任炳昱，吳斌平

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

1 前言

高拱壩施工是一個由基礎(chǔ)處理、大壩混凝土澆筑、接縫灌漿以及金屬結(jié)構(gòu)安裝等多個施工環(huán)節(jié)所組成的十分復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，且系統(tǒng)的各施工環(huán)節(jié)相互之間交叉影響，錯綜復(fù)雜。同時，高拱壩施工過程還受水文、氣象等自然環(huán)境、施工場地及交通布置、機械設(shè)備與建筑材料、施工工藝與組織方式等諸多因素的影響，施工過程具有很強的隨機性與不確定性［1］。高拱壩施工實時控制分析技術(shù)可以對大壩施工過程的質(zhì)量與進度進行有效地控制與分析，實現(xiàn)施工在線實時監(jiān)測和反饋控制，對于提高大壩建設(shè)過程控制和管理水平具有十分重要的意義［2］。高拱壩施工實時控制系統(tǒng)包括各種數(shù)據(jù)信息的采集及傳輸、三維視景仿真、施工質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測及預(yù)警、施工進度實時控制分析以及數(shù)據(jù)存儲與管理等多個子系統(tǒng)。然而，上述各子系統(tǒng)在不同的硬件和軟件環(huán)境下運行，分別承擔(dān)高拱壩施工實時控制分析系統(tǒng)的不同功能。如何對各個子系統(tǒng)進行統(tǒng)一的控制和管理，使不同功能的子系統(tǒng)進行一體化的聯(lián)動和協(xié)同工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息、資源和任務(wù)的共享，高拱壩施工實時控制系統(tǒng)集成理論與方法為解決這類問題提供了有效的途徑，為高拱壩建設(shè)實現(xiàn)高標準、高強度連續(xù)施工提供了強有力的技術(shù)支持。

系統(tǒng)集成研究已經(jīng)成為航空航天、先進設(shè)備制造、鐵路交通、土木工程等大型工程系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點，在國內(nèi)外均取得了一些應(yīng)用研究成果。例如，Leung［3］等人利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)了視頻通信集成系統(tǒng)對房屋建筑施工質(zhì)量與進度進行實時控制;楊天社等人［4］建立了航天工程系統(tǒng)集成模型并設(shè)計了遞增集成策略，對航天工程的系統(tǒng)集成進行了一定的理論研究;呂超等人［5］提出了可重組制造系統(tǒng)集成設(shè)計框架，根據(jù)該框架設(shè)計思想開發(fā)了集制造工藝分析描述、布局規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化、成線監(jiān)控和資源管理為一體的集成系統(tǒng);李惠等人［6］對大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測進行了系統(tǒng)集成研究，建立了基于網(wǎng)絡(luò)平臺的開放式的實時在線智能健康監(jiān)測系統(tǒng)。耿志修［7］將Locotrol技術(shù)與GSM－R技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了鐵路列車多種技術(shù)的系統(tǒng)集成創(chuàng)新，大幅度提高了列車的運輸能力;鐘登華［8］通過把心墻堆石壩建設(shè)過程中的質(zhì)量監(jiān)測、安全監(jiān)測等信息，進行動態(tài)高效的集成管理和分析，實現(xiàn)了大壩施工過程質(zhì)量的精細化、全天候?qū)崟r監(jiān)控。上述研究成果推動了系統(tǒng)集成的理論與應(yīng)用研究，但都有其各自的側(cè)重點，尤其是針對大型水電工程高拱壩施工領(lǐng)域的研究成果很少。

高拱壩施工是一個復(fù)雜的隨機動態(tài)過程，為其建設(shè)過程的控制與管理帶來了很大的難度。針對高拱壩施工過程的復(fù)雜性和隨機性的特征，提出將系統(tǒng)集成理論應(yīng)用于高拱壩施工實時控制與分析中，建立了高拱壩施工實時控制系統(tǒng)集成概念模型，從數(shù)據(jù)信息集成、應(yīng)用功能集成、技術(shù)方法集成和監(jiān)控指標集成4個方面詳細論述了系統(tǒng)集成實現(xiàn)過程，并結(jié)合具體的工程研制開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高拱壩施工實時控制系統(tǒng)，為高拱壩工程建設(shè)的控制與管理提供了理論與技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)集成框架設(shè)計

