卡拉水电站智能建设系统研究与实践

彭浩洋 翟海峰 何展国 李啟常

摘要：智能建设技术对复杂环境下大型水利水电工程安全、优质及高效建设具有重要意义。首先介绍了智能建设技术在国内几个典型流域水电站中的应用现状，然后从系统性、创新性、实用性、演进性4个方面总结了卡拉水电站智能建设系统的设计原则，并从基础设施、智能业务管理平台、智能建造和智能决策指挥4个层级对其系统架构进行了详细阐述。结合卡拉水电站智能建设系统实际建设情况，总结了智能业务管理平台的开发进展及综合业务、设计管理、综合展示、质量管理等典型模块的应用成效。卡拉水电站智能建设系统的成功运用，极大提升了工程建设的技术与管理水平，可为同类水利水电工程智能化建设提供参考。

关键词：智能建设系统； 智能业务管理平台； 智能决策指挥； 卡拉水电站

中图法分类号： TV222.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.053

0引 言

2020年7月13日国家13部委联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，意见指出“以数字化、智能化升级为动力，创新突破相关核心技术，加大智能建造在工程建设各环节应用”［1］。可见，随着科学技术和社会的进步，水利水电工程建设领域向智能化发展是大势所趋。

大型水利水电工程建设和运行面临着复杂的自然环境和社会环境，需要运用数字化、信息化、智能控制技术实现工程的安全、优质、高效及绿色建设。鉴于此，众多学者提出了相应的水电工程智能建设的理论、方法、体系：李庆斌等［2］首次提出了智能大坝的定义，详细论述了实时感知、驱动分析和个性控制的智能大坝三要素。在智能大坝初步实践中，通过引入闭环智能控制模式，首创特高拱坝智能化建设理论和体系［3］，并进一步提出了大坝建设的智能控制理论，明确了“智能决策”与“自动控制”的两大核心要素，同时建立了大坝智能控制系统［4］。依托溪洛渡特高拱坝建设实践，樊启祥等［5］开创性提出了“全面感知、真实分析、实时控制”的智能化建设理论，构建了大型工程建设智能化管理体系［6］，进一步地，提出了以数字化技术和智能化技术为核心，以水电工程数据模型为基础，以智能建造管理平台iDam为主体的智能建造技术体系［7］。在乌东德、白鹤滩工程建设实践中，围绕低热水泥混凝土性能、混凝土温控、大坝工作性态及iDam平台等关键要素，研发了相应的智能化控制技术和管理系统［8］。依托白鹤滩拱坝建设，谭尧升等建立了以闭环控制为理论基础，构建面向关键施工工艺和业务流程的智能建造筑坝理念［9］，王飞等提出了基于物联网与智能技术的拱坝智能进度仿真理论和智能进度仿真分析方法［10］，确保了工程安全优质建成。

基于智能建设的理论、方法、体系，在水电工程建设实践中形成了各种优质、高效的智能建设技术，包括：① 智能温控。智能温控是常用的、较为成熟的智能建设技术之一，如按温控标准进行智能温控，有效降低了低热水泥混凝土的温度应力，防止了裂缝产生［11］。而在溪洛渡［12］、乌东德［13-14］、白鹤滩［8，15］等特高拱坝建设中，智能温控也得到广泛运用，实现了大坝混凝土温度的精准控制。② 智能灌浆。基于三区五阶段P-Q-C-t联动的智能灌浆控制方法，由智能灌浆单元机iCC和智能灌浆管理云平台iCM组成的智能灌浆系统，实现了灌浆一体化智能识别和控制［16］。③ 智能碾压。利用短波雷达、激光雷达、卫星定位等技术，实现了环境感知、行为决策、动作执行的大坝填筑全过程智能化碾压施工［17］。④ 智能振捣。从混凝土坝振捣质量智能管控出发，以标准化施工工艺为基础，以振捣工艺为研究对象，以振捣机为监控对象，实现了混凝土坝振捣过程的感知、分析、管控［18］。⑤ 智能养护。通过全面感知混凝土养护面的环境温湿度和风速，定量计算混凝土表面湿度，实时反馈预警自动控制喷淋系统，实现混凝土保湿养护的智能控制［19］。此外，还有智能喷雾［20］、智能监控［21-22］、智能安全［23］等智能化建设技术被用于水电工程建设。虽然智能建设的理论、体系及关键技术在水利水电工程建设中得到了广泛的运用，但是大多数智能化技术处于初期研发阶段，智能建设系统的开发也仅仅是对智能化技术成果的集成，缺乏对工程建设的实时决策支撑。为了更好地服务于水电工程施工，开发全业务、全流程、全要素的水电工程智能建设系统具有重要意义。

