大型水電工程現(xiàn)場基礎數(shù)據采集及決策支持系統(tǒng)

◎ 中國葛洲壩集團 江小兵 陳獻周

北京航空航天大學經管學院 朱焱華

大型水電工程施工中存在工程規(guī)模大，質量、成本、進度監(jiān)控點多面廣，監(jiān)控數(shù)據煩雜，安全運行預警要求高等問題。綜合利用物聯(lián)網、無線互聯(lián)、移動終端等信息技術的最新成果，對工程進度、工作方量、物料消耗、機械臺班、人力資源分配等方面的管理基礎數(shù)據，以及土石方挖填與運輸、砼生產與澆筑、砼骨料生產與運輸、金屬結構制作與安裝等方面的生產基礎數(shù)據，進行實時與準實時的采集與計算，然后利用三維動畫技術，實現(xiàn)施工過程動態(tài)的三維數(shù)字化仿真和施工現(xiàn)場的智能化指揮調度與監(jiān)控，并按照成本精確管理、質量過程追溯等管理模型對基礎數(shù)據進行挖掘分析。為企業(yè)內部的協(xié)同工作、資源協(xié)調、項目決策等提供支持，實現(xiàn)數(shù)字化、信息化的智慧工地。

引言

隨著現(xiàn)代生產力的發(fā)展和數(shù)字技術的廣泛應用，為確保工程質量，節(jié)省工程投資，保證電站安全運行，用傳統(tǒng)的方法和手段來管理是遠遠不夠的，必須有一套現(xiàn)代化、高科技的管理方法和管理手段來進行全面管理和統(tǒng)籌。

在大型水電工程施工中，存在工程規(guī)模大，質量監(jiān)控點多面廣，監(jiān)控數(shù)據煩雜，安全運行預警復雜等問題，為此，必須自動采集足夠的、完整的基礎控制信息對大壩的質量和運行安全進程進行及時分析。此外，施工單位及運營管理單位積累了大量寶貴的數(shù)據、信息和知識，這些資料往往分散在不同部門，或者存儲在經驗豐富的技術人員或專家大腦中，需要利用信息技術、知識發(fā)現(xiàn)、知識管理的理論對這些資料進行整合。

水電大壩施工過程數(shù)據采集及決策支持系統(tǒng)的研究開發(fā)，為水電大壩的建設和運行質量、安全提供先進的管理路徑，產生巨大的潛在效益。

水電行業(yè)與其它行業(yè)相比，有其獨有特點，主要表現(xiàn)在施工點分散、信息收集量巨大、通訊不暢等方面，這些無法改變的行業(yè)特性，給管理帶來致命的影響。葛洲壩集團在40多年的發(fā)展歷程中，在利用信息技術進行企業(yè)管理方面做了大量的基礎工作，并取得了較好的成果。特別是在工程施工一線建成了若干基于整合信息資源，在廣域網的基礎上建立了覆蓋全球各施工項目點的企業(yè)信息網絡；研究出符合水電施工企業(yè)的現(xiàn)代化信息管理模型，并制定相應的行業(yè)標準；建立施工過程數(shù)據采集模型，具體包括大壩土石方開挖數(shù)據采集模型、大壩土石方填筑數(shù)據采集模型、大壩混凝土澆筑數(shù)據采集模型。研制、開發(fā)了一批功能完備的水電大壩施工、運行過程數(shù)據采集設備（包括大壩土石方開挖、填筑和混凝土澆筑等數(shù)據采集器），建立完善的數(shù)據采集、分析系統(tǒng)；建立一個以計算機信息中心為網絡核心的企業(yè)數(shù)據倉庫。為建設數(shù)字工地、智慧工地奠定了堅實的理論基礎，并解決了分散式數(shù)據采集的難題。

