數字烏東德
——基于三維可視化的工程協同管理探索

姜 亞 洲, 王 義 鋒, 姚 勛， 劉 元 達

(中國長江三峽集團公司烏東德籌備組，四川 成都 610041)

1 概 述

烏東德水電站位于金沙江下游河段，裝機容量10 200 MW，壩高265 m，如此大規模電站的建設對各種數據資料的高效管理提出了迫切需求。當前信息技術的高速發展，為完整、高效地采集、傳輸、存儲、分析、控制各種數據信息創造了基礎條件。采用現代信息化手段尤其是三維數字化與物聯網技術對提升水電工程建設管理與安全具有重要意義。然而，目前整個水電數字化建設工作中，從被動“展示”走向主動“管理”的成功項目尚不多見。

為進一步提高烏東德水電站“質量、安全、進度、環保、投資”五要素的綜合控制水平，提升工程建設及運行的管理能力和安全水平，烏東德籌備組基于三維數字化與物聯網技術，啟動了“數字烏東德”項目整體規劃，通過委托專業開發公司與科研單位，其一期探索項目“數字導流洞”系統經過半年的試運行已經正式上線并在施工區推廣應用，為烏東德水電站導流洞工程建設的協同作業與現代管理提供了基礎平臺。

2 “數字烏東德”的實施規劃與技術路徑

2.1 建設目標

建立一個以地理信息系統(GIS)為基礎的數字開放平臺，在其上構建三維幾何模型，在幾何模型上按工程項目劃分通過平臺接口加載各專業管理系統，包括集團公司已有優秀管理系統和工程建設中新提出的專業應用需求，除技術數據后臺維護部分以外，要求各系統前端界面支持網頁瀏覽，特殊功能通過添加插件方式解決。即：建設三個“一”，分別是：

一個數字地球儀；

一套專業管理系統；

一個優秀查看方式。

其中數字地球由三維地形、三維地質模型以及三維結構模型無縫疊加而成；一套專業管理系統指的是工程建設管理過程中各項管理業務工作機制的現代化技術協同應用與集成；一個優秀的查看方式應包括充分利用現代智能便攜設備，實時、全面、具體地查看所需信息。圖1顯示了數字烏東德的整體框架。

圖1 數字烏東德整體框架圖

2.2 技術路徑

2.2.1 三維可視化——數字地球儀

三維數字地球由三維地形、三維地質模型以及三維結構模型無縫疊加而成，其中：

(1)三維地形地貌

三維地形地貌主要利用衛片、航片及各種GIS技術等獲得數字正射影像圖DO M(圖2)及數字高程模型DE M(圖3)，通過疊加二者以達到三維地形地貌(圖4)，圖2為三峽壩區數字正射影像圖，圖3為三峽壩區數字高程模型，圖4為二者疊加效果。

圖2 三峽壩區數字正射影像圖

圖3 三峽壩區數字高程模型圖

圖4 疊加后的三峽庫區三維地形地貌圖

(2)三維地質模型與三維結構模型

通過采集地勘數據(圖5)或結構設計信息，利用三維建模軟件(如Gocad、CA TIA、Ske tch Up等)即可構建三維地質數字模型(圖6)或三維結構模型(圖7)。其中，借助專業的三維建模軟件，結構尺寸可以通過修改參數實時更新。

圖5 地勘成果圖

圖6 三維地質數字模型圖

(3)無縫集成

在三維數字地球上加載三維地形、三維地質模型以及三維結構模型，實現無縫集成(圖8)，作為專業管理系統的載體。

3 基于三維可視化的工程協同管理創新探索

“數字烏東德”的探索項目“數字導流洞”系統已經正式啟動應用并在施工區推廣。該系統開發了進度模塊、安全監測與反饋分析模塊。其中進度模塊主要實現了導流洞工程施工進度三維動態建設功能；安全監測與反饋分析模塊實現了動態設計、仿真分析與指導施工等主要功能。通過智能便攜設備的客戶端或瀏覽器即可進行施工區“現場辦公”，全面了解導流洞施工信息，及時優化設計方案或施工組織。

