摘" 要：东庄水利枢纽工程是大体积混凝土双曲拱坝，在建设过程中，时刻面临着混凝土温度裂缝、灌浆压力、平仓振捣质量等诸多问题。为满足智能建造需求，以微服务为技术架构，集成混凝土施工智能温控、混凝土平仓振捣监控、混凝土生产过程监控、数字孪生等技术，通过汇集和处理现地监控数据，构建了基于BIM+GIS的数字孪生东庄水利枢纽智能建造管控系统，为工程建设有效地提供了决策支持和远程监控。
关键词：水利工程；混凝土；智能建造；数字孪生
中图分类号：TP273；TP242" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2025）04-0133-06
Research and Application of Intelligent Construction Control System for Digital Twin Dongzhuang Water Conservancy Hub
CHEN Jianchang， TIAN Yongsheng
（Yunhe （Henan） Information Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou" 450003， China）
Abstract： The Dongzhuang water conservancy hub project is a mass concrete hyperbolic arch dam， which constantly faces many problems such as concrete temperature cracks， grouting pressure， and quality of leveling and vibration during the construction process. To meet the requirements of intelligent construction， the intelligent construction control system for Digital Twin Dongzhuang Water Conservancy Hub based on BIM+GIS is constructed by collecting and processing on-site monitoring data， which adopts microservice as the technical architecture and integrates the technologies including intelligent temperature control for concrete construction， monitoring of concrete leveling and vibration， monitoring of concrete production processes， Digital Twin and so on. It effectively provides decision support and remote monitoring for project construction.
Keywords： water conservancy project; concrete; intelligent construction; Digital Twin
0" 引" 言
东庄水利枢纽工程属于混凝土双曲拱坝，为大体积混凝土结构，在建设过程中，面临着温度裂缝、灌浆压力、平仓振捣质量等严峻问题挑战[1-3]。随着溪洛渡，白鹤滩等特高拱坝的建设成功，数字化、智能化的建设管控手段[4-5]，以及物联网、大数据、人工智能、云计算、区块链等先进技术[6]在智能建造领域运用也越来越深入，对水利枢纽的建造起到了很大的支撑作用。
近年来，水利部先后出台《“十四五”智慧水利建设规划》《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》等系列文件，为水利工程数字孪生建设确立了方向并提出了技术要求。通过将数字孪生技术应用在水利枢纽智能建造领域，对进一步提高智能建造的模拟仿真水平，实现水利枢纽的高效、稳定、高质量建设具有重要意义。
本文研究的数字孪生东庄水利枢纽智能建造管控系统，基于BIM+GIS数字孪生平台，将智能建造关键技术与大数据、云平台、数字孪生、IoT等技术相结合，实现东庄水利枢纽工程建设过程中“全面感知、可靠传递、智能处理、高效协同、便捷应用”的工程信息化目标，充分发挥工程建设效益。
1" 智能建造管控系统架构
数字孪生水利枢纽智能建造管控系统采用五层体系框架，即数据采集层、基础设施层、孪生支撑层、业务应用层和综合展示层，以及网络安全体系和保障体系等组成，如图1所示。
1.1" 数据采集层