智慧工地的意義

隨著我國經濟建設的快速健康發(fā)展，能源供應的緊缺已成為制約經濟建設的一大“瓶頸”，電力供應不足的矛盾越來越突出，因此近幾年乃至今后一個時期許多大型水電工程已陸續(xù)或即將上馬，而這些工程往往都是關系“國計民生”的重點項目。如何提高工程的施工進度，如何保證工程施工質量，如何整合企業(yè)已有的信息資源和先進的信息技術來提高水電施工企業(yè)的信息化管理水平，如何利用企業(yè)有限的技術資源及時解決施工過程中出現(xiàn)的各種技術問題，如何保存和整理浩瀚復雜的原始記錄等問題，已成為水電工程施工和水電行業(yè)施工企業(yè)急待解決的突出問題。作為有著豐富施工經驗和雄厚技術實力的中國葛洲壩集團，已經在這些問題上做了許多積極的探索，取得了一系列卓有成效的成果。“大型水電工程現(xiàn)場基礎數(shù)據采集及決策支持系統(tǒng)”就是針對這些問題提出的。

項目成果可廣泛應用于大中型水電站的施工管理和運行管理，全面提升水電施工企業(yè)乃至建筑施工企業(yè)的信息化水平，節(jié)省工程投資，極大地提高工程施工與管理的現(xiàn)代化水平，對提高大壩的施工質量和運行安全有著極其重要的作用。該系統(tǒng)對水電行業(yè)施工企業(yè)乃至建筑施工企業(yè)的信息化建設將起到重要的示范效應。同時有利于國家安全。

本項目的成果“混凝土生產輸送澆筑過程計算機綜合監(jiān)控系統(tǒng)”、“常態(tài)混凝土倉面澆筑管理系統(tǒng)”、“碾壓混凝土倉面澆筑管理系統(tǒng)”已成功應用于三峽二期工程、三期工程、公伯峽電站、水布埡工程、龍灘工程、洞坪電站等工程，產生了較好的經濟效益和社會效益，同時受到工程業(yè)主、設計和監(jiān)理單位較高的評價。“大型水電工程現(xiàn)場基礎數(shù)據采集及施工決策支持系統(tǒng)”就是基于業(yè)主對于工程進度和質量安全的高要求，是基于施工現(xiàn)場信息收集、施工過程管理、信息分析決策的需要，是基于信息技術、網絡技術和智能技術的普及和發(fā)展的基礎，是基于水電施工企業(yè)已有的信息化基礎、信息化技術的應用和企業(yè)管理現(xiàn)代化的需要。系統(tǒng)將推動廣大水電行業(yè)施工企業(yè)的信息化建設，必將得到業(yè)主、設計和監(jiān)理單位的積極推進。

面對我國今后一個較長時期水電建設的高潮，面對入世后國外建筑承包商的國際性競爭，在這個向管理要效益，向信息要效益的市場經濟環(huán)境中，本項目的成功研發(fā)，為我國水電行業(yè)施工企業(yè)乃至建筑業(yè)施工企業(yè)的信息化管理開辟一個新途徑，提供一個新典范。其成果是可以復制的，應用前景是廣闊的，推廣也是迫切的。

研究方法和技術路線

本課題的研究和實施主要依托如下三種方法：

產學研結合。承擔本項目的葛洲壩集團公司具有豐富的施工經驗，對項目要解決的問題有深刻的認識，并擁有國家級企業(yè)技術中心。與清華大學、北京航空航天大學、西安交通大學和河海大學等知名高校合作，擁有具有雄厚的科研實力和科研院所，可以解決項目中的關鍵技術問題。

總結已有經驗，依托大型工程。葛洲壩集團已承建了三峽工程、葛洲壩工程等國際國內頂級水電工程項目，將這些工程經驗總結歸納，研究出的成果進行標準化、數(shù)字化和信息化，并將之推廣到水電建設領域的其他所有項目生產管理中去。

多學科密切配合，保證項目順利實施。本項目涉及水電工程建筑、質量控制、成本控制、計算機軟件、硬件等多個學科內容。葛洲壩集團公司組織工作在一線的工程技術和計算機開發(fā)人員，并聯(lián)合高校力量，共同開發(fā)完成項目。

混響是海水介質中和界面上大量不均勻散射體的聲散射在接收點的疊加。與其他類型的噪聲不同，混響是由發(fā)射信號引起的，其頻譜與發(fā)射信號幾乎相同，單獨增加發(fā)射信號能量，混響也隨之增大，目標檢測能力并未提高。在混響背景下，匹配濾波器的檢測指數(shù)[7-8]為

