卡拉水電站智能建設系統研究與實踐

彭浩洋 翟海峰 何展國 李啟常

摘要：智能建設技術對復雜環境下大型水利水電工程安全、優質及高效建設具有重要意義。首先介紹了智能建設技術在國內幾個典型流域水電站中的應用現狀，然后從系統性、創新性、實用性、演進性4個方面總結了卡拉水電站智能建設系統的設計原則，并從基礎設施、智能業務管理平臺、智能建造和智能決策指揮4個層級對其系統架構進行了詳細闡述。結合卡拉水電站智能建設系統實際建設情況，總結了智能業務管理平臺的開發進展及綜合業務、設計管理、綜合展示、質量管理等典型模塊的應用成效。卡拉水電站智能建設系統的成功運用，極大提升了工程建設的技術與管理水平，可為同類水利水電工程智能化建設提供參考。

關鍵詞：智能建設系統； 智能業務管理平臺； 智能決策指揮； 卡拉水電站

中圖法分類號： TV222.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.053

0引 言

2020年7月13日國家13部委聯合印發《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，意見指出“以數字化、智能化升級為動力，創新突破相關核心技術，加大智能建造在工程建設各環節應用”［1］。可見，隨著科學技術和社會的進步，水利水電工程建設領域向智能化發展是大勢所趨。

大型水利水電工程建設和運行面臨著復雜的自然環境和社會環境，需要運用數字化、信息化、智能控制技術實現工程的安全、優質、高效及綠色建設。鑒于此，眾多學者提出了相應的水電工程智能建設的理論、方法、體系：李慶斌等［2］首次提出了智能大壩的定義，詳細論述了實時感知、驅動分析和個性控制的智能大壩三要素。在智能大壩初步實踐中，通過引入閉環智能控制模式，首創特高拱壩智能化建設理論和體系［3］，并進一步提出了大壩建設的智能控制理論，明確了“智能決策”與“自動控制”的兩大核心要素，同時建立了大壩智能控制系統［4］。依托溪洛渡特高拱壩建設實踐，樊啟祥等［5］開創性提出了“全面感知、真實分析、實時控制”的智能化建設理論，構建了大型工程建設智能化管理體系［6］，進一步地，提出了以數字化技術和智能化技術為核心，以水電工程數據模型為基礎，以智能建造管理平臺iDam為主體的智能建造技術體系［7］。在烏東德、白鶴灘工程建設實踐中，圍繞低熱水泥混凝土性能、混凝土溫控、大壩工作性態及iDam平臺等關鍵要素，研發了相應的智能化控制技術和管理系統［8］。依托白鶴灘拱壩建設，譚堯升等建立了以閉環控制為理論基礎，構建面向關鍵施工工藝和業務流程的智能建造筑壩理念［9］，王飛等提出了基于物聯網與智能技術的拱壩智能進度仿真理論和智能進度仿真分析方法［10］，確保了工程安全優質建成。

基于智能建設的理論、方法、體系，在水電工程建設實踐中形成了各種優質、高效的智能建設技術，包括：① 智能溫控。智能溫控是常用的、較為成熟的智能建設技術之一，如按溫控標準進行智能溫控，有效降低了低熱水泥混凝土的溫度應力，防止了裂縫產生［11］。而在溪洛渡［12］、烏東德［13-14］、白鶴灘［8，15］等特高拱壩建設中，智能溫控也得到廣泛運用，實現了大壩混凝土溫度的精準控制。② 智能灌漿。基于三區五階段P-Q-C-t聯動的智能灌漿控制方法，由智能灌漿單元機iCC和智能灌漿管理云平臺iCM組成的智能灌漿系統，實現了灌漿一體化智能識別和控制［16］。③ 智能碾壓。利用短波雷達、激光雷達、衛星定位等技術，實現了環境感知、行為決策、動作執行的大壩填筑全過程智能化碾壓施工［17］。④ 智能振搗。從混凝土壩振搗質量智能管控出發，以標準化施工工藝為基礎，以振搗工藝為研究對象，以振搗機為監控對象，實現了混凝土壩振搗過程的感知、分析、管控［18］。⑤ 智能養護。通過全面感知混凝土養護面的環境溫濕度和風速，定量計算混凝土表面濕度，實時反饋預警自動控制噴淋系統，實現混凝土保濕養護的智能控制［19］。此外，還有智能噴霧［20］、智能監控［21-22］、智能安全［23］等智能化建設技術被用于水電工程建設。雖然智能建設的理論、體系及關鍵技術在水利水電工程建設中得到了廣泛的運用，但是大多數智能化技術處于初期研發階段，智能建設系統的開發也僅僅是對智能化技術成果的集成，缺乏對工程建設的實時決策支撐。為了更好地服務于水電工程施工，開發全業務、全流程、全要素的水電工程智能建設系統具有重要意義。

