大石峽水利樞紐工程智慧建設總體規(guī)劃與頂層設計

宋曉建， 裴彥青， 趙宇飛， 姜 龍

(1. 新疆葛洲壩大石峽水利樞紐開發(fā)有限公司，新疆 烏什縣 843402；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100048)

1 概述

隨著信息技術的發(fā)展，“智慧地球”概念得以提出，“智慧”概念在水利領域得以體現。數字水利和智慧水利是水利信息技術不同的發(fā)展階段[1-2]。初期，隨著全數字攝影測量、遙測、遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、可視化等現代化信息技術出現，構建成一體化的數字集成平臺和虛擬環(huán)境，并在可視化的條件下提供決策支持，增強決策的科學性和預見性[3]。現階段，以"互聯(lián)網+"的思維和BIM的跨界應用開拓水利創(chuàng)新之路，大壩建設管理云平臺、一體化智能灌漿、無人集群智能填筑、混凝土澆筑智能溫控、TBM輔助掘進等在水利工程施工過程中取得階段性成果[4-12]，解決了信息采集實時性差、數據應用程度低、易形成信息孤島、以及難以滿足高標準的施工質量綜合控制等問題，實現了單一分項工程的智能化管理。

隨著物聯(lián)網、云計算、大數據、人工智能、BIM+等新一代信息技術崛起，從水利工程的規(guī)劃階段開始，實現規(guī)劃、設計、建設、運行的全壽命周期智慧化任重道遠，水利工程建設全過程智慧化管控旭日初升。本文結合信息化發(fā)展現狀以及水利工程建設管理信息化研究與實踐中的經驗，擬建設基于“BIM+GIS+IOT+區(qū)塊鏈+AR”等多技術融合的大石峽水利樞紐工程建設智慧管理云平臺，實現“數據一個源、施工一張圖、業(yè)務一條線、管理一張網”的智慧化管控，全面提升工程建設信息化水平。

2 工程簡介

2.1 工程概況

新疆大石峽水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)境內阿克蘇河一級支流庫瑪拉克河中下游、溫宿縣與烏什縣交界處的大石峽峽谷河段。工程建設任務是在保證向塔里木河干流生態(tài)供水總量目標的前提下，承擔灌溉、防洪、發(fā)電等綜合利用，并為進一步改善向塔里木河干流生態(tài)供水過程創(chuàng)造條件。攔河壩為混凝土面板砂礫石壩，最大壩高247m，為國內外同類型大壩最高壩。水庫正常蓄水位1700m，水庫總庫容11.7億m3，電站裝機容量750MW，多年平均發(fā)電量18.93億kW·h，工程等別為I等大(1)型工程。工程完工形象如圖1所示。

圖1 大石峽水利樞紐工程完工形象

2.2 工程特點及技術難點

新疆大石峽水利樞紐工程為特高混凝土面板砂礫石壩，為已建和在建的世界第一高混凝土面板壩和世界第一高砂礫石壩。工程整體具有高壩、高邊坡、高地震烈度、高泄洪流速、高挖填強度等“五高”，管理模式新“一新”，地形地質復雜、自然氣候復雜、社會環(huán)境復雜等“三復雜”的特點。其具體工程特點及技術難點見表1。

3 智慧建設目標與原則

3.1 建設目標

基于大石峽水利樞紐工程特點和技術難點，結合信息化發(fā)展現狀以及水利工程建設管理信息化研究與實踐中的經驗，建設基于“BIM+GIS+IOT+區(qū)塊鏈+AR”等多技術融合的大石峽水利樞紐工程建設智慧管理云平臺，實現大石峽水利樞紐工程數字孿生、數據驅動、情景模擬、動態(tài)管控、智慧決策等，主要目標具體體現在六方面：①為大石峽水利樞紐工程建設智慧化管理提供群體協(xié)同平臺；②為大石峽水利樞紐工程建設質量、進度、安全、成本的高效管控提供重要科技手段；③為大石峽水利樞紐工程運行長效安全智慧管控提供科學保障；④為大石峽水利樞紐工程提供全壽命期管控，保證數據的完整和可溯；⑤為大石峽水利樞紐工程提供新一代信息技術支撐，保障新技術與工程實際無縫銜接，具備出色的應用、推廣價值；⑥為大石峽水利樞紐工程解決工程現場數據與填報數據“兩張皮”問題，確保現場與智慧工程同時設計、同時建設、同時運行。