本文以卡拉水电站智能化建设为例，首先阐述了智能建设技术在国内典型水电工程中的应用现状，其次分析了卡拉水电站的建设特点及面临的挑战，并阐述了其智能建设规划设计原则和总体架构，最后对卡拉水电站目前智能建设系统开发进展及在工程建设中的应用成效进行论述，以期为同类工程智能化建设提供参考。

1智能建设技术在水电工程建设中应用现状

以国内典型的金沙江流域乌东德、白鹤滩水电站，大渡河流域双江口水电站，澜沧江流域黄登水电站为例，分析目前智能建设技术在水电工程中的应用现状。

1.1乌东德、白鹤滩智能建造技术

乌东德、白鹤滩大坝工程智能建造是基于已建的溪洛渡大坝智能化建设平台（IDam1.0），运用BIM、物联网、大数据或可视化等前沿尖端信息技术手段，通过自动采集、无线传输、专家分析、动态监控、评价预警、终端推送、数据挖掘等方法，构建的大坝工程智能建造信息管理平台，主要包含：大坝施工过程管理、技术管理、专业化子系统、智能生产控制、科研与仿真服务等5个方面［9］（图1）。

（1） 大坝施工过程管理。按专业类型划分，建立开挖、混凝土浇筑、灌浆等以单元工程及其工序与流程为施工过程的管理系统。

（2） 技术管理。集成设计成果、监理细则、施工方案等技术成果，实现技术文件数字化高效管理。

（3） 专业化系统。研发和集成安全管理、质量管理、工程计量、工程验收等专业化子系统。

（4） 智能生产管控。研发和应用智能监控、智能通水、智能灌浆等智能生产技术，实现在线采集-后台处理-远程监控-预警预报-智能调控的智能生产管控。

（5） 科研与仿真服务。开展施工进度仿真及结构仿真等科研仿真服务，支持工程建设。

1.2双江口水电站智慧建设技术

双江口水电站智慧工程建立了全数据驱动的决策管理体系（图2），包括综合服务部、工程决策指挥中心、业务保障部和安全监察部，其中工程决策中心包含配套工程管控中心、机电物资管控中心、大坝工程管控中心、厂房工程管控中心、泄洪工程管控中心及人力资源管控中心［24-25］。

为保障管理体系的科学有效运行，基于移动互联网、物联网、BIM、大数据、云平台、人工智能等信息技术，双江口水电站智慧工程建设构建了“1个指挥中心+七大专业系统”的技术保障体系（图3）。“1个指挥中心”为预警决策指挥中心，“七大专业系统”包含智能大坝工程、智能地下工程、智能机电工程、智能安全管控、智能服务保障、环保水保管理和人力资源管理系统，对工程的安全、环保、进度、质量及成本提供了有效的保障。

1.3黄登水电站智能系统建设

黄登水电站智能系统架构包含工程信息管理系统、施工过程智能监控及质量评价系统和后续可能开发的其它系统（图4）。工程信息管理系统包括勘测设计管理、施工计划管理、施工设计管理、备仓开仓管理、试验检测管理、质量评定管理和施工资料管理，主要实现参建各方的工作协同和工程信息数据的统一管理；施工过程智能监控及质量评价系统包括混凝土施工工艺监控系统、混凝土温度控制监控系统、大坝基础灌浆监控系统、大坝安全检测系统等4个子系统，实现工程施工的全过程监控管理及质量控制。为促进系统的可扩展性和延伸性，黄登水电站智能系统通过预留接口方式为系统功能模块的增加提供条件，进而实现全生命周期智能化管理。

上述典型水电站智能建设系统主要侧重于智能化技术在工程施工中的应用，在一定程度上提升了工程建设水平及质量，但是对于智能化技术促进高效协同办公、智能决策管理等更加全面的系统功能建设涉及较少。

2卡拉水电站的特点及智能建设规划体系

2.1工程概况及建设挑战

卡拉水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，工程场址位于木里县卡拉乡。工程枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成。挡水建筑物采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 995 m，正常蓄水位1 987 m；泄洪消能建筑物为坝身表、中孔和坝后消力池；引水发电系统布置在河道右岸，电站总装机容量1 020 MW，安装4台255 MW的立轴混流式水轮发电机组。

