淺談數(shù)字大崗山的建設(shè)與實(shí)踐

吳 楠

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

1 數(shù)字大壩理論概念

數(shù)字大壩集成涉及工程質(zhì)量、進(jìn)度、施工過程、安全監(jiān)測、工程地質(zhì)、設(shè)計(jì)資料等各方面數(shù)據(jù)、信息；涵蓋業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工等單位，同時(shí)集成計(jì)算機(jī)技術(shù)、管理科學(xué)、信息技術(shù)等，借助軟、硬件，實(shí)現(xiàn)了海量信息數(shù)據(jù)的管理；并協(xié)調(diào)各類信息內(nèi)部關(guān)系，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)、資源共享及綜合應(yīng)用的系統(tǒng)體系，為提升大壩建設(shè)管理水平提供了科學(xué)途徑。數(shù)字大壩可用如下表達(dá)式表述：數(shù)字大壩=互聯(lián)網(wǎng)+衛(wèi)星技術(shù)+當(dāng)代信息技術(shù)+先進(jìn)控制技術(shù)+現(xiàn)代壩工技術(shù)。[1]

2 數(shù)字大崗山的建設(shè)

2.1 大崗山工程的技術(shù)難點(diǎn)

大崗山水電站為一等大(Ⅰ)型工程。工程特點(diǎn)可簡要概括為“三高一大”，即高地震烈度(設(shè)計(jì)抗震基本烈度為8度，屬世界第一)、高拱壩(壩高210 m，大渡河流域唯一一座混凝土拱壩)、高邊坡(邊坡開挖高度達(dá)到500 m級(jí))、大型地下洞室群。工程建設(shè)過程中，拱壩抗震安全、混凝土溫控、復(fù)雜地層灌漿等技術(shù)問題十分突出。為了適應(yīng)大崗山水電站工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)大、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、進(jìn)度壓力大、投資風(fēng)險(xiǎn)高等的需要，就必須改變傳統(tǒng)的管理模式，采用技術(shù)先進(jìn)、管理高效、程序優(yōu)化的大數(shù)據(jù)智能化科學(xué)管理模式。

2.2 研究的總體構(gòu)架

大崗山工程數(shù)字化管理系統(tǒng)的定位為處于工程管理層和現(xiàn)場生產(chǎn)之間的執(zhí)行層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行與質(zhì)量監(jiān)控。建立在企業(yè)上層的項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)(如PMS)，強(qiáng)調(diào)的是面向宏觀目標(biāo)管理；建立在底層進(jìn)行生產(chǎn)控制的是以先進(jìn)控制、操作優(yōu)化為代表的過程控制技術(shù)(PCS)，強(qiáng)調(diào)的是通過控制優(yōu)化，減少人為因素的影響，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量與系統(tǒng)的運(yùn)行效率；中間建立面向生產(chǎn)過程控制的施工過程執(zhí)行系統(tǒng)(CES)，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃管理層和底層控制層之間的上傳下達(dá)、互聯(lián)互通。

系統(tǒng)在統(tǒng)一的分布式平臺(tái)上集成諸如生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、設(shè)備運(yùn)行分析、總體報(bào)表等管理功能，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接可以同時(shí)為工程業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位等提供現(xiàn)場管理信息服務(wù)。系統(tǒng)通過強(qiáng)調(diào)施工過程的綜合監(jiān)控與整體優(yōu)化來幫助實(shí)施完整的閉環(huán)生產(chǎn)，協(xié)助工程建立一體化和實(shí)時(shí)化的信息體系，全面保證工程建設(shè)的安全、進(jìn)度與質(zhì)量。根據(jù)大崗山工程的特點(diǎn)，數(shù)字化管理系統(tǒng)平臺(tái)分為4個(gè)層次，分別為：業(yè)務(wù)處理與數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)查詢與單據(jù)輸出層、綜合查詢與分析對(duì)比層、關(guān)鍵指標(biāo)評(píng)價(jià)與預(yù)報(bào)警層。其中，前兩個(gè)層屬于操作執(zhí)行層，可通過制定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范與方法，采用固定的流程組織業(yè)務(wù)工作，采集相關(guān)數(shù)據(jù)；后兩個(gè)層次為管理決策層，通過對(duì)現(xiàn)場采集的各類數(shù)據(jù)匯總、歸類，實(shí)現(xiàn)查詢分析、綜合關(guān)鍵指標(biāo)評(píng)價(jià)與預(yù)報(bào)警，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)操作執(zhí)行層的綜合反饋、實(shí)施控制與工作指導(dǎo)。

