大型水电站建设项目智慧工程规划与实践

段 斌，周 相，王海胜，雷 迪，严思源

（国能大渡河金川水电建设有限公司，四川省阿坝州 624100）

0 引言

我国水电资源总量和开发量位居世界第一，水电是技术成熟、运行灵活、清洁低碳的可再生能源，目前我国水电开发程度明显低于发达国家平均水平，在我国“碳中和、碳达峰”发展背景下，需要大力开发水电[1]。当前我国水电开发主要集中在西部藏区，在此区域进行水电工程建设，以大渡河流域水电工程为例，具有如下特点：一是地理位置偏远，交通运输不便，并且项目遍布流域，位置相对分散，管理难度大；二是地质条件复杂，流域内三大断裂带纵横交错，地质灾害较多；三是流域多高坝、大库，且坝型种类繁多，有目前世界第一高坝——双江口心墙堆石坝，有抗震设防标准最高的大岗山双曲拱坝，有国际里程碑工程瀑布沟堆石坝，也有深厚覆盖层上的混凝土面板堆石坝；四是流域水情时空分布极不均匀，洪峰流量大、准确预测较困难。基于上述实际情况，我国水电工程通常规模大、投资高、技术复杂、建设周期长、管理内容多，在现行的项目法人制、招标投标制、工程监理制、合同管理制的管理体制下，水电工程的建设管理具有参与方众多、管理对象复杂、协调工作量大、管控内容多且要求高等特点。此外，在管理上还存在数据碎片化、信息孤岛化，管理层级偏多、运行机制不畅，风险反馈较慢、精准决策困难，以及员工工作强度大、重复劳动多等问题。为此，需要探索并提出了基于智能技术与管理的智慧工程解决方案。我国第五大水电基地——大渡河率先在水电行业开展了包括智慧工程在内的智慧企业建设，形成了一系列理论成果[2-7]。大渡河智慧工程建设经历了三个阶段：第一阶段是在大岗山、猴子岩水电站进行先期探索，第二阶段是沙坪二级水电站进行试点建设，第三阶段是双江口和金川水电站进行全面实践[8]。这些成果后续还将在枕二沙一等项目全面运用。

1 智慧工程理论概述

智慧化是在信息化、智能化基础上的更高级的概念，三者既有联系也有区别。信息化是将人员和流程数字化，提升局部效率；智能化是在工程技术方面的高级自动化应用；智慧化是人机协同，融合信息技术、工程技术、管理技术管控工程建设，实现风险管理和智能决策。智慧工程是工程建设领域的智慧化应用，是在智能化工程建设的基础上，打造数据驱动的工程建设管理新模式。

1.1 基本概念

智慧工程是通过运用云大物移智等先进信息技术，以工程全生命周期管理的视角，强化工程建造数字化感知，创新工程建设管理方法和手段，建立大数据及决策分析模型，构建工程安全、质量、进度、投资、环保和关键保障要素管控新模式，提升对各管理要素趋势性、系统性问题的分析、预警、决策与综合管控能力，最终实现工程建设全生命周期管理、全方位风险预判、全要素智能调控。

1.2 管控模型

智慧工程是物理工程与数字工程的融合。通过全面数字感知互联，实现了物理工程向数字工程的发展；同时数字工程通过数据驱动管理，也实现物理实体工程管理变更。基于大渡河智慧企业“三化融合”理论研究成果[9]，提出水电建设项目公司层级的智慧工程管控模型（见图1）。

图1 智慧工程管控模型Figure 1 Intelligent engineering control model

1.3 应用架构

应用架构分为支撑平台层，业务应用层和智能协同层。支撑平台层是集成应用的基础，业务应用层是工程现场管理的手段，智能协同层是关键预警指标管控及辅助决策的目标。金川水电站应用架构如图2所示。

图2 智慧工程应用架构Figure 2 Intelligent engineering application framework

2 金川水电站智慧工程规划方案

金川水电站是大渡河干流调整规划28级方案中的第6个梯级电站，位于四川省阿坝州金川县和马尔康县境内。本文将其作为研究对象，分析大型水电站建设项目智慧工程规划与实践成果。

2.1 金川项目概况

金川水电站被列为国家支持青海等省藏区经济社会发展能源建设重点开发项目。工程等级为二等大（2）型工程，主要任务为发电，设计装机容量860MW，安装4台215MW混流式水轮发电机组，与上游双江口水库联合运行时设计多年平均发电量34.86亿kW·h。水库正常蓄水位2253m，死水位2248m，总库容5.08亿m3，具有日调节能力。电站枢纽工程主要由面板堆石坝、左岸地下厂房、右岸溢洪道和右岸泄洪防空洞等建筑物组成，面板堆石坝最大坝高112m。金川水电站三维设计成果如图3所示。