卡拉水电站建设主要面临以下挑战：① 技术上，地质条件复杂、工程建设风险点多、安全要求高、施工场地局促、施工组织难度大等；② 管理上，作为中国第一个从前期准备、主体工程施工、工程完建阶段、试运行等全阶段按总承包模式管理的百万千瓦级大型水电工程，设计施工一体化难度大。因此，在工程管理及建设实践中，迫切需要借助云计算、大数据、物联网等信息化、数字化、智能化技术，研发更科学、更高效的智能建设系统，实现卡拉水电站工程全生命周期管理、全方位风险预判、全要素智能调控。

2.2智能建设规划设计原则

卡拉水电站智能建设按照“内容全面、技术先进、设计合理、适度超前”的理念，遵循“系统性、创新性、实用性、演进性”的原则设计（图5），统筹考虑工程建设和工程管理的实际需求，积极运用新思想、新技术推动新建造，实现“一次开发、迭代演进、流域推广”的目的。

2.2.1系统性原则

平台内容涉及多类用户角色、多个工程业务管理环节，需要坚持系统性原则，从顶层对工程进行统一、全面的规划设计。系统性规划设计，在横向上要面向流域级做好顶层设计，以卡拉水电站为试点，为雅砻江流域电站建设提供可参考的样本和可复制的模式；在纵向上要面向工程建设全生命周期进行系统规划设计，确保平台建设内容全面覆盖、数据全面感知、业务高效协同，最终完成系统一体化集成。

2.2.2创新性原则

平台设计时坚持创新性原则，“稳中求进、适度超前”，不盲目追求“大（平台）、多（系统）、新（技术）”。创新主要体现在三个方面：① 技术上创新，在智能碾压、智能灌浆等智能建造应用方面有突破；② 业务上创新，在数据资产、档案管理等智能建造管理方面有突破，在满足现行法律法规、标准要求下，结合智能建设平台数字化、网络化、智能化的特点，积极推动工程建设管理传统业务流程和工作方式的创新；③ 协同上创新，在质量一体化控制、安全自动化预警等智能建造应用场景上有突破。

2.2.3实用性原则

坚持实用性设计，从满足工程需求和解决业务的痛点、难点、堵点的角度来规划，确保规划内容的可用、好用、管用。① 要保证系统的可用，要围绕现场管理需求开展设计，相关应用技术成熟；② 要保证系统的好用，通过良好的人机交互设计和流程化，降低系统使用门槛和运维成本；③ 要保证系统的管用，确保系统能支撑工程建设“安全、质量、环保、进度、投资”等目标的达成。

2.2.4演进性原则

坚持演进性原则，确保平台在技术上可以迭代升级和演进，在业务上可不断扩展和优化。在总体设计上，通过统一规划设计基础设施建设体系，提供网络、传感、视频、数据、模型算法等通用支撑能力，为未来扩展和演进提供坚实基座；在技术体制上，提出数据共享、业务协同、系统集成等方面的技术要求和标准规范，形成适用水电站工程智能建造的技术体系框架；在建设模式上，采用边设计、边开发、边使用的迭代演进和敏捷开放方法，有效应对和快速响应各类新技术、新需求。

2.3智能建设系统总体架构

卡拉水电站智能建设系统包含“4个层级”，分别为基础设施层、智能业务管理平台、智能建造层和智能决策指挥层（图6）。在标准规范体系和信息安全体系基础下，通过构建基础设施体系，可为智能业务管理平台与智能建造提供包括物联感知、网络通信、计算与存储等基础支撑；智能业务管理平台及智能建造服务于工程建设管理，同时为智能决策指挥系统提供一系列的基础数据的支撑；智能决策指挥将工程管理过程中的关键指标进行统计分析后，以更加直观清晰的方式辅助工程管理人员进行决策指挥。

2.3.1基础设施层

基础设施层是卡拉水电站智能建设系统的基础，主要由物联感知、网络通信、计算与存储、核心支撑四个部分构成。物联感知包括智能业务管理平台与智能建设相关应用采集数据所需的各类基础设备，通过构建系统的物联感知体系能够全面地获取工程管理所需的温度、压力、流量、现场监控等基础数据。根据卡拉水电站现场实际情况，在不同施工区域使用最为合适的网络通信设备，从而搭建出完整的网络通信系统，为物联感知所获取的数据提供最优传输路径与方式。计算与存储方面，系统前期通过华东云、本地服务器的方式进行存储与计算，系统运行稳定后迁移至雅水云。同时，系统通过构建数据核心支撑体系，实现各类信息数据的汇聚、整合、清洗与分析等，并为平台服务及各应用集成运行提供支撑，实现系统之间的数据交换。基础设施层作为各应用的基础支撑，保证了系统在数据、技术、标准规范上的一致性。

