數字孿生東莊水利樞紐智能建造管控系統研究與應用

摘" 要：東莊水利樞紐工程是大體積混凝土雙曲拱壩，在建設過程中，時刻面臨著混凝土溫度裂縫、灌漿壓力、平倉振搗質量等諸多問題。為滿足智能建造需求，以微服務為技術架構，集成混凝土施工智能溫控、混凝土平倉振搗監控、混凝土生產過程監控、數字孿生等技術，通過匯集和處理現地監控數據，構建了基于BIM+GIS的數字孿生東莊水利樞紐智能建造管控系統，為工程建設有效地提供了決策支持和遠程監控。

關鍵詞：水利工程；混凝土；智能建造；數字孿生

中圖分類號：TP273；TP242" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2025）04-0133-06

Research and Application of Intelligent Construction Control System for Digital Twin Dongzhuang Water Conservancy Hub

CHEN Jianchang， TIAN Yongsheng

（Yunhe （Henan） Information Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou" 450003， China）

Abstract： The Dongzhuang water conservancy hub project is a mass concrete hyperbolic arch dam， which constantly faces many problems such as concrete temperature cracks， grouting pressure， and quality of leveling and vibration during the construction process. To meet the requirements of intelligent construction， the intelligent construction control system for Digital Twin Dongzhuang Water Conservancy Hub based on BIM+GIS is constructed by collecting and processing on-site monitoring data， which adopts microservice as the technical architecture and integrates the technologies including intelligent temperature control for concrete construction， monitoring of concrete leveling and vibration， monitoring of concrete production processes， Digital Twin and so on. It effectively provides decision support and remote monitoring for project construction.

Keywords： water conservancy project; concrete; intelligent construction; Digital Twin

0" 引" 言

東莊水利樞紐工程屬于混凝土雙曲拱壩，為大體積混凝土結構，在建設過程中，面臨著溫度裂縫、灌漿壓力、平倉振搗質量等嚴峻問題挑戰[1-3]。隨著溪洛渡，白鶴灘等特高拱壩的建設成功，數字化、智能化的建設管控手段[4-5]，以及物聯網、大數據、人工智能、云計算、區塊鏈等先進技術[6]在智能建造領域運用也越來越深入，對水利樞紐的建造起到了很大的支撐作用。

近年來，水利部先后出臺《“十四五”智慧水利建設規劃》《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》等系列文件，為水利工程數字孿生建設確立了方向并提出了技術要求。通過將數字孿生技術應用在水利樞紐智能建造領域，對進一步提高智能建造的模擬仿真水平，實現水利樞紐的高效、穩定、高質量建設具有重要意義。

本文研究的數字孿生東莊水利樞紐智能建造管控系統，基于BIM+GIS數字孿生平臺，將智能建造關鍵技術與大數據、云平臺、數字孿生、IoT等技術相結合，實現東莊水利樞紐工程建設過程中“全面感知、可靠傳遞、智能處理、高效協同、便捷應用”的工程信息化目標，充分發揮工程建設效益。

1" 智能建造管控系統架構

數字孿生水利樞紐智能建造管控系統采用五層體系框架，即數據采集層、基礎設施層、孿生支撐層、業務應用層和綜合展示層，以及網絡安全體系和保障體系等組成，如圖1所示。

1.1" 數據采集層

數據采集主要是大壩澆筑智能溫控、平倉振搗智能監控、混凝土生產過程監控、混凝土運輸過程監控數據的采集，并將數據通過網絡傳輸至數據中心。通過埋設各類傳感和控制儀器，實現混凝土溫度、冷卻通水、混凝土生產、混凝土運輸等信息的實時自動采集和傳輸。信息采集是整個施工智能監控的基礎，是東莊水利樞紐工程施工智能監控的“眼睛”，關乎整個施工監控系統的成效。

1.2" 基礎設施層

基礎設施層是整個系統的底層物理基礎，是其他各層的依托，主要包括計算、存儲、機房、大屏監控等實體環境和有線網絡、無線網絡、北斗通信、物聯網等通信環境。

1.3" 孿生支撐層

孿生支撐層主要包括數字孿生基礎平臺和大數據中心。數字孿生基礎平臺和大數據中心是整個信息化系統的核心中間層，是構建連接基礎設施和應用系統的橋梁，是以應用服務器、中間件技術為核心的基礎軟件技術支撐平臺。

數字孿生基礎平臺由BIM平臺、GIS平臺、BIM+GIS孿生基礎平臺、公共服務、分布式組件等組成。通過工程全量多維建模，構筑工程BIM模型數據，融合庫區及流域地理空間數據，形成多維多尺度時空數據底板，并對外提供調用接口服務，如圖2所示。

大數據中心對基礎數據、監測數據、業務數據、共享數據、地理空間數據等進行集中存儲、規范管理，可對數據進行交換共享與數據分析，為業務應用系統提供完善的數據資源支撐。

1.4" 業務應用層

業務應用層聚焦工程施工智能管控、智慧工地、工程建設管理、數字孿生基礎應用、工程數字門戶、協同辦公系統等是東莊水利樞紐工程建設過程中的核心業務需求，用于實現工程信息化的核心業務邏輯，是水利工程智慧化的直接體現和應用。