图3 金川水电站三维设计模型Figure 3 The 3D design model of Jinchuan hydropower station

2.2 金川智慧工程总体目标

金川智慧工程建设以具体业务为对象，以数据流为导向，全面梳理智慧工程项目的业务范围和边界条件，建“四全”实现“三能”电厂，即大环境全感知，构筑物全掌控，业务量全数字，万事物全互联，实现管理风险识别，智能决策高效，经济运行最优的智慧电厂目标。在建设物理电站的基础上，利用大感知、大模型、大分析，以三维模型统筹工程数据构建虚拟云端电厂，实现物理电站和云端电站的相互对应。

2.3 金川智慧工程实施方案

按照“业主主导、统一规划、专业分工、整体推进”的思路，分为设计侧、业主侧、施工侧和监理侧四部分实施。其中，设计单位负责招标和施工图阶段的三维设计、数字化移交以及地质模型演进预报；业主单位负责建设期综合管控平台、数据中心以及施工区主干网络建设；施工单位是各项智能感知技术的责任主体，是工程“五控制”以及施工资源等业务数据的来源和集成单位。参建单位协同建设是金川智慧工程的显著特点。金川水电站智慧工程实施方案如图4所示。

图4 金川水电站智慧工程实施方案Figure 4 The execution scheme of Jinchuan hydropower station

2.4 金川智慧工程业务架构

结合金川水电站核心业务和管控需求，形成了“一个平台、五大单元”的业务架构。一个平台，即全生命周期数字水电站管理平台；五大单元，即智能大坝单元、智能厂房单元、智能安全环保单元、智能服务保障单元、智能工区单元。详见图5。

图5 金川水电站智慧工程业务架构Figure 5 The business structure of Jinchuan hydropower station

3 金川水电站智慧工程实践成果

3.1 建设进展

（1）基础网络设施建设。

建设一张兼顾建设期和运行维护期的施工区主干网，永临结合，兼顾建设期和运行期电厂三区数据传输需要，构建数据中心基础设施，形成工程建设的神经网络。参建单位的通信子网延伸至每个工作面、营地及道闸、摄像头，就像一个个神经突触，串联起工程的数据感知网络，并最终汇聚至数据至数据中心机房。目前数据中心机房已经投用，主干网络已经基本建成。

（2）智能工区建设。

建成了覆盖地面和地下、语音+数据的大传输网络，集团网络专线已延伸至施工区，满足现场高品质音话实时传输。推进了“一人一帽、以帽管人”的人员管理，已终止原智能安全帽供应，研究解决了新一代智能安全帽在金川应用的商务问题，正在配合大汇智安进行枢纽区模型创建。全面采用人脸识别、车辆识别，全面覆盖视频监控，打造智能工区建设环境，系统全面管控施工现场人员、车辆和物资。

（3）建设期综合管控中心。

该中心是金川水电站智慧工程数据汇聚中心和预警指挥中心，协同支撑和提升工程管理协调、预警、决策能力。平台集成整合工程建设各智能单元相关数据，解决数据关联和融合问题，构建工程数据指标、分析模型及预警策略。目前完成了数据交互标准设计；完成数据模型设计，搭建金川工程数据中心测试环境，梳理形成金川水电站KPI指标共计104项；分阶段完成功能开发，当前已完成大部分功能模块；统筹各承建方进行系统建设并陆续接入综合管控平台，已接入安全帽系统和安全管控系统。

（4）全周期数字化电站管理平台。

该平台贯穿于金川电站设计阶段、建设阶段及后期运维阶段全生命周期，实现基于BIM成果的可视化工程数据集成管理，数字化移交、智慧化运维。建成了全周期数字化电站管理平台，基于BIM成果，将设计、施工过程数据信息集成管理，为智慧运维提供数据支撑；实现了不同工程阶段属性信息、文档数据与模型关联管理；进行了数据快速录入编码分类，施工现场照片与模型关联查询，以及移动端使用。

