大型水利工程建设期智慧应用探索

杜灿阳，张兆波

（广东粤海珠三角供水有限公司，广东 广州 511458）

0 引言

2008 年 IBM 公司首次提出智慧地球的理念，认为通过感应器将人们日常生活中的各种物体连接起来，形成物联网，实现网上数字地球与人类社会、物理系统的整合，使人类生活达到智慧状态，提高资源利用率和生产水平，改善人与自然之间的关系。党的十九大报告提出要加快建设创新型国家，并把智慧社会作为建设创新型国家的重要内容，从顶层设计的角度，对经济发展、公共服务、社会治理提出了全新要求和目标，将加强水利建设摆在9 个基础设施网络建设的首位[1–2]。作为智慧社会建设的重要组成部分，水利行业提出从数字水利逐步向智慧水利转变的发展要求[3]，同时，国内正在进行的多个节水供水大型水利工程，如引汉济渭、滇中引水、珠三角水资源配置工程（以下简称珠三角工程）等，都在工程的设计、建设过程中，开展物联网、大数据、BIM、人工智能（AI）等新技术的应用探索[4–5]，并逐步形成相应的智慧应用成果，为建立一个贯穿工程设计、建设和运维全过程的智慧水利工程提供实践参考。

1 大型水利工程建设期管理难点及信息化现状

1.1 管理难点

大型水利工程一般都是惠及一方，为兴利除弊目标而建设的民生公益项目，很多项目按照百年工程的使用年限设计，同时，大型水利工程也是一项系统性和综合性较强的基础建设项目，有以下特点和建设困难[6]：1）大部分大型水利工程地理位置较偏僻，工程建设时空跨度大，点多，线长，建设周期较长，监管难度大；2）大型水利工程一般对经济社会、生态环境影响巨大，建设监管责任重大[7]；3）大型水利工程建设参与主体多，工程的设计、施工、监理、质量检测、安全监测等参建单位往往有数家甚至数十家，且各参建单位擅长的领域、业务水平参差不齐，对水利工程建设的安全、质量等方面的理解不同，工程建设过程中的协调和管理难度大。

1.2 智慧应用现状

信息化技术能实现全时空、全方位、全感知，是强化监管的最有效手段。根据当前在建与投入运行的重大水利工程智慧化应用管理的调研，水利工程建设期智慧应用存在如下问题：

1）重工程，轻信息。工程开工后，建设、监理及施工单位都将关注的重点聚焦在工程的进度与投资上，忽视建设过程中要求同步产生的数据、文档资料。因此，经常出现事后补文件、档案资料缺失等现象，而随着工程建设的推进，专业施工队伍的轮换，数据、文件资料的缺失也越来越严重，导致相关工程竣工结算等难以及时开展。

2）重系统，轻规划。工程建设过程中，无论是建设单位还是施工单位，会发现很多问题需要借助信息化手段才易于解决，因此，会根据工程建设需求快速购置或搭建相应的信息系统，如协同办公（OA）、进度管理、合同管理、门禁考勤等系统。在欠缺总体规划前提下进行的系统建设，会形成信息孤岛，导致各业务间沟通不畅，录入数据重复，反而严重影响工程建设管理的效率。

3）重实施，轻应用。在当前信息化时代，新技术应用层出不穷，有效提升了工程形象，但是，欠缺流程规范、业务制度及运维配套管理机制支撑的系统应用，难以发挥效益，久而久之，随着工程建设人员的变动，就会出现弃之不用的现象。

4）重技术，轻数据。随着信息技术的迅速发展，施工现场可以部署全方位的感知，实现对现场的实时监控，但缺乏统筹规划的感知系统建设，没有统一的数据标准规范，数据共享困难，难以通过数据整合分析辅助现场的施工管理，更无法积累并传递到运营期。

2 大型水利工程建设期智慧应用的重要性

2.1 有利于提升工程建设管理水平

建设期按照工程建设“安全、质量、进度、成本、廉洁”等五大控制管理要求，利用 BIM 和GIS、互联网、物联网、云计算、大数据分析等先进技术，可以规范工作成果，优化工作流程，共享数据资源，为工程建设管理提供辅助决策手段，有效提升工程建设管理水平。

2.2 有利于提升工程品质与总体形象

设计时应用 BIM 技术，可以直观形象地展示工程设计成果，减少设计变更，提升设计质量。建设期基于 BIM 正向设计成果，汇聚工程建设过程数据，通过 BIM 与 GIS 的可视化展示与模拟，提前预知工程建设成果，可有效提升工程总体形象与品质。