高拱壩施工實時控制就是通過實時地采集大壩施工過程中產(chǎn)生的各種質(zhì)量和進度數(shù)據(jù)信息，并以網(wǎng)絡(luò)為媒介快速高效地傳輸?shù)椒?wù)器數(shù)據(jù)庫中進行分析匯總，與各項監(jiān)控指標對比分析后向施工的各個環(huán)節(jié)反饋質(zhì)量和進度控制要求。高拱壩施工實時控制與分析貫穿于大壩混凝土施工的整個動態(tài)過程，以提高大壩施工質(zhì)量、保證大壩施工進度為控制目標。為了能更有效地對高拱壩施工過程進行實時控制與分析并滿足這一目標，需要從數(shù)據(jù)信息、應(yīng)用功能、技術(shù)方法和監(jiān)控指標4個方面進行有機地系統(tǒng)集成，確保各種數(shù)據(jù)資源共享、各個功能模塊耦合協(xié)調(diào)，提升高拱壩施工實時控制系統(tǒng)的綜合分析應(yīng)用能力。高拱壩施工實時控制系統(tǒng)集成框架如圖1所示，該框架由以下5個部分所組成:

圖1 高拱壩施工實時控制系統(tǒng)集成框架Fig．1 The framework of system integration in real-time control on high arch dam construction

1)高拱壩混凝土施工系統(tǒng)。它是系統(tǒng)集成的核心對象，系統(tǒng)集成主要是圍繞著大壩混凝土施工這個大的系統(tǒng)工程開展研究的。它共包含了混凝土生產(chǎn)、混凝土運輸和混凝土澆筑3個彼此關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)。這3個子系統(tǒng)是高拱壩混凝土施工動態(tài)過程的概括和抽象，同時也是高拱壩施工過程實時控制系統(tǒng)重點應(yīng)用的領(lǐng)域，體現(xiàn)了對大壩混凝土施工過程進行控制的特點。

2)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息集成。高拱壩混凝土施工過程涉及眾多的施工動態(tài)信息，主要包括混凝土原材料質(zhì)量信息、混凝土拌和生產(chǎn)信息、纜機運行信息、混凝土質(zhì)量試驗信息、大壩倉面施工信息、灌漿信息、混凝土溫控信息和混凝土施工進度信息等方面，通過對各個方面大壩施工數(shù)據(jù)信息的動態(tài)集成可以構(gòu)建大壩施工綜合信息平臺。

3)系統(tǒng)應(yīng)用功能集成。高拱壩施工實時控制系統(tǒng)包括的主要功能有現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的入庫與管理、施工參數(shù)超標后的報警反饋、數(shù)據(jù)信息的二維及三維可視化分析、施工進度動態(tài)仿真與實時控制分析以及潛在知識的數(shù)據(jù)挖掘等多個功能，對這些功能的綜合集成體現(xiàn)了大壩施工實時控制系統(tǒng)集成的作用。

4)系統(tǒng)技術(shù)方法集成。通過對通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形技術(shù)以及動態(tài)仿真技術(shù)等系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的集成為大壩施工實時控制系統(tǒng)集成的實現(xiàn)提供了方法與手段。

5)系統(tǒng)監(jiān)控指標集成。高拱壩施工實時控制系統(tǒng)中需要動態(tài)監(jiān)測的指標主要包括混凝土原材料質(zhì)檢指標、混凝土配合比偏差率指標、混凝土拌和性能試驗指標、大壩倉面施工質(zhì)檢指標、混凝土溫控指標和混凝土施工進度形象指標等，通過對這些監(jiān)控指標的集成明確和細化了大壩施工過程質(zhì)量和進度實時控制管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 系統(tǒng)集成實現(xiàn)

3．1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息集成

系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息集成是高拱壩施工實時控制系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。它是把不同來源、格式、特點性質(zhì)的數(shù)據(jù)信息在邏輯上或物理上有機地集中在一起，從而為用戶提供全面的數(shù)據(jù)共享［9］。能否將分布在異地的且異構(gòu)的各個數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)集成在一起，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)形式供用戶查詢分析是系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息集成實現(xiàn)的關(guān)鍵。

高拱壩施工實時控制系統(tǒng)涉及大量動態(tài)數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息來源于大壩不同施工部位且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致，在對這些數(shù)據(jù)信息集成時采用了數(shù)據(jù)倉庫模型的數(shù)據(jù)集成方案，將采集到的數(shù)據(jù)信息按照主題的內(nèi)容來構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫，比如大壩溫度信息數(shù)據(jù)倉庫、大壩灌漿信息數(shù)據(jù)倉庫和大壩倉面施工信息數(shù)據(jù)倉庫等，方便了用戶對數(shù)據(jù)之間潛在的相關(guān)關(guān)系和規(guī)律的挖掘分析，有利于管理者的科學(xué)決策。高拱壩施工實時控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫模型的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)倉庫模型體系結(jié)構(gòu)Fig．2 The system structure of the data warehouse model

