大石峡水利枢纽工程智慧建设总体规划与顶层设计

2021-06-01宋晓建裴彦青赵宇飞

水利规划与设计 2021年5期

宋晓建，裴彦青，赵宇飞，姜龙

(1. 新疆葛洲坝大石峡水利枢纽开发有限公司，新疆乌什县 843402；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100048)

1 概述

随着信息技术的发展，“智慧地球”概念得以提出，“智慧”概念在水利领域得以体现。数字水利和智慧水利是水利信息技术不同的发展阶段[1-2]。初期，随着全数字摄影测量、遥测、遥感、地理信息系统、全球定位系统、可视化等现代化信息技术出现，构建成一体化的数字集成平台和虚拟环境，并在可视化的条件下提供决策支持，增强决策的科学性和预见性[3]。现阶段，以"互联网+"的思维和BIM的跨界应用开拓水利创新之路，大坝建设管理云平台、一体化智能灌浆、无人集群智能填筑、混凝土浇筑智能温控、TBM辅助掘进等在水利工程施工过程中取得阶段性成果[4-12]，解决了信息采集实时性差、数据应用程度低、易形成信息孤岛、以及难以满足高标准的施工质量综合控制等问题，实现了单一分项工程的智能化管理。

随着物联网、云计算、大数据、人工智能、BIM+等新一代信息技术崛起，从水利工程的规划阶段开始，实现规划、设计、建设、运行的全寿命周期智慧化任重道远，水利工程建设全过程智慧化管控旭日初升。本文结合信息化发展现状以及水利工程建设管理信息化研究与实践中的经验，拟建设基于“BIM+GIS+IOT+区块链+AR”等多技术融合的大石峡水利枢纽工程建设智慧管理云平台，实现“数据一个源、施工一张图、业务一条线、管理一张网”的智慧化管控，全面提升工程建设信息化水平。

2 工程简介

2.1 工程概况

新疆大石峡水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区境内阿克苏河一级支流库玛拉克河中下游、温宿县与乌什县交界处的大石峡峡谷河段。工程建设任务是在保证向塔里木河干流生态供水总量目标的前提下，承担灌溉、防洪、发电等综合利用，并为进一步改善向塔里木河干流生态供水过程创造条件。拦河坝为混凝土面板砂砾石坝，最大坝高247m，为国内外同类型大坝最高坝。水库正常蓄水位1700m，水库总库容11.7亿m3，电站装机容量750MW，多年平均发电量18.93亿kW·h，工程等别为I等大(1)型工程。工程完工形象如图1所示。

图1 大石峡水利枢纽工程完工形象

2.2 工程特点及技术难点

新疆大石峡水利枢纽工程为特高混凝土面板砂砾石坝，为已建和在建的世界第一高混凝土面板坝和世界第一高砂砾石坝。工程整体具有高坝、高边坡、高地震烈度、高泄洪流速、高挖填强度等“五高”，管理模式新“一新”，地形地质复杂、自然气候复杂、社会环境复杂等“三复杂”的特点。其具体工程特点及技术难点见表1。

3 智慧建设目标与原则

3.1 建设目标

基于大石峡水利枢纽工程特点和技术难点，结合信息化发展现状以及水利工程建设管理信息化研究与实践中的经验，建设基于“BIM+GIS+IOT+区块链+AR”等多技术融合的大石峡水利枢纽工程建设智慧管理云平台，实现大石峡水利枢纽工程数字孪生、数据驱动、情景模拟、动态管控、智慧决策等，主要目标具体体现在六方面：①为大石峡水利枢纽工程建设智慧化管理提供群体协同平台；②为大石峡水利枢纽工程建设质量、进度、安全、成本的高效管控提供重要科技手段；③为大石峡水利枢纽工程运行长效安全智慧管控提供科学保障；④为大石峡水利枢纽工程提供全寿命期管控，保证数据的完整和可溯；⑤为大石峡水利枢纽工程提供新一代信息技术支撑，保障新技术与工程实际无缝衔接，具备出色的应用、推广价值；⑥为大石峡水利枢纽工程解决工程现场数据与填报数据“两张皮”问题，确保现场与智慧工程同时设计、同时建设、同时运行。

3.2 建设原则

为实现“数据一个源、施工一张图、业务一条线、管理一张网”的智慧化管控，大石峡水利枢纽工程建设智慧管理云平台主要依据的设计原则如下：①需求导向、目标统领；②总体设计、分步实施；③安全实用、先进可靠；④自主可控、性能高效；⑤统一标准、共享资源；⑥技术融合、智能应用；⑦突出重点、务求实效；⑧统分兼顾、逐步迭代；⑨集中部署、保障运行；⑩健全机制、创新服务。

表1 大石峡水利枢纽工程特点及技术难点汇总表

4 智慧建设顶层设计

4.1 顶层架构

基于物联网等新一代信息技术，秉承“泛在感知、BG为基、激活数据、多层互融、引领创新、协同共赢”建设理念，建设大石峡水利枢纽工程建设智慧管理云平台，实现大石峡水利枢纽工程建设全过程、全要素、全方位的智慧化管控和业务闭环管理，实现质量、进度、成本及安全的统筹优化，打造新时代的智慧水利示范精品。其智慧建设顶层架构如图2所示。从图2可知：