2.3 研究的主要內(nèi)容

經(jīng)過專題研究，匯集國內(nèi)相關(guān)科研院、所優(yōu)勢資源，建成了8大業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，詳見表1。

表1 大崗山數(shù)字化管理業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)及實(shí)施單位

2.3.1 溫控仿真分析系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用數(shù)字化方法， 提高數(shù)據(jù)采集的效率、及時(shí)性與準(zhǔn)確性，避免了傳統(tǒng)作業(yè)方式帶來的弊端，系統(tǒng)中應(yīng)用的數(shù)字溫度計(jì)+數(shù)字溫度采集器 +數(shù)字化溫控管理平臺(tái)的組合方案， 實(shí)現(xiàn)了大壩混凝土數(shù)字測溫。

溫控決策支持系統(tǒng)能夠記錄混凝土從生產(chǎn)、入倉、澆筑乃至后期養(yǎng)護(hù)全過程中的溫度數(shù)據(jù)，形成每一倉的溫度檢測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括出機(jī)口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、最高溫度、環(huán)境溫度等。統(tǒng)計(jì)每日監(jiān)測次數(shù)，平均溫度，最高、最低氣溫及最大溫差，并在圖表中繪制氣溫曲線，包括日平均溫度曲線和日最大溫差曲線。通過分析采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)混凝土齡期情況、內(nèi)部溫度變化情況、溫控措施實(shí)施情況、以及環(huán)境變化情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及快速分析，對(duì)超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)采取相應(yīng)預(yù)警提示及提出決策支持，指導(dǎo)施工進(jìn)行。

2.3.2 施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)

包括九大模塊，即施工參數(shù)模塊、仿真計(jì)算模塊、對(duì)比分析模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、實(shí)際進(jìn)度模塊、信息查詢模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊及幫助模塊。該系統(tǒng)支持壩體動(dòng)態(tài)分層分塊、大壩施工過程動(dòng)態(tài)跟蹤、實(shí)時(shí)仿真計(jì)算、施工進(jìn)度預(yù)測分析與預(yù)警、大壩澆筑進(jìn)度計(jì)劃制定等功能。結(jié)合本系統(tǒng)集成平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)提供大壩基礎(chǔ)定義及現(xiàn)場的實(shí)際施工進(jìn)度數(shù)據(jù)，并依此來綜合仿真分析大壩的施工進(jìn)度計(jì)劃(澆筑、接縫灌漿等)，提供并驗(yàn)證綜合施工計(jì)劃方案，指導(dǎo)長、中、短期的施工計(jì)劃制定。最終將大壩施工進(jìn)度仿真計(jì)劃在系統(tǒng)中予以發(fā)布，為工程管理決策以及施工提供有力支持。

2.3.3 灌漿實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

以計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為核心，將一個(gè)施工面的所有內(nèi)嵌無線通信模塊的灌漿記錄儀，通過無線網(wǎng)絡(luò)通信方式聯(lián)網(wǎng)組成。每臺(tái)灌漿記錄儀在完成灌漿數(shù)據(jù)顯示、記錄的同時(shí)，將所采集的數(shù)據(jù)以無線多跳路由的方式，實(shí)時(shí)傳輸給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器直接與灌漿管理系統(tǒng)的核心電腦連接，完成對(duì)現(xiàn)場施工所有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、記錄、查詢、曲線顯示分析、打印、防偽分析等功能。徹底改變了過去灌漿施工儀器設(shè)計(jì)面向施工方，施工點(diǎn)分散、孤立、難以全面實(shí)時(shí)監(jiān)控的局面；采用全新的面向業(yè)主和監(jiān)理的設(shè)計(jì)理念，大大強(qiáng)化了現(xiàn)場的施工管理和監(jiān)控的能力。通過設(shè)定灌漿量、抬動(dòng)、壓力預(yù)警值，實(shí)現(xiàn)異常情況的及時(shí)處置，保證了工程質(zhì)量。