3．2 系統(tǒng)應(yīng)用功能集成

高拱壩施工實時控制系統(tǒng)應(yīng)用功能的集成就是建立一個統(tǒng)一的綜合應(yīng)用，將各種不同應(yīng)用平臺的軟件和系統(tǒng)的功能有機地集成到一個無縫的、一體化的且易于訪問的系統(tǒng)環(huán)境中，方便用戶進行業(yè)務(wù)的處理和信息共享。應(yīng)用功能集成是在業(yè)務(wù)邏輯的層面上進行集成，用于滿足用戶對大壩施工過程實時控制管理的具體需求，是高拱壩施工實時控制系統(tǒng)集成的核心。

在高拱壩施工實時控制系統(tǒng)中，施工進度實時控制分析子系統(tǒng)是用VC++語言開發(fā)的獨立的業(yè)務(wù)程序，通過在其程序中編寫Web服務(wù)接口，使其與高拱壩施工綜合信息子系統(tǒng)進行了應(yīng)用功能的集成。從而，用戶在高拱壩施工綜合信息子系統(tǒng)中就可以查詢分析施工進度實時控制系統(tǒng)的相應(yīng)成果如大壩施工動態(tài)仿真形象面貌、仿真預(yù)測的混凝土施工強度以及混凝土施工進度計劃安排等。通過對高拱壩施工實時控制系統(tǒng)各個業(yè)務(wù)程序進行應(yīng)用功能上的集成，使用戶可以在一個統(tǒng)一的綜合應(yīng)用平臺下進行多種數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，極大地提高了用戶對大壩施工過程實時控制管理的效率。

3．3 系統(tǒng)技術(shù)方法集成

高拱壩施工實時控制與分析需要多項技術(shù)方法的支持，只有通過對各項技術(shù)方法進行有機地集成才能實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用功能的集成。技術(shù)方法集成是高拱壩施工實時控制系統(tǒng)集成的方法和手段。高拱壩施工實時控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成模型如圖3所示，其包含了內(nèi)外兩個層次的集成。

圖3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成模型Fig．3 The model of the system key technology integration

1)模型外層次的集成。主要是實現(xiàn)現(xiàn)場以及試驗室的施工數(shù)據(jù)的采集與傳輸，主要集成的技術(shù)方法包括:應(yīng)用PDA技術(shù)在大壩現(xiàn)場實現(xiàn)倉面施工信息的采集與審核，應(yīng)用無線通信技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)(如倉面施工數(shù)據(jù)、溫控數(shù)據(jù)、硬件設(shè)備自動采集接口數(shù)據(jù)等)的無線傳輸，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)整個工地的局域網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。模型外層次的技術(shù)集成為高拱壩施工實時控制系統(tǒng)搭設(shè)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)境，采集了大壩施工過程的數(shù)據(jù)，為用戶進一步的控制管理分析奠定了基礎(chǔ)。

2)模型內(nèi)層次的集成。其是高拱壩實時控制系統(tǒng)技術(shù)方法集成的核心，它實現(xiàn)了對大壩施工過程實時控制管理所需要的各種功能要求，主要集成的技術(shù)方法包括:應(yīng)用數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的組織、管理、分析以及知識發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用計算機圖形技術(shù)實現(xiàn)施工信息的可視化展示，如溫度歷時曲線圖、灌漿單位注灰量頻率曲線圖以及原材料質(zhì)量檢測曲線圖等圖形的繪制，應(yīng)用動態(tài)仿真技術(shù)實現(xiàn)高拱壩施工進度的實時控制分析，應(yīng)用VR技術(shù)實現(xiàn)大壩施工場景的三維虛擬漫游，應(yīng)用J2EE技術(shù)構(gòu)建高拱壩施工綜合數(shù)字化信息平臺。

3．4 系統(tǒng)監(jiān)控指標集成

高拱壩混凝土施工過程涉及很多施工規(guī)范要求的施工控制標準，能否在控制標準允許的范圍內(nèi)進行施工直接決定了大壩施工質(zhì)量的高低。通過對高拱壩混凝土施工系統(tǒng)監(jiān)控指標集成可以輔助管理者較全面地了解和分析大壩整體施工質(zhì)量與進度的情況，為施工過程質(zhì)量與進度的動態(tài)反饋控制提供了重要依據(jù)。高拱壩施工實時控制系統(tǒng)監(jiān)控指標集成體系如圖4所示，主要包括以下6類系統(tǒng)監(jiān)控指標:

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控指標集成體系Fig．4 The hierarchy of the system monitoring index integration

1)大壩混凝土原材料質(zhì)檢指標。大壩混凝土原材料的質(zhì)量直接影響著大壩混凝土的性能，因此對于每一生產(chǎn)批次的原材料都要對其質(zhì)量進行抽檢。一般而言，水泥、摻合料和外加劑是由專門廠家生產(chǎn)，其各項性能指標比較穩(wěn)定，滿足檢測指標控制標準的合格率很高;而砂石骨料由于是在現(xiàn)場附近山體開采并加工生產(chǎn)而得，其有些性能指標如砂子含水率、細度模數(shù)等隨開挖的巖層特性變化不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出一定的波動性，需要加強對這些指標的抽檢，以提高砂石骨料的物理性能。

2)大壩混凝土生產(chǎn)配合比偏差率指標。拌和系統(tǒng)生產(chǎn)混凝土需要嚴格按照設(shè)計提出的大壩混凝土相應(yīng)部位的設(shè)計配合比，在生產(chǎn)的每一盤混凝土中各組分的實際用料量與設(shè)計的用料量須保持一致。然而，由于拌和系統(tǒng)中的稱量系統(tǒng)存在一定的偏差會導(dǎo)致混凝土各組分的實際用料量與設(shè)計用料量發(fā)生偏差，因此需要對兩者的偏差率進行控制。通過對每一盤混凝土各組分用料量的實時采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土某組分用料量與設(shè)計用料量偏差率超過控制標準時，要向混凝土拌和系統(tǒng)人員反饋令其調(diào)整拌和系統(tǒng)稱量偏差，從而保證大壩混凝土生產(chǎn)拌和質(zhì)量。

3)大壩混凝土拌和性能試驗指標。對于大壩混凝土拌和性能主要是從混凝土的坍落度和抽檢試件的抗壓強度兩個指標去衡量。其中，對于配筋率不同的混凝土其坍落度的控制標準不同;而對于不同養(yǎng)護齡期的混凝土亦具有不同的抗壓強度要求。

4)大壩倉面施工質(zhì)檢指標。對于大壩倉面施工質(zhì)量的控制主要是對備倉工序、澆筑工序和養(yǎng)護工序3個方面來進行控制。其中在備倉工序中又有鋼筋綁扎、模板架立等多項施工工序，每一項工序都有其相應(yīng)的控制指標;澆筑工序主要是對混凝土澆筑過程進行控制如振搗是否密實等;養(yǎng)護工序則是針對收倉后倉面所采取的養(yǎng)護工藝、混凝土成形質(zhì)量等進行控制。

5)大壩混凝土施工進度指標。其控制指標主要包括混凝土澆筑方量和混凝土澆筑形象?；炷翝仓搅矿w現(xiàn)了混凝土施工進度情況，一般而言，混凝土澆筑方量越大說明混凝土施工進度完成的越好。然而，由于每年度汛要求，還要注意大壩混凝土澆筑形象，要兼顧邊坡壩段的混凝土澆筑，而不能一味地追求河床壩段大體積倉位的混凝土施工。因此，需要從混凝土的澆筑方量和澆筑形象兩個監(jiān)控指標來對大壩混凝土施工進度進行控制分析。

6)大壩混凝土溫控指標。其控制指標主要包括混凝土的出機口溫度、澆筑溫度和最高溫度以及各個冷卻通水期的混凝土降溫速率。其中混凝土的最高溫度是溫控監(jiān)控指標中最重要的，在大壩混凝土澆筑過程中需要嚴格控制。

4 網(wǎng)絡(luò)平臺下的高拱壩施工實時控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)平臺下的高拱壩施工實時控制系統(tǒng)采用N層計算結(jié)構(gòu)。從邏輯角度看，系統(tǒng)分成客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器;從物理角度看，應(yīng)用服務(wù)器可以視用戶并發(fā)數(shù)從1到N臺進行擴充，以保證客戶端用戶的響應(yīng)要求。系統(tǒng)工作模式采用C/S模式與B/S模式相結(jié)合的方式，從邏輯上劃分為以下3層。

