地下工程智能施工信息管理系統研發與應用

楊彬林 鐘為 林開盛 劉金飛 廖鴻江

摘要：在“云、物、大、智、移”新一代信息技術背景下，傳統水利水電工程建設管理模式與新技術的融合可有效助力 “智慧水利水電工程”的建設與應用。針對水電地下工程，綜合利用信息化、智能化手段，以工程安全、質量、進度為管控目標，構建了地下工程智能施工安全與質量實時監控系統，對地下工程建設信息管理進行了探索，該系統基本實現了安全實時監控、質量全程可追溯、進度動態控制、信息可視化集成展示。系統成果已成功應用到雙江口水電站地下工程建設過程中，可為水電地下工程“智慧工程”建設提供有益參考。

關鍵詞：地下工程;安全質量;智能監控;智慧工程;系統應用

中圖法分類號：TP18文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.013

文章編號：1006 - 0081（2021）03 - 0074 - 05

1研究背景

水電是綠色可再生能源，兼具防洪、灌溉、航運、供水、扶貧、旅游等綜合效益，是具有重大現實意義的民生工程、綠色工程、安全工程、和諧工程[1]。自改革開放以來，我國水電工程建設取得巨大成效，但仍然存在參與方眾多、管理對象復雜、協調工作量大、管控內容多等難點[2]。隨著大數據、云計算、物聯網、人工智能、5G時代的到來，社會結構和經濟模式都隨時代潮流而改變[3]。傳統水電工程建設亦順應時代潮流，引入了新技術和管理方式。涂揚舉等[4-9]根據企業管理的特點，提出了智慧企業體系建設方案，包括智慧電廠、智慧檢修、智慧調度、智慧工程四大業務單元的建設方法。其中，智慧工程作為智慧企業重要業務單元，已在大渡河流域水電工程建設管理過程中進行了大量嘗試，并發揮了重要作用[10]。

地下工程施工安全與質量實時監控系統是智慧工程的重要組成部分，該系統利用物聯網、全球定位技術GPS/北斗、建筑信息模型技術BIM、移動互聯技術IMS等現代先進信息技術對引水發電系統與泄洪系統的設計、建設和運行過程中涉及的施工資源、施工質量、工程進度等信息進行動態采集、自動分析、智能管控和閉環反饋。該系統能夠實現工程安全實時監測和預警、質量全過程可追溯、工程進度三維可視化實時監控以及進度分級預警和分級決策。該系統的研發與應用可為中國水電地下工程建設智能化提供有益參考。

2 系統設計

2.1 系統總體構架

地下工程施工安全與質量實時監控系統基于WebAPI及實時通信框架，搭載三維可視化基礎平臺，采用SOA的設計思想開發實現多層次的應用體系結構，如圖1所示。系統構架分為5個層級，由IaaS、DaaS、PaaS、SaaS、Users組成。其中，IaaS是獲取數據的最基本設施，主要負責硬件設備和網絡環境的條件保障;DaaS從各類外部系統或新建系統中獲取基礎數據，并提供接口接入數據上傳至通用服務層。PaaS提供數據服務和應用服務兩類支撐，數據服務提供統一的數據存儲、管理、供述，應用服務提供通用的服務構件。SaaS包括地下工程定位、質量評定、混凝土質量監控、信息可視化集成與預警決策業務的組織，其中信息可視化集成與預警決策業務是在其他業務模塊基礎上，集成其他業務并進行分析與預警。Users主要服務于現場施工及管理人員，通過PC、大屏幕、手機移動終端實現頁面展現、預警預報、指揮決策等功能。

2.2 基礎設施部署

地下工程施工安全與質量實時監控系統基礎設施設計如圖2所示，采用Oracle來對數據進行物理存儲，通過GIS服務器、數據交換服務器、移動應用服務器、FTP服務器及Web應用服務器對數據進行處理，經過SAN存儲區網絡傳輸至工作站進行呈現。

2.3系統數據結構及分析設計

地下工程施工安全與質量實時監控系統的數據結構由數據應用層、數據存儲層、外部系統及內部數據接口4部分組成。其中，數據應用層是從外部系統和內部數據接口，以及系統使用者獲取源數據，經過加工處理后錄入數據庫;數據存儲層是在數據源的基礎上，通過ETL進行數據整合形成供上層計算或業務使用的數據倉庫及數據集;外部接入系統通過接口鏈接向數據應用層及數據儲存層提供數據;內部數據接口主要功能是向系統應用層提供所需的數據，并批量導入至數據存儲層。

地下工程施工安全與質量實時監控系統數據分析設計分為5個核心技術。其中，系統采用BootStrap框架作為UI的基本實現，其他特殊需求采用DHTMLX的UI庫的功能進行實現，系統報表使用Echarts庫來呈現;系統主要業務功能實現采用PHP技術框架ThinkPHP，數據實時采集部分使用后端通信框架進行socket實時通信;系統數據庫采用Oracle對數據進行物理存儲，對于性能響應要求高的部分使用Redis內存存儲，提供給業務層訪問的數據接口有Restful接口和SOA服務。系統數據接入通過讀取數據采集設備獲取數據，根據需要使用ETL工具轉換數據進入Oracle關系數據庫中存儲。

