關(guān)于水利水電工程施工智慧化管理系統(tǒng)功能的探討

陳 平，馮 笑

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司， 浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，移動技術(shù)的融合發(fā)展以及創(chuàng)新理念的廣泛普及，知識社會環(huán)境下的智慧化建設(shè)是繼數(shù)字化建設(shè)之后信息化建設(shè)發(fā)展的高級形態(tài)。工程施工智慧化管理是工程建設(shè)領(lǐng)域智慧化建設(shè)的一個重要部分，施工智慧化管理，是應(yīng)用最新的大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對施工現(xiàn)場“人、料、機、法、環(huán)境”等資源進行集中管理，以可控化、數(shù)據(jù)化以及可視化的智能管理系統(tǒng)對項目管理進行全方位立體化的實施監(jiān)管。水利水電工程施工具有周期長、技術(shù)條件復(fù)雜、規(guī)模大等特點，在施工智慧化管理過程中，具有獨特的功能需求，智慧化管理系統(tǒng)功能的完善，是水利水電工程施工智慧化建設(shè)的基礎(chǔ)和重要保障。

2 水利水電工程施工特點

2.1 施工作業(yè)面比較分散

水利水電工程涉及到建筑物較多，包括擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物和輸水建筑物等[1]，施工范圍廣，作業(yè)面多，較為分散，而且各作業(yè)面之間相距較遠(yuǎn)，很多工程涉及跨流域調(diào)水或長距離引水，不同作業(yè)面之間相距長達(dá)幾十公里，甚至幾百公里，施工管理空間跨度大。

2.2 地下工程多

由于水利水電工程不同建筑物功能的需要，同時受地質(zhì)條件因素影響，施工過程中，涉及的地下工程相對較多，比如地下廠房、引水隧洞、調(diào)壓井和調(diào)壓室等，施工環(huán)境復(fù)雜，不確定因素較多。

2.3 邊坡支護多

水利水電工程一般都位于高山河谷地帶，建設(shè)過程中對山體進行大面積開挖，導(dǎo)致邊坡支護工程較多，比如溢洪道邊坡、壩肩邊坡、廠房邊坡和隧洞進出口邊坡等，邊坡高度往往較高，幾十米到幾百米不等，邊坡安全監(jiān)測難度大，高邊坡的穩(wěn)定已成為我國水利水電工程中一個比較嚴(yán)峻的問題[2]。

2.4 施工機械多

隨著機械化程度的提高，水利水電工程建設(shè)對一般通用的土石方機械、混凝土施工機械、清淤機械設(shè)備的需求明顯增加，如：挖掘機、裝載機、推土機、鏟運機、混凝土攪拌站等[3]，少則幾十臺，多則幾百臺。由于施工作業(yè)范圍大，機械設(shè)備較為分散，機械設(shè)備管理和調(diào)度難度大。

2.5 防洪度汛壓力大

水利水電工程施工周期較長，建設(shè)地點一般位于高山河谷地帶，多為涉水建筑物，尤其是擋水建筑物施工，涉及汛期施工問題[4]，同時為便于施工和管理，施工營地通常在主體工程附近進行建設(shè)，施工區(qū)和營地屬于人員高度集中區(qū)域，受降雨影響較大，防洪度汛安全屬于工程安全生產(chǎn)管理的重點對象。

2.6 擋水建筑物施工強度大

水利水電工程擋水建筑物填筑量較大，一般通過安全度汛目標(biāo)來確定工程的關(guān)鍵節(jié)點或者形象進度，為滿足度汛目標(biāo)要求，擋水建筑物施工強度往往較大，如龍灘水電工程碾壓混凝土壩單倉單日填筑量達(dá)1萬多m3，瀑布溝大壩堆石料日填筑量達(dá)10萬多m3，施工管理人員投入多，施工質(zhì)量控制難度大。

3 施工智慧化管理系統(tǒng)功能

3.1 綜合管理系統(tǒng)

