高拱壩施工實時控制系統集成理論與應用

任炳昱，吳斌平

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

1 前言

高拱壩施工是一個由基礎處理、大壩混凝土澆筑、接縫灌漿以及金屬結構安裝等多個施工環節所組成的十分復雜龐大的系統，且系統的各施工環節相互之間交叉影響，錯綜復雜。同時，高拱壩施工過程還受水文、氣象等自然環境、施工場地及交通布置、機械設備與建筑材料、施工工藝與組織方式等諸多因素的影響，施工過程具有很強的隨機性與不確定性［1］。高拱壩施工實時控制分析技術可以對大壩施工過程的質量與進度進行有效地控制與分析，實現施工在線實時監測和反饋控制，對于提高大壩建設過程控制和管理水平具有十分重要的意義［2］。高拱壩施工實時控制系統包括各種數據信息的采集及傳輸、三維視景仿真、施工質量動態監測及預警、施工進度實時控制分析以及數據存儲與管理等多個子系統。然而，上述各子系統在不同的硬件和軟件環境下運行，分別承擔高拱壩施工實時控制分析系統的不同功能。如何對各個子系統進行統一的控制和管理，使不同功能的子系統進行一體化的聯動和協同工作，實現數據信息、資源和任務的共享，高拱壩施工實時控制系統集成理論與方法為解決這類問題提供了有效的途徑，為高拱壩建設實現高標準、高強度連續施工提供了強有力的技術支持。

系統集成研究已經成為航空航天、先進設備制造、鐵路交通、土木工程等大型工程系統領域研究的熱點，在國內外均取得了一些應用研究成果。例如，Leung［3］等人利用網絡技術開發了視頻通信集成系統對房屋建筑施工質量與進度進行實時控制;楊天社等人［4］建立了航天工程系統集成模型并設計了遞增集成策略，對航天工程的系統集成進行了一定的理論研究;呂超等人［5］提出了可重組制造系統集成設計框架，根據該框架設計思想開發了集制造工藝分析描述、布局規劃、生產調度優化、成線監控和資源管理為一體的集成系統;李惠等人［6］對大型橋梁結構健康監測進行了系統集成研究，建立了基于網絡平臺的開放式的實時在線智能健康監測系統。耿志修［7］將Locotrol技術與GSM－R技術相結合，實現了鐵路列車多種技術的系統集成創新，大幅度提高了列車的運輸能力;鐘登華［8］通過把心墻堆石壩建設過程中的質量監測、安全監測等信息，進行動態高效的集成管理和分析，實現了大壩施工過程質量的精細化、全天候實時監控。上述研究成果推動了系統集成的理論與應用研究，但都有其各自的側重點，尤其是針對大型水電工程高拱壩施工領域的研究成果很少。

高拱壩施工是一個復雜的隨機動態過程，為其建設過程的控制與管理帶來了很大的難度。針對高拱壩施工過程的復雜性和隨機性的特征，提出將系統集成理論應用于高拱壩施工實時控制與分析中，建立了高拱壩施工實時控制系統集成概念模型，從數據信息集成、應用功能集成、技術方法集成和監控指標集成4個方面詳細論述了系統集成實現過程，并結合具體的工程研制開發了網絡環境下的高拱壩施工實時控制系統，為高拱壩工程建設的控制與管理提供了理論與技術支持。

2 系統集成框架設計

高拱壩施工實時控制就是通過實時地采集大壩施工過程中產生的各種質量和進度數據信息，并以網絡為媒介快速高效地傳輸到服務器數據庫中進行分析匯總，與各項監控指標對比分析后向施工的各個環節反饋質量和進度控制要求。高拱壩施工實時控制與分析貫穿于大壩混凝土施工的整個動態過程，以提高大壩施工質量、保證大壩施工進度為控制目標。為了能更有效地對高拱壩施工過程進行實時控制與分析并滿足這一目標，需要從數據信息、應用功能、技術方法和監控指標4個方面進行有機地系統集成，確保各種數據資源共享、各個功能模塊耦合協調，提升高拱壩施工實時控制系統的綜合分析應用能力。高拱壩施工實時控制系統集成框架如圖1所示，該框架由以下5個部分所組成:

圖1 高拱壩施工實時控制系統集成框架Fig．1 The framework of system integration in real-time control on high arch dam construction

