土石方调运动态平衡技术研究与应用

丁志军，张俊阳，王 超，戴洪义，黄宏美

(1. 中国葛洲坝集团第二工程有限公司，四川 成都 610091； 2. 武汉英思工程科技股份有限公司，湖北 武汉 430000)

1 研究目标

1.1 需解决的问题

水利水电工程(含其他基建工程)中土石方的开挖、运输、填筑是一种广泛应用的施工项目。但由于开挖阶段施工道路变化较快、施工分包单位参与较多、渣料的堆存地点规范性不强、土石方计量单位较多(有方、趟、吨、运距)等原因。土石方开挖计量与有用料存放复用的管理一直是工程信息化管理的薄弱环节。

施工现场的管理中，如何实现运输数据自动采集、运输过程监控、运输物料判别、运输过程可回溯、数据自动统计和容错等，一直是管理中难题。依靠人工统计、罚款、建立各种繁琐的规章制度与手段限制数量造假、运输不规范等行为，一方面效率低下，一方面容易激发矛盾。现代物流业的发展，为上述施工现场的管理问题提供了信息化、高效的手段。本产品将建立一套科学化的管理手段，使施工现场内部物料运输路径可视化、运输数据透明化、运输过程可追溯化、物料库存实时化，确保业务数据处理的及时性、准确性、一致性，支持工程土石方调配方案的落地实施，提升工程整体信息化管理水平。

本产品具体而言，需要解决以下业务管理问题：

1)以运单为基础，实现各个工程作业面上开挖出渣的管理，可以统计每个作业面、每班、到各个弃(存)料场、或施工部位的运输趟次或运渣重量；

2)以运单为基础，实现现场各种料场的进出料登记与管理。可以统计分析每个料场、每班、每种材料的进料量与出料量。本处的料场至少包含：弃料场、存料场、砂石料场、上坝料等；

3)以RFID技术为基础，实现运单数据自动采集与汇集。包括：运输车辆识别，计数机器人、地磅称重系统间的数据集成，为运单提供趟次、重量等业务数据，并提供图片等佐证资料；

4)通过场地运输道路的定义，可以计算场内各主要道路的运输强度、车辆平均行驶速度、运输循环耗时等功效类型的分析数据；

5)给所有的运输车辆提供车辆运输记录，以保证基于运单结算数据的准确性与可追溯性；

6)利用BIM系统各工程PBS节点的开挖设计方量数据、运输的趟次与运输距离，将运单数据换算成施工合同中的结算单位。

1.2 行业现状与分析

土石方调运动态平衡技术研究适用目标客户和目标市场较为广泛，目标客户主要面向业主、施工单位。系统可用于水利水电[1]、房建、机场、新能源、矿产等一系列基建工程土石方、矿产资源等挖运管理；可用于土石方开挖、运输进行磅房物资管理全过程把控(收料、发料和调拨等)；后期可结合混凝土生产过程要料、发料和运输进行全过程实现信息化手段管理。

研究方案适用于封闭场地内部的物料运输管理，运输路线相对固定，运输线路有较强的重复性的应用场景。对于长距离的、路线变化较大的运输方式，需采用基于GPS定位等多种配套线路规划方式进行，成本较高、人为可操作性因素较多。

目前产品市场主要依托于水利水电行业[1]，通过项目不断对产品功能及业务进行完善，后期完全可进行机场建设、路桥、煤炭开采、矿石开采等行业进行部分技术研究完善和推广应用。

2 核心技术研究与业务流程分析

2.1 核心组成部分

1)场内调运监控。利用道边RFID识别机器人自动识别车辆经过信息，并利用算法归集车辆的有效运输路径，形成车辆运单。

2)地磅房称重系统。通过RFID识别车辆，触发称重、拍照，自动生成磅单。

3)统计分析系统。提供运单统计、磅单统计、料场库存、基于GIS展示车辆实时和历史轨迹监控等统计分析。核心组成部分见图1。

图1 核心组成部分图

2.2 核心流程

核心流程见图2。

图2 核心流程图

2.3 核心业务管理对象

系统核心管理对象为运输道路、运输车辆、仓储场地、施工部位(料源地、用料点)等，通过地磅称重、道边RFID计数机器人和APP运单指派等方式生成施工现场数字化运输单据的管理手段。

对业主方的应用需求：①通过系统掌握工程总体用料单的开采、储存、消耗情况；②通过系统掌握主控材料的入场、仓储、消耗情况；③系统的电子运单能够作为业主对承包商、承包商之间相互结算的依据；④运输数据了解现场的运输资源配置情况、运输强度等数据。

对施工方的应用需求：①通过系统掌握主控材料、有用料等关键资源的入场、仓储、消耗情况；②系统的电子运单能够作为业主对承包商、承包商之间、总承包商对协作队之间、协作队与司机间相互结算的依据；③运输数据了解现场的运输资源配置情况、运输强度等数据；④运单及库存数据可以作为承包商后期成本分析的数据来源。

