大石峽水利樞紐工程智慧建設總體規劃與頂層設計

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、全球定位系統、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"互聯網+"的思維和BIM的跨界應用開拓水利創新之路，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，從水利工程的規劃階段開始，實現規劃、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阿克蘇地區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供水總量目標的前提下，承擔灌溉、防洪、發電等綜合利用，并為進一步改善向塔里木河干流生態供水過程創造條件。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統分兼顧、逐步迭代；⑨集中部署、保障運行；⑩健全機制、創新服務。

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、引領創新、協同共贏”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務閉環管理，實現質量、進度、成本及安全的統籌優化，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和安全體系是本平臺開發建設的基礎。

(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，為本工程監測監控站、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、規劃、梳理、抽取、交換、發布、服務等數據管理與服務，為云平臺業務應用提供數據服務。

(6)支撐層，主要通過GIM、GIS、云計算、區塊鏈、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、轉發等，是大數據中轉、處理中心，還包括有支撐平臺應用開發和支撐平臺服務的多個平臺系統，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)業務層，構建工程建設全過程的智慧業務應用系統，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”的全方位管理提供應用支撐，為工程協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、監理、施工、監督等相關人員。

4.2 技術架構

擬采用FWeb平臺(統一資源云服務平臺)，該平臺是資源管理平臺、網絡應用開發平臺、移動應用開發平臺、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架構風格，設計遵循標準化、可擴展性、先進性、穩定性等系統總體設計原則，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模式，可擴展性高、系統開發效率高等多個特點，可兼容WindowsServer、Linux、Unix等多個主流操作系統。

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、物聯網、移動互聯網、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、業務層、可視化展示層的縱向貫通，以及數據采集自動化、業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和集成外部成熟系統相結合的方式，通過標準化的接口，實現業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)基于工程建設物聯技術、BIM技術以及施工過程實時精細化管理系統，建立了“管理平臺在‘云’、施工過程實時監控在‘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務模塊與工程施工過程實時智能化監控系統的數據互聯互通、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、業務一條線、管理一張網”，達到工程建設各參建單位的協調共享的高效管理，保證工程建設質量和進度。

數據一個源：本系統建立統一的數據采集標準，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范為依據，并且結合水利樞紐管理的業務需求，建立數據采集標準，保證系統中的數據來源唯一、出口唯一，保證系統中數據管理的高效與可靠。另外系統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技術平臺的動態工程施工與結構優化等，實現工程建設施工的一張圖管理。

業務一條線：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、檢驗檢測管理等業務實現有機結合，保證各管理業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、業務協同、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務、數據、流程協同；現場施工類模塊對工程施工現場提供支撐功能，包括各項施工環節的實時智能化監控、各項施工作業監控、外部環境及施工污染監控、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同管理與監控，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、路徑規劃、環境感知、動作執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控系統如圖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、灌漿過程動態調控、灌漿質量實時評價的全過程的智能化監控。

(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，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控系統

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控系統

圖13 灌漿鉆孔隨鉆信息實時感知系統與主要傳感器測量信息

(5)基于區塊鏈技術，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，結合目前先進信息化技術發展現狀，開展了該樞紐工程智慧建設總體規劃與頂層設計，通過整個平臺架構的設計，遵循標準化、可擴展性、先進性、穩定性等設計原則，并且將目前最新發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控系統作為單獨的子系統進行建設，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，進行頂層設計與規劃的動態調整與優化，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