基于智慧工程理念的双江口水电站智能地下工程系统建设探索

李善平，肖培伟，唐茂颖，段 斌，陶春华

(国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都610041)

基于智慧工程理念的双江口水电站智能地下工程系统建设探索

李善平，肖培伟，唐茂颖，段 斌，陶春华

(国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都610041)

随着智慧产业的不断深化发展，智慧工程建设将对我国水电行业的发展产生深远而重大的影响。结合双江口水电站工程特点，基于智慧工程基本概念和总体架构，研究了双江口水电站智能地下工程业务系统；分析了地下工程数据中心与决策会商中心，以及施工资源实时定位监控、快速高精度测量与计量管理、埋管埋件统计及管理、混凝土生产浇筑监控与管理、施工环境监控预警与决策分析、洞室群施工仿真及进度管理、爆破安全控制与微震监测成果集成管理、围岩监测与稳定分析动态反馈分析成果集成管理等模块；介绍了双江口水电站智能地下工程系统建设进展情况。智能地下工程系统将为双江口水电站优质、高效建设奠定基础。

智慧工程；地下工程；系统建设；双江口水电站

0 引 言

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、虚拟现实、人工智能等技术的兴起和运用，它们正在改变着我们早已熟悉的传统行业和产业。利用信息化、数据化、智能化的手段和方式给传统行业和产业增添了智慧的大脑，于是“智慧地球”、““智慧城市”、“智慧企业”等智慧产业相继诞生，智慧浪潮风起云涌[1]。在智慧背景下，我国的水电行业也正在面临重大变革。我国水电开发企业的主要任务是进行水电工程建设、电站生产检修、电力调度交易等[2]。涂扬举等人研究了智慧企业的基本概念、建设目标、管理模型、建设路径[3]，探索了水电企业如何建设智慧企业[4]，实施了智慧大渡河建设[5]。

我国水电开发企业的“智慧企业”建设主要内容涵盖智慧工程、智慧电厂、智慧检修、智慧调度等。严军、周业荣、李善平等人在智慧企业体系和架构下制定了智慧工程建设实施方案[6]，并在大渡河流域水电工程建设中进行了有益的尝试。随着智慧产业的不断深化发展，智慧工程建设将对我国水电行业的发展产生深远而重大的影响。本文结合大渡河双江口水电站的智慧工程建设，就智能地下工程进行了一些研究和探索。

1 智慧工程理念简介

1.1 基本概念

智慧工程是智慧企业四大业务单元脑之一，它以“全方位、全过程、可追溯、智能化”为特征，将物联网、大数据、人工智能等前沿技术，与工程安全、质量、进度、投资、环保(以下简称“五控制”)等业务深度融合，实现业务风险的自动感知、自动预判、自主决策的工程管理新模式[6]。

就水电开发企业而言，智慧工程是项目建设全生命周期的智能管理体系，是工程全方位业务数据量化与标准化的统一平台，是核心管理信息集成集中与智能协同的管控中心，是实现管理风险自动预判与自主决策的指挥中心。

1.2 总体架构

结合水电工程特点，智慧工程采用“一中心、二平台、三板块”的总体架构，如图1所示。

“一中心”是指工程信息中心，是智慧工程实现自动预判、自主决策的信息基础。它负责工程相关信息的存储、分析、查询和共享，实现各业务系统间数据的互联互通，是智慧工程的数据及知识来源。

“二平台”是指工程管控平台和决策会商平台，是智慧工程实现自动预判、自主决策的中枢。工程管控平台是在工程信息中心的基础上，结合风险分级预警模型及决策知识库，实现工程KPI管控、风险分级预警及智能辅助决策，对各工程项目“五控制”进行综合管控。决策会商平台是从宏观、微观全景展现智慧工程，实现信息系统与工程建设现场的全方位、全过程无缝对接交互，并利用大数据、人工智能等技术，实现重大技术问题和“疑难杂症”的智能决策支持和远程“会诊”。

“三板块”是指枢纽、移民、送出三大板块的专业应用，是智慧工程的业务基础和自动感知核心。枢纽板块通过建设智能大坝工程、智能厂房与泄洪工程、智能机电工程等业务管控系统，实现施工过程精细、精准管控，全面实现项目工程枢纽“五控制”目标。移民板块主要是实现移民安置规划可视化和实时动态跟踪移民实施进展情况。送出板块主要是跟踪核准手续办理情况及送出工程实施进度情况。

图1 智慧工程总体架构

1.3 预期目标

(1)信息系统创新。建设全生命周期、全方位、多专业的协同管理信息系统，完成工程大数据中心、工程管控平台和决策会商平台、枢纽工程等各项业务系统建设，实现工程建设管控目标。