由于水利水電工程建設(shè)周期較長，施工過程中涉及大量圖紙、驗收文件和影像資料，綜合管理系統(tǒng)功能可以對施工過程中的各類文件進行集中存儲和歸檔，防止遺失，同時作為工程的對外窗口，發(fā)布項目的進展情況和相關(guān)資訊，讓參建各方和相關(guān)單位了解項目的最新動態(tài)，擴大項目的社會影響力。

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

針對水利水電工程作業(yè)面比較分散，施工管理空間跨度大特點，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以將各作業(yè)面的施工現(xiàn)場畫面快速傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控中心，參建單位可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問視頻監(jiān)控中心，了解各作業(yè)面的施工情況。工程實際施工過程中，可根據(jù)工作面的分布情況，設(shè)置視頻監(jiān)控分中心，對各工作面數(shù)據(jù)進行集中存儲或者分散存儲，防止數(shù)據(jù)遺失。圖1為典型項目視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 典型項目視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.3 人員定位系統(tǒng)

針對水利水電工程地下工程較多的特點，人員定位系統(tǒng)可對地下作業(yè)人員位置進行準(zhǔn)確定位，位置偏差可以控制在1 m以內(nèi)，一旦發(fā)生安全事故，可以第一時間準(zhǔn)確地確定人員位置，對被困人員實施救援，同時可對出入洞口的工作人員進行統(tǒng)計，實現(xiàn)工作人員考勤記錄，建立人員出入隧洞的各種信息報表（如進出洞時間報表、出勤月報表、加班報表、缺勤報表等）。圖2為典型項目人員定位系統(tǒng)原理圖。

圖2 典型項目人員定位系統(tǒng)原理圖

3.4 車輛定位系統(tǒng)

針對水利水電工程車輛多，管理難度大的特點，車輛定位系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定位車輛在施工場地范圍內(nèi)的位置，并對車輛行走軌跡進行記錄。管理人員可通過車輛定位系統(tǒng)了解每輛施工機械的工作狀態(tài)和去向，合理調(diào)配資源，提高機械設(shè)備利用率，同時對發(fā)生故障的機械設(shè)備進行及時搶修，縮短維修時間，提高工作效率。

3.5 氣體檢測系統(tǒng)

針對地下工程施工環(huán)境復(fù)雜，不確定因素較多等特點，氣體檢測系統(tǒng)可以對洞內(nèi)粉塵、氧氣濃度、有害氣體濃度（一氧化碳、硫化氫、氮氣、氨氣、甲烷等）和風(fēng)速等參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測，確保洞內(nèi)各種氣體濃度滿足規(guī)范要求，同時氣體監(jiān)測系統(tǒng)可與通風(fēng)設(shè)備進行聯(lián)動控制，通風(fēng)設(shè)備可根據(jù)洞內(nèi)氣體監(jiān)測指標(biāo)自動進行啟停，確保洞內(nèi)作業(yè)人員在安全作業(yè)環(huán)境下工作，減少安全事故的發(fā)生。

3.6 水位監(jiān)測報警系統(tǒng)

針對水利水電工程防洪度汛壓力大的特點，水位報警監(jiān)測報警系統(tǒng)可以動態(tài)記錄施工范圍內(nèi)不同區(qū)域的水位，并根據(jù)設(shè)置不同的警戒值，將水位信息發(fā)送給管理人員，管理人員可以根據(jù)實時信息，提前啟動應(yīng)急預(yù)案，做好機械設(shè)備和人員撤離工作，同時對相應(yīng)部位采取加固封堵措施，確保工程安全度汛。

3.7 安全監(jiān)測系統(tǒng)