3.2 建設原則

為實現“數據一個源、施工一張圖、業(yè)務一條線、管理一張網”的智慧化管控，大石峽水利樞紐工程建設智慧管理云平臺主要依據的設計原則如下：①需求導向、目標統(tǒng)領；②總體設計、分步實施；③安全實用、先進可靠；④自主可控、性能高效；⑤統(tǒng)一標準、共享資源；⑥技術融合、智能應用；⑦突出重點、務求實效；⑧統(tǒng)分兼顧、逐步迭代；⑨集中部署、保障運行；⑩健全機制、創(chuàng)新服務。

表1 大石峽水利樞紐工程特點及技術難點匯總表

4 智慧建設頂層設計

4.1 頂層架構

基于物聯(lián)網等新一代信息技術，秉承“泛在感知、BG為基、激活數據、多層互融、引領創(chuàng)新、協(xié)同共贏”建設理念，建設大石峽水利樞紐工程建設智慧管理云平臺，實現大石峽水利樞紐工程建設全過程、全要素、全方位的智慧化管控和業(yè)務閉環(huán)管理，實現質量、進度、成本及安全的統(tǒng)籌優(yōu)化，打造新時代的智慧水利示范精品。其智慧建設頂層架構如圖2所示。從圖2可知：

(1)工程建設所依據的政策法規(guī)和安全體系是本平臺開發(fā)建設的基礎。

(2)感知層，主要通過RFID、寬頻定位、電子標簽、攝像頭、無人機、高精度定位、人工觀測等手段，獲取本平臺的多源異構海量數據，為平臺高效運行提供真實、可靠的基礎資料。

(3)傳輸層，主要通過光纖、北斗、以太網、局域網、4G等手段，構建全方位、多層次、全覆蓋的網絡通信系統(tǒng)，為本工程監(jiān)測監(jiān)控站、調度會商中心等之間的語音、數據、視頻等各種信息提供高速可靠的傳輸通道，實現數據高效、精準的傳遞。

(4)基礎層，主要以云平臺的相關硬件和軟件為載體，將現場和智慧化工程無縫銜接，確保智慧大石峽安全、可靠運行。

圖2 大石峽水利樞紐工程智慧建設頂層架構

(5)數據層，主要將獲得的數據、文本、圖片、影像、視頻、聲音等資料，進行存儲、規(guī)劃、梳理、抽取、交換、發(fā)布、服務等數據管理與服務，為云平臺業(yè)務應用提供數據服務。

(6)支撐層，主要通過GIM、GIS、云計算、區(qū)塊鏈、大數據等算法，為智慧化工程中不同的功能模塊之間進行數據交互的數據交換平臺，進行大數據處理的多源異構數據處理平臺，以及儲存源數據的數據存儲平臺，其中信息全過程管理標準中包括信息采集標準格式、數據存儲與分析的標準結構與元數據設計，源數據將經過平臺層進行清洗、甄別、稀疏、聚類、相關、預測、校驗、轉發(fā)等，是大數據中轉、處理中心，還包括有支撐平臺應用開發(fā)和支撐平臺服務的多個平臺系統(tǒng)，如BIM Cloud服務平臺、GIS服務平臺、AI訓練平臺等，是支撐整個云平臺運行的必要服務平臺，另外結合目前水利部正在推行的數字文檔電子簽證，保證工程建設過程中的重要數字文檔的合理地位與法律效力。

(7)業(yè)務層，構建工程建設全過程的智慧業(yè)務應用系統(tǒng)，用以指導和控制工程建設過程，為工程順利推進和“人、機、料、法、環(huán)”的全方位管理提供應用支撐，為工程協(xié)同化管理和工程智能決策提供支持和服務，實現工程信息的全方位分析與渲染，整體推進大石峽水利樞紐工程建設和管理智能化水平。

(8)訪問層，包括大石峽水利樞紐工程建設管理云平臺門戶網站建設，多終端訪問和用戶角色劃分等。

(9)用戶層，即大石峽水利樞紐工程建設群體，包括建設管理者、設計、監(jiān)理、施工、監(jiān)督等相關人員。

4.2 技術架構

擬采用FWeb平臺(統(tǒng)一資源云服務平臺)，該平臺是資源管理平臺、網絡應用開發(fā)平臺、移動應用開發(fā)平臺、云帳號中心平臺的總稱。其技術架構如圖3所示。