本文以卡拉水電站智能化建設為例，首先闡述了智能建設技術在國內典型水電工程中的應用現狀，其次分析了卡拉水電站的建設特點及面臨的挑戰，并闡述了其智能建設規劃設計原則和總體架構，最后對卡拉水電站目前智能建設系統開發進展及在工程建設中的應用成效進行論述，以期為同類工程智能化建設提供參考。

1智能建設技術在水電工程建設中應用現狀

以國內典型的金沙江流域烏東德、白鶴灘水電站，大渡河流域雙江口水電站，瀾滄江流域黃登水電站為例，分析目前智能建設技術在水電工程中的應用現狀。

1.1烏東德、白鶴灘智能建造技術

烏東德、白鶴灘大壩工程智能建造是基于已建的溪洛渡大壩智能化建設平臺（IDam1.0），運用BIM、物聯網、大數據或可視化等前沿尖端信息技術手段，通過自動采集、無線傳輸、專家分析、動態監控、評價預警、終端推送、數據挖掘等方法，構建的大壩工程智能建造信息管理平臺，主要包含：大壩施工過程管理、技術管理、專業化子系統、智能生產控制、科研與仿真服務等5個方面［9］（圖1）。

（1） 大壩施工過程管理。按專業類型劃分，建立開挖、混凝土澆筑、灌漿等以單元工程及其工序與流程為施工過程的管理系統。

（2） 技術管理。集成設計成果、監理細則、施工方案等技術成果，實現技術文件數字化高效管理。

（3） 專業化系統。研發和集成安全管理、質量管理、工程計量、工程驗收等專業化子系統。

（4） 智能生產管控。研發和應用智能監控、智能通水、智能灌漿等智能生產技術，實現在線采集-后臺處理-遠程監控-預警預報-智能調控的智能生產管控。

（5） 科研與仿真服務。開展施工進度仿真及結構仿真等科研仿真服務，支持工程建設。

1.2雙江口水電站智慧建設技術

雙江口水電站智慧工程建立了全數據驅動的決策管理體系（圖2），包括綜合服務部、工程決策指揮中心、業務保障部和安全監察部，其中工程決策中心包含配套工程管控中心、機電物資管控中心、大壩工程管控中心、廠房工程管控中心、泄洪工程管控中心及人力資源管控中心［24-25］。

為保障管理體系的科學有效運行，基于移動互聯網、物聯網、BIM、大數據、云平臺、人工智能等信息技術，雙江口水電站智慧工程建設構建了“1個指揮中心+七大專業系統”的技術保障體系（圖3）。“1個指揮中心”為預警決策指揮中心，“七大專業系統”包含智能大壩工程、智能地下工程、智能機電工程、智能安全管控、智能服務保障、環保水保管理和人力資源管理系統，對工程的安全、環保、進度、質量及成本提供了有效的保障。

