夹岩数字大坝系统在工程精细管理中的应用

杨文 刘东海 谭其志 冯友文

摘要：夹岩水利枢纽工程面板堆石坝建设过程中涉及众多动静态信息，如何综合集成这些信息，为工程建设管理与大坝运行提供全面准确的信息支持，是工程建设中需要解决的重要技术问题。结合夹岩工程特点与需求，研制开发了夹岩数字大坝系统，对大坝建设过程中的质量、安全、进度等信息进行动态采集，构建了基于B/S模式的大坝综合信息集成平台和三维虚拟模型，动态耦联工程建设信息、三维场景和无人机航拍全景，实现了夹岩大坝建设多源信息的可视化、虚实化管理与数字化归档，为参建各方对工程进行精细管理，以及大坝运行后的健康诊断提供了信息应用和支撑平台，从而为创新工程建设管理手段、打造优质精品工程提供强有力的技术保障。

关键词：面板堆石坝; 数字大坝; 精细管理; 三维可视化; 夹岩水利枢纽工程

中图法分类号： TP391文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.039

夹岩水利枢纽工程是国务院确定的“十三五”时期建设的172项重大水利工程之一，是贵州省水利建设龙头项目，水库正常蓄水位1 323 m，总库容13.23亿m 3，坝后电站装机容量90 MW，总供水人口267万人，为I等大（一）型工程，总投资186亿元。工程建成后将在黔西北地区构建起以大型水利枢纽为支撑的安全有效的水资源保障体系。夹岩水利枢纽工程大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高154 m，坝长429 m，大坝等级高、规模大，涉及施工环节及参建单位众多，实现精细化管理是确保工程建设始终受控，提高施工质量的重要手段。目前，夹岩面板堆石坝填筑碾压质量实时监控系统[1]已投入运行，大坝坝体内埋设有各类安全监测仪器以对坝体结构状况进行健康诊断。除此之外，工程建设过程中还涉及进度、面貌等其他信息。如何把上述众多动静态信息进行综合集成、可视化管理与数字化归档，进而为大坝施工、运行与工程建设管理等提供全面、快捷、直观的信息服务和决策支持，是工程建设精细管理中需要解决的重要技术问题。

钟登华[2-3]开拓性地提出了水利水电工程施工实时控制关键技术和网络环境下数字大坝集成技术，为水利工程施工信息化管理提供了技术路线和实现手段。目前，该技术已在糯扎渡水电站[4]、长河坝水电站[5]、梨园水电站[6]、溧阳抽水蓄能电站、南水北调高填方渠道工程等近20个工程中取得了成功的应用。随着物联网、大数据与云计算、智能技术等的发展，数字大坝正向智慧大坝发展演化，以实现动态精细化的可感知、可分析、可控制的智能化大坝建设与运行管理[7]。

近年来，无人机（UAV）技术发展迅猛，很多学者开始探索该技术在工程管理中的应用。Wang等[8]利用无人机搭载激光雷达实时采集工程面貌信息，并结合建筑物BIM实现了施工质量的实时控制;Melo等[9]基于工程实例，评估了无人机在施工现场进行安全检查的可行性;Ellenberge等[10]研究了利用无人机图像自动识别桥梁结构损伤的方法。然而，UAV在水利工程面板堆石坝管理中的应用还较为少见，如何对大坝施工实景面貌进行动态采集与集成，从而辅助进度分析与工程决策，也是有待解决的问题。

本文借鉴已有工程数字大坝建设经验，针对夹岩面板堆石坝工程特点与需求，研发了夹岩数字大坝系统，研究利用无人机航拍辅助进度分析的具体实现技术和夹岩大坝建设质量、安全、进度等信息的动态可视化集成方法，可为参建各方对工程进行精细管理及大坝运行后的健康诊断提供有力的支撑平台。

1系统总体结构

针对工程实际情况，夹岩数字大坝系统需满足以下功能：① 需对大坝填筑碾压过程中的实时监控数据、安全监测数据以及施工进度数据进行综合集成;② 对工程枢纽布置及大坝建设场景进行三维数字建模，实现虚拟数字大坝的浏览漫游;③ 动态关联大坝建设管理信息与三维模型，用直观、形象的方式实现工程建设的精细管理。根据上述系统需求，提出如下系统技术构架和功能结构。

1.1系统技术架构

根据夹岩面板堆石坝工程应用需求和建设目标，采用现代信息技术与先进软件开发工具，设计了如图1所示的基于B/S模式的系统技术架构。

系统采集的数据包括属性数据和影像模型数据两种类型。通过填筑碾压质量实时监控系统和安全监测系统对碾压质量信息和安全监测信息进行采集，并定期录入大坝填筑碾压进度信息。对于影像模型数据，工程三维模型作为重要基础数据在系统应用前预存入数据库，工程面貌由无人机定期采集，视频监控则由现场定点视频监控系统采集。