数据采集主要是大坝浇筑智能温控、平仓振捣智能监控、混凝土生产过程监控、混凝土运输过程监控数据的采集，并将数据通过网络传输至数据中心。通过埋设各类传感和控制仪器，实现混凝土温度、冷却通水、混凝土生产、混凝土运输等信息的实时自动采集和传输。信息采集是整个施工智能监控的基础，是东庄水利枢纽工程施工智能监控的“眼睛”，关乎整个施工监控系统的成效。
1.2" 基础设施层
基础设施层是整个系统的底层物理基础，是其他各层的依托，主要包括计算、存储、机房、大屏监控等实体环境和有线网络、无线网络、北斗通信、物联网等通信环境。
1.3" 孪生支撑层
孪生支撑层主要包括数字孪生基础平台和大数据中心。数字孪生基础平台和大数据中心是整个信息化系统的核心中间层，是构建连接基础设施和应用系统的桥梁，是以应用服务器、中间件技术为核心的基础软件技术支撑平台。
数字孪生基础平台由BIM平台、GIS平台、BIM+GIS孪生基础平台、公共服务、分布式组件等组成。通过工程全量多维建模，构筑工程BIM模型数据，融合库区及流域地理空间数据，形成多维多尺度时空数据底板，并对外提供调用接口服务，如图2所示。
大数据中心对基础数据、监测数据、业务数据、共享数据、地理空间数据等进行集中存储、规范管理，可对数据进行交换共享与数据分析，为业务应用系统提供完善的数据资源支撑。
1.4" 业务应用层
业务应用层聚焦工程施工智能管控、智慧工地、工程建设管理、数字孪生基础应用、工程数字门户、协同办公系统等是东庄水利枢纽工程建设过程中的核心业务需求，用于实现工程信息化的核心业务逻辑，是水利工程智慧化的直接体现和应用。
1.5" 综合展示层
综合展示层以东庄水利枢纽工程区域基础地理信息系统和BIM模型为载体，集成工程的基本属性、浇筑监测监控信息、建设管理信息等数据，运用BIM、GIS、VR等展示技术，通过Web、移动、大屏等终端进行显示，为用户提供管理和决策环境，打造用户与系统平台实时交互的窗口。
2" 系统技术架构设计
东庄水利枢纽智能建造管控的业务系统采用B/S模式建设，分为工程监管数字门户、大坝浇筑智能温控应用平台、数字孪生基础平台、枢纽工程施工智能管控、水垫塘二道坝施工管控、引水发电系统施工管控、平仓振捣智能监控、混凝土生产过程监控等子系统。鉴于子系统数量较多，且业务边界明显，为了降低各子系统之间的耦合度，提高服务的独立性，便于后期维护和拓展，采用Spring Cloud微服务架构[7]进行建设，如图3所示。
3" 系统功能组成
3.1" 工程监管数字门户
工程监管数字门户是应用服务的集中管控平台，汇聚整合大坝浇筑智能温控应用平台、数字孪生基础平台、枢纽工程施工智能管控、水垫塘二道坝施工管控、引水发电系统施工管控、平仓振捣智能监控、混凝土生产过程监控等子系统，实现用户统一管理、角色集中授权、权限统一认证、系统单点登录、建设内容管理和展示的功能，如图4所示。
3.2" 数字孪生基础平台
基于WebGL技术和B/S架构，将BIM与GIS集成进行场景的深度搭建，包括BIM模型与DEM/DOM、倾斜摄影的融合、坐标系转换等，打通数据接口、模型接口、场景接口等，构建具备以地理信息为支撑、工程全景建模叠加、数据孪生智能服务功能的BIM+GIS数字孪生基础平台，全面支撑工程建设智能管控的三维可视化功能的实现。
数字孪生基础平台支持大坝相关BIM模型、库区地形地貌三维模型、GIS数据模型的管理、融合、注册、发布，对外提供服务接口，为工程建设智能管控三维可视化仿真展示提供轻量化模型服务支撑，如图5所示。
3.3" 大坝浇筑智能温控应用平台
大体积混凝土水利工程施工智能温控以混凝土防裂为根本目的，运用自动化监测技术、GPS技术、无线传输技术、网络与数据库技术、信息挖掘技术、数值仿真技术、自动控制技术与通水冷却温控措施相结合，形成一套针对施工现场的大体积混凝土防裂动态智能温控应用平台。
大坝浇筑智能温控应用平台[8-9]以温控设备采集数据为基础，依托温升预测预报模型、理论温控曲线模型、智能通水控制模型、温控效果评价在线模型、智能保温在线模型进行在线数据分析，同时结合人工智能算法，对监测数据进行自学习和自修正，并预测未来数值的变化。该平台以数据为基础，以模型为核心，实现了温控信息采集传输、温控信息管理评价、开裂风险实时预警、智能通水、智能保温决策支持、温控信息智能发布与干预等功能。
3.4" 枢纽工程施工智能管控
枢纽工程施工智能管控系统基于大坝混凝土温度、大坝碾压、大坝坝基灌浆等建设全过程自动监测数据，实现了施工过程的智能化预警与控制。分设工程灌浆智能监控、大坝混凝土浇筑施工监控、大坝混凝土智能温控和大坝施工综合监控子模块，基于大数据技术，通过数据中心将动态采集的大坝智能灌浆、大坝浇筑监控、大坝智能温控、过程控制、质量验评等监控数据进行读取和处理。同时结合数字孪生基础平台提供的BIM+GIS场景服务，实现枢纽工程施工过程数据与场景的交互功能，如图6所示。
3.5" 水垫塘二道坝施工管控