2.3.2智能业务管理平台

根据工程管理各方面的实际管理需求，构建协同化智能业务管理平台，实现工程全业务、全流程、全要素的数字化管控。智能业务管理平台分为基础模块和业务管理模块两大部分：基础模块包括系统门户（登录页）、个人办公、基础数据与系统管理，它是平台使用所需的基础性功能；业务管理模块包括综合业务、综合展示、设计管理、进度与施工、质量管理、安全管理等，它是工程管理过程中各项业务功能实现的具体模块。

2.3.3智能建造层

智能建造层聚焦于工程施工，利用数字化、网络化、智能化等信息化手段，提高施工效率并辅助工程管理者进行工程建设管理及决策。针对不同的管理对象或管理目标，卡拉水电站工程智能建造应用分为：智能厂房、智能大坝（含智能渗控）和智能园区三大部分内容。

（1） 智能大坝建设内容包括：复杂地质智能动态建模与管理、大坝边坡智能锚固系统、大坝施工过程智能仿真与进度控制系统、混凝土生产及运输过程智能监控系统、混凝土碾压及热升层质量智能监控系统、智能无人碾压机群作业系统及智能振捣、混凝土养护过

程智能监控系统、大坝混凝土温控智能管理、智能渗控管控系统。

（2） 智能厂房建设内容包括：地下洞室群施工安全智能分析与预警、地下洞室群施工进度智能仿真与控制、地下洞室群施工质量智能分析、地下厂房洞室群施工智能通风、地下厂房洞室智能锚杆（锚索）施工。

（3） 智能园区建设内容包括：安全管控中心、人员安全智能管控、机械物资安全智能管控、作业环境安全智能管控、体系流程安全智能管控。

2.3.4智能决策指挥层

智能决策指挥层包括决策支持、指挥调度和智能场景应用。决策支持是面向工程建造和管理的各个环节和阶段，汇聚关键性指标并进行可视化展现，为用户快速掌握现场施工和业务管理的相关决策指标提供支撑。指挥调度为联系工程参建各方用户提供了依托，可面向日常、特定事项、应急事件等不同场景提供三级联动指挥调度的能力。智能化场景应用的核心目标是打通各系统功能能力和数据能力，实现跨层级、跨部门、跨系统、跨业务、跨数据的协同。场景以解决业务难点、问题和事项任务为导向，通过创新或连贯业务流程逻辑，对功能和数据进行重新组合，从而充分发挥出已建设各系统的功能和数据价值。

2.3.5应用终端

对于不同业务应用场景，系统设置丰富的应用终端形式，包括电脑端、平板端、手机端、大屏端。系统应用的主要终端为电脑端，平板端主要应用于工程现场的质量验收，手机端用于移动办公，大屏端主要用于会商展示、指挥决策等。

2.4卡拉水电站智能建设系统创新

相较于乌东德、白鹤滩、双江口、黄登等水电站智能建设系统，卡拉水电站智能建设系统具有如下创新。

（1） 智能建设相关系统技术、业务与信息数据标准的统一，实现工程数据实时监测、业务协同管理、数据分析与智能决策的需求。

（2） 全业务、全流程和全要素的数字化，最终实现项目电子文件单套制归档与数字化移交。

（3） 建造智能化、管理标准化、标准流程化、流程信息化，实现工程建设管理由条状分割向协同运作转变。

（4） 实现工程建设与工程管理过程的自主协调、智能优化和持续创新，促进工程建设管理和决策方式的提升和优化，提高工程建设管理水平，建设智能化标志性工程，形成全生命周期数字资产。

卡拉水电站智能建设系统还可为智能电厂建设提供数据基础和建设支撑，为雅砻江流域大型水电站建设提供可复制、可推广的智能建设体系，对推动工程建设与互联网融合发展及推动行业技术发展进行了有益的探索和实践。

3卡拉水电站智能建设系统开发进展及成效

卡拉水电站智能建设系统具有功能多、工作范围广、开发周期跨度长等特点，系统建设进度需与工程施工进度计划相匹配。根据工程建设阶段，卡拉水电站智能建设系统将按照“分步建设实施”的建设原则，并综合考虑工程现场实际施工情况，分阶段对智能建设系统进行开发。目前卡拉水电站处于工程建设前期，系统主要实现了智能业务管理平台的开发，智能建造及智能决策指挥等功能系统在逐步规划实施中，因此本节主要阐述智能业务管理平台的开发进展及应用效果。