(2)管理理念创新。根据智慧工程自动预判、自主决策需要，建立工程管控模型理论体系，完善智慧工程风险评价体系、事件预警体系及决策纠偏体系，形成工程风险识别库、决策支持库。

(3)管理模式创新。智慧工程采用智慧企业“数据中心制”取代传统企业“层级制”管理模式，内部管理更加专业化、扁平化，实现了数据跨专业间的共联共享、智能协同。

(4)技术应用创新。图像识别、高精度自动定位、大数据挖掘、快速精准测量、建筑信息模型(BIM)、人脸识别、自动驾驶、大规模移动互联等信息化、智能化技术将在智慧工程中创新使用。

2 工程概况及特点

双江口水电站正在积极推进智慧工程建设。它是大渡河干流上游控制性水库，装机容量200万kW，多年平均年发电量77.07亿kW·h，具有年调节能力。电站枢纽工程由拦河大坝、引水发电系统、泄洪建筑物等组成。拦河大坝采用土质心墙堆石坝，最大坝高312 m，是目前世界已建和在建水电工程中的第一高坝，坝体填筑总量约4 400万m3。引水发电系统布置于左岸，发电厂房采用地下式，厂内安装4台立轴混流式水轮发电机组，采用“单机单管供水”及“两机一室一洞”的布置格局，包括进水口、压力管道、主厂房、副厂房、主变室、出线场、尾水调压室、尾水隧洞及尾水塔等建筑物。泄洪系统包括洞式溢洪道、直坡泄洪洞、利用施工后期导流洞改建的竖井泄洪洞和利用施工中期导流洞改建水库放空洞，洞式溢洪道、直坡泄洪洞、放空洞布置于右岸，竖井泄洪洞布置于左岸。

双江口水电站工程区地震基本烈度为Ⅶ度，地形地质条件复杂，河床覆盖层最大厚度达76 m；心墙堆石坝坝体高度超过300 m，坝体及坝基变形稳定、防渗排水、防震抗震等技术问题突出，筑坝难度大，质量要求高；地下厂房区围岩最大地应力达38 MPa，强度应力比小于4，岩爆问题较突出；泄洪建筑物布置具有窄河谷、高水头、大泄量的特点，施工极其困难。引水发电工程系统和泄洪工程系统均是处于高地应力区的大规模地下洞室群。

3 智能地下工程系统建设方案

3.1 双江口智慧工程业务系统

双江口智慧工程业务系统由智能公共系统、智能大坝系统、智能厂房与泄洪系统、智能机电系统、智能公区系统等业务系统组成。智能公共系统是智慧工程的综合业务系统；智能大坝系统、智能厂房与泄洪系统、智能机电系统是智慧工程的专业业务系统；智能公区系统是智慧工程公区管理的基础业务系统。由于双江口水电站厂房与泄洪系统均为地下工程，智能厂房与泄洪系统又称为智能地下工程系统。

3.2 双江口智能地下工程系统模块

针对双江口水电站地下工程特点和实际情况，其智能地下工程系统建设主要包括以下模块。

3.2.1 施工资源实时定位监控模块

实施目的：监控地下工程主要设备的实时位置和地下洞室的交通流量。

实施方案：对可能拥堵路段在岔口布置视频监控或RFID监控，通过图像识别或RFID监控流量。洞内施工车辆通过智慧工区的WIFI基站进行定位。洞外车辆定位采用GPS监控。

3.2.2 快速高精度测量与计量管理模块

实施目的：实现工程量的精确计量，辅助超欠挖控制和工程量计量。

实施方案：利用三维激光扫描仪进行开挖洞段的全景扫描；对激光点云进行处理建立实景三维模型；对照实景三维模型与设计模型、地质三维模型，量化超欠挖工程量，并分析合理性；对照喷混凝土前后的实景三维模型，分析喷混凝土工程量和厚度是否满足要求。三维激光扫描设备与施工期扫描工作，已有成熟实施经验；超欠挖对比、喷混凝土量分析等功能，在厂房决策会商中心的三维模型全过程综合展示与查询模块中实现。

3.2.3 埋管埋件统计及管理模块

实施目的：便于机电工程与土建交面的预埋管件的三维精细化设计、埋件清单及实际埋设情况的监控统计。

实施方案：采用三维设计技术进行埋管埋件的精细化设计、碰撞检测，生成埋管埋件清单；利用RFID技术，及时采集实际埋设情况，并与清单进行对比，实现埋设情况的及时监控与预警。