1.3黃登水電站智能系統建設

黃登水電站智能系統架構包含工程信息管理系統、施工過程智能監控及質量評價系統和后續可能開發的其它系統（圖4）。工程信息管理系統包括勘測設計管理、施工計劃管理、施工設計管理、備倉開倉管理、試驗檢測管理、質量評定管理和施工資料管理，主要實現參建各方的工作協同和工程信息數據的統一管理；施工過程智能監控及質量評價系統包括混凝土施工工藝監控系統、混凝土溫度控制監控系統、大壩基礎灌漿監控系統、大壩安全檢測系統等4個子系統，實現工程施工的全過程監控管理及質量控制。為促進系統的可擴展性和延伸性，黃登水電站智能系統通過預留接口方式為系統功能模塊的增加提供條件，進而實現全生命周期智能化管理。

上述典型水電站智能建設系統主要側重于智能化技術在工程施工中的應用，在一定程度上提升了工程建設水平及質量，但是對于智能化技術促進高效協同辦公、智能決策管理等更加全面的系統功能建設涉及較少。

2卡拉水電站的特點及智能建設規劃體系

2.1工程概況及建設挑戰

卡拉水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上，工程場址位于木里縣卡拉鄉。工程樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發電系統等組成。擋水建筑物采用碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 995 m，正常蓄水位1 987 m；泄洪消能建筑物為壩身表、中孔和壩后消力池；引水發電系統布置在河道右岸，電站總裝機容量1 020 MW，安裝4臺255 MW的立軸混流式水輪發電機組。

卡拉水電站建設主要面臨以下挑戰：① 技術上，地質條件復雜、工程建設風險點多、安全要求高、施工場地局促、施工組織難度大等；② 管理上，作為中國第一個從前期準備、主體工程施工、工程完建階段、試運行等全階段按總承包模式管理的百萬千瓦級大型水電工程，設計施工一體化難度大。因此，在工程管理及建設實踐中，迫切需要借助云計算、大數據、物聯網等信息化、數字化、智能化技術，研發更科學、更高效的智能建設系統，實現卡拉水電站工程全生命周期管理、全方位風險預判、全要素智能調控。

2.2智能建設規劃設計原則

卡拉水電站智能建設按照“內容全面、技術先進、設計合理、適度超前”的理念，遵循“系統性、創新性、實用性、演進性”的原則設計（圖5），統籌考慮工程建設和工程管理的實際需求，積極運用新思想、新技術推動新建造，實現“一次開發、迭代演進、流域推廣”的目的。

2.2.1系統性原則

平臺內容涉及多類用戶角色、多個工程業務管理環節，需要堅持系統性原則，從頂層對工程進行統一、全面的規劃設計。系統性規劃設計，在橫向上要面向流域級做好頂層設計，以卡拉水電站為試點，為雅礱江流域電站建設提供可參考的樣本和可復制的模式；在縱向上要面向工程建設全生命周期進行系統規劃設計，確保平臺建設內容全面覆蓋、數據全面感知、業務高效協同，最終完成系統一體化集成。

2.2.2創新性原則

平臺設計時堅持創新性原則，“穩中求進、適度超前”，不盲目追求“大（平臺）、多（系統）、新（技術）”。創新主要體現在三個方面：① 技術上創新，在智能碾壓、智能灌漿等智能建造應用方面有突破；② 業務上創新，在數據資產、檔案管理等智能建造管理方面有突破，在滿足現行法律法規、標準要求下，結合智能建設平臺數字化、網絡化、智能化的特點，積極推動工程建設管理傳統業務流程和工作方式的創新；③ 協同上創新，在質量一體化控制、安全自動化預警等智能建造應用場景上有突破。

2.2.3實用性原則

堅持實用性設計，從滿足工程需求和解決業務的痛點、難點、堵點的角度來規劃，確保規劃內容的可用、好用、管用。① 要保證系統的可用，要圍繞現場管理需求開展設計，相關應用技術成熟；② 要保證系統的好用，通過良好的人機交互設計和流程化，降低系統使用門檻和運維成本；③ 要保證系統的管用，確保系統能支撐工程建設“安全、質量、環保、進度、投資”等目標的達成。