2.3.4 纜機(jī)防撞預(yù)警系統(tǒng)

針對(duì)大崗山陰霧和夜間施工環(huán)境下大壩施工的混凝土料罐精確定位的問題，從施工環(huán)境復(fù)雜性和自然環(huán)境多霧性兩個(gè)角度出發(fā)，由武漢大學(xué)和武漢理工大學(xué)在纜機(jī)定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過軟件與硬件集成的手段，研制的一套全天候自動(dòng)測控運(yùn)行系統(tǒng)。

圖1 灌漿監(jiān)控系統(tǒng)組成

結(jié)合GPS實(shí)時(shí)獲取高精度位置信息的功能和GIS強(qiáng)大的空間分析功能，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行精心的技術(shù)設(shè)計(jì)，通過無線電波通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，建設(shè)一套連續(xù)、自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測,而且不受包括陰霧等自然環(huán)境因素影響的、全天候的面向大型纜機(jī)施工過程安全的GNSS/GIS集成的智能誘導(dǎo)系統(tǒng)，滿足連續(xù)工作和不受天氣影響的施工管理要求。

2.3.5 微震監(jiān)測系統(tǒng)

針對(duì)右岸邊坡卸荷裂隙加固處理，進(jìn)行了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值仿真方法的研究，提出了針對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的新型數(shù)值模擬方法—離心加載法，并研發(fā)了RFPA-centrifuge軟件系統(tǒng)；通過數(shù)值仿真試驗(yàn)，再現(xiàn)了巖質(zhì)邊坡漸進(jìn)破裂和滑坡過程，揭示了巖質(zhì)邊坡在開挖擾動(dòng)條件下的裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通過程和潛在滑面孕育過程中的微破裂前兆規(guī)律；基于能量耗散原理，提出了考慮微震損傷效應(yīng)的邊坡巖體劣化準(zhǔn)則，建立了基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋的微震損傷效應(yīng)邊坡穩(wěn)定性分析法，并開發(fā)了RFPA-MMS巖石邊坡微震損傷穩(wěn)定分析軟件系統(tǒng)。

電站蓄水過程中，受外部因素影響，蓄水時(shí)間推后，大壩施工形象與設(shè)計(jì)發(fā)生較大改變，大壩整體出現(xiàn)前傾變化趨勢，現(xiàn)有監(jiān)測手段難以反映壩踵的真實(shí)性態(tài)狀況，為此，首次利用微震監(jiān)測技術(shù)，開展了壩體及壩基在施工、蓄水、初期運(yùn)行過程中巖體及壩體微破裂變形監(jiān)測，開拓了微震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用新領(lǐng)域。

圖2 右岸變坡微震監(jiān)測事件

2.3.6 安全監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)對(duì)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了規(guī)范的綜合統(tǒng)計(jì)、分析和展示，以便相關(guān)工作人員從整體的角度對(duì)大壩工程施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行掌控與分析。采用表格、曲線圖等多種方式對(duì)安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行了個(gè)性化的展現(xiàn)，并對(duì)安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理后，在監(jiān)測結(jié)果查詢頁面中以成果曲線圖和統(tǒng)計(jì)報(bào)表的形式展現(xiàn)出來。通過成果曲線圖，我們可以掌握大壩施工過程中溫度、開合度、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、穩(wěn)定、滲流、滲壓、裂縫等監(jiān)測項(xiàng)目等監(jiān)測值的變化趨勢，能夠?qū)Π踩O(jiān)測信息進(jìn)行全面的查詢和展現(xiàn)。