1)表現(xiàn)層。展現(xiàn)給用戶的界面，即用戶在使用一個系統(tǒng)的時候的所見所得。其位于最外層，離用戶最近，用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，為用戶提供一種交互式操作的界面。

2)業(yè)務(wù)邏輯層。包括Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯層，是系統(tǒng)架構(gòu)中體現(xiàn)核心價值的部分，它主要集中關(guān)注在業(yè)務(wù)規(guī)則的制定、業(yè)務(wù)流程的實現(xiàn)等與業(yè)務(wù)需求有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計上。其處于數(shù)據(jù)訪問層與表現(xiàn)層中間，起到了數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用。

3)數(shù)據(jù)訪問層。主要是用來存儲和管理各種數(shù)據(jù)，負責(zé)對各種數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)源的訪問。

5 工程實例

在建的某高拱壩位于我國西南山區(qū)，其最大壩高305 m，是目前已建和在建中的世界第一高拱壩。大壩混凝土總量約530萬m3，首倉混凝土于2009年10月23日開澆，合同工期要求2012年年底首臺機組發(fā)電，2013年8月底大壩全線澆筑到頂。

筆者研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)平臺下的高拱壩施工實時控制系統(tǒng)對大壩施工過程數(shù)據(jù)信息進行了有效的集成和共享，從大壩首倉混凝土開澆即在現(xiàn)場投入使用，工程建設(shè)各方均在該系統(tǒng)平臺下對大壩混凝土的施工質(zhì)量和進度進行動態(tài)實時控制分析。以下僅列舉系統(tǒng)在應(yīng)用中的部分成果。

1)系統(tǒng)對大壩右岸高線兩座拌和樓的混凝土拌和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了采集與分析，發(fā)現(xiàn)1#和2#兩座拌和樓在供應(yīng)大壩混凝土?xí)r其各組分的稱量合格率基本上都在90%以上，只有1#拌和樓在為大壩14#－19單元供應(yīng)混凝土?xí)r，其中的特大石的稱量合格率只有87．2%?？傮w來看，右岸高線的混凝土拌和系統(tǒng)稱量誤差控制得較好，混凝土拌和生產(chǎn)過程在可控范圍之內(nèi)，1#和2#兩座拌和樓的特大石稱量合格率統(tǒng)計分別如圖5(a)和(b)所示。

圖5 拌和樓特大石稱量合格率統(tǒng)計

2)系統(tǒng)對大壩施工進度控制與分析中兩個重要的指標混凝土施工入倉強度和大壩層間間歇時間進行了采集與分析。其中大壩混凝土倉面單元的入倉強度統(tǒng)計如圖6(a)所示，平均入倉強度為158．89 m3/h，且隨著施工控制管理的加強，后期的入倉強度要高于前期，但是還具有進一步提升的空間;大壩所有倉面單元的層間間歇時間統(tǒng)計如圖6(b)所示，平均層間間歇時間為10．46 d，超過設(shè)計標準14 d所要求的混凝土倉面單元有36個，沒有超過28 d形成老混凝土的倉面單元，且大壩后期混凝土施工的層間間歇時間相比前期有所下降，基本上能保持在10 d左右，在施工中應(yīng)該注意混凝土澆筑能力的提高以及跳倉規(guī)則的優(yōu)化，保證大壩混凝土短間歇連續(xù)澆筑上升。

圖6 大壩混凝土施工進度指標統(tǒng)計Fig．6 The statistics of the dam concrete construction progress index

6 結(jié)語

將系統(tǒng)集成理論應(yīng)用于高拱壩施工實時控制與分析中，有利于各種數(shù)據(jù)資源的共享以及功能的有機結(jié)合，可以實現(xiàn)大壩施工過程中質(zhì)量和進度的在線實時監(jiān)測和反饋控制。筆者在對高拱壩施工實時控制技術(shù)分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了高拱壩施工實時控制系統(tǒng)集成框架，從數(shù)據(jù)信息集成、應(yīng)用功能集成、技術(shù)方法集成和監(jiān)控指標集成4個方面詳細論述了高拱壩施工實時控制系統(tǒng)集成的實現(xiàn)過程?；谏鲜隼碚摵头椒ㄑ兄崎_發(fā)了網(wǎng)絡(luò)平臺下的高拱壩施工實時控制系統(tǒng)，并結(jié)合某高拱壩工程進行了應(yīng)用研究，提高了該大壩建設(shè)管理與控制水平，為其高標準、高強度連續(xù)施工提供了有力的技術(shù)支持。

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