1)高拱壩混凝土施工系統。它是系統集成的核心對象，系統集成主要是圍繞著大壩混凝土施工這個大的系統工程開展研究的。它共包含了混凝土生產、混凝土運輸和混凝土澆筑3個彼此關聯的子系統。這3個子系統是高拱壩混凝土施工動態過程的概括和抽象，同時也是高拱壩施工過程實時控制系統重點應用的領域，體現了對大壩混凝土施工過程進行控制的特點。

2)系統數據信息集成。高拱壩混凝土施工過程涉及眾多的施工動態信息，主要包括混凝土原材料質量信息、混凝土拌和生產信息、纜機運行信息、混凝土質量試驗信息、大壩倉面施工信息、灌漿信息、混凝土溫控信息和混凝土施工進度信息等方面，通過對各個方面大壩施工數據信息的動態集成可以構建大壩施工綜合信息平臺。

3)系統應用功能集成。高拱壩施工實時控制系統包括的主要功能有現場采集數據的入庫與管理、施工參數超標后的報警反饋、數據信息的二維及三維可視化分析、施工進度動態仿真與實時控制分析以及潛在知識的數據挖掘等多個功能，對這些功能的綜合集成體現了大壩施工實時控制系統集成的作用。

4)系統技術方法集成。通過對通信技術、網絡技術、數據庫技術、圖形技術以及動態仿真技術等系統關鍵技術的集成為大壩施工實時控制系統集成的實現提供了方法與手段。

5)系統監控指標集成。高拱壩施工實時控制系統中需要動態監測的指標主要包括混凝土原材料質檢指標、混凝土配合比偏差率指標、混凝土拌和性能試驗指標、大壩倉面施工質檢指標、混凝土溫控指標和混凝土施工進度形象指標等，通過對這些監控指標的集成明確和細化了大壩施工過程質量和進度實時控制管理的關鍵環節。

3 系統集成實現

3．1 系統數據信息集成

系統數據信息集成是高拱壩施工實時控制系統集成的基礎。它是把不同來源、格式、特點性質的數據信息在邏輯上或物理上有機地集中在一起，從而為用戶提供全面的數據共享［9］。能否將分布在異地的且異構的各個數據源中的數據集成在一起，以統一的數據形式供用戶查詢分析是系統數據信息集成實現的關鍵。

高拱壩施工實時控制系統涉及大量動態數據信息，這些數據信息來源于大壩不同施工部位且數據結構不一致，在對這些數據信息集成時采用了數據倉庫模型的數據集成方案，將采集到的數據信息按照主題的內容來構建數據倉庫，比如大壩溫度信息數據倉庫、大壩灌漿信息數據倉庫和大壩倉面施工信息數據倉庫等，方便了用戶對數據之間潛在的相關關系和規律的挖掘分析，有利于管理者的科學決策。高拱壩施工實時控制系統數據倉庫模型的體系結構如圖2所示。

圖2 數據倉庫模型體系結構Fig．2 The system structure of the data warehouse model

3．2 系統應用功能集成

高拱壩施工實時控制系統應用功能的集成就是建立一個統一的綜合應用，將各種不同應用平臺的軟件和系統的功能有機地集成到一個無縫的、一體化的且易于訪問的系統環境中，方便用戶進行業務的處理和信息共享。應用功能集成是在業務邏輯的層面上進行集成，用于滿足用戶對大壩施工過程實時控制管理的具體需求，是高拱壩施工實時控制系統集成的核心。

在高拱壩施工實時控制系統中，施工進度實時控制分析子系統是用VC++語言開發的獨立的業務程序，通過在其程序中編寫Web服務接口，使其與高拱壩施工綜合信息子系統進行了應用功能的集成。從而，用戶在高拱壩施工綜合信息子系統中就可以查詢分析施工進度實時控制系統的相應成果如大壩施工動態仿真形象面貌、仿真預測的混凝土施工強度以及混凝土施工進度計劃安排等。通過對高拱壩施工實時控制系統各個業務程序進行應用功能上的集成，使用戶可以在一個統一的綜合應用平臺下進行多種數據分析應用，極大地提高了用戶對大壩施工過程實時控制管理的效率。

3．3 系統技術方法集成

高拱壩施工實時控制與分析需要多項技術方法的支持，只有通過對各項技術方法進行有機地集成才能實現系統應用功能的集成。技術方法集成是高拱壩施工實時控制系統集成的方法和手段。高拱壩施工實時控制系統關鍵技術集成模型如圖3所示，其包含了內外兩個層次的集成。

