向家坝水电站混凝土浇筑VR与智能进度模拟系统设计

周厚贵 戴志清 张开广 孙昌忠 曹生荣

（1.中国能源建设集团有限公司，北京 100029；2.中国葛洲坝集团股份有限公司，湖北 宜昌 443002；3.水资源与水电工程科学国家重点实验室（武汉大学），武汉 430072）

向家坝水电站是金沙江下游的最末一个梯级电 站，其工程规模仅次于三峡水利枢纽和溪洛渡水电站，是我国第三大水电枢纽工程.向家坝水电站施工项目多、施工强度高、技术复杂、质量要求高，特别是坝体混凝土浇筑施工的方案制定、进度控制、设备调度等问题引起了广泛关注和高度重视.

申明亮等通过建立混凝土浇筑模拟模型，对向家坝水电站设计阶段不同的浇筑方案进行了模拟，并通过二维和三维图形表达模拟结果，为施工方案的选择提供了有力的依据［1］.王忠耀等开发了向家坝水电站混凝土浇筑模拟系统，用于验证和分析各施工方案的优势与不足［2］.翁永红［3］、李锋［4］则分别从向家坝水电站施工机械配套方案、分缝形式、温控要求等角度对大坝混凝土浇筑进行了研究.这些研究工作对于向家坝水电站大坝混凝土浇筑施工方案的优选发挥了重要作用.

在既定的总体施工方案下，如何科学合理地组织现场施工则是向家坝工程建设中更为复杂的问题.传统的施工管理与决策模式已很难满足如此复杂的混凝土坝浇筑施工需要，迫切需要建立有效的混凝土坝浇筑施工管理创新模式［5］.

为此，本项研究从向家坝水电站坝体混凝土浇筑现场的施工管理与决策的特点和现实需求出发，以虚拟现实（Virtual Reality，VR）和人工智能领域的知识工程（Knowledge Engineering，KE）为理论基础，开发向家坝水电站混凝土浇筑VR与智能进度模拟系统，并应用于工程实践.本文介绍了该系统的需求分析与实现思路、整体结构设计和系统的功能设计等研究成果，以期为相关工作提供指导和借鉴.

1 系统需求分析与实现思路

向家坝水电站为混凝土重力坝，仅仅坝体设计混凝土浇筑总量就高达约1400万m3，混凝土浇筑施工是整个工程建设的重点和主要内容，其顺利实施是整个工程顺利完建的核心和关键.

向家坝水电站混凝土浇筑施工具有以下几个方面的特点和难点：①混凝土工程项目多，工程量大；②混凝土施工强度高，且高强度持续时间长；③坝体结构复杂、施工难度大、质量要求高；④基础齿槽回填混凝土难度大、工期紧；⑤坝址区域降雨天数多、仓面狭长，温控防裂难度大；⑥混凝土永久外露面、过流面成型质量要求高；⑦施工设备多、相互干扰大；⑧各专业、各标段之间施工干扰较大；⑨建设方提供的公用设备多，协调工作量大.

此外，在混凝土浇筑施工过程中，由于现场条件实时变化、系统状态不断更新、系统约束与限制动态变化、施工管理各项工作紧密衔接等原因，混凝土浇筑施工呈现高度的复杂性、不确定性、动态性.在混凝土浇筑施工过程中，施工现场决策和管理的工作量大、问题复杂.

为此，为提高现场决策与管理水平，确保工程进度和质量，对向家坝水电站混凝土浇筑施工决策与管理系统提出了以下几个方面的要求.①系统性：该系统需要全面地涵盖混凝土坝浇筑施工的各个环节，包括骨料制备、混凝土拌合、运输、备仓、通水冷却、灌浆等混凝土坝浇筑的相关环节.将相关信息都集中于系统后便于在统一的信息环境中进行管理和决策.②交互性：由于施工现场的条件和约束实时变化，系统需要提供某种方式实现用户在决策过程中的交互，即可改变系统各相关因素的状态和浇筑施工规则.③形象化：要求系统以形象、可视的方式展现混凝土坝浇筑施工信息和某个施工方案的施工过程，为用户的正确决策提供直观依据.④智能化：混凝土坝浇筑施工既需要管理人员的经验，又有很多规则需要遵循，是一项复杂的智能活动.为此也需要系统具备一定的人工智能，以提高系统模拟结果的可靠性和参考价值.