3.2.4 混凝土生产浇筑监控与管理模块

实施目的：自动采集混凝土生产过程的原材料检测、配料、运输等过程的数据；实现混凝土生产、运输、浇筑各环节的统一调度，加强衔接、提升效率，及时预警“运错料”等问题。对土石方运输车辆进行实时定位，追踪开挖渣料运输去向和时间。

实施方法：在拌和楼安装RFID读写器、在混凝土运输车加装RFID标签，实现生产与运输的准确衔接；实现浇筑仓位混凝土需求的提出与拌和楼生产的智能调度与匹配；通过在拌和楼生产系统加装数据自动传输模块，实现生产数据实时、自动录入决策会商系统，实现生产过程的实时监控。

3.2.5 施工环境监控预警与决策分析模块

对于有害气体监控，目前有较为成熟的为基于电化学、光离子等原理研发的有害气体分析传感器，主要用于CO、H2S、CO2、NO2等有害气体的监测。但目前是集成在手持设备中，需要针对水电工程洞室开挖的特点进行微型化、工业化、功能化定制改造，并集成噪音等传感器模块。

实现监测数据的自动化采集、无线传输与分析预警。集成无线通信模块，对传感器监测数据进行解算，实时传输传感器检测数据至后方服务器，对比控制指标进行预警。

实施智能通风系统。根据监控信息，增加轴流风机等通风设备的远程控制模块，改善通风环境；记录通风参数和环境监测数据的规律，作为后续风机自动化控制的参考。

3.2.6 洞室群施工仿真及进度管理模块

该模块通过仿真分析洞室群之间的动态复杂时空逻辑关系，揭示地下工程施工行为特征，优化洞室群施工方案，提升进度控制能力。其主要功能包括实时监测引水发电系统开挖、支护、衬砌、灌浆等施工进度；模拟洞室开挖全过程，预先发现施工干扰问题，指导施工进度计划的合理制订；输入不同施工资源配置方案，模拟不同配置方案下的施工进度，辅助合理配置施工设备；模拟复杂交叉洞室群的施工交通状况，分析各关键岔口的交通繁忙指标和出现概率，提醒施工管理人员重点关注可能拥堵的关键岔口，做好交通调度和安全管理，并为施工支洞布置优化提供建议；采用动态可视化仿真技术，基于施工仿真数值分析成果，直观展示施工过程和施工方案；分析开挖出渣强度和进度，为场内土石方整体平衡优化与调度提供数据和接口；建立分析模型，对关键线路施工进度进行预警。

3.2.7 施工期安全监测成果集成管理模块

该模块集成管理地下洞室爆破安全控制与微震监测的成果数据并展示，包括地下工程开挖爆破振动安全控制标准及其爆破参数、开挖爆破方案、爆破参数、洞室收敛变形与应力监测数据、施工期微震监测数据、围岩破坏程度等。同时，集成管理施工期围岩监测与稳定分析动态反馈分析成果数据，包括开挖洞段的局部和整体稳定性评价结果、开挖支护参数的优化结果、围岩稳定安全控制措施等，并将这些数据和信息展示在基于BIM技术的三维模型中，以指导工程施工和管理决策。

3.3 双江口地下工程数据中心与决策会商平台

基于智能地下工程系统各个模块，通过建立统一数据标准，借助各类业务系统之间的数据转换接口和模型转换工具，采用mangoDB等NoSQL技术实现文档、模型和关系型数据的异构数据存储管理等技术和方法，建立地下工程数据中心，实现智能地下工程系统的数据集成，统一数据来源、建立数据之间的联系，实现数据、文档、模型的集中统一管理，为工程管控平台、决策会商平台、移动APP、各业务系统提供数据支撑。

在地下工程数据中心的基础上，利用跨平台模型融合轻量化技术、设计与施工数据标准协同技术、移动端BIM技术、三维可视化与交互技术等，构建厂房工程决策会商中心，实现可视化、交互式展示设计、施工过程动态信息，为厂房、泄洪工程建设过程综合会商提供可视化平台，为地下工程管理的综合决策提供辅助支撑。

3.4 双江口地下工程管理模式

基于智慧企业的“数据中心制”管理模式，双江口工程采取“部门+中心”的管理模式。在该模式下，水电工程建设管理单位设置工程指挥中心，工程指挥中心下设大坝、厂房、泄洪、机电物资等4个分中心和综合保障部、业务保障部、安全监察部等3个保障部门。工程指挥中心负责重大预警内容的处置和重大决策，分中心全面负责和实施所辖标段“五控制”管理，各保障部门对各分中心业务进行统筹、监督、协调和服务。厂房分中心、泄洪分中心的管理人员在地下工程决策会商平台上，运用智能地下工程系统进行地下工程管理。