圖7 三峽大壩三維結構模型(導入Google ear th)圖

圖8 吉奧GeoGlobe圖

3.1 進度模塊——基于三維可視化的動態協同作業平臺

常規工作中通常采用PP T與word文件匯報，主要通過數據、表格、圖片形式表達實際情況與解決措施，需要花費較長時間才能從長篇累牘中了解狀況，不能在短時間內形象生動地建立感性認識，存在近期工作與累計工作對比不夠鮮明、討論內容引起偏差等問題，降低了會議效率。為解決這些問題，“數字導流洞”系統開發了三維動態展示、分析功能，通過各施工單位及時錄入施工計劃、進度數據，建立導流洞工程施工三維動態變化模型，及時顯示導流洞開挖、支護以及襯砌施工進度形象與施工環境，效果生動、形象。其具有以下特點：

(1)了解烏東德導流洞工程建設過程花費時間大大減少，工作效率的提高就像從讀“劇本”思索耗時走向觀“電影”輕松一樣，減少了會議時間；

(2)通過對比實際進度與計劃的差別，分析存在的實際問題，合理調整資源分配或更改計劃，爭取如期實現階段進度目標或減少工作超壓。圖9顯示了烏東德水電站右岸導流洞上游洞段開挖形象圖。

圖9 右岸導流洞上游洞段開挖示意圖

3.2 安全監測與反饋分析模塊——基于三維可視化的協同管理

為及時了解導流洞開挖過程中圍巖的穩定性，導流洞通常布設永久安全監測斷面和施工臨時安全監測斷面，結合現場巡查，發現圍巖變形后及時處理。但不能解決下層開挖圍巖變形預測問題，特別是當開挖過程中發現地質情況惡化時，不能快速預測下一層開挖后的圍巖變形。為此，安全監測與反饋分析模塊結合上層開挖安全監測資料，采用神經網絡反演分析圍巖力學參數，再利用反分析處的圍巖力學參數進行仿真計算，預測下一層開挖可能引起的圍巖變形，并根據圍巖類別，建立圍巖變形預警閾值，一旦圍巖變形達到閾值，數字導流洞系統將通過系統消息、郵件或手機信息(此二項尚待開發)等方式直接通知用戶，并在三維模型標出發生位置，在變形時程曲線中采用預警黃線給出危險程度。

通過安全監測與反饋分析模塊，給出了整個導流洞工程的三維結構模型，并在其上標出安全監測斷面位置，點擊后跳出安全監測斷面儀器埋設位置及示意圖(圖10)，點擊監測儀器后調出變形時程曲線，如果發現異常，可通過鏈接，調出開挖程序、施工環境或仿真計算成果(圖11)，綜合分析圍巖變形異常情況，及時啟動應急管理機制并調查圍巖變形異常原因。例如右岸3號導流洞K0+260安全監測斷面左側拱肩多點位移計監測數據突然增加，通過點擊系統消息，即可在三維模型中定位該監測斷面與儀器(圖10)，通過點擊儀器，即可調查變形時程曲線、周邊環境及開挖方案(圖11)，在較短的時間內了解現場情況，為正確決策分析提供及時、全面的資料。

3.3 智能便攜設備

圖10 3#導流洞K0+260安全監測斷面圖

圖11 3#導流洞K0+260安全監測斷面變形時程曲線與施工環境圖

通過智能便攜設備的客戶端或瀏覽器，加載“數字導流洞”系統即可進行施工區“現場辦公”，對著空間某一位置，即可了解未來施工完畢這一

位置的形象面貌、施工方案以及可能的圍巖變形情況，并根據這些信息合理調度資源，及時優化設計方案或施工組織。圖12為基于IPAD的“數字導流洞”系統(尚待完善)。

4 結論與建議

(1)數字化技術可實現工程建設三維可視化動態變化過程，可以通過分析實際進度與計劃之

間的差別，合理調整資源分配或更改計劃，爭取如期實現階段進度目標或減少工作超壓，實現可持續發展。

(2)安全監測與仿真計算，可以預測導流洞開挖圍巖變形，并通過設置閾值，及時預警，及時治理，確保工程建設的質量與安全。

(3)目前數字烏東德的建設工作尚處于初期探索階段。然而，已有的數字化工作已經顯示了巨大的潛在生產力，建議進一步利用信息化、數字化技術，提高工程建設數字化協同作業水平，提升工程建設管理水平與安全系數，進一步解放生產力。