为满足以上要求，在以往研究工作的基础上［5-6］，提出了如下的实现思路：建立工程设计方案与施工现场信息集成的施工信息库；通过KE实现专家经验和混凝土浇筑规则的结合，建立智能推理模型实现对向家坝水电站混凝土浇筑全过程的模拟，用于施工方案模拟和施工进度编排等管理与决策工作；通过VR实现在虚拟的施工环境中展现施工信息和施工方案，并最终形成一个虚拟的、智能的、高度集成的混凝土坝施工管理与决策系统平台.

2 系统整体结构

向家坝水电站混凝土浇筑VR与智能进度模拟系统由数据库子系统、施工规则库子系统、智能推理子系统、VR引擎子系统、功能模块子系统等5部分组成，其整体结构如图1所示.

图1 系统整体结构

系统各部分的简要介绍如下：

1）数据库子系统：数据库子系统为系统运行提供基础数据，包括混凝土坝施工方案信息、施工现场的各类实时信息以及坝体的三维空间信息3个方面内容.其中，施工方案信息和施工现场信息是经过提取和抽象后的数值信息，而坝体三维空间信息则以3DMAX文件保存，由OpenGL实现对其的驱动.

2）施工规则子系统：即为混凝土坝浇筑施工规则库，其实质为混凝土坝施工所要遵循的规则、方式和注意事项.施工规则来源于专家经验（包括管理经验）和施工规范以及向家坝工程的相关技术要求等方面.施工规则在规则库中以产生式规则表示，即以“P→C（CF）”形式表示.其中“P”表示某规则的适用条件，“C”表示根据该规则的推理结果，“CF”表示该规则的可信度.基于这一方式，可以将混凝土坝浇筑施工的各方面条件和要求通过规则表示出来，并通过推理系统进行智能推理，得到施工方案和施工参数.

3）智能推理子系统：基于施工规则，根据数据库中的施工现场信息，由推理系统实现对实际施工过程的模拟，即根据相关情况利用特定规则实现工程实践中的相关工作，如仓位编排、设备调度、灌浆计划制定、通水方案制定等.智能推理系统即可提高工作效率，又可充分考虑相关规则，不会出现遗漏或考虑不周等情况.

4）VR引擎子系统：通过VR引擎实现生成和再现具有高度可视和沉浸性的虚拟现实施工场景和施工信息，便于管理人员决策.主要包括几何变换、光照渲染、材质渲染、贴图渲染、对象拾取、特效渲染、动画渲染、显示优化等方面内容.

5）功能模块子系统：该子系统即为用户所直接感受到的系统各项功能，主要包括智能排仓、机械调度、方案验证、进度模拟、备料计划、灌浆计划、通水方案、虚拟查看等8大功能模块.

3 系统功能设计

如上所述，向家坝水电站混凝土浇筑VR与智能进度模拟系统具有8大功能模块，分别为智能排仓、机械调度、方案验证、进度模拟、备料计划、灌浆计划、通水方案、虚拟查看，这些功能模块基本涵盖了混凝土坝施工的各个环节，实现了对整个施工过程的有效辅助决策与管理.根据现场施工的实际需求，系统内各功能模块的功能特征如下：

1）浇筑仓位编排的功能特征.混凝土坝浇筑施工管理与决策过程中，需要根据当前坝体浇筑情况，频繁地制定各个坝段、各个仓位的浇筑顺序，即仓位编排.而仓位编排需要满足工程进度要求、形象进度要求，以及一系列的相关施工工艺约束.基于知识工程的混凝土坝浇筑施工智能决策系统可以根据当前施工现场各方面的综合信息，在满足相关施工规范、坝体混凝土浇筑技术要求、进度与形象进度要求的前提下，推理系统可制定尚未浇筑的各个仓位的浇筑顺序，即浇筑仓位编排工作.