(1)工程建设所依据的政策法规和安全体系是本平台开发建设的基础。

(2)感知层，主要通过RFID、宽频定位、电子标签、摄像头、无人机、高精度定位、人工观测等手段，获取本平台的多源异构海量数据，为平台高效运行提供真实、可靠的基础资料。

(3)传输层，主要通过光纤、北斗、以太网、局域网、4G等手段，构建全方位、多层次、全覆盖的网络通信系统，为本工程监测监控站、调度会商中心等之间的语音、数据、视频等各种信息提供高速可靠的传输通道，实现数据高效、精准的传递。

(4)基础层，主要以云平台的相关硬件和软件为载体，将现场和智慧化工程无缝衔接，确保智慧大石峡安全、可靠运行。

图2 大石峡水利枢纽工程智慧建设顶层架构

(5)数据层，主要将获得的数据、文本、图片、影像、视频、声音等资料，进行存储、规划、梳理、抽取、交换、发布、服务等数据管理与服务，为云平台业务应用提供数据服务。

(6)支撑层，主要通过GIM、GIS、云计算、区块链、大数据等算法，为智慧化工程中不同的功能模块之间进行数据交互的数据交换平台，进行大数据处理的多源异构数据处理平台，以及储存源数据的数据存储平台，其中信息全过程管理标准中包括信息采集标准格式、数据存储与分析的标准结构与元数据设计，源数据将经过平台层进行清洗、甄别、稀疏、聚类、相关、预测、校验、转发等，是大数据中转、处理中心，还包括有支撑平台应用开发和支撑平台服务的多个平台系统，如BIM Cloud服务平台、GIS服务平台、AI训练平台等，是支撑整个云平台运行的必要服务平台，另外结合目前水利部正在推行的数字文档电子签证，保证工程建设过程中的重要数字文档的合理地位与法律效力。

(7)业务层，构建工程建设全过程的智慧业务应用系统，用以指导和控制工程建设过程，为工程顺利推进和“人、机、料、法、环”的全方位管理提供应用支撑，为工程协同化管理和工程智能决策提供支持和服务，实现工程信息的全方位分析与渲染，整体推进大石峡水利枢纽工程建设和管理智能化水平。

(8)访问层，包括大石峡水利枢纽工程建设管理云平台门户网站建设，多终端访问和用户角色划分等。

(9)用户层，即大石峡水利枢纽工程建设群体，包括建设管理者、设计、监理、施工、监督等相关人员。

4.2 技术架构

拟采用FWeb平台(统一资源云服务平台)，该平台是资源管理平台、网络应用开发平台、移动应用开发平台、云帐号中心平台的总称。其技术架构如图3所示。

云平台遵循主流企业架构风格，设计遵循标准化、可扩展性、先进性、稳定性等系统总体设计原则，并且支持多语言，支持主流的微服务框架、支持前后端分离的开发模式，可扩展性高、系统开发效率高等多个特点，可兼容WindowsServer、Linux、Unix等多个主流操作系统。

云平台还能与国产及国外主流数据库保持极好的交互性，同时开发平台提供应用、数据、网络、终端、通讯的安全管理，确保运行的可控、可靠性，通过运行监控、集群管理、组件升级等运行维护的支持，满足平台的高可用性要求。

图3 大石峡水利枢纽工程智慧建设技术架构

在FWEB开发平台的基础上，对于网络和基础设施条件具备的项目现场，进一步引入BIM、GIS、物联网、移动互联网、人工智能等技术，实现项目管理数据从采集/感应层到存储/审批层、业务层、可视化展示层的纵向贯通，以及数据采集自动化、业务处理在线化和项目管理智能化。

在技术路线的选型和技术使用上，充分考虑自主产权技术研发和集成外部成熟系统相结合的方式，通过标准化的接口，实现业务应用数据传输的无缝衔接。

4.3 平台特点

(1)BIM+GIS+AI技术的深度应用。继承设计阶段BIM设计成果，结合实际施工过程项目划分标准，进行WEB端的BIM轻量化处理与参数精细化切割，与GIS、AI技术深度耦合，实现以单元工程为最小管理单元的施工过程精细化智能化管理。并且通过施工期的BIM模型的应用与工程建设过程重要信息的加载，为水利枢纽运行过程的BIM+GIS+AI技术应用提供重要基础。

(2)基于工程建设物联技术、BIM技术以及施工过程实时精细化管理系统，建立了“管理平台在‘云’、施工过程实时监控在‘中’、工程建设管理信息感知在‘底’”的三层管理模式。

(3)基于标准化数字化的工程建设信息采集标准，实现了水利工程管理业务模块与工程施工过程实时智能化监控系统的数据互联互通、深度融合，可以保证水利枢纽建设管理平台的“数据一个源、施工一张图、业务一条线、管理一张网”，达到工程建设各参建单位的协调共享的高效管理，保证工程建设质量和进度。