云平臺遵循主流企業(yè)架構風格，設計遵循標準化、可擴展性、先進性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)總體設計原則，并且支持多語言，支持主流的微服務框架、支持前后端分離的開發(fā)模式，可擴展性高、系統(tǒng)開發(fā)效率高等多個特點，可兼容WindowsServer、Linux、Unix等多個主流操作系統(tǒng)。

云平臺還能與國產及國外主流數據庫保持極好的交互性，同時開發(fā)平臺提供應用、數據、網絡、終端、通訊的安全管理，確保運行的可控、可靠性，通過運行監(jiān)控、集群管理、組件升級等運行維護的支持，滿足平臺的高可用性要求。

圖3 大石峽水利樞紐工程智慧建設技術架構

在FWEB開發(fā)平臺的基礎上，對于網絡和基礎設施條件具備的項目現場，進一步引入BIM、GIS、物聯(lián)網、移動互聯(lián)網、人工智能等技術，實現項目管理數據從采集/感應層到存儲/審批層、業(yè)務層、可視化展示層的縱向貫通，以及數據采集自動化、業(yè)務處理在線化和項目管理智能化。

在技術路線的選型和技術使用上，充分考慮自主產權技術研發(fā)和集成外部成熟系統(tǒng)相結合的方式，通過標準化的接口，實現業(yè)務應用數據傳輸的無縫銜接。

4.3 平臺特點

(1)BIM+GIS+AI技術的深度應用。繼承設計階段BIM設計成果，結合實際施工過程項目劃分標準，進行WEB端的BIM輕量化處理與參數精細化切割，與GIS、AI技術深度耦合，實現以單元工程為最小管理單元的施工過程精細化智能化管理。并且通過施工期的BIM模型的應用與工程建設過程重要信息的加載，為水利樞紐運行過程的BIM+GIS+AI技術應用提供重要基礎。

(2)基于工程建設物聯(lián)技術、BIM技術以及施工過程實時精細化管理系統(tǒng)，建立了“管理平臺在‘云’、施工過程實時監(jiān)控在‘中’、工程建設管理信息感知在‘底’”的三層管理模式。

(3)基于標準化數字化的工程建設信息采集標準，實現了水利工程管理業(yè)務模塊與工程施工過程實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)的數據互聯(lián)互通、深度融合，可以保證水利樞紐建設管理平臺的“數據一個源、施工一張圖、業(yè)務一條線、管理一張網”，達到工程建設各參建單位的協(xié)調共享的高效管理，保證工程建設質量和進度。

數據一個源：本系統(tǒng)建立統(tǒng)一的數據采集標準，標準包括數據采集標準與數據分析標準，在數據采集標準中，以各種水利工程建設管理標準規(guī)范為依據，并且結合水利樞紐管理的業(yè)務需求，建立數據采集標準，保證系統(tǒng)中的數據來源唯一、出口唯一，保證系統(tǒng)中數據管理的高效與可靠。另外系統(tǒng)中的數據管理標準還包括信息分析與處理標準，能夠將工程建設文檔中的數據進行碎片化，并對其進行大數據分析，提高數據的利用率，為工程建設建設管理優(yōu)化提供重要支撐。

施工一張圖：利用BIM技術，繼承工程設計階段的三維立體設計成果，建立基于工程項目劃分的施工期BIM模型，構建水利樞紐數字孿生模型和數據驅動模型，實現BIM技術平臺的動態(tài)工程施工與結構優(yōu)化等，實現工程建設施工的一張圖管理。

業(yè)務一條線：在工程建設信息全過程管理基礎上，結合工程建設過程中各種業(yè)務管理的主要內容，對水利樞紐工程進行精細化施工組織與項目劃分，并結合工程建設文檔信息的采集、傳輸、整理、分析及歸檔等流程，將工程建設管理過程中的質量評定、合同管理、進度管理、文檔管理、檢驗檢測管理等業(yè)務實現有機結合，保證各管理業(yè)務中的數據來源唯一、信息可靠、管理高效，提高管理效率與水平，實現業(yè)務一條線管理。

管理一張網：基于建立水利樞紐工程建設管理平臺，為工程參建各單位提供重要的數據共享、業(yè)務協(xié)同、管理高效的工程建設管理平臺，實現工程參建各單位的業(yè)務交互高效管理，實現工程建設一張網式管理。