2.3 有利于提升工程现场监管水平

结合水利部对水利工程建设进度、质量、安全生产等方面的强监管要求[8]10–11，通过工程现场全过程信息化应用，可将监管要求有效落实到日常的工程建设管理过程中，辅助工程建设各级管理者对工程建设过程的全面把控，强化利用信息化手段对工程现场的实时远程监管要求。

3 大型水利工程建设期智慧应用规划

大型水利工程智慧应用建设应从工程全生命周期的角度出发进行总体规划。基于对大型水利工程建设期的难点问题分析，结合珠三角工程的建设管控需求及生产运营目标，按照“总体规划、分步实施”的原则，工程建设期智慧应用总体规划充分考虑技术架构的可扩展性，明晰系统划分及应用边界，分别从感知层、监控层、应用层、门户层等 4 个层次进行统筹规划，具体架构如图 1 所示。感知层针对施工现场安全与质量管控的对象部署感知测点，实现全面感知覆盖；监控层通过对现场感知对象的监控，实现及时预警与响应的智能化；应用层基于业务管理功能，通过应用集成与数据汇聚，有针对性地完成业务协同及数据分析，辅助工程建设管理决策；门户层针对不同终端类型，建立统一的门户窗口，实现对应用的集中发布。

图1 工程建设期智慧应用总体规划框架

4 大型水利工程建设期关键智慧应用

结合大型水利工程的建设管理模式，针对建设管控目标，构建建设期关键智慧应用体系，体系架构如图 2 所示。建设期关键智慧应用主要围绕协同、监管、提效、辅助决策等方面开展，通过相应智慧应用系统可实现：工程建设各方的协同管理，解决建设管理沟通难的问题；工程现场的实时监控，解决工程施工过程中安全、质量监管不到位的问题；对工程建设管理的辅助决策，提升建设管理水平；最终通过工程建设过程数据的累积与共享，融合各专业智慧应用，为工程未来的智慧运行提供数据支撑。

图2 建设期关键智慧应用体系架构

4.1 工程建设协同管理

利用云计算及移动互联技术，集中计算、存储、网络等资源，提供协同的网络共享环境，围绕安全、质量、进度、成本等工程建设阶段核心业务，建立基于流程的工程项目管理信息系统云平台，应用架构如图 3 所示。

图3 工程项目管理信息系统应用架构

建设单位与各参建单位基于共同的信息系统平台对工程进度、成本进行动态管控，对质量、安全进行闭环管理，实现贯穿工程建设全过程的合同和信息的管理，实时反映合同执行情况，对工程建设过程中的所有文档进行集中管理，实现项目信息共享，提高项目协同管理效率，落实工程管理标准化、规范化、信息化和透明化[9]。同时，作为工程项目全生命周期的重要环节，工程项目竣工后，通过工程项目管理信息系统可快速向生产系统过渡，辅助工程项目实现快速决算、固定资产转移。

4.2 工程安全质量监管

围绕“人、机、料、法、环”等现场关键要素，通过物联网技术的应用，建立物联网与统一数据标准，在人员出入、关键设备设施和位置部署实时感知设备，对施工过程中的重难点进行感知覆盖。搭建智慧监管系统平台，对与工程现场安全和质量管控相关的信息进行采集、传输、处理、交换、分析，实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理，及时发现施工现场存在的安全隐患，落实对工程现场施工安全、质量的实时化监管[10]，解决工程现场监管难、责任落实不到位的问题，防范工程事故风险。智慧监管系统应用架构如图 4 所示。

图4 智慧监管系统应用架构

工程安全质量监管主要应用如下：

1）工地现场设施运行状态的实时监管。通过物联网采集所有工区门禁出入、人脸识别、施工用电、环境监测、现场安全关键设备设施（龙门吊、塔吊、施工电梯等）等的实时监测数据，结合技术规范及合同要求，进行对比分析，实现现场人员、关键设备设施等状态的自动预警与智能监管。

2）视频监控画面的自动安全监管。基于标准视频接入协议，根据业务场景的需要及预设的模型/算法，包括人脸识别、安全行为识别（如安全帽、反光衣、安全带等）、禁区监控（智能布防）等 AI 算法，自动对工地内视频监控画面进行快速高效的分析并给出有效提示，指引工作人员按照应急预案有序处理，提升传统依赖人工检查视频画面的效率和效果。