3.1智能业务管理平台

智能业务管理平台以工程建设管理为核心，通过全面地梳理工程管理需求，实现工程全业务、全要素、全流程的数字化管控。智能业务管理平台模块组成如图7所示，共包含系统门户、个人办公、综合业务、综合展示、设计管理、进度与施工、质量管理、安全管理、环水保管理、投资管理、文档管理、基础数据、系统管理共计13个一级功能模块，各一级模块下共计59个二级模块和84个三级模块。

3.2智能业务管理平台典型模块开发进展

（1） 综合业务模块。

根据卡拉水电站现场参建单位实际情况，综合业务模块分为业主文件、监理文件、总包文件、试验检测中心文件、测量中心文件、环水保中心文件、物探中心文件等7个二级子模块，目前已全部上线。

综合业务模块通过全面梳理各参建单位之间往来文函等文档管理的业务流程，建立标准化流程、规范化电子表单库，实现各参建单位之间往来文函等规范电子文档（除设计成果）的形成、流转、检索等功能应用，极大地提高各参建单位间协同办公效率。此外，与流程相关的各单位均可实时监控文件流转情况，查看审签意见，从而提高文件流转、报审的工作效率。

（2） 设计管理模块。

设计管理模块已开发设计报告报审、设计图纸报审、设计修改通知报审、设计成果和设计变更管理等5个二级子模块。

设计管理模块主要用于设计成果的线上报审，通过定制流程模板，实现各类设计文件的跨地域、跨单位

协同办公。特别地，设计管理模块中，设计图纸报审及设计修改通知报审时，将填写设计工程量形成设计投资信息，该信息将通过工程部位的关联关系，向投资模块提供设计工程量及投资数据。

（3） 综合展示模块。

综合展示模块已开发电子沙盘、设计模型、模型管理及模型应用4个二级模块。

综合展示模块主要实现了BIM模型的管理与应用，并为用户提供建管信息的可视化展示场景。支持BIM模型从上传、发布、审核、浏览、信息集成、数字化移交等的一站式管理，支持多源异构数据的一体化融合与轻量化展示。

（4） 质量管理模块。

质量管理模块目前已开发体系管理、材料管理、工程检测、质量验收、检查考核、质量提升等6个二级子模块。

质量管理模块是对施工过程中的质量体系、材料管理、工程检测、检查考核、质量提升方面等业务进行在线管理，同时在材料管理、工程检测环节通过对质量验收表单的结构化填报，实现颗粒度精细至单元工程层级的建设项目全过程电子化质量验收评定，全面覆盖工程质量管理各业务环节，助力工程质量建设。

3.3智能业务管理平台应用成效

综合业务模块上线以来，已处理业主文件1 577份、监理文件2 591份、总包文件2 484份、试验检测中心文件61份、测量中心文件5份、环水保中心文件4份、物探中心文件63份，极大提高了参建单位间协同办公效率，同时电子文件的应用将极大地简化归档程序与工作。

设计管理模块上线以来，设计报告报审63份，设计图纸报审195份，设计修改通知报审71份，设计成果形成255份，通过系统审查预警，严控各环节报审时长，大幅提高设计管理工作效率。

综合展示模块已完成电子沙盘、设计模型、模型管理、模型应用等模块的开发上线，发布了永久建筑物、临时建筑物等主要建筑物模型，电子沙盘的业务专题已完成监控专题开发上线，已接入摄像头34个，实现工程现场施工的在线可视化监控。

质量管理模块上线以来，单元工程验评数1 808个，验评表单填写超过21 000张，流程实例完成705个，实现了工程建设质量的全过程数字化管控、全链条追溯，全要素覆盖，极大提高了工程质量管理水平。

其他业务模块也基本开发上线，如环水保管理模块上线推广使用后已产生数据共计7568条。投资管理模块上线后实现了卡拉水电站2022年第三、四季度全线上结算。卡拉水电站智能建设系统的成功运用，不仅提高了各参建单位系统办公效率，更是实现了工程更安全、更高效、更精准的建设和管理需求。

4结 语

卡拉水电站智能建设系统遵循“系统性、创新性、实用性、演进性”的原则设计，包含基础设施层、智能业务管理平台、智能建造层和智能决策指挥层“4个层级”。经过系统前期开发，卡拉水电站智能建设系统中的智能业务管理平台已初具规模，综合业务、设计管理、综合展示、质量管理、投资管理、环水保管理已上线运行并取得良好的工程成效。卡拉水电站智能建设系统的开发运用极大提升了工程建设的技术与管理水平，带来了较大的经济与管理效益，对推动卡拉水电站智能化建设具有重要意义。

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（编辑：郑 毅）