属性数据与影像模型间根据实现的业务逻辑，通过ID映射等方式相互关联，以便在后续应用中，借助实景影像、三维模型等视觉数据对质量、安全、进度信息进行直观表达。

用户通过浏览器登陆系统，从服务器获取工程建设信息，实现基于三维场景的工程信息可视化管理及辅助决策。

1.2系统功能结构

如图2所示，从功能定位出發，整个系统可划分为6个子系统：分别为碾压质量数字化系统、安全监测数字化系统、施工进度数字化系统、枢纽布置数字化系统、工程视频监控系统和枢纽布置数字化系统、工程视频监控系统和工程面貌航拍全景系统。现将它们各自功能简单介绍如下。

图2系统功能结构Fig.2System function structure

（1）  碾压质量数字化系统。基于网络环境下的大坝施工三维数字模型（反映实际三维进度形象），集成面板堆石坝填筑碾压质量实时监控系统获取的碾压质量信息，实现完工仓面碾压轨迹、碾压遍数、压实厚度和激振状态等施工过程信息的可视化查询与管理。动态录入大坝试坑检测质量信息，建立网络环境下的试坑三维数字模型，使得用户根据位置、时间等条件筛选便能可视化地查询试坑检测结果。

（2）  安全监测数字化系统。建立大坝变形、沉降、渗流等安全监测仪器布置的三维可视化模型，实现监测仪器的分类别、分断面显示和大坝安全监测设施布置的三维场景漫游。建立安全监测动态信息与监测仪器三维模型的一一对应连接，实现点击仪器模型便可查询其对应数据信息，并可对大坝变形、沉降、水平位移、渗压、应力应变等监测量进行统计分析与图表绘制。

（3）  施工进度数字化系统。建立大坝二维和三维进度模型，实现网络环境下大坝计划进度和实际的可视化查询与动态仿真，并能生成二维进度形象对比图和工程量对比图，以方便进度偏差分析。

（4）  枢纽布置数字化系统。在对工程施工场地布置、道路交通、枢纽布置、地形地貌情况等数字化处理基础上，建立夹岩水库面板堆石坝施工总布置三维模型，实现工程三维场景的交互漫游与操作，为观察大坝细部设计和枢纽布置提供逼真的交互式平台。

（5）  工程视频监控系统。集成夹岩工程坝区现场视频监控系统，以方便监管人员随时调用远程查看大坝碾压作业情况，并与碾压监控信息进行对比分析。

（6）  工程形象面貌航拍全景系统。利用无人机定

期采集坝区施工全景，记录工程整体形象面貌变化，实现坝区枢纽实景的交互漫游。通过不同时期工程面貌全景的对比，管理人员可直观地从宏观角度分析评价施工进度。

2系统开发的关键技术

2.1工程三维场景网络可视化

要实现B/S模式下的综合信息可视化管理，构建工程施工三维数字场景并实现网络可视化发布是基础前提。三维场景网络可视化的目的是利用计算机图形学、组件对象模型等技术将夹岩项目三维模型在网络环境下发布，实现基于WEB浏览器的模型漫游、缩放、图层控制等操作，为后续集成工程属性信息（质量、安全、进度等），进而生动直观的方式实现信息管理打下基础。本次研究采用了基于多源空间数据的三维建模方案。具体来说，采用数字高程模型（DEM）叠加航拍遥感影像的方式构建工区地形，采用三维实体建模的方式构建坝体、溢洪道、围堰等水工建筑物，并贴以适当纹理以增强真实感，最终将上述不同格式、不同来源的空间模型按统一的坐标系统进行综合，构建夹岩面板堆石坝施工三维虚拟场景。

采用ActiveX技术对构建完成的三维模型进行网络可视化发布，该技术在保持瘦客户端优点的同时解决了动态显示数据传输量大的问题，能有效保证网络三维可视化的实现。如图3所示，具体实现流程如下：① 用户通过浏览器访问内嵌ActiveX插件的Web页面，浏览器自动下载插件并将ActiveX控件注册到客户端;② 用户与图形界面进行交互，通过ActiveX控件经网络语言向Web应用服务器中的事务逻辑类提出数据请求;③ 应用服务器接收用户请求，通过数据源访问接口实现对空间数据库的操作，将数据逆序传到客户端（浏览器），客户端通过ActiveX控件于插件中实现数据及图形的显示。

