大型水电工程现场基础数据采集及决策支持系统

◎ 中国葛洲坝集团 江小兵 陈献周

北京航空航天大学经管学院 朱焱华

大型水电工程施工中存在工程规模大，质量、成本、进度监控点多面广，监控数据烦杂，安全运行预警要求高等问题。综合利用物联网、无线互联、移动终端等信息技术的最新成果，对工程进度、工作方量、物料消耗、机械台班、人力资源分配等方面的管理基础数据，以及土石方挖填与运输、砼生产与浇筑、砼骨料生产与运输、金属结构制作与安装等方面的生产基础数据，进行实时与准实时的采集与计算，然后利用三维动画技术，实现施工过程动态的三维数字化仿真和施工现场的智能化指挥调度与监控，并按照成本精确管理、质量过程追溯等管理模型对基础数据进行挖掘分析。为企业内部的协同工作、资源协调、项目决策等提供支持，实现数字化、信息化的智慧工地。

引言

随着现代生产力的发展和数字技术的广泛应用，为确保工程质量，节省工程投资，保证电站安全运行，用传统的方法和手段来管理是远远不够的，必须有一套现代化、高科技的管理方法和管理手段来进行全面管理和统筹。

在大型水电工程施工中，存在工程规模大，质量监控点多面广，监控数据烦杂，安全运行预警复杂等问题，为此，必须自动采集足够的、完整的基础控制信息对大坝的质量和运行安全进程进行及时分析。此外，施工单位及运营管理单位积累了大量宝贵的数据、信息和知识，这些资料往往分散在不同部门，或者存储在经验丰富的技术人员或专家大脑中，需要利用信息技术、知识发现、知识管理的理论对这些资料进行整合。

水电大坝施工过程数据采集及决策支持系统的研究开发，为水电大坝的建设和运行质量、安全提供先进的管理路径，产生巨大的潜在效益。

水电行业与其它行业相比，有其独有特点，主要表现在施工点分散、信息收集量巨大、通讯不畅等方面，这些无法改变的行业特性，给管理带来致命的影响。葛洲坝集团在40多年的发展历程中，在利用信息技术进行企业管理方面做了大量的基础工作，并取得了较好的成果。特别是在工程施工一线建成了若干基于整合信息资源，在广域网的基础上建立了覆盖全球各施工项目点的企业信息网络；研究出符合水电施工企业的现代化信息管理模型，并制定相应的行业标准；建立施工过程数据采集模型，具体包括大坝土石方开挖数据采集模型、大坝土石方填筑数据采集模型、大坝混凝土浇筑数据采集模型。研制、开发了一批功能完备的水电大坝施工、运行过程数据采集设备（包括大坝土石方开挖、填筑和混凝土浇筑等数据采集器），建立完善的数据采集、分析系统；建立一个以计算机信息中心为网络核心的企业数据仓库。为建设数字工地、智慧工地奠定了坚实的理论基础，并解决了分散式数据采集的难题。

智慧工地的意义

随着我国经济建设的快速健康发展，能源供应的紧缺已成为制约经济建设的一大“瓶颈”，电力供应不足的矛盾越来越突出，因此近几年乃至今后一个时期许多大型水电工程已陆续或即将上马，而这些工程往往都是关系“国计民生”的重点项目。如何提高工程的施工进度，如何保证工程施工质量，如何整合企业已有的信息资源和先进的信息技术来提高水电施工企业的信息化管理水平，如何利用企业有限的技术资源及时解决施工过程中出现的各种技术问题，如何保存和整理浩瀚复杂的原始记录等问题，已成为水电工程施工和水电行业施工企业急待解决的突出问题。作为有着丰富施工经验和雄厚技术实力的中国葛洲坝集团，已经在这些问题上做了许多积极的探索，取得了一系列卓有成效的成果。“大型水电工程现场基础数据采集及决策支持系统”就是针对这些问题提出的。

项目成果可广泛应用于大中型水电站的施工管理和运行管理，全面提升水电施工企业乃至建筑施工企业的信息化水平，节省工程投资，极大地提高工程施工与管理的现代化水平，对提高大坝的施工质量和运行安全有着极其重要的作用。该系统对水电行业施工企业乃至建筑施工企业的信息化建设将起到重要的示范效应。同时有利于国家安全。