主要技術路線如下：

利用物聯(lián)網技術，將自動化設備進行互聯(lián)，實現(xiàn)自動設備生產與運行數(shù)據的實時采集；利用射頻數(shù)據技術，在生產部位或機位埋設傳感器，將生產過程數(shù)據進行實時或定時采集；利用移動計算與3G互聯(lián)技術，將施工人員與調度人員等崗位的手工制單過程，轉換為通過3G移動終端進行定時或定期錄入并實時上傳，作為自動化設備自動采集與傳感器定時采集的補充；利用計算機網絡技術，實現(xiàn)項目部數(shù)據與總部管理系統(tǒng)的實時交互。

利用三維繪圖技術，將項目施工過程進行三維、實時動態(tài)展現(xiàn)，并與工程設計方案與施工設計進行動態(tài)對比，實現(xiàn)施工進度管理、質量管理、成本（投資）控制、安全文明施工管理等的智能管控與決策支持；利用地理信息系統(tǒng)( GIS) 技術，實現(xiàn)工程施工過程的全仿真再現(xiàn)與預測。

利用數(shù)據庫與數(shù)據倉庫、數(shù)據挖掘技術，實現(xiàn)工程施工和管理過程的智能化決策支持。

水電大壩施工現(xiàn)場情況復雜、覆蓋區(qū)域大、現(xiàn)場變化快，將采用無線信息技術及移動信息設備進行數(shù)據及圖像采集。

水電大壩工程多數(shù)較為龐大而復雜。如何采用科學有效的方法以提高施工效率，怎樣直觀清晰地描述復雜工程建設的施工動態(tài)過程，是提高工程質量和管理現(xiàn)代化水平的關鍵。以信息的數(shù)字化、直觀化、可視化為出發(fā)點，將復雜施工過程用圖像、圖形和三維動態(tài)模擬形象地描繪出來，為全面、準確、快速地分析掌握工程施工全過程提供有力的分析工具，實現(xiàn)工程信息的高效應用與科學管理，給施工組織與決策提供一個科學簡便、形象直觀的可視化分析手段。為確保三維實體模型的準確和實用，采用的基本資料有地形圖、施工詳圖、大壩總體布置規(guī)劃圖以及相關建筑物的形象圖、結構圖等。利用實測地形圖在計算機內形成三維地形圖，然后形成與大壩相關部位的三維實體模型，進行動畫制作， 漫游施工現(xiàn)場。

基于Web Service建立水電大壩數(shù)據采集及施工、運行決策支持系統(tǒng)，采用松耦合方式將數(shù)據庫系統(tǒng)、數(shù)據倉庫、數(shù)據挖掘系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、知識庫系統(tǒng)、分析系統(tǒng)集成，使信息管理、查詢處理、聯(lián)機分析處理和聯(lián)機分析挖掘成為一個有機的整體；使基于數(shù)據庫、數(shù)據倉庫的數(shù)據挖掘的各種算法及其它的算法或模型協(xié)同工作，并行和分布地完成決策問題的求解。基于Web services的水電大壩數(shù)據采集及施工、運行決策支持系統(tǒng)具有整體性、并行性、分布性、共享性、互操作性、協(xié)同性，可以保證數(shù)據的可獲得性，數(shù)據挖掘的可移植性、可伸縮性、高性能以及對多維數(shù)據的分析。

基礎數(shù)據采集成果概述

智慧工地的基礎是“基礎數(shù)據采集”。經過對施工過程流程的梳理和總結，建立基礎數(shù)據采集模型，將非標準化、流程化、離散、無序的過程數(shù)據通過兩種途徑進行采集整理：其一，流程標準化表格。這種方式主要用在數(shù)據跨度大，連續(xù)數(shù)據間隔時間長，或者數(shù)據源可以從其他表格或文本中自動獲得等施工過程數(shù)據。比如物資入庫，監(jiān)理、業(yè)主輸入性數(shù)據等。其二，自動采集設備實時采集。這種方式主要用于施工現(xiàn)場流程性強，采集密集或無序的施工過程數(shù)據。比如施工場面實時數(shù)據采集、資源配備、溫度等。