2）入仓机械调度的功能特征.在混凝土坝的浇筑施工过程中，通常需要多台门机、塔机、缆机、塔带机、皮带机等混凝土运输设备，将混凝土运输至仓面以完成后续工作，这其中就存在多台入仓机械的调度问题.与仓位编排相对应，在混凝土入仓机械的调度过程中，需要考虑其运输效率、运输能力、空间位置、臂长、正负扬程、空间尺寸、行走范围等参数，以及坝体混凝土浇筑的相关系列约束.基于知识工程的混凝土坝浇筑施工智能决策系统可以根据当前施工现场各方面的综合信息，在满足相关施工规范、坝体混凝土浇筑技术要求、进度与形象进度要求的前提下，推理系统可安排各混凝土浇筑入仓机械依次负责浇筑的仓位，以及每台套混凝土入仓设备的运行方式.

3）浇筑方案验证的功能特征.对于系统外（及系统用户）输入的混凝土坝浇筑施工方案，包括浇筑进度计划、仓位编排方案、设备调度方案等，基于知识工程的混凝土坝浇筑施工智能决策系统可以根据当前施工现场各方面的综合信息，在满足相关施工规范、坝体混凝土浇筑技术要求、进度与形象进度要求的前提下，验证该浇筑方案的可行性，如不可行则给出原因和解释.

4）施工进度（过程）模拟的功能特征.基于当前施工现场综合情况的相关信息，基于知识工程的混凝土坝浇筑施工智能决策系统可以在满足相关施工规范、坝体混凝土浇筑技术要求、进度与形象进度要求的前提下，制定未来一定时间段内的坝体混凝土浇筑进度计划或者剩余坝体混凝土浇筑的进度计划，以及相对应的备料计划、灌浆计划以及通水冷却方案，实现对混凝土浇筑施工进度的智能模拟.

5）备料计划的功能特征.基于知识工程的混凝土坝浇筑施工智能决策系统可以在本系统拟定的施工进度计划的基础上，再结合坝体各个部位的混凝土配合比参数，推理计算得到未来施工期内的各类型水泥（依据参数划分类型）、骨料、外加剂等的需求量，供施工管理与决策使用.

6）坝体灌浆计划的功能特征.根据混凝土坝的实际施工进度，即各仓位的浇筑完成时间、坝体浇筑顶部高程、上游水位等相关施工参数，根据相关技术规范和要求，基于知识工程的混凝土坝浇筑施工智能决策系统可以推理得到坝体接缝灌浆的部位、推荐开始时间等施工参数，供施工管理与决策参考和使用.

7）冷却通水方案的功能特征.根据混凝土坝的实际施工进度，即各仓位的浇筑完成时间及坝址所在地区的水文气象资料，根据相关技术规范和要求，基于知识工程的混凝土坝浇筑施工智能决策系统可以推理得到坝体各区的初期通水、中期通水以及后期通水的起止时间、水温、流量等参数，供施工管理与决策使用.

8）虚拟现实查看的功能特征.可在虚拟现实的系统环境下查看施工方案的实施过程，包括混凝土入仓设备的布置、各仓位的混凝土浇筑顺序、坝体各部分浇筑施工的前后关系.并可通过用户在虚拟三维空间中指定一系列的视点和视线控制点，由系统自动生成漫游路径，使得视点和视线在动画时钟的控制下沿着漫游路径自动平滑移动，从而生成漫游动画.