1.5" 綜合展示層

綜合展示層以東莊水利樞紐工程區域基礎地理信息系統和BIM模型為載體，集成工程的基本屬性、澆筑監測監控信息、建設管理信息等數據，運用BIM、GIS、VR等展示技術，通過Web、移動、大屏等終端進行顯示，為用戶提供管理和決策環境，打造用戶與系統平臺實時交互的窗口。

2" 系統技術架構設計

東莊水利樞紐智能建造管控的業務系統采用B/S模式建設，分為工程監管數字門戶、大壩澆筑智能溫控應用平臺、數字孿生基礎平臺、樞紐工程施工智能管控、水墊塘二道壩施工管控、引水發電系統施工管控、平倉振搗智能監控、混凝土生產過程監控等子系統。鑒于子系統數量較多，且業務邊界明顯，為了降低各子系統之間的耦合度，提高服務的獨立性，便于后期維護和拓展，采用Spring Cloud微服務架構[7]進行建設，如圖3所示。

3" 系統功能組成

3.1" 工程監管數字門戶

工程監管數字門戶是應用服務的集中管控平臺，匯聚整合大壩澆筑智能溫控應用平臺、數字孿生基礎平臺、樞紐工程施工智能管控、水墊塘二道壩施工管控、引水發電系統施工管控、平倉振搗智能監控、混凝土生產過程監控等子系統，實現用戶統一管理、角色集中授權、權限統一認證、系統單點登錄、建設內容管理和展示的功能，如圖4所示。

3.2" 數字孿生基礎平臺

基于WebGL技術和B/S架構，將BIM與GIS集成進行場景的深度搭建，包括BIM模型與DEM/DOM、傾斜攝影的融合、坐標系轉換等，打通數據接口、模型接口、場景接口等，構建具備以地理信息為支撐、工程全景建模疊加、數據孿生智能服務功能的BIM+GIS數字孿生基礎平臺，全面支撐工程建設智能管控的三維可視化功能的實現。

數字孿生基礎平臺支持大壩相關BIM模型、庫區地形地貌三維模型、GIS數據模型的管理、融合、注冊、發布，對外提供服務接口，為工程建設智能管控三維可視化仿真展示提供輕量化模型服務支撐，如圖5所示。

3.3" 大壩澆筑智能溫控應用平臺

大體積混凝土水利工程施工智能溫控以混凝土防裂為根本目的，運用自動化監測技術、GPS技術、無線傳輸技術、網絡與數據庫技術、信息挖掘技術、數值仿真技術、自動控制技術與通水冷卻溫控措施相結合，形成一套針對施工現場的大體積混凝土防裂動態智能溫控應用平臺。

大壩澆筑智能溫控應用平臺[8-9]以溫控設備采集數據為基礎，依托溫升預測預報模型、理論溫控曲線模型、智能通水控制模型、溫控效果評價在線模型、智能保溫在線模型進行在線數據分析，同時結合人工智能算法，對監測數據進行自學習和自修正，并預測未來數值的變化。該平臺以數據為基礎，以模型為核心，實現了溫控信息采集傳輸、溫控信息管理評價、開裂風險實時預警、智能通水、智能保溫決策支持、溫控信息智能發布與干預等功能。

3.4" 樞紐工程施工智能管控

樞紐工程施工智能管控系統基于大壩混凝土溫度、大壩碾壓、大壩壩基灌漿等建設全過程自動監測數據，實現了施工過程的智能化預警與控制。分設工程灌漿智能監控、大壩混凝土澆筑施工監控、大壩混凝土智能溫控和大壩施工綜合監控子模塊，基于大數據技術，通過數據中心將動態采集的大壩智能灌漿、大壩澆筑監控、大壩智能溫控、過程控制、質量驗評等監控數據進行讀取和處理。同時結合數字孿生基礎平臺提供的BIM+GIS場景服務，實現樞紐工程施工過程數據與場景的交互功能，如圖6所示。

3.5" 水墊塘二道壩施工管控

水墊塘二道壩施工管控系統基于數字孿生基礎平臺服務，以水墊塘二道壩BIM模型為載體，通過讀取數據中心施工實時監測數據，實現水墊塘二道壩基礎開挖、混凝土澆筑及施工進度質量的全流程監測預警和智能化管控功能，為大壩工程的單元工程、分部工程、單位工程驗收評定和竣工驗收、安全鑒定及后續驗收、運行管理提供數據信息平臺，實現了具有實時性、連續性、自動化、高精度等特點的水墊塘二道壩施工管控系統。

3.6" 引水發電系統施工管控

引水發電系統施工管控系統基于數字孿生基礎平臺服務，以引水發電BIM模型為載體，通過數據中心讀取爆破環境監測數據、施工各類檢測監測數據、設施設備安裝調試檢測監測數據，和多要素分析評價專業模型，對引水發電系統施工過程中的質量、進度進行檢驗評估，實現電站地下硐室開挖爆破、混凝土基礎澆筑、預埋件安裝等施工進度質量的全流程監測預警和智能化管控功能。