3 系統功能設計及關鍵技術

3.1 系統主要功能設計

地下工程施工安全與質量實時監控系統包括施工工序質量驗評及單元工程質量評定、混凝土質量監控、施工進度信息分析與預警決策、質量信息分析與預警決策、施工安全監測信息集成與預警、人車定位管理模塊及三維動態設計成果管理模塊。

（1）施工工序質量驗評及單元工程質量評定由手機端APP控制，包括兩大功能：質量過程管理、施工日志管理。其中質量過程管理主要對開挖、支護、混凝土、灌漿、金結埋件及機電安裝進行驗評;施工日志管理對日志填報及日志審核進行驗評。

（2）混凝土質量監控模塊是集混凝土質量監控過程信息管理、實時監控、即時預警于一體的平臺，主要有混凝土原材料質量管理、混凝土生產質量監控、混凝土運輸調度監控、大體積混凝土振搗質量監控、混凝土缺陷管理等功能。

（3）施工進度信息分析與預警決策主要功能是負責施工進度計劃管理、施工進度計劃形象可視化、實際進度信息管理、實際施工過程動態可視化、施工進度偏差分析與預警、施工進度仿真預測、質量信息分析與預警決策。

（4）施工安全監測信息集成與預警主要功能有爆破震動、巖爆監測、施工環境監測及松動圈監測。其中，爆破震動及松動圈監測是對爆破震動及松動圈的數據導入，并為爆破震動及松動圈展示功能提供數據;巖爆監測主要是將巖爆監測數據導入，并在三維場景中展示;施工環境監測是將導入的施工環境監測數據在三維模型中展示。

（5）人車定位管理模塊應用RFID、UWB、GPS技術進行人員及車輛的定位，通過APP架構實現地下工程網絡覆蓋，主要有人員及車輛基本信息查詢功能、人員及車輛位置信息實時展示功能、人員及車輛歷史軌跡回放功能、人員及車輛到崗及越界情況分析功能。

（6）三維動態設計成果管理功能主要是對模型中指定部位的基本信息、附件信息、圍巖類信息的顯示。其中基本信息主要包括入庫時間、所屬部位、長度、圍巖類、起始樁號、終止樁號、開挖工程量、支護工程量、襯砌工程量、所屬標段、施工方法、描述等信息的顯示;附件列表主要是對該部位所有的成果文件的顯示;圍巖類信息主要是對該部位所有部段的圍巖類信息的顯示。

3.2智能地下工程系統關鍵技術

地下工程施工安全與質量實時監控系統依托數據外部系統接口與混凝土拌和樓、車輛定位系統、施工環境監測、爆破振動監測、巖爆監測、松動圈監測等系統實現數據集成4項關鍵技術。

3.2.1施工安全與質量感知方法及成套技術

該技術基于隧洞內高精度定位技術，實現了檢-驗-審各環節超時預警功能，具有地下工程施工質量驗評8類170余項驗評標準體系。

該技術設有大體積混凝土振搗過程中振搗覆蓋度、插入深度、振搗時長等混凝土振搗工藝智能化監控關鍵參數，并基于振搗能量密度的混凝土振搗質量分布算法研發了混凝土振搗棒監控智能穿戴設備，實現了混凝土振搗質量全過程智能監控與實時動態糾偏。

3.2.2施工-運行一體化工程安全風險監測技術

針對地下工程地應力高、安全風險高的特點，該技術設有感知傳感、受力承載一體化的內嵌光纖自感知智能錨桿（錨索），通過全時段、高頻次自動化數據采集功能，建立有錨桿（錨索）實時監測數據與錨桿（錨索）內應力變化情況的關聯評價機制;并融合了微震監測、爆破振動監測、施工環境監測傳感器和多源異構數據等技術，通過柔性測斜儀實現了洞室全斷面準確監測和在線實時監測。

該技術同時建立了地下洞室安全性態與監測信息耦聯機制以及地下洞室安全風險動態評估與預警模型，依托智能安全帽將預警信息傳遞到安全管控平臺，實現了地下工程安全的全方位智能管控。

3.2.3 施工安全與質量風險量化分析預警技術

該技術基于對工程建設狀態的實時智能感知，建立了涵蓋安全/質量/進度多維度、人/機/料/法/環等多要素、現場/部門/項目等多層級的六大類120項分級、量化、協同預警指標體系，并構建了基于智能感知大數據的趨勢分析與提前預警模型，基于智能感知海量數據創建了工程建設安全、質量風險量化評價、趨勢分析、提前預警和協同管控方法，有效提升風險管控能力、降低工程建設風險。