4 主要的技术实现方案

本系统的实现需要完成模拟模型的构建、人工智能推理系统的构建和虚拟现实实现技术3个方面的工作.其中混凝土坝浇筑施工模拟模型构建工作已在文献中［5］中做了较为详细的论述，此处重点介绍人工智能推理系统和虚拟现实系统环境的技术实现方案.

1）人工智能推理系统的实现方案

混凝土坝浇筑施工是在特定的工程条件和一系列技术约束、规范要求下，按照相应的规则执行混凝土坝浇筑施工各项活动的过程.在现有的工程实践中，多凭借专家经验和个人能力，以人工的方式进行管理与决策.但就其本质而言，混凝土坝浇筑施工过程是混凝土坝浇筑施工规则在施工过程中的应用.如果把这些规则理解为某种“知识”，建立具备智能推理能力的混凝土坝浇筑施工模拟系统的核心工作就在于实现这些知识的表示、获取和应用（即推理），而人工智能领域的知识工程可以很好地满足这一需求.所以，建立基于知识工程的混凝土坝浇筑施工智能决策方法，通过人工智能的方式进行混凝土坝浇筑施工的管理与决策，需要完成3个方面的工作，即混凝土坝浇筑施工的知识表示方法、知识获取方法和知识推理方法.

混凝土坝浇筑施工的知识表示采用产生式规则的形式.即通过“IF THEN”即“P→C”的形式表示混凝土坝浇筑施工中各项施工条件、规范约束、技术要求和可执行施工事件或应执行施工事件之间的关系.其中，“P”为触发该项施工事件的前提条件，“C”为满足该条件时，可执行或应执行的施工事件.同时考虑到各项规范约束和技术要求的不确定性和模糊性，在产生式规则型知识中引入可信度，其形式为“P→C（CF）”，“CF”（Certainty Factor）为规则的可信程度或可靠程度.产生式规则知识保存到关系数据库中，其管理及维护方式与关系数据库的管理类似，简洁而高效.

混凝土坝浇筑施工的知识获取主要通过对混凝土坝施工规范、当前工程施工技术要求以及领域专家经验的形式化完成，主要通过对常规形式表达的混凝土坝浇筑施工规则的提取、形式化、入库等步骤实现.混凝土坝浇筑施工的知识推理通过建立基于规则的推理机制、不确定性基于规则的推理机制、基于规则的推理冲突消解策略实现.基于规则的推理（Rulebased Reasoning，RBR），简称规则推理，通过事实与规则“P→C”中条件“P”或结论“C”的匹配，产生新的事实，直到问题解答或给出无解理由.RBR与混凝土坝浇筑知识的产生式规则表示对应.如果不考虑规则本身的因素，RBR的推理机制与人们判断性知识的形式是一致的，易于人们理解，可以给用户一个明确的解释，即可以说明通过本系统制定的任一施工方案的原因、考虑的因素.

基于知识工程所建立的混凝土坝浇筑施工智能决策方法和混凝土坝浇筑施工智能决策系统，在遵循混凝土坝浇筑施工技术规范和要求的前提下，通过知识工程的知识表示、知识获取和知识推理等方法的应用，通过智能推理系统实现混凝土坝浇筑施工中的管理与决策工作.建立的方法和系统实现了混凝土坝浇筑施工管理与决策工作的集成化、自动化、智能化，提高了管理与决策的效率和科学性.

2）虚拟现实系统环境的实现方案

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）使用户能产生一种沉浸于虚拟环境的感觉.虚拟现实技术是高度发展的计算机图形技术在各领域应用过程中的结晶和反映，可以给用户以逼真的体验，目前已在各行各业中得到广泛的应用，创造了广泛的综合效益.VR技术本身已基本成熟，所以建立基于VR的混凝土坝施工模拟系统的重点与难点在于根据混凝土坝施工的特点，实现VR技术的良好应用.