2.2.4演進性原則

堅持演進性原則，確保平臺在技術上可以迭代升級和演進，在業務上可不斷擴展和優化。在總體設計上，通過統一規劃設計基礎設施建設體系，提供網絡、傳感、視頻、數據、模型算法等通用支撐能力，為未來擴展和演進提供堅實基座；在技術體制上，提出數據共享、業務協同、系統集成等方面的技術要求和標準規范，形成適用水電站工程智能建造的技術體系框架；在建設模式上，采用邊設計、邊開發、邊使用的迭代演進和敏捷開放方法，有效應對和快速響應各類新技術、新需求。

2.3智能建設系統總體架構

卡拉水電站智能建設系統包含“4個層級”，分別為基礎設施層、智能業務管理平臺、智能建造層和智能決策指揮層（圖6）。在標準規范體系和信息安全體系基礎下，通過構建基礎設施體系，可為智能業務管理平臺與智能建造提供包括物聯感知、網絡通信、計算與存儲等基礎支撐；智能業務管理平臺及智能建造服務于工程建設管理，同時為智能決策指揮系統提供一系列的基礎數據的支撐；智能決策指揮將工程管理過程中的關鍵指標進行統計分析后，以更加直觀清晰的方式輔助工程管理人員進行決策指揮。

2.3.1基礎設施層

基礎設施層是卡拉水電站智能建設系統的基礎，主要由物聯感知、網絡通信、計算與存儲、核心支撐四個部分構成。物聯感知包括智能業務管理平臺與智能建設相關應用采集數據所需的各類基礎設備，通過構建系統的物聯感知體系能夠全面地獲取工程管理所需的溫度、壓力、流量、現場監控等基礎數據。根據卡拉水電站現場實際情況，在不同施工區域使用最為合適的網絡通信設備，從而搭建出完整的網絡通信系統，為物聯感知所獲取的數據提供最優傳輸路徑與方式。計算與存儲方面，系統前期通過華東云、本地服務器的方式進行存儲與計算，系統運行穩定后遷移至雅水云。同時，系統通過構建數據核心支撐體系，實現各類信息數據的匯聚、整合、清洗與分析等，并為平臺服務及各應用集成運行提供支撐，實現系統之間的數據交換。基礎設施層作為各應用的基礎支撐，保證了系統在數據、技術、標準規范上的一致性。

2.3.2智能業務管理平臺

根據工程管理各方面的實際管理需求，構建協同化智能業務管理平臺，實現工程全業務、全流程、全要素的數字化管控。智能業務管理平臺分為基礎模塊和業務管理模塊兩大部分：基礎模塊包括系統門戶（登錄頁）、個人辦公、基礎數據與系統管理，它是平臺使用所需的基礎性功能；業務管理模塊包括綜合業務、綜合展示、設計管理、進度與施工、質量管理、安全管理等，它是工程管理過程中各項業務功能實現的具體模塊。

2.3.3智能建造層

智能建造層聚焦于工程施工，利用數字化、網絡化、智能化等信息化手段，提高施工效率并輔助工程管理者進行工程建設管理及決策。針對不同的管理對象或管理目標，卡拉水電站工程智能建造應用分為：智能廠房、智能大壩（含智能滲控）和智能園區三大部分內容。

（1） 智能大壩建設內容包括：復雜地質智能動態建模與管理、大壩邊坡智能錨固系統、大壩施工過程智能仿真與進度控制系統、混凝土生產及運輸過程智能監控系統、混凝土碾壓及熱升層質量智能監控系統、智能無人碾壓機群作業系統及智能振搗、混凝土養護過

程智能監控系統、大壩混凝土溫控智能管理、智能滲控管控系統。

（2） 智能廠房建設內容包括：地下洞室群施工安全智能分析與預警、地下洞室群施工進度智能仿真與控制、地下洞室群施工質量智能分析、地下廠房洞室群施工智能通風、地下廠房洞室智能錨桿（錨索）施工。