本项目的成果“混凝土生产输送浇筑过程计算机综合监控系统”、“常态混凝土仓面浇筑管理系统”、“碾压混凝土仓面浇筑管理系统”已成功应用于三峡二期工程、三期工程、公伯峡电站、水布垭工程、龙滩工程、洞坪电站等工程，产生了较好的经济效益和社会效益，同时受到工程业主、设计和监理单位较高的评价。“大型水电工程现场基础数据采集及施工决策支持系统”就是基于业主对于工程进度和质量安全的高要求，是基于施工现场信息收集、施工过程管理、信息分析决策的需要，是基于信息技术、网络技术和智能技术的普及和发展的基础，是基于水电施工企业已有的信息化基础、信息化技术的应用和企业管理现代化的需要。系统将推动广大水电行业施工企业的信息化建设，必将得到业主、设计和监理单位的积极推进。

面对我国今后一个较长时期水电建设的高潮，面对入世后国外建筑承包商的国际性竞争，在这个向管理要效益，向信息要效益的市场经济环境中，本项目的成功研发，为我国水电行业施工企业乃至建筑业施工企业的信息化管理开辟一个新途径，提供一个新典范。其成果是可以复制的，应用前景是广阔的，推广也是迫切的。

研究方法和技术路线

本课题的研究和实施主要依托如下三种方法：

产学研结合。承担本项目的葛洲坝集团公司具有丰富的施工经验，对项目要解决的问题有深刻的认识，并拥有国家级企业技术中心。与清华大学、北京航空航天大学、西安交通大学和河海大学等知名高校合作，拥有具有雄厚的科研实力和科研院所，可以解决项目中的关键技术问题。

总结已有经验，依托大型工程。葛洲坝集团已承建了三峡工程、葛洲坝工程等国际国内顶级水电工程项目，将这些工程经验总结归纳，研究出的成果进行标准化、数字化和信息化，并将之推广到水电建设领域的其他所有项目生产管理中去。

多学科密切配合，保证项目顺利实施。本项目涉及水电工程建筑、质量控制、成本控制、计算机软件、硬件等多个学科内容。葛洲坝集团公司组织工作在一线的工程技术和计算机开发人员，并联合高校力量，共同开发完成项目。

混响是海水介质中和界面上大量不均匀散射体的声散射在接收点的叠加。与其他类型的噪声不同，混响是由发射信号引起的，其频谱与发射信号几乎相同，单独增加发射信号能量，混响也随之增大，目标检测能力并未提高。在混响背景下，匹配滤波器的检测指数[7-8]为

主要技术路线如下：

利用物联网技术，将自动化设备进行互联，实现自动设备生产与运行数据的实时采集；利用射频数据技术，在生产部位或机位埋设传感器，将生产过程数据进行实时或定时采集；利用移动计算与3G互联技术，将施工人员与调度人员等岗位的手工制单过程，转换为通过3G移动终端进行定时或定期录入并实时上传，作为自动化设备自动采集与传感器定时采集的补充；利用计算机网络技术，实现项目部数据与总部管理系统的实时交互。

利用三维绘图技术，将项目施工过程进行三维、实时动态展现，并与工程设计方案与施工设计进行动态对比，实现施工进度管理、质量管理、成本（投资）控制、安全文明施工管理等的智能管控与决策支持；利用地理信息系统( GIS) 技术，实现工程施工过程的全仿真再现与预测。

利用数据库与数据仓库、数据挖掘技术，实现工程施工和管理过程的智能化决策支持。

水电大坝施工现场情况复杂、覆盖区域大、现场变化快，将采用无线信息技术及移动信息设备进行数据及图像采集。

水电大坝工程多数较为庞大而复杂。如何采用科学有效的方法以提高施工效率，怎样直观清晰地描述复杂工程建设的施工动态过程，是提高工程质量和管理现代化水平的关键。以信息的数字化、直观化、可视化为出发点，将复杂施工过程用图像、图形和三维动态模拟形象地描绘出来，为全面、准确、快速地分析掌握工程施工全过程提供有力的分析工具，实现工程信息的高效应用与科学管理，给施工组织与决策提供一个科学简便、形象直观的可视化分析手段。为确保三维实体模型的准确和实用，采用的基本资料有地形图、施工详图、大坝总体布置规划图以及相关建筑物的形象图、结构图等。利用实测地形图在计算机内形成三维地形图，然后形成与大坝相关部位的三维实体模型，进行动画制作， 漫游施工现场。