4 智能地下工程系统建设进展

双江口水电站于2015年12月完成河道截流，大坝、地下厂房、泄洪三大主体建筑物工程施工已全面开展，双江口智慧工程建设正结合主体工程施工有序实施。目前，双江口智能地下工程系统建设正在按照规划方案积极推进，2017年该系统下的各模块将全面建成并投入使用，为双江口水电站地下工程科学管理发挥重要作用。

5 结 语

智慧工程大量运用监测(监控)感知、BIM、智能识别、云计算、物联网、移动互联等技术，根据水电工程建设特点，实现了工程建设管理的信息化、数字化、智能化。同时，随着各种技术地不断进步，工程管理模式也将随之调整，更好地促进了工程建设。在智慧工程理念指导下，双江口水电站将努力建成技术先进、管理高效的创新工程，实现智慧工程建设目标。

智能地下工程系统是智慧工程的重要组成部分，通过数据中心、云计算中心、一体化平台的建设，将地下工程管理所有数据、流程进行统筹管理、挖掘、分析、利用，保障了数据来源的唯一性和业务流程的连贯性，使得流程更加快捷、沟通更加有效、决策更加高效，实现工业化和信息化的深度融合。智能地下工程系统将在双江口水电站地下工程建设管理过程中全面推行并发挥重要作用，为智慧工程的发展奠定基础。

智慧工程创造出了一种新模式：基础感知—数据管理—业务支撑—综合管理—智慧决策，每一个环节带动着所有智能系统全力实现最终目标——安全、质量、进度、投资、环保“五控制”，360°全方位监测管控，三维可视化全过程追溯，数据零误差，风险零死角，决策零延迟。可以预见，智慧工程将在不久的将来成为水电开发企业转型升级的重要推动力，在水电工程建设管理中得到广泛的应用，并创造丰硕的成果。

[1]涂扬举, 郑小华, 何仲辉, 等. 智慧企业框架与实践[M]. 北京：经济日报出版社, 2016.

[2]涂扬举. 瀑布沟水电站建设管理探索与实践[J]. 水力发电, 2010, 36(6)： 12- 15.

[3]涂扬举. 智慧企业建设引领水电企业创新发展[J]. 企业文明, 2017(1)： 9- 11．

[4]涂扬举. 水电企业如何建设智慧企业[J]. 能源, 2016(8)： 96- 97．

[5]涂扬举. 建设智慧企业, 实现自动管理[J]. 清华管理评论, 2016(10)： 29- 37．

[6]国电大渡河流域水电开发有限公司. “国电大渡河智慧企业”建设战略研究与总体规划报告[R]. 成都： 国电大渡河流域水电开发有限公司, 2015．

[7]国电大渡河流域水电开发有限公司. “国电大渡河智慧企业”建设之“智慧工程”总体方案[R]. 成都： 国电大渡河流域水电开发有限公司, 2016．

[8]国电大渡河流域水电开发有限公司. 四川大渡河双江口水电站“智慧工程”建设总体规划方案[R]. 成都： 国电大渡河双江口工程建设管理分公司, 2016.

[9]王冠雄. 迎接不可阻挡的“智能+”时代[EB/OL]. 2016.6.28. http:∥wangguanxiong.baijia.baidu.com/article/517515.

(责任编辑 焦雪梅)

Exploration on Intelligent Underground Engineering Construction of Shuangjiangkou Hydropower Station Based on the Idea of Intelligent Engineering

LI Shanping, XIAO Peiwei, TANG Maoying, DUAN Bin, TAO Chunhua
(Dadu River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610041, Sichuan, China)

With the development of intellectual industry, the construction of intelligent engineering will has a profound and significant influence on the development of hydropower industry in China. Combined with the engineering characteristics of Shuangjiangkou Hydropower Station and based on the basic concept and general framework of intelligent engineering, the intelligent underground engineering system of Shuangjiangkou Hydropower Station is studied. The underground engineering data center and consultation command center, real time positioning monitoring module for construction resource, fast and high-precision measurement and metering management module, detailed design and installation monitoring module of buried pipes, concrete production monitoring and management module, integrated display and warning module for environmental monitoring information, construction simulation and schedule management module of cavern group, integrated management of blasting safety control and microseismic monitoring results and dynamic feedback analysis and result integrated management module of surrounding rock monitoring and stability are analyzed. The construction of intelligent underground engineering system is introduced. The system will lay a foundation for high quality and efficient construction of Shuangjiangkou Hydropower Station．

intelligent engineering; underground engineering; system construction; Shuangjiangkou Hydropower Station

2017- 05- 22

李善平(1963—)，男，河南方城人，教授级高工，硕士，主要从事水电工程建设技术和管理工作；段斌(通讯作者)．

TV554

A

0559- 9342(2017)08- 0067- 04