5 智慧建設功能與關鍵技術

5.1 功能模塊

大石峽水利樞紐工程建設智慧化管理，分為三大類功能模塊，分別為分析決策類、工程建設類和現場施工類。

功能模塊如圖4—6所示。

圖4 分析決策類功能模塊全景

圖5 工程建設類功能模塊全景

圖6 現場施工類功能模塊全景

從圖4—6可見，分析決策類模塊提供給管理者和系統(tǒng)使用各角色各單位進行項目整體瀏覽分析、實時全景查看項目進展、智能預警等功能，對項目決策和管理起到全方位支撐作用；工程建設類模塊提供給管理者和系統(tǒng)使用各角色各單位進行項目運行全方位工作數字化支撐功能，使各角色各單位進行有效業(yè)務、數據、流程協(xié)同；現場施工類模塊對工程施工現場提供支撐功能，包括各項施工環(huán)節(jié)的實時智能化監(jiān)控、各項施工作業(yè)監(jiān)控、外部環(huán)境及施工污染監(jiān)控、農民工施工班組管理和現場材料的使用管理等。

大石峽水利樞紐工程建設智慧化管理，其典型的管理模塊內容、主要功能和輸出信息如圖7所示。

5.2 關鍵技術

(1)利用云計算、物聯(lián)網等技術，基于建立的水利工程建設精細化管理云平臺，如圖8—9所示，開展工程建設運行高效協(xié)同管理與監(jiān)控，提高工程建設運行管理效率與水平。

(2)基于壩料級配、含水率的實時感知、碾壓機械無人駕駛無損快速改裝技術，能夠實現大壩填筑的壩料級配與含水、路徑規(guī)劃、環(huán)境感知、動作執(zhí)行及質量評判的智慧化施工，如圖10—11所示。

(3)依托“布-鉆-灌-檢”的灌漿施工全過程智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖12所示，利用鉆孔多源檢測技術的地層綜合感知技術與裝備，如圖13所示，進行灌前地層精細感知、灌漿過程動態(tài)調控、灌漿質量實時評價的全過程的智能化監(jiān)控。

(4)基于BIM+GIS+AI+VR技術的水利工程建設信息三維立體分析與渲染管理系統(tǒng)，進行參數化的BIM模型切割，形成施工過程管理最小單元和輕量化處理，如圖14所示，構建BIM模型實時加載施工數據驅動模型，實現水利工程建設動態(tài)三維形象化精細化管控。

圖8 水利工程建設管理云平臺系統(tǒng)總體架構

圖9 水利工程建設管理云平臺主要功能模塊及應用展示

圖10 基于施工機械無人駕駛的大壩填筑智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖11 基于無人駕駛技術的智慧碾壓施工機械

圖12 “布-鉆-灌-檢”的灌漿施工全過程智能監(jiān)控系統(tǒng)

圖13 灌漿鉆孔隨鉆信息實時感知系統(tǒng)與主要傳感器測量信息

(5)基于區(qū)塊鏈技術，通過拌合樓的要料單與配料單的建設與應用，逐步向前擴展到原材料供貨商的重要信息、向后逐步擴展到混凝土澆筑養(yǎng)護以及質量檢測等方面，進行混凝土拌和及澆筑全過程的數據管理，實現全節(jié)點、全過程的覆蓋，如圖15所示，從而實現混凝土施工全過程的精細化管控。

6 結語

本文主要從新疆大石峽水利樞紐工程建設智慧管理需求出發(fā)，結合目前先進信息化技術發(fā)展現狀，開展了該樞紐工程智慧建設總體規(guī)劃與頂層設計，通過整個平臺架構的設計，遵循標準化、可擴展性、先進性、穩(wěn)定性等設計原則，并且將目前最新發(fā)展的信息化技術納入其中，實現全過程全方位的多維精細化管理。并在平臺上將與工程建設中關鍵的施工過程實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)作為單獨的子系統(tǒng)進行建設，實現了既全面又重點突出，即全要素又關鍵突出的特點。

圖14 輕量化技術處理流程圖

但是實際建設過程中，尚需要進一步結合大石峽水利樞紐工程實際，進行頂層設計與規(guī)劃的動態(tài)調整與優(yōu)化，真正做到平臺的應用能夠切實提高工程建設管理水平，保證工程施工質量，為工程建設運行的安全、智慧、高效提供重要支撐。

圖15 砼生產及混凝土澆筑智能管理流程