（3） 智能園區建設內容包括：安全管控中心、人員安全智能管控、機械物資安全智能管控、作業環境安全智能管控、體系流程安全智能管控。

2.3.4智能決策指揮層

智能決策指揮層包括決策支持、指揮調度和智能場景應用。決策支持是面向工程建造和管理的各個環節和階段，匯聚關鍵性指標并進行可視化展現，為用戶快速掌握現場施工和業務管理的相關決策指標提供支撐。指揮調度為聯系工程參建各方用戶提供了依托，可面向日常、特定事項、應急事件等不同場景提供三級聯動指揮調度的能力。智能化場景應用的核心目標是打通各系統功能能力和數據能力，實現跨層級、跨部門、跨系統、跨業務、跨數據的協同。場景以解決業務難點、問題和事項任務為導向，通過創新或連貫業務流程邏輯，對功能和數據進行重新組合，從而充分發揮出已建設各系統的功能和數據價值。

2.3.5應用終端

對于不同業務應用場景，系統設置豐富的應用終端形式，包括電腦端、平板端、手機端、大屏端。系統應用的主要終端為電腦端，平板端主要應用于工程現場的質量驗收，手機端用于移動辦公，大屏端主要用于會商展示、指揮決策等。

2.4卡拉水電站智能建設系統創新

相較于烏東德、白鶴灘、雙江口、黃登等水電站智能建設系統，卡拉水電站智能建設系統具有如下創新。

（1） 智能建設相關系統技術、業務與信息數據標準的統一，實現工程數據實時監測、業務協同管理、數據分析與智能決策的需求。

（2） 全業務、全流程和全要素的數字化，最終實現項目電子文件單套制歸檔與數字化移交。

（3） 建造智能化、管理標準化、標準流程化、流程信息化，實現工程建設管理由條狀分割向協同運作轉變。

（4） 實現工程建設與工程管理過程的自主協調、智能優化和持續創新，促進工程建設管理和決策方式的提升和優化，提高工程建設管理水平，建設智能化標志性工程，形成全生命周期數字資產。

卡拉水電站智能建設系統還可為智能電廠建設提供數據基礎和建設支撐，為雅礱江流域大型水電站建設提供可復制、可推廣的智能建設體系，對推動工程建設與互聯網融合發展及推動行業技術發展進行了有益的探索和實踐。

3卡拉水電站智能建設系統開發進展及成效

卡拉水電站智能建設系統具有功能多、工作范圍廣、開發周期跨度長等特點，系統建設進度需與工程施工進度計劃相匹配。根據工程建設階段，卡拉水電站智能建設系統將按照“分步建設實施”的建設原則，并綜合考慮工程現場實際施工情況，分階段對智能建設系統進行開發。目前卡拉水電站處于工程建設前期，系統主要實現了智能業務管理平臺的開發，智能建造及智能決策指揮等功能系統在逐步規劃實施中，因此本節主要闡述智能業務管理平臺的開發進展及應用效果。

3.1智能業務管理平臺

智能業務管理平臺以工程建設管理為核心，通過全面地梳理工程管理需求，實現工程全業務、全要素、全流程的數字化管控。智能業務管理平臺模塊組成如圖7所示，共包含系統門戶、個人辦公、綜合業務、綜合展示、設計管理、進度與施工、質量管理、安全管理、環水保管理、投資管理、文檔管理、基礎數據、系統管理共計13個一級功能模塊，各一級模塊下共計59個二級模塊和84個三級模塊。

3.2智能業務管理平臺典型模塊開發進展

（1） 綜合業務模塊。

根據卡拉水電站現場參建單位實際情況，綜合業務模塊分為業主文件、監理文件、總包文件、試驗檢測中心文件、測量中心文件、環水保中心文件、物探中心文件等7個二級子模塊，目前已全部上線。

