数字乌东德——基于三维可视化的工程协同管理探索

姜 亚 洲, 王 义 锋, 姚 勋， 刘 元 达

(中国长江三峡集团公司乌东德筹备组，四川 成都 610041)

1 概 述

乌东德水电站位于金沙江下游河段，装机容量10 200 MW，坝高265 m，如此大规模电站的建设对各种数据资料的高效管理提出了迫切需求。当前信息技术的高速发展，为完整、高效地采集、传输、存储、分析、控制各种数据信息创造了基础条件。采用现代信息化手段尤其是三维数字化与物联网技术对提升水电工程建设管理与安全具有重要意义。然而，目前整个水电数字化建设工作中，从被动“展示”走向主动“管理”的成功项目尚不多见。

为进一步提高乌东德水电站“质量、安全、进度、环保、投资”五要素的综合控制水平，提升工程建设及运行的管理能力和安全水平，乌东德筹备组基于三维数字化与物联网技术，启动了“数字乌东德”项目整体规划，通过委托专业开发公司与科研单位，其一期探索项目“数字导流洞”系统经过半年的试运行已经正式上线并在施工区推广应用，为乌东德水电站导流洞工程建设的协同作业与现代管理提供了基础平台。

2 “数字乌东德”的实施规划与技术路径

2.1 建设目标

建立一个以地理信息系统(GIS)为基础的数字开放平台，在其上构建三维几何模型，在几何模型上按工程项目划分通过平台接口加载各专业管理系统，包括集团公司已有优秀管理系统和工程建设中新提出的专业应用需求，除技术数据后台维护部分以外，要求各系统前端界面支持网页浏览，特殊功能通过添加插件方式解决。即：建设三个“一”，分别是：

一个数字地球仪；

一套专业管理系统；

一个优秀查看方式。

其中数字地球由三维地形、三维地质模型以及三维结构模型无缝叠加而成；一套专业管理系统指的是工程建设管理过程中各项管理业务工作机制的现代化技术协同应用与集成；一个优秀的查看方式应包括充分利用现代智能便携设备，实时、全面、具体地查看所需信息。图1显示了数字乌东德的整体框架。

图1 数字乌东德整体框架图

2.2 技术路径

2.2.1 三维可视化——数字地球仪

三维数字地球由三维地形、三维地质模型以及三维结构模型无缝叠加而成，其中：

(1)三维地形地貌

三维地形地貌主要利用卫片、航片及各种GIS技术等获得数字正射影像图DO M(图2)及数字高程模型DE M(图3)，通过叠加二者以达到三维地形地貌(图4)，图2为三峡坝区数字正射影像图，图3为三峡坝区数字高程模型，图4为二者叠加效果。

图2 三峡坝区数字正射影像图

图3 三峡坝区数字高程模型图

图4 叠加后的三峡库区三维地形地貌图

(2)三维地质模型与三维结构模型

通过采集地勘数据(图5)或结构设计信息，利用三维建模软件(如Gocad、CA TIA、Ske tch Up等)即可构建三维地质数字模型(图6)或三维结构模型(图7)。其中，借助专业的三维建模软件，结构尺寸可以通过修改参数实时更新。

图5 地勘成果图

图6 三维地质数字模型图

(3)无缝集成

在三维数字地球上加载三维地形、三维地质模型以及三维结构模型，实现无缝集成(图8)，作为专业管理系统的载体。

3 基于三维可视化的工程协同管理创新探索

“数字乌东德”的探索项目“数字导流洞”系统已经正式启动应用并在施工区推广。该系统开发了进度模块、安全监测与反馈分析模块。其中进度模块主要实现了导流洞工程施工进度三维动态建设功能；安全监测与反馈分析模块实现了动态设计、仿真分析与指导施工等主要功能。通过智能便携设备的客户端或浏览器即可进行施工区“现场办公”，全面了解导流洞施工信息，及时优化设计方案或施工组织。

