多维信息系统在水利枢纽全生命周期管理中的运用探讨

代艳芳，浦承松，姜毅国

(1.云南省调水中心，昆明 650051；2.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021)

0 引 言

水利工程的发展与贡献是人类文明历史的重要组成部分，水利工程建设与管理技术也在不断的探索、实践和总结中不断进步。从最初以人工力量实施的筑堤挡水、开渠引流，经历了现代土木力学设计、机械化施工阶段，引入模型试验、计算机辅助设计、自动化监测和信息化管理等重要手段的自动化建管阶段，发展到目前水利工作者正致力于研究利用大型计算软件、融合互联网、物联网技术开展水利工程数字化、智能化管理阶段，以适应当代水资源开发与利用，优化配置、精准调度的要求。

“十二五”以来，围绕区域水资源配置、防洪减灾、水生态环境修复与保护等功能，以水资源紧缺、水生态脆弱和水环境恶化等地区为重点的大型河湖水系连通工程正处于规划兴建高峰期。长距离的引调水工程的设计、建设与管理呈现出规模大，技术难点多而复杂，设计周期短，施工工期紧、周期长，建设管理事务繁杂，数据处理量浩大等特点，而建成后通过自动化精准调度有效实现工程综合功能目标的要求越来越高，即为进一步提高水利基建项目的设计精度、建管水平和工程综合运行成效，建立数字化水利体系是关键。随着现代工业、计算机、信息技术与互联网、物联网及云计算智能技术的逐步融合，工程三维设计、施工及相关监测信息的实时采集与整理分析技术迎来前所未有的发展机遇，单体建筑物重要工序的数字化管理在三峡、丰满[1]、溪洛渡[2]、糯扎渡[3]等大型水利水电项目上都有成功运用，从中总结的经验更为大型引调水工程开展全生命周期的信息实时、在线采集与分析，可视化施工管控，为引调水工程涉及一定区域范围内水资源综合配置智慧管理[4]奠定了坚实的基础。

综上所述，应当前水资源区域化配置，水利现代化管理的迫切需要，建设大型水利枢纽全生命周期信息化、数字化管理平台，辅助工程有效开展建管与运维，已具备实践并逐步运用的技术保障。而统一区域配置信息体系、统一技术构架、统一控制平台的基础上，完成三维物理空间与工程范围内人类管理活动实时信息(时间及实施情况二维信息)在同一多维信息化平台上的深度融合，已在如牛栏江-滇池补水工程的大型跨区域调水工程上得到初步运用，并针对多元数据的集成分析和多维模型的适应性转换，建设具有较强整体性、协同性、融合可扩展性的区域智能化调度系统提出研究方向。

1 国内水利信息化系统模式与运用现状调查

(1)水利信息化技术运用简况。21世纪初，为适应国家信息化建设、信息技术发展趋势、流域和区域管理的要求，水利部提出遵循“统筹规划、整合共享，统一标准、安全优先”的原则，通过充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，提高信息的采集、传输、存储、处理和服务水平，全面提升水利事业活动效率和效能的工作部署，为水利信息化[5]发展提出政策引导。

随着GIS、DB、RS等信息技术的迅速发展，水利水情、安全自动化监测等专业模块、模型的集成，互联网、物联网的融合运用，促使基于现代网络技术、实时监控技术，对某项单体建筑物关键工序进行实时、在线施工管控的手段从萌芽走向成熟。在三峡大坝施工中，探索性地按工程部位、分工序实时采集和录入施工信息；糯扎渡工程建设中实现了高心墙坝碾压质量的实时监控[3]；溪洛渡水电站施工中做到了拱坝混凝土施工全过程数据的在线采集与控制等[2]，积累了关于信息实时自动化采集和精细化监控，专业信息数字化集成与分析，管理网络化和可视化的运用成果，为更多数字水利、智能水利[4]的实践奠定基础，并随着深度运用得到改进与发展，势必能更广泛地试用于区域性的水利管理工作。

(2)协同设计专业模块开发运用现状。目前，水利工程仿真与安全国家重点实验室[4]，水利水电BIM设计联盟正致力于建立以BIM应用为载体的，辅助项目业主开展从三维协同设计到项目仿真[5]辅助建管、运营、可视化远程调度等全生命周期精细化管理的技术研究工作。据调查，不同专业使用不同的BIM软件，建筑建模[6-8]主要就是Revit、Archicad、Microstation、DP等等。机电专业用MagiCAD的多，钢结构行业用Tekla的多，三维流程工厂还有其他类型的软件。目前在工程领域开展多维协同设计与施工仿真可视化管理平台开发的领跑者是Autodesk开发的Revit，Dasseult公司开发的Catia，Bentley MicroStation[9]，其纷纷响应BIM数据的标准化和轻量化处理技术的要求。提出以三维协同设计平台为核心,与业务系统深度融合的PowerBIM平台，涵盖了Autodesk、Bentley、CATIA平台，并通过自主或购买研发地质、配筋、造价等模块，逐步完善三维设计标准体系，涵盖设计、施工、运行三大环节建模及模型协调性研究[10]，满足传统水电、水利、水务、市政、交通及新能源等行业的工程应用，有助于加快统一水利数据平台的进程，推进协同设计，向智能化水利转变的进程。由此可见，实现水利工程全生命周期(PLM)管理的软件平台基础已初步具备。