2.2多源工程信息动态耦联

夹岩面板堆石坝建设多源信息包括碾压质量、安全监测、施工进度、现场实景等。其中，碾压质量信息由填筑碾压质量实时监控系统进行采集[1]，包括仓面开/闭仓时间、碾压轨迹、碾压遍数、压实厚度、激振状态以及试坑检测等;安全监测信息包括监测仪器出厂信息、埋设信息和安全监测数据（由安全监测标信息系统采集）;施工进度信息包括计划进度和实际进度两方面，实际进度随着坝体浇筑上升定期动态录入;现场实景信息由工程视频监控和航拍面貌全景两部分构成。

图3基于ActiveX的三维场景网络可视化发布Fig.3Web visualization of 3D scene based on ActiveX

所谓工程信息动态耦联便是要将上述工程建设过程中动态采集更新的多源数据与网络环境下的工程三维模型建立耦合映射关系，从而依托于三维数字模型对动态产生的工程建设信息进行直观地表现和应用。图4为多源工程信息动态耦联模型。通过关键字段（仓面ID和仪器ID）关联的方法，分别建立碾压质量信息及安全监测信息与碾压施工三维数字模型和安全监测三维数字模型的动态映射关系，从而实现相关信息的三维可视化交互查询[11]。施工进度信息由用户定期按实际施工情况录入，系统从录入信息中提取坝体填筑二/三维数字模型参数，动态绘制施工进度面貌。现场实景信息分别由工程视频监控系统和无人机航拍采集，夹岩数字大坝系统提供数据访问接口，以方便用户随时调用查看。

2.3工程形象面貌航拍全景制作

采用航拍方式制作工程施工面貌全景，有利于管理人员从宏观视角总体把握项目建设进展。全景制作过程包括航拍照片采集、照片拼接处理和全景网络发布3个步骤[12-13]。

（1） 航拍照片采集。本次研究采用大疆精灵Phantom 3作为航拍设备。起飞前，进行设备安装并查看开机自检信息，确保GPS信号、电池电量等状态良好，同时宜选择开阔平坦地带作为起飞地点。起飞后，操控无人机至指定航拍地点（如坝址河床中轴线上空），调整云台相机俯仰角，在俯拍、平拍和仰拍3种状态下，分别旋转机体360°各拍摄6～8張照片，并注意保证相邻照片间有重叠部分。航拍任务完成后，指挥飞机返航，从机载存储卡获取照片。

（2） 照片拼接处理。图像拼接是三维全景技术的关键，它将一系列有重叠边界的普通图像进行无缝拼接以得到全景图。采集完成航拍图后，对相邻照片间的重叠部分进行像素加权融合处理，从而拼接出采集点处的框幅式全景图，然后通过球面投影，将框幅式像片投影到以焦距为半径的球面坐标系中。

（3） 全景网络发布。通过网络引擎将制作完成的航拍面貌全景发布渲染，实现基于Web浏览器的全景漫游浏览。调用引擎的应用编程接口，快速定制面向夹岩面板堆石坝建设管理应用需求的功能及界面。

3系统在工程建设精细管理中的应用

夹岩数字大坝系统自2018年3月起正式投入运行，在工程建设精细化管理中发挥了重要作用。如图5所示为夹岩项目工程精细化管理框架。碾压质量数字化系统、安全监测数字化系统和施工进度数字化系统分别从碾压质量管理、安全监测管理和施工进度管理3方面为夹岩工程精细化管理提供直接的信息服务支撑，枢纽布置数字化系统、工程视频监控系统和工程面貌航拍全景系统则为工程决策管理提供虚实场景的可视化辅助。

3.1碾压质量管理

图6为主堆石区某仓面碾压信息的查询界面，仓面区域及其边界会在坝体相应高程面貌上高亮显示。跟仓面相关的信息包括基本信息（名称、设计碾压参数等）和图形报告。通过插值算法，仓面上任意一点都关联了该点网格的相关碾压质量信息，如网格坐标、碾压遍数、碾压高程、压实厚度等。当用户鼠标点击碾压仓面，该事件便会触发WEB端的JavaScript代码访问后台服务器，从数据库中获取相应的信息并向客户端返回查询结果。

通过碾压图形报告，管理人员可方便直观地把握仓面整体碾压质量[14-15]。图7显示了某仓面生成的3类图形报告。碾压轨迹图形报告用于评价碾压作业方向、行驶速度及激振状态是否合格，超速碾压和激振状态不合格位置的轨迹会用高亮颜色显示;碾压遍数图形报告用于评价整体碾压遍数是否达标，并指示欠碾/漏碾位置;压实厚度图形报告则用于评价仓面压实均匀性和压实厚度是否合格。