3）安全体系的标准化管理。围绕水利工程安全标准化体系对安全目标职责、制度化管理、教育培训、现场管理、安全风险管控及隐患排查治理、应急管理、事故管理和持续改进等 8 项核心业务，建立基于流程的安全管理子系统，实现现场监管实时化、过程管理痕迹化、安全考核指标化，落实工程建设过程安全管理的规范化与标准化。

4）施工过程质量的实时监管。建立从原材料（砂石料、混凝土、管片等主要材料）源头开始的过程监管体系，通过源头的报备、运输路径的实时监控、搅拌站的生产监控及质量检测等多维度过程监测与集中数据采集，利用大数据技术进行综合分析，及时发现施工过程中的质量问题，防范工程质量风险，实现施工质量的全过程可追溯，落实工程质量责任。

4.3 辅助工程建设管理决策

利用 BIM，GIS 及大数据等技术，搭建工程全生命周期 BIM + GIS 系统平台，规划工程数据中心，编制统一的数据、技术及应用标准规范，建立数据资源池，汇聚工程建设全过程数据，辅助工程建设管理决策，解决工程建设期过程数据丢失、数据资产管理缺位的问题[11]。工程全生命周期 BIM +GIS 系统应用架构如图 5 所示。

图5 工程全生命周期 BIM + GIS 系统应用框架

辅助工程建设管理决策主要应用包括：

1）建立“工程大脑”，汇聚工程全生命周期过程数据[8]7。当前水利行业正大力推行建设基于 BIM的水利工程数据中心（数据资源池），要求集成汇聚工程全生命周期数据信息，实现工程全生命周期的数据统一采集、存储、管理应用，全面提升数据管理整体水平[12]，建设“水利大脑”。针对珠三角工程建设和运行管理，从工程各业务对水利数据资源的需求出发，依据数据应用范围和关联关系，基于面向业务视图建模、语义空间不一致的数据资源，建立统一的数据标准，利用数据库开发、ETL 数据、数据质量控制等数据治理技术，完成数据归一化处理，搭建集中的数据资源池，建立数据接收、存储、管理、分析、共享与服务体系，从而形成为工程决策支持服务的“工程大脑”。工程数据资源池架构如图 6 所示。

图6 工程数据资源池架构

2）BIM 轻量化应用。BIM 模型是贯彻工程设计、建设、运维全生命周期的可视化信息载体。基于 BIM 轻量化引擎技术，通过提供满足项目使用的多种数据转换工具，建立 BIM 轻量化模型库，将各类 BIM 软件创建的 BIM 模型转换为结构化、轻量化的加密格式，确保信息数据的兼容性和安全性，不仅可以保留工程建设过程的几何实体与属性信息，消除信息利用阻碍，还可以在建设过程中不断加载业务信息，从而实现“一套模型，全工程协同共享”的目标。

3）工程现场可视化监管。基于 BIM 和 GIS 及视频监控等可视化技术，在物联网感知数据基础上，进行数据集成，实现对工地现场的可视化监管。

4）工程建设管理决策支撑。以工程全局视角汇聚工程安全、质量、进度、成本等业务信息，以工程构件对象视角服务于工程建设和运行管理，为工程的可视化智能决策提供数据基础，辅助工程建设管理决策。

5 结语

当前，水利部已经完成智慧水利顶层设计部署，先后发布了智慧工程建设相关指导意见及未来3 a 的行动方案，并出台《水利业务需求分析报告》和《智慧水利总体方案》。提出的智慧应用技术架构与相应解决方案，是对水利、交通及建筑等行业智慧应用成果的有针对性的提炼，是施工单位的现场专项智慧应用与建设单位建设监管职能的有机融合，其在珠三角工程智慧建设中的实际应用，实现了对珠三角工程 7 000 多名建设者实名管理、全线工区关键点视频覆盖、关键设备设施在线监控、全流程在线审批及可视化数据分析等功能，落实了对工程建设管理各环节的精细化管理，保障了工程建设管理的标准化、规范化，提升了工程建设管理效率，相关实践成果已被纳入水利部智慧水利优秀应用案例和典型解决方案推荐目录，成为水利行业推广应用的示范解决方案。但是，目前还没有一个水利工程真正实现贯穿工程全生命周期的智慧应用，因此，下一步，应在现有建设期智慧应用基础上，探索工程建设期与运营期智慧应用贯通，尤其是发挥建设期工程过程数据的价值，真正为工程运营管理提供支撑，发挥工程效益。