数据一个源：本系统建立统一的数据采集标准，标准包括数据采集标准与数据分析标准，在数据采集标准中，以各种水利工程建设管理标准规范为依据，并且结合水利枢纽管理的业务需求，建立数据采集标准，保证系统中的数据来源唯一、出口唯一，保证系统中数据管理的高效与可靠。另外系统中的数据管理标准还包括信息分析与处理标准，能够将工程建设文档中的数据进行碎片化，并对其进行大数据分析，提高数据的利用率，为工程建设建设管理优化提供重要支撑。

施工一张图：利用BIM技术，继承工程设计阶段的三维立体设计成果，建立基于工程项目划分的施工期BIM模型，构建水利枢纽数字孪生模型和数据驱动模型，实现BIM技术平台的动态工程施工与结构优化等，实现工程建设施工的一张图管理。

业务一条线：在工程建设信息全过程管理基础上，结合工程建设过程中各种业务管理的主要内容，对水利枢纽工程进行精细化施工组织与项目划分，并结合工程建设文档信息的采集、传输、整理、分析及归档等流程，将工程建设管理过程中的质量评定、合同管理、进度管理、文档管理、检验检测管理等业务实现有机结合，保证各管理业务中的数据来源唯一、信息可靠、管理高效，提高管理效率与水平，实现业务一条线管理。

管理一张网：基于建立水利枢纽工程建设管理平台，为工程参建各单位提供重要的数据共享、业务协同、管理高效的工程建设管理平台，实现工程参建各单位的业务交互高效管理，实现工程建设一张网式管理。

5 智慧建设功能与关键技术

5.1 功能模块

大石峡水利枢纽工程建设智慧化管理，分为三大类功能模块，分别为分析决策类、工程建设类和现场施工类。

功能模块如图4—6所示。

图4 分析决策类功能模块全景

图5 工程建设类功能模块全景

图6 现场施工类功能模块全景

从图4—6可见，分析决策类模块提供给管理者和系统使用各角色各单位进行项目整体浏览分析、实时全景查看项目进展、智能预警等功能，对项目决策和管理起到全方位支撑作用；工程建设类模块提供给管理者和系统使用各角色各单位进行项目运行全方位工作数字化支撑功能，使各角色各单位进行有效业务、数据、流程协同；现场施工类模块对工程施工现场提供支撑功能，包括各项施工环节的实时智能化监控、各项施工作业监控、外部环境及施工污染监控、农民工施工班组管理和现场材料的使用管理等。

大石峡水利枢纽工程建设智慧化管理，其典型的管理模块内容、主要功能和输出信息如图7所示。

5.2 关键技术

(1)利用云计算、物联网等技术，基于建立的水利工程建设精细化管理云平台，如图8—9所示，开展工程建设运行高效协同管理与监控，提高工程建设运行管理效率与水平。

(2)基于坝料级配、含水率的实时感知、碾压机械无人驾驶无损快速改装技术，能够实现大坝填筑的坝料级配与含水、路径规划、环境感知、动作执行及质量评判的智慧化施工，如图10—11所示。

(3)依托“布-钻-灌-检”的灌浆施工全过程智能监控系统如图12所示，利用钻孔多源检测技术的地层综合感知技术与装备，如图13所示，进行灌前地层精细感知、灌浆过程动态调控、灌浆质量实时评价的全过程的智能化监控。

(4)基于BIM+GIS+AI+VR技术的水利工程建设信息三维立体分析与渲染管理系统，进行参数化的BIM模型切割，形成施工过程管理最小单元和轻量化处理，如图14所示，构建BIM模型实时加载施工数据驱动模型，实现水利工程建设动态三维形象化精细化管控。

图8 水利工程建设管理云平台系统总体架构

图9 水利工程建设管理云平台主要功能模块及应用展示

图10 基于施工机械无人驾驶的大坝填筑智能监控系统

图11 基于无人驾驶技术的智慧碾压施工机械

图12 “布-钻-灌-检”的灌浆施工全过程智能监控系统

图13 灌浆钻孔随钻信息实时感知系统与主要传感器测量信息

(5)基于区块链技术，通过拌合楼的要料单与配料单的建设与应用，逐步向前扩展到原材料供货商的重要信息、向后逐步扩展到混凝土浇筑养护以及质量检测等方面，进行混凝土拌和及浇筑全过程的数据管理，实现全节点、全过程的覆盖，如图15所示，从而实现混凝土施工全过程的精细化管控。

6 结语

本文主要从新疆大石峡水利枢纽工程建设智慧管理需求出发，结合目前先进信息化技术发展现状，开展了该枢纽工程智慧建设总体规划与顶层设计，通过整个平台架构的设计，遵循标准化、可扩展性、先进性、稳定性等设计原则，并且将目前最新发展的信息化技术纳入其中，实现全过程全方位的多维精细化管理。并在平台上将与工程建设中关键的施工过程实时智能化监控系统作为单独的子系统进行建设，实现了既全面又重点突出，即全要素又关键突出的特点。