3.2安全监测分析与管理

图8为安全监测数字化系统界面。对于各类监测仪器，由于其外形特征并非大坝安全监测关注的重点，因此本研究采用不同形状和颜色的三维形体来代表变位计、渗压计及土压力计等5类不同的监测仪器。当某个仪器模型被点击，该事件首先触发获取该模型对应的ID号码，然后利用ID号从数据库中检索相应的出厂信息、埋设信息、监测数据和统计信息，这些数据最后被推送到WEB端，在界面相应位置进行显示，并利用HTML5 Canvas绘制监测数据时程曲线。

3.3施工进度管理

在施工进度数字化系统中，计划进度由开发人员在系统开发时预录入，实际进度则随施工进程推进由管理人员动态录入。图9显示了截至2018年4月的施工进度对比分析。通过分析，可以看到下游堆石区赶在计划进度之前超额完成了填筑任务，而主堆石区则出现了明显的滞后。引起滞后的原因是坝踵凹槽处薄弱层较多，基坑开挖处理困难，导致填筑开始时间滞后，从而影响了后续填筑碾压。目前，在建设单位紧密督促下，施工单位日夜奋战，已完成基坑处理工作，并开始了大强度的填筑碾压工作，计划按期达到度汛高程。

3.4虚实场景辅助决策管理

夹岩数字大坝系统提供了包括三维虚拟模型和航拍实景等在内的工程场景可视化工具，以辅助管理人员用更直观的方式进行决策分析，如图10所示。枢纽布置数字化系统基于设计信息构建夹岩工程枢纽布置的三维虚拟场景，可用于辅助方案比选、会商研讨、工程形象推广等。工程视频监控系统实时采集关键区域影像视频，起到监管督促作用，并可利用坝面填筑区域摄像头辅助碾压质量监控。工程面貌航拍全景由系统维护人员定期（一周一次）于坝址和上游围堰两个点位采集制作，该系统用于管理人员整体把握施工全貌，并與施工进度数字化系统互为验证，历史上不同时期的航拍全景都会归档记录，方便用户随时调取查看。

4结 语

针对夹岩面板堆石坝工程应用需求，笔者所在团队开发了夹岩“数字大坝”系统。该系统采用基于B/S模式的技术架构，动态采集大坝建设过程中的质量、安全、进度等信息，构建工程三维虚拟场景和无人机航拍全貌实景，并将工程建设信息、三维场景和航拍全景进行耦联集成，实现了夹岩大坝建设多源信息的可视化、虚实化管理与数字化归档。自2018年3月正式投入运行以来，系统运作良好，在工程建设精细化管理中发挥了重要作用，为创新工程建设管理手段、打造优质精品工程提供了强有力的技术保障。

通过高清视频识别耦合三维模型，进而从一个整体画面对工地现场进行调度指挥和应急处置，可进一步提高工程建设管理效率和水平，这将是进一步要做的研究工作。

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引用本文：杨文，刘东海，谭其志，冯友文.夹岩数字大坝系统在工程精细管理中的应用[J].人民长江，2019，50（2）：218-223.

Application of digital dam system in fine management of Jiayan Water Conservancy Project

YANG Wen ，LIU Donghai 2，TAN Qizhi ，FENG Youwen 3

（1.Guizhou Water Investment Group Co.， Ltd.， Guiyang 551700， China;2.State key Laboratory for Simulation and Safety of Hydraulic Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350， China;3.Sinohydro Bureau 12 Co.， Ltd.， Hangzhou 310000， China）

Abstract： There are massive dynamic and static information involved in the face rockfill dam construction of Jiayan Water Conservancy Project. How to comprehensively integrate these information and provide accurate information support for construction management and dam operation is an important technical problem to be solved in engineering construction. According to the characteristics and requirements of Jiayan Water Conservancy Project， a digital dam system was developed， which dynamically collected the information of quality， safety and progress in the construction. And then comprehensive dam information integration platform and 3D virtual dam model based on B/S model were built， which can dynamically couple engineering construction information， 3D scene and aerial photograph panorama of UAV， so the visualization-virtual management and numerical archiving of multi-source information in Jiayan dam construction were realized. All of these works provide information application and support platform for all parties involved in the construction to conduct fine management for the project and the health diagnosis after the dam operation. Thus， it provides strong technical guarantee for innovating the management means of engineering construction and creating high-quality projects.

Key words：face rockfill dam; digital dam; fine management; 3D visualization; Jiayan Water Conservancy Project