图7 三峡大坝三维结构模型(导入Google ear th)图

图8 吉奥GeoGlobe图

3.1 进度模块——基于三维可视化的动态协同作业平台

常规工作中通常采用PP T与word文件汇报，主要通过数据、表格、图片形式表达实际情况与解决措施，需要花费较长时间才能从长篇累牍中了解状况，不能在短时间内形象生动地建立感性认识，存在近期工作与累计工作对比不够鲜明、讨论内容引起偏差等问题，降低了会议效率。为解决这些问题，“数字导流洞”系统开发了三维动态展示、分析功能，通过各施工单位及时录入施工计划、进度数据，建立导流洞工程施工三维动态变化模型，及时显示导流洞开挖、支护以及衬砌施工进度形象与施工环境，效果生动、形象。其具有以下特点：

(1)了解乌东德导流洞工程建设过程花费时间大大减少，工作效率的提高就像从读“剧本”思索耗时走向观“电影”轻松一样，减少了会议时间；

(2)通过对比实际进度与计划的差别，分析存在的实际问题，合理调整资源分配或更改计划，争取如期实现阶段进度目标或减少工作超压。图9显示了乌东德水电站右岸导流洞上游洞段开挖形象图。

图9 右岸导流洞上游洞段开挖示意图

3.2 安全监测与反馈分析模块——基于三维可视化的协同管理

为及时了解导流洞开挖过程中围岩的稳定性，导流洞通常布设永久安全监测断面和施工临时安全监测断面，结合现场巡查，发现围岩变形后及时处理。但不能解决下层开挖围岩变形预测问题，特别是当开挖过程中发现地质情况恶化时，不能快速预测下一层开挖后的围岩变形。为此，安全监测与反馈分析模块结合上层开挖安全监测资料，采用神经网络反演分析围岩力学参数，再利用反分析处的围岩力学参数进行仿真计算，预测下一层开挖可能引起的围岩变形，并根据围岩类别，建立围岩变形预警阈值，一旦围岩变形达到阈值，数字导流洞系统将通过系统消息、邮件或手机信息(此二项尚待开发)等方式直接通知用户，并在三维模型标出发生位置，在变形时程曲线中采用预警黄线给出危险程度。

通过安全监测与反馈分析模块，给出了整个导流洞工程的三维结构模型，并在其上标出安全监测断面位置，点击后跳出安全监测断面仪器埋设位置及示意图(图10)，点击监测仪器后调出变形时程曲线，如果发现异常，可通过链接，调出开挖程序、施工环境或仿真计算成果(图11)，综合分析围岩变形异常情况，及时启动应急管理机制并调查围岩变形异常原因。例如右岸3号导流洞K0+260安全监测断面左侧拱肩多点位移计监测数据突然增加，通过点击系统消息，即可在三维模型中定位该监测断面与仪器(图10)，通过点击仪器，即可调查变形时程曲线、周边环境及开挖方案(图11)，在较短的时间内了解现场情况，为正确决策分析提供及时、全面的资料。

3.3 智能便携设备

图10 3#导流洞K0+260安全监测断面图

图11 3#导流洞K0+260安全监测断面变形时程曲线与施工环境图

通过智能便携设备的客户端或浏览器，加载“数字导流洞”系统即可进行施工区“现场办公”，对着空间某一位置，即可了解未来施工完毕这一

位置的形象面貌、施工方案以及可能的围岩变形情况，并根据这些信息合理调度资源，及时优化设计方案或施工组织。图12为基于IPAD的“数字导流洞”系统(尚待完善)。

4 结论与建议

(1)数字化技术可实现工程建设三维可视化动态变化过程，可以通过分析实际进度与计划之

间的差别，合理调整资源分配或更改计划，争取如期实现阶段进度目标或减少工作超压，实现可持续发展。

(2)安全监测与仿真计算，可以预测导流洞开挖围岩变形，并通过设置阈值，及时预警，及时治理，确保工程建设的质量与安全。

(3)目前数字乌东德的建设工作尚处于初期探索阶段。然而，已有的数字化工作已经显示了巨大的潜在生产力，建议进一步利用信息化、数字化技术，提高工程建设数字化协同作业水平，提升工程建设管理水平与安全系数，进一步解放生产力。