圖3 系統關鍵技術集成模型Fig．3 The model of the system key technology integration

1)模型外層次的集成。主要是實現現場以及試驗室的施工數據的采集與傳輸，主要集成的技術方法包括:應用PDA技術在大壩現場實現倉面施工信息的采集與審核，應用無線通信技術實現現場施工數據(如倉面施工數據、溫控數據、硬件設備自動采集接口數據等)的無線傳輸，應用網絡技術實現整個工地的局域網絡組網。模型外層次的技術集成為高拱壩施工實時控制系統搭設了網絡系統環境，采集了大壩施工過程的數據，為用戶進一步的控制管理分析奠定了基礎。

2)模型內層次的集成。其是高拱壩實時控制系統技術方法集成的核心，它實現了對大壩施工過程實時控制管理所需要的各種功能要求，主要集成的技術方法包括:應用數據倉庫和數據挖掘技術實現施工數據的組織、管理、分析以及知識發現，應用計算機圖形技術實現施工信息的可視化展示，如溫度歷時曲線圖、灌漿單位注灰量頻率曲線圖以及原材料質量檢測曲線圖等圖形的繪制，應用動態仿真技術實現高拱壩施工進度的實時控制分析，應用VR技術實現大壩施工場景的三維虛擬漫游，應用J2EE技術構建高拱壩施工綜合數字化信息平臺。

3．4 系統監控指標集成

高拱壩混凝土施工過程涉及很多施工規范要求的施工控制標準，能否在控制標準允許的范圍內進行施工直接決定了大壩施工質量的高低。通過對高拱壩混凝土施工系統監控指標集成可以輔助管理者較全面地了解和分析大壩整體施工質量與進度的情況，為施工過程質量與進度的動態反饋控制提供了重要依據。高拱壩施工實時控制系統監控指標集成體系如圖4所示，主要包括以下6類系統監控指標:

圖4 系統監控指標集成體系Fig．4 The hierarchy of the system monitoring index integration

1)大壩混凝土原材料質檢指標。大壩混凝土原材料的質量直接影響著大壩混凝土的性能，因此對于每一生產批次的原材料都要對其質量進行抽檢。一般而言，水泥、摻合料和外加劑是由專門廠家生產，其各項性能指標比較穩定，滿足檢測指標控制標準的合格率很高;而砂石骨料由于是在現場附近山體開采并加工生產而得，其有些性能指標如砂子含水率、細度模數等隨開挖的巖層特性變化不穩定，呈現出一定的波動性，需要加強對這些指標的抽檢，以提高砂石骨料的物理性能。

2)大壩混凝土生產配合比偏差率指標。拌和系統生產混凝土需要嚴格按照設計提出的大壩混凝土相應部位的設計配合比，在生產的每一盤混凝土中各組分的實際用料量與設計的用料量須保持一致。然而，由于拌和系統中的稱量系統存在一定的偏差會導致混凝土各組分的實際用料量與設計用料量發生偏差，因此需要對兩者的偏差率進行控制。通過對每一盤混凝土各組分用料量的實時采集，當發現混凝土某組分用料量與設計用料量偏差率超過控制標準時，要向混凝土拌和系統人員反饋令其調整拌和系統稱量偏差，從而保證大壩混凝土生產拌和質量。

3)大壩混凝土拌和性能試驗指標。對于大壩混凝土拌和性能主要是從混凝土的坍落度和抽檢試件的抗壓強度兩個指標去衡量。其中，對于配筋率不同的混凝土其坍落度的控制標準不同;而對于不同養護齡期的混凝土亦具有不同的抗壓強度要求。

4)大壩倉面施工質檢指標。對于大壩倉面施工質量的控制主要是對備倉工序、澆筑工序和養護工序3個方面來進行控制。其中在備倉工序中又有鋼筋綁扎、模板架立等多項施工工序，每一項工序都有其相應的控制指標;澆筑工序主要是對混凝土澆筑過程進行控制如振搗是否密實等;養護工序則是針對收倉后倉面所采取的養護工藝、混凝土成形質量等進行控制。

5)大壩混凝土施工進度指標。其控制指標主要包括混凝土澆筑方量和混凝土澆筑形象。混凝土澆筑方量體現了混凝土施工進度情況，一般而言，混凝土澆筑方量越大說明混凝土施工進度完成的越好。然而，由于每年度汛要求，還要注意大壩混凝土澆筑形象，要兼顧邊坡壩段的混凝土澆筑，而不能一味地追求河床壩段大體積倉位的混凝土施工。因此，需要從混凝土的澆筑方量和澆筑形象兩個監控指標來對大壩混凝土施工進度進行控制分析。