該技術同時將高精度微震監測技術引入洞室群開挖中，采用不同微震預警指標對地下洞室群圍巖穩定性進行評價，建立了基于微震監測和數值模擬的地下洞室群安全評價方法;并通過建立廠區三維地質模型和采用數值模擬手段研究深埋地下洞室群在開挖過程中可能出現的大變形情況，圈定和識別地下洞室群潛在風險區域。

該技術基于全面監測大數據的分析，提出了基于監測大數據的地下工程圍巖時空力學響應與安全穩定動態調控技術，實現了開挖強卸荷過程極高地應力地下洞室群穩定性的動態評價（圖3）。

3.2.4 三維動態設計及BIM數字預警技術

該技術基于智能感知和風險量化分析建立了設計-監測-施工聯動機制和開挖卸荷過程深埋地下廠房洞室安全預警機制;并基于爆破振動及松動圈監測數據建立了地下廠房開挖支護優化工法，獲取了適用于不同地應力地區最優爆破參數;形成了引水發電系統地下洞室群開挖支護施工程序中的關系，利用動態大數據指導施工。

該技術應用“云、大、物、移、智”及BIM等前沿信息技術，建立“智能感知-真實分析-實時饋控”動態管控理論，形成了集智能感知、真實分析、實時饋控功能于一體的大型地下工程施工智能管控平臺（圖4）;該技術可將設計信息集成到 BIM 模型中，通過系統平臺將 BIM 數據直觀、高效地傳遞給施工、監理和業主單位，現場施工信息通過系統平臺采集、加載在設計 BIM 模型上，設計單位基于反饋信息進行設計方案優化和調整。

4 系統應用

4.1 工程概況

雙江口水電站地處四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內，具有明顯的大陸性高原季風氣候特征，年平均氣溫一般在6 ℃以下，極端最低氣溫可達-36 ℃，平均海拔高度在2 500 m左右，最大地應力達38 MPa，強度應力比小于4。樞紐工程由攔河壩、引水發電系統、泄洪系統組成。攔河大壩最大壩高312 m，為同類心墻堆石壩中的世界第一高壩。工程的引水發電系統和泄洪系統主要由地下洞室構成，其中引水發電系統由進水口、壓力管道、主副廠房、主變室、出線系統、尾水調壓室、尾水隧洞、尾水塔等構成，泄洪系統由洞式溢洪道、深孔泄洪洞、豎井泄洪洞、放空洞等組成。

4.2 應用概況

針對雙江口工程特點，結合雙江口智慧工程總體架構，已經成功研發并應用了地下工程施工安全與質量實時監控系統。其中，地下工程混凝土施工質量管控初步應用于雙江口尾調交通洞和進水口混凝土澆筑中;施工進度信息分析與預警決策功能與人車定位系統相結合，應用于雙江口地下洞室中;施工工序質量驗評及單元工程質量APP與施工安全監測信息集成與預警已實現對地下工程的安全與質量全面管控;三維動態設計成果管理功能依托施工一體化BIM實現了設計數字移交及設計優化反饋。

4.3 應用成效

目前，該系統在雙江口水電站工程建設中應用已日趨成熟，社會經濟效益顯著，基本實現了安全實時監控、質量全程可追溯、進度動態控制、信息可視化集成展示的目標。

在安全實時監控方面，上報隱患9 000余次，及時閉合率99.7%，隱患處理閉合時間平均3.01 d;成功預警高風險巖爆、人員安全風險共計10余次，累計采集數據1萬余條，發布爆破振動二級預警2次、三級預警15次，發布巖爆監測三級預警1次，發布施工環境監測二級預警7次、三級預警292次。

在質量管理方面，實現了對施工質量和日志的全程管控，所有的質量驗評資料的傳遞都做到了按時、保質、保量;混凝土的配合比符合率達到95.5%，強度保證率達到95.4%，振搗覆蓋率達到96.8%;管理程序類表單120余類，質量驗評類表單50余類;工序三檢審批流程平均完成時間縮短至1.2 d，效率提升45%。

在進度動態控制方面，實現了隧洞施工面貌自動識別。結合施工資源投入、歷史施工工效和當前施工面貌，成功預警了關鍵線路進度偏差，及時輔助進度糾偏（圖5）。

在信息可視化集成展示方面，主要運用三維動態設計成果管理技術與人車定位技術相結合，創建了施工階段移交全景BIM信息模型，模型對象包括13 000余個，地質及設計屬性信息10萬余條;完成施工進度信息集成并向設計反饋1 000余條，安全監測信息集成及反饋20 000余條。通過BIM平臺完成設計優化8項，節約投資3 500萬元。

5結 語

地下工程智能施工安全與質量實時監控系統的開發應用是信息化、智能化時代下應運而生的產物，該系統的應用能顯著提高地下工程建設的數據整合能力、管理運行效率及風險預判能力，有效節約投資成本。該系統在其他水電地下工程乃至市政交通隧洞工程、城市地下空間施工領域都具有很強的推廣前景。同時，該系統可作為未來智慧工程的基礎，隨著新技術的出現，可促進水電工程智能化的進一步發展。

參考文獻：

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（編輯：江 文）