3.7" 平倉振搗智能監控

混凝土平倉振搗監控[10]基于高精度GNSS、UWB、姿態傳感器及測距傳感等功能，實現平倉振搗作業過程參數實時感知；以現場構建的無線網絡為基礎進行實時數據傳輸，并基于工區有線網絡實現數據實時回傳；通過構建智能分析數據庫與模型庫，實現平倉過程智能監控、振搗過程智能監控及平倉-振搗協同分析。

平倉振搗智能監控系統主要功能包括施工機械派遣、施工過程實時監控與預警、圖形報告生產等功能。施工機械派遣是根據現場施工情況，由監控人員及時進行平倉機、振搗機及人工振搗棒的設備派遣，通過機械派遣可以使得相對應機械數據在倉面的實時展現。施工過程實時監控與預警主要是基于圖像算法，以BIM輕量化模型得到的倉面坐標為底圖，將平倉過程、振搗過程實時數據在倉面內實時繪制，并通過平倉-振搗過程分析，實現施工效率分析與反饋，如圖7所示。圖像報告生產是基于監控成果，以倉面坐標作為底圖進行相關厚度、覆蓋率及振搗參數圖像報告繪制，可為后續倉面驗收提供參考。

3.8" 混凝土生產過程監控

采取GNSS定位、傳感器、UWB、數據傳輸等技術實現對拌合樓生產、運輸車、纜機時空位置及作業狀態的實時感知，并將數據通過無線和有線網絡實時傳輸至數據中心。

混凝土生產過程監控系統通過讀取數據中心混凝土拌合樓生產過程實時數據，實現拌和過程每一盤混凝土偏差狀態的智能分析，并針對超出偏差閾值的狀態進行智能反饋預警；系統通過讀取數據中心運輸車、纜機時空位置及作業狀態實時感知數據，并運用空間匹配方法實現運輸車與纜機的時空匹配分析，同時基于BIM+GIS場景實現運輸車輛與纜機時空狀態的智能可視化分析與反饋。

4" 結" 論

在數字孿生智能建造管控系統的支撐下，有效保障了東莊水利樞紐建設的順利進行。目前東莊水利樞紐已完成澆筑371倉，澆筑高度達728 m，澆筑方量達107萬立方米。本系統主要特點包含如下幾個方面：一是本系統緊密結合混凝土大壩建造過程中混凝土溫控、振搗、澆筑、生產、運輸全過程的大壩澆筑智能監控體系；二是本系統構建了BIM+GIS數字孿生基礎平臺，建立覆蓋大壩、二道壩、引水發電系統的全量模型并支持智能建造的業務應用；三是本系統圍繞工程實體建設過程，通過匯集和處理現地監控數據，基于微服務架構實現了決策支持和遠程監控為一體的智能建造管控系統。本系統實現了東莊水利樞紐工程“全面感知、可靠傳遞、智能處理、高效協同、便捷應用”的工程信息化目標，充分發揮了工程建設效益。

參考文獻：

[1] 張慶龍，馬睿，胡昱，等.大體積混凝土結構溫度應力智能控制理論 [J].水力發電學報，2021，40（5）：11-21.

[2] 樊啟祥，黃燦新，蔣小春，等.水電工程水泥灌漿智能控制方法與系統 [J].水利學報，2019，50（2）：165-174.

[3] 楊寧，李靜，周紹武，等.高拱壩混凝土振搗智能控制技術研究與應用 [J].中國農村水利水電，2018（8）：176-178+185.

[4] 譚堯升，樊啟祥，汪志林，等.白鶴灘特高拱壩智能建造技術與應用實踐 [J].清華大學學報：自然科學版，2021，61（7）：694-704.

[5] 徐建軍，徐建榮.白鶴灘水電站特高拱壩技術創新與實踐 [J].水電能源科學，2024，42（11）：1-6.

[6] 張鐘壬，馬睿，胡昱，等.大壩智能建造智能化程度評價方法探討 [J].水力發電學報，2023，42（12）：108-118.

[7] 葛萌，李闖男，歐陽宏基，等.基于Spring Cloud 的微服務架構的應用與實現 [J].現代信息科技，2021，5（19）：23-26.

[8] 劉毅，辛建達，張國新，等.大體積混凝土溫控防裂智能監控技術 [J].硅酸鹽學報，2023，51（5）：1228-1233.

[9] 林鵬，李慶斌，周紹武，等.大體積混凝土通水冷卻智能溫度控制方法與系統 [J].水利學報，2013，44（8）：950-957.

[10] 鐘桂良，尹習雙，劉金飛，等.大壩混凝土施工全過程智能監控系統研究 [C]//創新時代的水庫大壩安全和生態保護——中國大壩工程學會2017學術年會.長沙：黃河水利出版社，2017：431-438.

作者簡介：陳見長（1992—），男，漢族，河南鄭州人，工程師，碩士研究生，研究方向：水利信息化。

收稿日期：2024-09-05