3.2 关键技术

（1）智能协同的安全管控技术。

该技术主要包括：一是创新采用体验式的安全教育培训，通过安全体验馆内设置的现场急救、防灭火、触电、物体打击等身临其境模拟体验方式，替代了传统的“说教式”安全教育，大大增强了现场人员的安全意识。二是以智能安全帽为核心的人员管理，按照“一人一帽、以帽管人”原则，实现了作业人员的定位、轨迹，在岗、出勤统计等功能，结合电子围栏还可以进行危险区域滞留告警。三是智能工区封闭管理，依托地面和地下洞室网络覆盖，全部采用人脸识别进行的人员识别登记，并与LED显示屏实现联动显示。四是在上述基础数据采集后，集成安全资质、隐患排查、危险源、特种设备、防洪度汛及雨情水情等信息，集成在智能安全管控系统，实现对工程安全状态的全局把控。

（2）多元信息施工安全监测智能技术。

该技术主要包括：一是通过高精度三维激光扫描感知，构建“实景复制”三维实体模型，快速精确获取导流洞、泄洪洞开挖断面和围岩岩体信息，实现了工程量计量复核和超欠挖精准分析控制。二是结合微震监测，爆破振动监测，三维激光扫描，环境监测等信息，提出了多元监测信息的围岩失稳预警综合指标和预警模型，用于判断围岩稳定性，指导施工。

（3）全生命周期BIM设计与数字化移交技术。

该技术主要包括：一是三维协同设计；二是贯穿金川电站设计阶段、建设阶段及后期运维阶段等全生命周期，实现基于BIM成果的可视化工程数据集成管理；三是利用BIM进行地下洞室施工过程中的超前地质预报，实现地质预报的三维可视化，动态监控并显示地下洞室施工过程中的地质预报信息和地下洞室群动态反馈分析，辅助现场安全施工，优化开挖过程的安全及支护措施，降低施工风险。

3.3 应用场景

（1）体验式安全教育培训。

采用VR技术，通过现场急救、防灭火、触电、物体打击等模拟体验方式，大大增强了现场人员的安全意识，累计参培达到2000余人次。

（2）数据协同智能安全管控。

研发智能安全APP和WEB端应用系统，实时上报现场发现的安全隐患问题，建成了智能安全管控系统，集成安全资质、隐患排查、危险源、特种设备、应急管理、防洪度汛及雨情水情等信息，累计开展班前安全教育培训3266班次，开展安全评估105次，采集安全隐患数据441条，实现对工程安全状态的全局把控。

（3）可视化设计交底。

采用BIM技术，方便快捷地开展施工图审查和工程量复核等，确保设计意图准确真实传递。

（4）“三维实景复制”应用。

采用三维激光扫描与实体模型构建技术，快速精确获取地下洞室和料场边坡开挖断面和围岩岩体信息，实现了工程量计量复核和超欠挖精准分析控制。

（5）无纸化质量验评。

研发了质量验评APP，实现特定人员在指定位置规定时间内完成质量数据采集和质量管控，已累计使用质量验评APP完成单元工程评定172个。

（6）施工环境监测预警。

通过环境因素传感器和在线监测技术，对地下洞室风量、风速、洞内温度、湿度和粉尘、有害气体浓度及成分的在线监测与分析，实现施工环境实时监控和预警。

（7）多源融合的智能监测。

采用多源融合监测技术，利用安全监测、微震监测，爆破振动监测、围岩松动圈监测、环境监测等手段，提出了多元监测信息的围岩失稳预警综合指标和预警模型，用于判断围岩稳定性，指导导流洞、泄洪洞快速安全开挖。

（8）全景展示式的仿真档案室。

结合高清延时摄影和虚拟仿真技术，采集工程形象面貌、岩芯、地质素描、航摄测量、技术咨询、质量监督等重要影像资料，实现工程档案资料的快速检索、查阅。

4 结语

金川水电站智慧工程建设以大渡河智慧企业框架和系统工程方法论为指导，按照“业务量化、集成集中、统一平台、智能协同”的建设路径，“大感知、大传输、大存储、大计算、大分析”的建设方法，搭建了智慧工程数据中心和全周期智能电站管理平台，“一平台、五单元”的架构体系已基本形成，按照“中心制”管理模式逐步实现工程“五控制”管理的自动感知、自动预判、自主决策。

在体系架构方面，金川水电站智慧工程建设突出核心业务和管控需求，形成了“一平台、五单元”的业务架构，全面提升参建各方在资源配置、业务运行、辅助决策等方面的智慧化能力。在实施方案方面，形成了业主侧、设计侧、监理侧和施工侧的协同建设模式，分别从各自维度负责相应智能单元和工程数据的采集、整理、集成和应用，专业分工、协同推进智慧工程建设。在建设管理方面，成立了智慧工程推进机构，由领导小组、专业组和数据分析师组成，单位主要负责人任组长，成员覆盖各中心、部门、参建单位及服务单位。以上实践成果可供业内有关单位参考和借鉴。