流程標準化表格數(shù)據采集方式主要將數(shù)據格式進行規(guī)范統(tǒng)一，固化到數(shù)據采集系統(tǒng)中，由人工定時錄入。

自動采集設備實時采集方式，在施工生產過程中，為了實現(xiàn)數(shù)據的格式化自動采集，設計制作一批相對專業(yè)的數(shù)據采集設備。目前已經成功投入使用的數(shù)據采集設備有盯倉器、溫度自動采集器、射頻采集器、影像體積采集器和位移采集器等。下面對以上自動數(shù)據采集器做簡單介紹。

盯倉器。本設備主要針對混凝土和土石方施工過程監(jiān)控，事后追溯而設計的一套數(shù)據自動采集工具。首先將常態(tài)混凝土、碾壓混凝土和土石方開挖、填筑等工藝工序的過程進行標準化再造，將核心要素進行提煉，然后固化到PDA中，施工現(xiàn)場人員攜帶這種專用PDA進入現(xiàn)場進行過程實時數(shù)據采集，如溫度、資源配備、過程圖片等，利用wifi實時與數(shù)據中心進行數(shù)據提交及交互請求。目前隨著智能手機的應用普及，這種功能性應用系統(tǒng)將逐步向智能手機終端轉移，從而提高本設備的易用性和方便性。

溫度自動采集器。溫度是影響混凝土施工及產品質量的重要因素，也是一項關系到施工安全與否的重要參考指標。大壩混施工凝土溫度監(jiān)測和預警系統(tǒng)能夠對大壩施工進行實時地溫度監(jiān)測，并對所采集的溫度數(shù)據進行及時地處理和分析，以圖形化的界面展現(xiàn)給工作人員。大壩施工溫度監(jiān)測和預警系統(tǒng)還能夠在溫度偏離安全范圍的時刻發(fā)出警報，以警示工作人員盡快做出反應。大壩的施工安全及質量安全是關系到國計民生的問題，為此利用信息化手段，對施工過程數(shù)據進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，將危及到生命財產安全和大壩質量安全的情況消滅在萌芽階段，切實提高施工的安全系數(shù)，做好對大壩施工的溫度監(jiān)測和預警系統(tǒng)具有重要意義。

混凝土的溫度控制是項復雜的系統(tǒng)工程，主要包括控制混凝土的最大溫差、內部最高溫度、最大升溫降溫速率、截面溫度梯度和入模溫度等內容。溫度監(jiān)測不是目的而只是一種手段，根據監(jiān)測了解混凝土溫度場分布變化情況，采取或者調整合理而有效的溫度控制措施，才是防止溫度裂縫的關鍵。傳統(tǒng)的監(jiān)測是在大壩施工過程中埋設電阻式溫度傳感器，然后由人工巡檢。傳統(tǒng)方式的弊端主要有兩點，一是監(jiān)測人工成本高。二是監(jiān)測的時間間隔長，有漏測的情況發(fā)生。這里說的溫度自動監(jiān)測（器）系統(tǒng)，是使用485總線機制的達拉斯18B20溫度傳感器，利用無線數(shù)據傳輸設備，按照1秒/次的頻度對所有溫控點的溫度進行輪巡，同時將數(shù)據及時通過廣域網傳輸?shù)綌?shù)據中心。

射頻數(shù)據采集器。本采集設備主要針對拌合樓的綜合調度而設計的數(shù)據自動采集。在每輛入倉汽車上安裝有源RFID設備，用于汽車的身份識別。當某汽車進入調度區(qū)時，系統(tǒng)讀取及識別身份，在引導顯示屏和車載電臺上同時顯示和播放對應的下料就位口，汽車駕駛員將車就位，這時系統(tǒng)再次驗證該身份車輛是否入位正確，如果正確將開放下料口，向汽車裝料，否則自動提示駕駛員換位。這一過程數(shù)據采集全部自動發(fā)送到網絡數(shù)據中心存儲并實時分析決策。