基于Web Service建立水电大坝数据采集及施工、运行决策支持系统，采用松耦合方式将数据库系统、数据仓库、数据挖掘系统、模型系统、知识库系统、分析系统集成，使信息管理、查询处理、联机分析处理和联机分析挖掘成为一个有机的整体；使基于数据库、数据仓库的数据挖掘的各种算法及其它的算法或模型协同工作，并行和分布地完成决策问题的求解。基于Web services的水电大坝数据采集及施工、运行决策支持系统具有整体性、并行性、分布性、共享性、互操作性、协同性，可以保证数据的可获得性，数据挖掘的可移植性、可伸缩性、高性能以及对多维数据的分析。

基础数据采集成果概述

智慧工地的基础是“基础数据采集”。经过对施工过程流程的梳理和总结，建立基础数据采集模型，将非标准化、流程化、离散、无序的过程数据通过两种途径进行采集整理：其一，流程标准化表格。这种方式主要用在数据跨度大，连续数据间隔时间长，或者数据源可以从其他表格或文本中自动获得等施工过程数据。比如物资入库，监理、业主输入性数据等。其二，自动采集设备实时采集。这种方式主要用于施工现场流程性强，采集密集或无序的施工过程数据。比如施工场面实时数据采集、资源配备、温度等。

流程标准化表格数据采集方式主要将数据格式进行规范统一，固化到数据采集系统中，由人工定时录入。

自动采集设备实时采集方式，在施工生产过程中，为了实现数据的格式化自动采集，设计制作一批相对专业的数据采集设备。目前已经成功投入使用的数据采集设备有盯仓器、温度自动采集器、射频采集器、影像体积采集器和位移采集器等。下面对以上自动数据采集器做简单介绍。

盯仓器。本设备主要针对混凝土和土石方施工过程监控，事后追溯而设计的一套数据自动采集工具。首先将常态混凝土、碾压混凝土和土石方开挖、填筑等工艺工序的过程进行标准化再造，将核心要素进行提炼，然后固化到PDA中，施工现场人员携带这种专用PDA进入现场进行过程实时数据采集，如温度、资源配备、过程图片等，利用wifi实时与数据中心进行数据提交及交互请求。目前随着智能手机的应用普及，这种功能性应用系统将逐步向智能手机终端转移，从而提高本设备的易用性和方便性。

温度自动采集器。温度是影响混凝土施工及产品质量的重要因素，也是一项关系到施工安全与否的重要参考指标。大坝混施工凝土温度监测和预警系统能够对大坝施工进行实时地温度监测，并对所采集的温度数据进行及时地处理和分析，以图形化的界面展现给工作人员。大坝施工温度监测和预警系统还能够在温度偏离安全范围的时刻发出警报，以警示工作人员尽快做出反应。大坝的施工安全及质量安全是关系到国计民生的问题，为此利用信息化手段，对施工过程数据进行实时监控，及时发现安全隐患，将危及到生命财产安全和大坝质量安全的情况消灭在萌芽阶段，切实提高施工的安全系数，做好对大坝施工的温度监测和预警系统具有重要意义。

混凝土的温度控制是项复杂的系统工程，主要包括控制混凝土的最大温差、内部最高温度、最大升温降温速率、截面温度梯度和入模温度等内容。温度监测不是目的而只是一种手段，根据监测了解混凝土温度场分布变化情况，采取或者调整合理而有效的温度控制措施，才是防止温度裂缝的关键。传统的监测是在大坝施工过程中埋设电阻式温度传感器，然后由人工巡检。传统方式的弊端主要有两点，一是监测人工成本高。二是监测的时间间隔长，有漏测的情况发生。这里说的温度自动监测（器）系统，是使用485总线机制的达拉斯18B20温度传感器，利用无线数据传输设备，按照1秒/次的频度对所有温控点的温度进行轮巡，同时将数据及时通过广域网传输到数据中心。

