾值，及時(shí)預(yù)警，及時(shí)治理，確保工程建設(shè)的質(zhì)量與安全。

(3)目前數(shù)字烏東德的建設(shè)工作尚處于初期探索階段。然而，已有的數(shù)字化工作已經(jīng)顯示了巨大的潛在生產(chǎn)力，建議進(jìn)一步利用信息化、數(shù)字化技術(shù)，提高工程建設(shè)數(shù)字化協(xié)同作業(yè)水平，提升工程建設(shè)管理水平與安全系數(shù)，進(jìn)一步解放生產(chǎn)力。