影像體積采集器。本采集器是針對施工現(xiàn)場土石方和混凝土的自動計量而設計制造的數(shù)據自動采集系統(tǒng)。傳統(tǒng)的土石方和混凝土的水平運輸常規(guī)采用汽車運輸。而對這些運輸手段的計量和跟蹤方式，完全為人工值班書面記錄為準。這些傳統(tǒng)的記錄方式，存在人情數(shù)據、責任心數(shù)據等問題，影響數(shù)據的真實性和準確性，特別是運輸軌跡的記錄，存在盲端、盲點。同時這種數(shù)據記錄方式，人工成本相對較高。影像體積采集器，是基于“雙目瞳距”平面成像及立體轉換理論建立的數(shù)據采集體系。當運輸車輛路過指定區(qū)域時，傳感器自動觸發(fā)攝像機，自動高速拍攝10*2=20張的高清圖像，該圖像自動進入解析處理器，進行除噪和其他計算處理，輸出日期時間、車牌號、車載體積和兩張高清瞬時照片并自動發(fā)送到數(shù)據中心入庫。以上一系列記錄處理不需要人工干預，而是自動記錄。

位移采集器。本采集設備主要是針對水電施工現(xiàn)場大型水平運輸設備，如塔機、門機和纜車等運動絕對位置而設計制作的。本設備主要是利用GPS定位和激光定位相結合來記錄即時運輸物的絕對位置和相對位置及運行速度等參數(shù)的，因是自動記錄并帶反饋裝置，所以能有效避免交叉作業(yè)的碰撞，并提高大型水平和垂直運輸設備的工作效率，為實現(xiàn)惡劣天氣下的“盲”吊成為可能。

數(shù)據傳輸、存貯

根據水電工程施工特點，數(shù)據傳輸和交換保留有線傳輸和無線傳輸兩種方式并存的狀態(tài)。故借用光纖、有線電話公用網實現(xiàn)數(shù)據有線傳輸既可靠又經濟。而通過GSM網進行數(shù)據通訊、以發(fā)短信的形式達到數(shù)據的無線傳輸，方便、快捷、經濟。

施工現(xiàn)場數(shù)據采集設備屬于移動設備，因此在這些移動終端上均使用GPRS等3G電信移動網絡將數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據中心。而施工集中辦公點的數(shù)據以有線局域網方式通過統(tǒng)一局域網出口與遠程數(shù)據中心進行數(shù)據交互。

數(shù)據存貯方面，以集中方式建立帶冗余的磁盤陣列數(shù)據存儲中心。這樣既便于集團式企業(yè)各用戶的數(shù)據共享，也大幅度降低數(shù)據存儲成本。

數(shù)據抽取和決策功能概述

在項目實施的過程中，由于施工過程數(shù)據量非常龐大，如果每次對數(shù)據的提取都從基礎數(shù)據開始那么務必會使數(shù)據庫系統(tǒng)運行任務非常重，而且初始的基礎數(shù)據會存在很多臟數(shù)據，這些臟數(shù)據對系統(tǒng)的運行產生很大的影響。鑒于此，實際應用中采用了數(shù)據倉庫技術，利用其優(yōu)點，對臟數(shù)據進行清洗，對異步數(shù)據進行同步，保持數(shù)據的一致性和唯一性，對基礎數(shù)據進行過濾、整理。并初步統(tǒng)計出一些共享性要求較高的過程數(shù)據，從而提高數(shù)據的共享效率、優(yōu)化數(shù)據的運行性能。

在基礎數(shù)據完備的情況下，從經過清洗、過濾的數(shù)據倉庫中，利用成本精確管理、質量過程追溯等數(shù)據模型對基礎數(shù)據進行挖掘，從而建立具有水電工程施工特色的成本綜合管控、物資設備綜合調配、質量跟蹤追溯、風險管控等決策支持和商業(yè)智能。這些信息決策支持系統(tǒng)，可以對施工項目的進度、成本、質量、合同等各個管理方面進行監(jiān)控可以對企業(yè)內部的協(xié)同工作、資源協(xié)調等提供支持。最終為集團公司決策層提供準確及時的信息，縮短決策周期，提高決策效益并降低風險。

展望

目前建立的基于數(shù)據自動采集和大數(shù)據的決策支持的智慧工地系統(tǒng)，還有相當大的局限性。主要體現(xiàn)在，基礎數(shù)據采集的系統(tǒng)性、覆蓋面等方面。隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，一些自動數(shù)據采集元器件的發(fā)展和應用的深入，以及計算機云計算技術的廣泛使用，將大大提高水電施工現(xiàn)場各環(huán)節(jié)的數(shù)據采集的自動化程度和覆蓋面。這為全面深入地建設智慧工地提供基礎數(shù)據保障。