综合混凝土坝施工特点以及VR技术的要求，混凝土坝施工VR模拟系统的开发工作流程主要为“坝体建模→模型加载→模型剖分与参数计算→施工方案加载→优化与模拟模型计算→结果提取即系统功能实现”.其详细的实现过程如下：

①在3DMAX或其他3D造型软件中建立混凝土坝坝体三维模型和周围地形三维模型，并设施实体表面材质、纹理、光照模型等，完成后将其保存为＊.3DS模型文件.

②在混凝土坝施工VR模拟系统中打开混凝土坝坝体3DS模型文件，系统将自动载入实体模型和材质、纹理、光照模型等信息；利用系统的虚拟现实引擎实现模型的渲染和三维漫游.

③利用混凝土坝施工VR模拟系统提供的模型划分功能自动将混凝土坝坝体3D模型划分为各个施工单元；利用系统提供的模型编辑、修改和图元绘制功能对施工单元划分结果进行调整和修改；利用系统提供的信息计算功能计算各个施工单元的表面积、体积等参数信息；利用系统提供的数据库访问功能将混凝土坝坝体3D模型及施工单元相关信息保存到后台数据库.

④利用施工模拟模型，根据数据库中的施工单元信息计算并优化各个施工单元的施工流程及施工机械的配置方案.

⑤利用混凝土坝施工VR模拟系统提供的数据库访问功能从后台数据库读取各个施工单元的施工信息及施工机械的配置方案.

⑥利用混凝土坝施工VR模拟系统的虚拟现实引擎，并根据各个施工单元的施工信息完成施工过程动画渲染；启动系统的施工过程动画演示功能，实现施工过程的四维漫游（三维空间和时间维）.

⑦利用混凝土坝施工VR模拟系统提供的用户交互功能管理整个施工过程，如对各个施工单元的施工过程进行调整.

⑧利用水电工程施工虚拟现实仿真与辅助决策系统提供的数据库访问功能将施工过程和管理信息保存到后台数据库中.

⑨当后台数据库中的混凝土坝坝体三维模型、施工单元信息、施工过程和管理信息等数据发生变化时，重新将相关数据载入混凝土坝施工VR模拟系统，重新完成虚拟场景的渲染和施工过程动画渲染.

5 结 语

本项研究针对向家坝水电站大坝混凝土浇筑施工的需要，从施工阶段决策与管理的需求出发，针对施工过程中混凝土浇筑的特点与实质，通过对知识工程和虚拟现实技术的综合应用，建立向家坝大坝混凝土施工VR模拟与智能进度系统.本文对系统的结构、功能和宏观层面的技术实现方案等进行了研究和设计.本系统已在向家坝水电站施工中得到良好应用，创造了良好的工程实施效果.

本文侧重于对系统的总体介绍，相关技术细节将另文论述，以期为大型、特大型混凝土坝施工的管理与决策工作提供参考和借鉴.

［1］申明亮，陈立华，陈 伟，等.向家坝工程大坝混凝土施工过程动态仿真研究［J］.中国工程科学，2004，6（6）：68－73.

［2］王忠耀，侯冰玉.向家坝水电站大坝施工仿真模拟计算与分析研究［J］.水利水电技术，2005，36（4）：117－119.

［3］翁永红，汪安华，范五一，等.向家坝水电站大坝混凝土浇筑方案研究［J］.中国三峡建设，2004（5）：47－50.

［4］李 锋，陈 浩.向家坝水电站大坝施工纵缝分缝方案研究［J］.水电与新能源，2010（6）：29－32.

［5］马金刚，周厚贵，李庆斌，等.丹江口大坝加高工程混凝土浇筑施工模拟与管理系统［J］.水电能源科学，2008，26（1）：111－114，163.

［6］周厚贵，曹生荣，王泉德.虚拟现实环境下的混凝土坝施工管理与决策［J］.中国工程科学，2010，12（9）：63－68.