針對邊坡支護工程多，變形監(jiān)測難度大的特點，安全監(jiān)測系統(tǒng)可以對邊坡的相關(guān)參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測，主要包括地下水位、水平位移、傾斜度等。安全監(jiān)測是高陡邊坡工程設(shè)計、施工和運行管理的重要工作之一，是掌握邊坡動態(tài)、確保邊坡安全、分析邊坡失穩(wěn)機制和開展邊坡穩(wěn)定預(yù)警、預(yù)報的重要手段[5]，如果相關(guān)參數(shù)超過警戒值，系統(tǒng)就會發(fā)出警報，并將信息發(fā)送給管理人員，現(xiàn)場技術(shù)人員可以對相關(guān)參數(shù)進行綜合分析，提前制定有效的處理方案，確保邊坡穩(wěn)定安全，減少安全事故的發(fā)生。

3.8 大壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

針對擋水建筑施工人員投入多，施工質(zhì)量控制難度大的特點，大壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)采用北斗和GPS技術(shù)作為主要定位手段，差分定位作為輔作精準(zhǔn)校驗，實時計算獲取碾壓車精準(zhǔn)的定位方法，通過傳感器獲取車輛運行狀態(tài)（無振動、低頻高振、高頻低振動、行車速度、行車軌跡），同時對碾壓施工車輛進行過程指引，如果車輛運行狀態(tài)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會實時預(yù)警和報警，并可以對碾壓過程進行回溯，大大減少旁站人員和巡查人員的投入，確保大壩碾壓過程施工質(zhì)量受控。圖3為典型大壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)原理圖。

3.9 移動平臺系統(tǒng)

移動平臺系統(tǒng)是施工智慧化管理系統(tǒng)的移動端操作平臺，通過移動平臺系統(tǒng)，管理人員可實時查看各管理系統(tǒng)的內(nèi)容，并接收相關(guān)預(yù)警信息，該系統(tǒng)可進一步解決因為施工作業(yè)面分散，管理跨度大的問題，管理人員可以隨時隨地掌握項目信息，進行移動辦公，提高管理效率。

4 工程應(yīng)用實例

松陽縣黃南水庫工程位于浙江省松陽縣境內(nèi)，工程以供水、灌溉、防洪為主，結(jié)合改善水生態(tài)環(huán)境兼顧發(fā)電等綜合利用，水庫總庫容9 196萬m3。工程主要樞紐建筑物包括大壩、溢洪道、黃南電站發(fā)電引水建筑物、黃南電站發(fā)電廠廠房和升壓站、輸水建筑物、上東塢電站發(fā)電廠廠房和升壓站等，其中攔河壩采用混凝土面板堆石壩，最大壩高97.00 m；輸水建筑物有進水口、輸水隧洞、調(diào)壓井及壓力管道等組成，水平投影長度10.50 km，輸水隧洞斷面為圓形，襯砌后洞徑2.80 m。

項目施工過程中成功應(yīng)用了工程智慧施工一體化管理系統(tǒng)，系統(tǒng)典型界面見圖4。松陽縣黃南水庫工程施工特點包括施工周期較長、施工區(qū)多、工作面分散、大壩主體填筑量大和輸水隧洞較長等。結(jié)合項目施工特點，智慧化施工管理系統(tǒng)主要包括綜合管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大壩填筑系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、人員考勤系統(tǒng)、氣體監(jiān)測系統(tǒng)和移動平臺系統(tǒng)等。

圖4 松陽縣黃南水庫工程智慧施工管理系統(tǒng)界面圖

5 結(jié) 語

智慧化建設(shè)需要根據(jù)不同行業(yè)的特點有針對性地開展，水利水電工程施工與其他行業(yè)施工相比，具有施工作業(yè)面分散、地下工程多、邊坡支護多、施工機械多、防洪度汛壓力大、擋水建筑物施工強度大等特點，水利水電施工智慧化管理系統(tǒng)的功能在實際系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用過程中，可以根據(jù)項目的需要進行增減，從而達(dá)到施工智慧化管理的目的。如何將不同智慧化管理系統(tǒng)進行相互融合和高度集成，以及做好與各政府監(jiān)管平臺的相互銜接，是水利水電施工智慧化管理系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。