水垫塘二道坝施工管控系统基于数字孪生基础平台服务，以水垫塘二道坝BIM模型为载体，通过读取数据中心施工实时监测数据，实现水垫塘二道坝基础开挖、混凝土浇筑及施工进度质量的全流程监测预警和智能化管控功能，为大坝工程的单元工程、分部工程、单位工程验收评定和竣工验收、安全鉴定及后续验收、运行管理提供数据信息平台，实现了具有实时性、连续性、自动化、高精度等特点的水垫塘二道坝施工管控系统。
3.6" 引水发电系统施工管控
引水发电系统施工管控系统基于数字孪生基础平台服务，以引水发电BIM模型为载体，通过数据中心读取爆破环境监测数据、施工各类检测监测数据、设施设备安装调试检测监测数据，和多要素分析评价专业模型，对引水发电系统施工过程中的质量、进度进行检验评估，实现电站地下硐室开挖爆破、混凝土基础浇筑、预埋件安装等施工进度质量的全流程监测预警和智能化管控功能。
3.7" 平仓振捣智能监控
混凝土平仓振捣监控[10]基于高精度GNSS、UWB、姿态传感器及测距传感等功能，实现平仓振捣作业过程参数实时感知；以现场构建的无线网络为基础进行实时数据传输，并基于工区有线网络实现数据实时回传；通过构建智能分析数据库与模型库，实现平仓过程智能监控、振捣过程智能监控及平仓-振捣协同分析。
平仓振捣智能监控系统主要功能包括施工机械派遣、施工过程实时监控与预警、图形报告生产等功能。施工机械派遣是根据现场施工情况，由监控人员及时进行平仓机、振捣机及人工振捣棒的设备派遣，通过机械派遣可以使得相对应机械数据在仓面的实时展现。施工过程实时监控与预警主要是基于图像算法，以BIM轻量化模型得到的仓面坐标为底图，将平仓过程、振捣过程实时数据在仓面内实时绘制，并通过平仓-振捣过程分析，实现施工效率分析与反馈，如图7所示。图像报告生产是基于监控成果，以仓面坐标作为底图进行相关厚度、覆盖率及振捣参数图像报告绘制，可为后续仓面验收提供参考。
3.8" 混凝土生产过程监控
采取GNSS定位、传感器、UWB、数据传输等技术实现对拌合楼生产、运输车、缆机时空位置及作业状态的实时感知，并将数据通过无线和有线网络实时传输至数据中心。
混凝土生产过程监控系统通过读取数据中心混凝土拌合楼生产过程实时数据，实现拌和过程每一盘混凝土偏差状态的智能分析，并针对超出偏差阈值的状态进行智能反馈预警；系统通过读取数据中心运输车、缆机时空位置及作业状态实时感知数据，并运用空间匹配方法实现运输车与缆机的时空匹配分析，同时基于BIM+GIS场景实现运输车辆与缆机时空状态的智能可视化分析与反馈。
4" 结" 论
在数字孪生智能建造管控系统的支撑下，有效保障了东庄水利枢纽建设的顺利进行。目前东庄水利枢纽已完成浇筑371仓，浇筑高度达728 m，浇筑方量达107万立方米。本系统主要特点包含如下几个方面：一是本系统紧密结合混凝土大坝建造过程中混凝土温控、振捣、浇筑、生产、运输全过程的大坝浇筑智能监控体系；二是本系统构建了BIM+GIS数字孪生基础平台，建立覆盖大坝、二道坝、引水发电系统的全量模型并支持智能建造的业务应用；三是本系统围绕工程实体建设过程，通过汇集和处理现地监控数据，基于微服务架构实现了决策支持和远程监控为一体的智能建造管控系统。本系统实现了东庄水利枢纽工程“全面感知、可靠传递、智能处理、高效协同、便捷应用”的工程信息化目标，充分发挥了工程建设效益。
参考文献：
[1] 张庆龙，马睿，胡昱，等.大体积混凝土结构温度应力智能控制理论 [J].水力发电学报，2021，40（5）：11-21.
[2] 樊启祥，黄灿新，蒋小春，等.水电工程水泥灌浆智能控制方法与系统 [J].水利学报，2019，50（2）：165-174.
[3] 杨宁，李静，周绍武，等.高拱坝混凝土振捣智能控制技术研究与应用 [J].中国农村水利水电，2018（8）：176-178+185.
[4] 谭尧升，樊启祥，汪志林，等.白鹤滩特高拱坝智能建造技术与应用实践 [J].清华大学学报：自然科学版，2021，61（7）：694-704.
[5] 徐建军，徐建荣.白鹤滩水电站特高拱坝技术创新与实践 [J].水电能源科学，2024，42（11）：1-6.
[6] 张钟壬，马睿，胡昱，等.大坝智能建造智能化程度评价方法探讨 [J].水力发电学报，2023，42（12）：108-118.
[7] 葛萌，李闯男，欧阳宏基，等.基于Spring Cloud 的微服务架构的应用与实现 [J].现代信息科技，2021，5（19）：23-26.
[8] 刘毅，辛建达，张国新，等.大体积混凝土温控防裂智能监控技术 [J].硅酸盐学报，2023，51（5）：1228-1233.
[9] 林鹏，李庆斌，周绍武，等.大体积混凝土通水冷却智能温度控制方法与系统 [J].水利学报，2013，44（8）：950-957.
[10] 钟桂良，尹习双，刘金飞，等.大坝混凝土施工全过程智能监控系统研究 [C]//创新时代的水库大坝安全和生态保护——中国大坝工程学会2017学术年会.长沙：黄河水利出版社，2017：431-438.
作者简介：陈见长（1992—），男，汉族，河南郑州人，工程师，硕士研究生，研究方向：水利信息化。
收稿日期：2024-09-05