2.3.7 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)布置總共11個(gè)點(diǎn)位：桃壩渣場下游省道與縣道交匯處、泄洪洞出口、大崗山隧道出口路邊、右壩肩下游、右壩肩上游、主廠房安裝間頂部、副廠房頂部、海流溝大壩沙石系統(tǒng)、觀景臺(tái)、左壩肩上游、左壩肩下游。各監(jiān)控點(diǎn)將監(jiān)控到的圖像信息通過光纖網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳入數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后，形成的圖像信息，可在辦公室內(nèi)安裝有客戶端的計(jì)算機(jī)上觀看。

2.3.8 三維模型及信息查詢系統(tǒng)

樞紐工程三維模型是實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化管理的基礎(chǔ)工作。三維模型不僅應(yīng)用于樞紐工程的可視化展現(xiàn)，也是樞紐工程建筑物特征的重要描述要素，可以用來定義樞紐工程建筑物的幾何特性，如：部位、坐標(biāo)、方量等信息，同時(shí)，作為建筑物信息模型(BIM)的基礎(chǔ)，用來定義并維護(hù)特征結(jié)構(gòu)、材料、施工工藝參數(shù)、約束條件等信息，為數(shù)字化管理提供準(zhǔn)確的邊界條件。同時(shí)，通過將施工過程數(shù)據(jù)與三維模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的工程數(shù)字化管理和展現(xiàn)。

3 取得的成效

3.1 工程安全管理

通過纜機(jī)防碰撞系統(tǒng)應(yīng)用，施工過程預(yù)警提示3000余次，實(shí)現(xiàn)緊急避險(xiǎn)5次，保證了項(xiàng)目安全生產(chǎn)。

3.2 大壩施工質(zhì)量管理

通過“數(shù)字大崗山系統(tǒng)”有效實(shí)施，采集近45萬罐混凝土實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，監(jiān)控450余萬條大壩混凝土關(guān)鍵溫控?cái)?shù)據(jù)，使混凝土雙曲拱壩澆筑溫度合格率和混凝土峰值溫度合格率從前期的不足80%提升到96.3%，大壩未出現(xiàn)一條危害性裂縫。

3.3 大壩施工進(jìn)度管理

借助大崗山大壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)，科學(xué)調(diào)配各類資源，精心組織施工，使大壩實(shí)際施工進(jìn)度執(zhí)行率從82%提高至98.7%；通過拌和樓監(jiān)控平臺(tái)、纜機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和防碰撞系統(tǒng)聯(lián)合作用，混凝土施工工效整體提高7%，大壩總進(jìn)度提前2個(gè)月。

3.4 投資控制管理

通過數(shù)字化應(yīng)用取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。通過數(shù)字化智能管理技術(shù)研究，取得直接經(jīng)濟(jì)效益8000萬元，間接效益2億元。

4 結(jié) 語

大渡河公司先后在瀑布溝、深溪溝、大崗山、枕頭壩一級(jí)、猴子巖等水電工程中大力推進(jìn)工程建設(shè)信息化的同時(shí)，進(jìn)行了大量的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和規(guī)范化管理工作，并逐步建成了全面感知和數(shù)字處理的管控系統(tǒng)，進(jìn)行了以數(shù)字化建設(shè)為主要特點(diǎn)的智慧工程先期探索，積累了智慧工程建設(shè)的初步經(jīng)驗(yàn)。

在大崗山水電站，大渡河公司聯(lián)合多家科研單位提出了“數(shù)字大崗山”建設(shè)規(guī)劃，通過對(duì)大壩澆筑、溫度控制、基礎(chǔ)處理、纜機(jī)運(yùn)行等施工過程的信息化、數(shù)字化管控，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)專業(yè)工程的全面數(shù)字管理，保障了工程安全和質(zhì)量。