綜合業務模塊通過全面梳理各參建單位之間往來文函等文檔管理的業務流程，建立標準化流程、規范化電子表單庫，實現各參建單位之間往來文函等規范電子文檔（除設計成果）的形成、流轉、檢索等功能應用，極大地提高各參建單位間協同辦公效率。此外，與流程相關的各單位均可實時監控文件流轉情況，查看審簽意見，從而提高文件流轉、報審的工作效率。

（2） 設計管理模塊。

設計管理模塊已開發設計報告報審、設計圖紙報審、設計修改通知報審、設計成果和設計變更管理等5個二級子模塊。

設計管理模塊主要用于設計成果的線上報審，通過定制流程模板，實現各類設計文件的跨地域、跨單位

協同辦公。特別地，設計管理模塊中，設計圖紙報審及設計修改通知報審時，將填寫設計工程量形成設計投資信息，該信息將通過工程部位的關聯關系，向投資模塊提供設計工程量及投資數據。

（3） 綜合展示模塊。

綜合展示模塊已開發電子沙盤、設計模型、模型管理及模型應用4個二級模塊。

綜合展示模塊主要實現了BIM模型的管理與應用，并為用戶提供建管信息的可視化展示場景。支持BIM模型從上傳、發布、審核、瀏覽、信息集成、數字化移交等的一站式管理，支持多源異構數據的一體化融合與輕量化展示。

（4） 質量管理模塊。

質量管理模塊目前已開發體系管理、材料管理、工程檢測、質量驗收、檢查考核、質量提升等6個二級子模塊。

質量管理模塊是對施工過程中的質量體系、材料管理、工程檢測、檢查考核、質量提升方面等業務進行在線管理，同時在材料管理、工程檢測環節通過對質量驗收表單的結構化填報，實現顆粒度精細至單元工程層級的建設項目全過程電子化質量驗收評定，全面覆蓋工程質量管理各業務環節，助力工程質量建設。

3.3智能業務管理平臺應用成效

綜合業務模塊上線以來，已處理業主文件1 577份、監理文件2 591份、總包文件2 484份、試驗檢測中心文件61份、測量中心文件5份、環水保中心文件4份、物探中心文件63份，極大提高了參建單位間協同辦公效率，同時電子文件的應用將極大地簡化歸檔程序與工作。

設計管理模塊上線以來，設計報告報審63份，設計圖紙報審195份，設計修改通知報審71份，設計成果形成255份，通過系統審查預警，嚴控各環節報審時長，大幅提高設計管理工作效率。

綜合展示模塊已完成電子沙盤、設計模型、模型管理、模型應用等模塊的開發上線，發布了永久建筑物、臨時建筑物等主要建筑物模型，電子沙盤的業務專題已完成監控專題開發上線，已接入攝像頭34個，實現工程現場施工的在線可視化監控。

質量管理模塊上線以來，單元工程驗評數1 808個，驗評表單填寫超過21 000張，流程實例完成705個，實現了工程建設質量的全過程數字化管控、全鏈條追溯，全要素覆蓋，極大提高了工程質量管理水平。

其他業務模塊也基本開發上線，如環水保管理模塊上線推廣使用后已產生數據共計7568條。投資管理模塊上線后實現了卡拉水電站2022年第三、四季度全線上結算。卡拉水電站智能建設系統的成功運用，不僅提高了各參建單位系統辦公效率，更是實現了工程更安全、更高效、更精準的建設和管理需求。

4結 語

卡拉水電站智能建設系統遵循“系統性、創新性、實用性、演進性”的原則設計，包含基礎設施層、智能業務管理平臺、智能建造層和智能決策指揮層“4個層級”。經過系統前期開發，卡拉水電站智能建設系統中的智能業務管理平臺已初具規模，綜合業務、設計管理、綜合展示、質量管理、投資管理、環水保管理已上線運行并取得良好的工程成效。卡拉水電站智能建設系統的開發運用極大提升了工程建設的技術與管理水平，帶來了較大的經濟與管理效益，對推動卡拉水電站智能化建設具有重要意義。

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（編輯：鄭 毅）