(3)水利工程自动化调度系统运用现状。自动化管理系统是水利工程中的灵魂工程，也是水利工程的辅助工程，有效可靠的自动化系统能做到及时、准确采集数据，计算机辅助分析与操作控制，远程调度等功能，为水利工程安全运行监控、自动化控制与办公，水雨情预报预警等管理工作提供了有力的技术保障。我国水利自动化工程建设起步较晚，目前大部分大中型水利项目配置了包括防洪调度自动化系统、视频监视系统、水工设备计算机监控系统、水情测报系统和安全监测等自动化系统，基本采用现地、集控、调度分层、分布、开放式系统结构设计[11]。由于水利工程自动化系统是一种硬件和软件相结合的系统，其硬件环节多而分散、多为隐蔽埋设，且对硬件以及软件的供应商或开发商缺乏必要、完善的技术规范约束，自动化系统内部组织结构彼此互联性差、数据共享性能差，交换性差，自动化系统对生产厂家技术依赖性大，运行维护困难。致使自动化系统作用不能充分发挥。为此，国家相继出台了一系列关于水利信息自动化建设的规范性文件，对软硬件接口、数据库格式等进行规范统一，增强技术兼容性，特别是上层软件和硬件设备的统一化，以进一步推进水利自动化调度管理向精准化发展。

2 项目概述

牛栏江-滇池补水工程(以下简称牛栏江工程)作为跨区域、跨流域的长距离引水项目，滇池水污染防治的关键性措施，被列为国家172项重大水利工程之一，云南省“十二五”期间的20项重大工程之首，工程建设与运行成效备受关注。牛栏江工程主要任务为近期重点向滇池补水，远期向曲靖市供水，同时作为昆明市的备用水源。工程跨越云南省曲靖市和昆明市境内六县区，主要由水源工程、干河泵站提水工程和输水工程组成，即在牛栏江干流(曲靖段)建成了高214 m的面板堆石坝，总库容为4.48 亿m3的德泽水库枢纽，经装机为4×22.5 MW，设计扬程221 m的干河泵站提水，通过总长115.85 km的输水线路输送至昆明市盘龙江，清水穿城进入滇池。

工程投运以来，工程运行总体稳定，已向昆明市滇池生态补水25 亿m3，其中向昆明市城市应急供水1.15 亿m3，极大补充滇池的水资源量，与其他五大工程措施联合发力，促使滇池水质由劣Ⅴ类向Ⅴ类转化并持续好转，滇池综合治理效益明显。同时为昆明市提供了可靠的应急备用水源，极大提升了城市抗供水危机的能力，入城打造了大型人工瀑布、盘龙江清水通道城市水景观等社会效益，充分体现了“一水多用，综合利用”的治水理念。

3 牛栏江补水工程信息化建管系统构建及运用

3.1 信息化方案立项背景

牛栏江补水工程是在国家针对“三湖”治理提出“抓紧治理已经迫在眉睫，刻不容缓”且“要进一步做好调水引流工作，积极实施‘滇池引水’工程,增加湖泊的生态水量，增强湖水的自净能力”的背景下，云南省委、省政府果断决策立项兴建的大型水资源综合配置项目。工程从规划、设计、施工到建成不到6年时间，在工程设计周期短、施工工期紧、战线长，岩溶地区地下工程占比大，设计与实验性场地施工交叉并行，涉及多项设计研发、施工制造技术攻关的条件下，各参建单位都面临海量数据的及时采集、集成计算、协同分析后指导设计、管控施工、辅助管理决策的难题。为此，研究建立了业主负责，设计、施工、监理、制造及科研技术咨询协同的信息化工作平台(如图1)。以工程“三高两难”为重点，有针对性地构建一套三维设计到加载了时间与现场控制属性的五维信息管理系统，辅助完成设计优化和有效的建设管理。

图1 牛栏江工程信息系统构建模式简图

3.2 信息系统构建思路

作为牛栏江补水工程建设管理业主，在对国内水利信息化管理技术和数字大坝系统运用调研的基础上[12-14]，针对本工程系统复杂、专业多、承建单位多、战线长的特点，就各专业设计单位采用不同的三维设计软件，施工信息采集装置及数据处理软件众多的问题，提出围绕一套三维设计模型为基础，通过招标阶段的分标规划、建设期项目划分，重构合理单元模型，辅助开展质量与安全管控，进度及投资控制的可视化管理；按照实施情况更新转换为竣工面貌的五维模型，支持后续运维管理两项主要任务，研究搭建了协同设计与仿真辅助建设管理信息化系统(系统逻辑构架如图2)[15]，实现了工程全专业、全方位、全过程信息化管理，并向数字化分析、智能化管理推进的预期成效。