2.4 核心业务流程图

根据对管理对象的描述，系统将实现如下几个部分业务的数据流图：

1)开挖出渣运输数据流，见图3。

图3 开挖出渣运输数据流图

2)场内调运(上坝料/砂石料)数据流，见图4。

图4 场内调运(上坝料/砂石料)图数据流图

3)车辆采集信息和运单对应数据流程，见图5。车辆最新运单的初始登记时间与到达终点登记的时间形成的时间范围，作为本车辆通过机器人采集信息推送的条件，形成车辆运输的完整运单数据。

图5 车辆采集信息和运单对应数据流程图

4)地磅房物资验收数据流，见图6。

图6 地磅房物资验收数据流图

3 土石方调运动态平衡技术研究在句容抽水蓄能电站的推广应用

3.1 句容抽水蓄能电站工程概述

句容抽水蓄能电站由国家电网公司建设，项目建在句容市边城镇境内，依托仑山湖和附近山体，主要建设6台22.5万kW单级立轴可逆式水泵水轮发电机组，以及上下水库、输水系统、地下厂房等建筑物，总用地约394 hm2，总投资96亿元。葛洲坝集团承建该电站上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站、场内道路等施工内容，合同工期87个月。

句容抽水蓄能电站是葛洲坝集团目前国内在建的、规模最大的施工总承包项目，也是集团公司在抽水蓄能电站细分市场中首次全面承接主体工程的施工任务，工程的建设具有强烈的示范效应。几年来随着国家科技强国战略的实施、工业4.0、物联网、大数据、智慧工程、智慧城市等现代化管理概念蓬勃发展，也逐渐对水电工程传统的管理方式、生产方式带来观念上的冲击。作为句容工程的业主单位，国网新源一直非常重视数字工程、智慧工程的建设工作。近5年来，先后在丰满、绩溪、荒沟、沂蒙等一批投资建设的抽水蓄能电站中积极推进数字化的管理方式，取得了显著的成绩。因此，本项目工程的建设目标不仅是要按照合同工期，交付出高质量的工程产品，而且要在技术上、管理上取得创新突破，为集团公司在数字化管理、精细化管理、智能化控制上的提升提供积极、有益的实践与探索，也为集团公司在国网新源市场的后期拓展打下坚实地基础。

3.2 句容土石方调运动态平衡技术研究与应用的重要性

这个由中国能建葛洲坝集团承建的句容抽水蓄能电站工程，在抽水蓄能领域占三项世界第一，分别是世界第一高的抽水蓄能电站库盆大坝、世界第一高的沥青混凝土面板堆石坝以及世界第一大填筑规模的抽水蓄能电站[2-5]。

目前，全球最大蓄能电站是正在建设的河北丰宁抽水蓄能电站[1]，规划装机容量3 600 MW。但这个装机容量是“句容站”3倍多的“世界老大”坝高120 m，填筑总方量448.8万m3，分别是“句容站”的3/5和不足1/6。

根据设计方案，句容抽水蓄能电站建成后装机容量为1 350 MW，枢纽工程由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站等组成。上水库主、副坝均采用沥青混凝土面板堆石坝，正常蓄水位267 m，相应库容1 702.7 m3。其中，坝顶高程272.4 m，主坝最大坝高182.3 m，坝顶长度810 m，上水库主坝和库盆填筑量近3 000万m3。

该项目专家组还调阅了美国巴斯康蒂抽水蓄能电站、日本神流川水电工程等世界知名抽水蓄能水电站建筑资料，最终确认句容抽水蓄能水电站占据三个“世界第一”。

由此看来，解决大方量土石方开挖、调运、存储和消耗是整个工程顺利建成的重中之重，系统性开挖、调运、存储和消耗，使整个大坝填筑施工顺利开展，为专家团队决策作下一步土石方调运与动态平衡分析提供强有力数据支撑。

3.3 土石方调运动态平衡技术研究在句容抽水蓄能电站应用产生的直接经济效益

土石方调运动态平衡技术的研究在句容抽水蓄能电站推广应用，采用智慧化手段、土石方设计等技术应用，加快了施工效率和调运管控效率，为工程整体节省工期30 d，每天仅按50万成本计算，为整体工程直接节约成本近千万元。

4 研究性总结

本文探讨了基于物联网技术、RFID自动识别技术、图像识别抓拍技术、LED指引技术、大集成等关键性技术，全过程监控土石方挖填运调配中，挖方填方位置、车辆运输道路、运输趟次等关键参数，实现土石方自动计量统计功能，与土石方调配平衡功能。实现了全流程自动化、可视化和可追溯性，实现了土石方从开挖、运输、库存和消耗全流程自动化监控、统计和分析。大大提高了车辆通行效率，确保了人员的安全性，满足了工程保质保量快速建设要求，为创优质工程提供强有力的数据支撑[2-5]。