射频数据采集器。本采集设备主要针对拌合楼的综合调度而设计的数据自动采集。在每辆入仓汽车上安装有源RFID设备，用于汽车的身份识别。当某汽车进入调度区时，系统读取及识别身份，在引导显示屏和车载电台上同时显示和播放对应的下料就位口，汽车驾驶员将车就位，这时系统再次验证该身份车辆是否入位正确，如果正确将开放下料口，向汽车装料，否则自动提示驾驶员换位。这一过程数据采集全部自动发送到网络数据中心存储并实时分析决策。

影像体积采集器。本采集器是针对施工现场土石方和混凝土的自动计量而设计制造的数据自动采集系统。传统的土石方和混凝土的水平运输常规采用汽车运输。而对这些运输手段的计量和跟踪方式，完全为人工值班书面记录为准。这些传统的记录方式，存在人情数据、责任心数据等问题，影响数据的真实性和准确性，特别是运输轨迹的记录，存在盲端、盲点。同时这种数据记录方式，人工成本相对较高。影像体积采集器，是基于“双目瞳距”平面成像及立体转换理论建立的数据采集体系。当运输车辆路过指定区域时，传感器自动触发摄像机，自动高速拍摄10*2=20张的高清图像，该图像自动进入解析处理器，进行除噪和其他计算处理，输出日期时间、车牌号、车载体积和两张高清瞬时照片并自动发送到数据中心入库。以上一系列记录处理不需要人工干预，而是自动记录。

位移采集器。本采集设备主要是针对水电施工现场大型水平运输设备，如塔机、门机和缆车等运动绝对位置而设计制作的。本设备主要是利用GPS定位和激光定位相结合来记录即时运输物的绝对位置和相对位置及运行速度等参数的，因是自动记录并带反馈装置，所以能有效避免交叉作业的碰撞，并提高大型水平和垂直运输设备的工作效率，为实现恶劣天气下的“盲”吊成为可能。

数据传输、存贮

根据水电工程施工特点，数据传输和交换保留有线传输和无线传输两种方式并存的状态。故借用光纤、有线电话公用网实现数据有线传输既可靠又经济。而通过GSM网进行数据通讯、以发短信的形式达到数据的无线传输，方便、快捷、经济。

施工现场数据采集设备属于移动设备，因此在这些移动终端上均使用GPRS等3G电信移动网络将数据传输到数据中心。而施工集中办公点的数据以有线局域网方式通过统一局域网出口与远程数据中心进行数据交互。

数据存贮方面，以集中方式建立带冗余的磁盘阵列数据存储中心。这样既便于集团式企业各用户的数据共享，也大幅度降低数据存储成本。

数据抽取和决策功能概述

在项目实施的过程中，由于施工过程数据量非常庞大，如果每次对数据的提取都从基础数据开始那么务必会使数据库系统运行任务非常重，而且初始的基础数据会存在很多脏数据，这些脏数据对系统的运行产生很大的影响。鉴于此，实际应用中采用了数据仓库技术，利用其优点，对脏数据进行清洗，对异步数据进行同步，保持数据的一致性和唯一性，对基础数据进行过滤、整理。并初步统计出一些共享性要求较高的过程数据，从而提高数据的共享效率、优化数据的运行性能。

在基础数据完备的情况下，从经过清洗、过滤的数据仓库中，利用成本精确管理、质量过程追溯等数据模型对基础数据进行挖掘，从而建立具有水电工程施工特色的成本综合管控、物资设备综合调配、质量跟踪追溯、风险管控等决策支持和商业智能。这些信息决策支持系统，可以对施工项目的进度、成本、质量、合同等各个管理方面进行监控可以对企业内部的协同工作、资源协调等提供支持。最终为集团公司决策层提供准确及时的信息，缩短决策周期，提高决策效益并降低风险。

展望

目前建立的基于数据自动采集和大数据的决策支持的智慧工地系统，还有相当大的局限性。主要体现在，基础数据采集的系统性、覆盖面等方面。随着物联网技术的不断发展，一些自动数据采集元器件的发展和应用的深入，以及计算机云计算技术的广泛使用，将大大提高水电施工现场各环节的数据采集的自动化程度和覆盖面。这为全面深入地建设智慧工地提供基础数据保障。