3.3 BIM技术运用初探

按照2011年中央1号文件关于“推进水利信息化建设，全面实施‘金水工程’；提高水资源调控、水利管理和工程运行的信息化水平，以水利信息化带动水利现代化。”的要求，牛栏江补水工程在2009年开工建设之初，按统一设计，分期实施的原则，围绕①德泽水库枢纽：岩溶地带，高地震烈度区(9度)高面板坝填筑、趾板施工管控；②干河泵站：对国内首次自主研发高扬程大容量泵组的制造与安装，开展全过程的信息数据跟踪与分析；③116 km长的输水线路：强溶岩发育、高地下水位(最高205 m)条件下，长隧洞施工安全及进度控制等重点部位、关键环节的施工管控，迅速启动三维设计建模，业主建管信息实施跟踪及加载、可视化辅助管理等实践活动[14]，为工程建设的顺利推进和有效管控，提供助力。

图2 牛栏江工程信息建管系统逻辑构架图

3.3.1 德泽水库大坝及电站施工信息固化

德泽水库面板堆石坝填筑的质量及进度管控是关键工序，河床趾板清基和地质缺陷处理是重要隐蔽控制单元，坝后电站作为较独立的实施主体，列作施工管控全过程数字化的试点。以上述示例：施工信息采集→传输→整编→加载固化→按管理需求运用，初探三维设计模型到加载了时间、实施内容信息五维建管模型转换的过程(示例见图3)。

图3 德泽水库施工信息化动态管理示例

3.3.2 干河泵站泵组制安过程信息化管理

干河泵站采用地下式主厂房、地面式副厂房，泵站选用的 4 台水泵，水泵扬程、功率均属国内单级、单吸离心式水泵之最，居世界第二位，且为国内首次自主研发。泵组研发中的模型试验、生产制造、现场安装及调试是技术管控核心。现以信息固化4号泵组主要设备出产→进场报验→安装及检查→单体调试→机组调试流程等重要环节的实施情况示例动态管控进程，积累形成的管理信息将为成套机组的良性运行、维护及技术改造服务(干河泵站4号泵组安装进度管控流程图如图4)。

图4 干河泵站4号泵组安装进度管控流程图

3.4 联合调度自动化系统建设

牛栏江工程于2013年底投入试运行，在规划的工程信息化系统框架内已建成包括安全监测、库区水情、水质自动化监测、现地工程运行监测、监控以及覆盖工程全线的视频监控系统等自动化系统。因工程站点分散、线路长、泵站规模大，社会意义影响大，工程按照需求牵引，突出重点，统一设计，分步实施的原则，规划建设了远程调度中心，实现全线各站点、各系统的集中监控、工程运行及区域联合调度决策及信息化应用与管理，支持完成全线自动化统一调水过程。本工程调度自动化系统总体架构采用纵向分层、横向分区式结构。系统逻辑图如图5所示。

图5 牛栏江自动化调度系统逻辑图

同时，按照云南省水利改革关于研究并逐步构建云南水资源统一配置与调度管理模式的要求，牛栏江补水工程投运初期，由联合调度管理单位牵头，结合工程跨区域、跨流域调水运行的特点，整合工程水源区、工程枢纽和受水区滇池以及下游一定范围已建成的水情、水质监测系统，为合理、科学开展区域水资源配置及工程运行后评价提供了完整、系统的数据信息支撑，为昆明城区防洪调度的科学决策与应急处置，建立了有效的响应机制。牛栏江工程自动化调度系统随着数据库的集成分析及控制平台的整合，将成为云南跨区域水资源优化配置及精准调度的研究样本。

4 结 语

计算机与工业技术的快速发展，大型计算分析软件的问世，互联网、物联网的深度融合，建筑信息模型(BIM)技术在国内大型水电站施工仿真监管及牛栏江补水工程信息化系统建设中的成功运用，为开发多维信息化系统辅助重点水利项目特别是长距离调水、大水网工程开展从三维协同设计、工程建设可视化动态管理到区域水资源优化配置与精准调度的全生命周期管理，提供了可靠的技术保障及引导深度运用的经验。随着BIM技术标准体系的进一步完善和在水利管理中的推广运用，围绕建立统一、开放式信息化平台，多元信息集成与智能分析模块的开发，模型协同转换适应性研究的不断深入，将为促进水利管理信息化向现代化、精细化、智能化转变发挥积极引领作用。