6)大壩混凝土溫控指標。其控制指標主要包括混凝土的出機口溫度、澆筑溫度和最高溫度以及各個冷卻通水期的混凝土降溫速率。其中混凝土的最高溫度是溫控監控指標中最重要的，在大壩混凝土澆筑過程中需要嚴格控制。

4 網絡平臺下的高拱壩施工實時控制系統

網絡平臺下的高拱壩施工實時控制系統采用N層計算結構。從邏輯角度看，系統分成客戶端、Web服務器、應用服務器、數據庫服務器;從物理角度看，應用服務器可以視用戶并發數從1到N臺進行擴充，以保證客戶端用戶的響應要求。系統工作模式采用C/S模式與B/S模式相結合的方式，從邏輯上劃分為以下3層。

1)表現層。展現給用戶的界面，即用戶在使用一個系統的時候的所見所得。其位于最外層，離用戶最近，用于顯示數據和接收用戶輸入的數據，為用戶提供一種交互式操作的界面。

2)業務邏輯層。包括Web服務器和應用服務器。應用系統的業務邏輯層，是系統架構中體現核心價值的部分，它主要集中關注在業務規則的制定、業務流程的實現等與業務需求有關的系統設計上。其處于數據訪問層與表現層中間，起到了數據交換中承上啟下的作用。

3)數據訪問層。主要是用來存儲和管理各種數據，負責對各種數據庫和數據源的訪問。

5 工程實例

在建的某高拱壩位于我國西南山區，其最大壩高305 m，是目前已建和在建中的世界第一高拱壩。大壩混凝土總量約530萬m3，首倉混凝土于2009年10月23日開澆，合同工期要求2012年年底首臺機組發電，2013年8月底大壩全線澆筑到頂。

筆者研發的網絡平臺下的高拱壩施工實時控制系統對大壩施工過程數據信息進行了有效的集成和共享，從大壩首倉混凝土開澆即在現場投入使用，工程建設各方均在該系統平臺下對大壩混凝土的施工質量和進度進行動態實時控制分析。以下僅列舉系統在應用中的部分成果。

1)系統對大壩右岸高線兩座拌和樓的混凝土拌和生產數據進行了采集與分析，發現1#和2#兩座拌和樓在供應大壩混凝土時其各組分的稱量合格率基本上都在90%以上，只有1#拌和樓在為大壩14#－19單元供應混凝土時，其中的特大石的稱量合格率只有87．2%。總體來看，右岸高線的混凝土拌和系統稱量誤差控制得較好，混凝土拌和生產過程在可控范圍之內，1#和2#兩座拌和樓的特大石稱量合格率統計分別如圖5(a)和(b)所示。

圖5 拌和樓特大石稱量合格率統計

2)系統對大壩施工進度控制與分析中兩個重要的指標混凝土施工入倉強度和大壩層間間歇時間進行了采集與分析。其中大壩混凝土倉面單元的入倉強度統計如圖6(a)所示，平均入倉強度為158．89 m3/h，且隨著施工控制管理的加強，后期的入倉強度要高于前期，但是還具有進一步提升的空間;大壩所有倉面單元的層間間歇時間統計如圖6(b)所示，平均層間間歇時間為10．46 d，超過設計標準14 d所要求的混凝土倉面單元有36個，沒有超過28 d形成老混凝土的倉面單元，且大壩后期混凝土施工的層間間歇時間相比前期有所下降，基本上能保持在10 d左右，在施工中應該注意混凝土澆筑能力的提高以及跳倉規則的優化，保證大壩混凝土短間歇連續澆筑上升。

圖6 大壩混凝土施工進度指標統計Fig．6 The statistics of the dam concrete construction progress index

6 結語

將系統集成理論應用于高拱壩施工實時控制與分析中，有利于各種數據資源的共享以及功能的有機結合，可以實現大壩施工過程中質量和進度的在線實時監測和反饋控制。筆者在對高拱壩施工實時控制技術分析的基礎上設計了高拱壩施工實時控制系統集成框架，從數據信息集成、應用功能集成、技術方法集成和監控指標集成4個方面詳細論述了高拱壩施工實時控制系統集成的實現過程。基于上述理論和方法研制開發了網絡平臺下的高拱壩施工實時控制系統，并結合某高拱壩工程進行了應用研究，提高了該大壩建設管理與控制水平，為其高標準、高強度連續施工提供了有力的技術支持。

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