高海拔地区水电工程智能建造挑战与对策

　　摘要：开展高海拔地区水电工程智能建造关键挑战问题与对策研究，对促进水电安全、优质、绿色、高效开发具有重要意义。本文总结了高海拔地区水电的自然环境、建筑结构、工程建设等特点，从生态优先、本质安全、精品工程、资源利用、价值创造方面阐明了高海拔智能建造面临的挑战。基于“全面感知、真实分析、实时控制、持续优化”的闭环建造控制理论，聚焦高海拔地区水电工程建设中将会出现的新问题，建立了智能建造三维四要素协同系统分析框架;对典型河段的生态调控、地下空间环境健康、土石方智能平衡、水工隧洞智能衬砌、深厚覆盖层地基智能振冲、地质灾害防治及绿色生产辅助系统等，提出了相应的智能建造方法和对策，以充分发挥智能化技术和管理在资源投入、工艺过程、业务流程、结构性态、工程进度和实物成本等六大管理要素中的重要作用，推进高海拔水电工程智能建造技术创新和管理提升。研究结果对高海拔地区水电工程智能建造技术与管理的应用和发展具有指导意义，也可供其它水工程及基础设施工程建设借鉴。

　　关键词：水电工程;智能建造;闭环控制;绿色水电;高海拔地区

　　1研究背景

　　国家《能源互联网行动计划大纲》指出，要通过能源互联网推动能源生产、消费、体制变革和能源结构的调整，有力地推动我国能源革命[1]。2020年国家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》，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”[2]。深入思考水电企业在互联网时代的新理论、新技术、新对策，并开启以能源革命与信息化变革为核心的智能建造，这是大势所趋，是保障国家和社会高质量持续发展的关键[3-4]。

　　水电论文范例： 发挥河长制优势做好小流域水电站防汛度汛

　　水电作为清洁可再生能源，是实现2030年碳达峰、2060年碳中和目标，促进国家能源转型的重要组成部分。截至2020年底，中国水电装机容量总量3.8亿kW左右，待开发水力资源一半以上集中在高海拔地区的雅鲁藏布江、澜沧江、怒江和金沙江流域，国家“十四五”规划和2035年远景目标[5]明确要实施雅鲁藏布江下游水电资源开发。

　　高海拔地区水电建设具有“四高”(高寒、高地应力、高地震烈度、高水头)，“四大”(大埋深、大落差、大保护、大温差)，“三长”(长冬歇、长隧洞、长周期)等特点，高海拔水电工程智能建造技术的应用范围、专业领域、融合深度、覆盖周期等要求更高，且端、网、云、自然、交通、通讯等基础条件较弱，特别是开发过程中将遇到典型河段生态调控、地下空间健康环境控制、土石方时空平衡利用、长大水工隧洞衬砌建造、深厚覆盖层地基振冲置换、高位雪崩泥石流灾害防治及绿色生产辅助系统等特有新问题和新挑战，对安全、优质、绿色、高效开发水电资源提出了更高的要求，需要更好开发运用数字化、智能化技术和管理手段，来实现这些建设目标。

　　因此，开展高海拔地区水电工程智能建造挑战与对策研究，具有重要意义。目前，国内外针对水电工程智能建造研究主要包含理论、技术和管理平台三方面，主要进展如下：

　　(1)理论，早期学者提出智能建造重点在于建造过程中数值技术、智能技术的充分利用[6]。信息化、智能化技术逐渐被应用到水电工程建设中[7]，如糯扎渡[6]、溪洛渡[8-10]、向家坝、白鹤滩[11]、乌东德[4]等高坝。通过工程实践和研究的深入，众多学者提出了不同的智能建造定义[12-13]，樊启祥等[14]进一步明确了智能建造内容、过程和类别等内涵，强调闭环控制理论是智能建造的核心。

　　(2)技术，近10年来，智能建造技术在建筑、土木及水利水电等基础设施建造行业的应用越来越广泛[8，15-16]。相对比较成熟和应用较广泛的数字化和智能化技术，包括智能碾压[17]、智能温控[18]、智能灌浆[11]、智能安全[12，19-20]、3D打印[21]及BIM应用[22]等。

　　在交通、水工隧洞及电站厂房等地下工程方面，盾构隧道信息化施工智能技术[23]、隧道施工多元信息智能监控系统[24]、隧洞排水设备状态智能监控系统[25]相继得到应用。为水利水电工程已有典型智能建造技术，它们推动了水利水电工程建造技术高质量发展。(3)管理平台，基于溪洛渡、乌东德、白鹤滩等大型水电工程实践研发的Idam综合管理平台[8]，是当前水电工程智能建造最具代表性管理平台之一。

　　在安全生产及生态环境管控等方面，如安全隐患排查治理系统[20]，现场监理人员管理和评价系统[26]，电力系统实时动态安全智能评估[27]，水质、生态、环境监测传感管理平台[28]等也得到应用。面对高海拔地区自然环境、建筑结构、工程建设等建设特点，现有资源如人类活动、施工机械、机电设备的能力与效率等面临新的挑战。

　　生态环境调查评估保护监测分析的手段与方法、雪崩冰崩及其泥石流等自然灾害、强烈构造运动对复杂环境下水工建筑物的全生命期安全影响等问题一定程度上超出了现有的工程认知，对传统的、定型的、熟悉的工程方法提出了新的挑战，相关工程建造理论、工程技术标准、工程管理要求已超出现有实践与规范，水电开发全生命期绿色化、无人化、电气化、智能化的管理目标，对建设要素感知、实时数据处理、智能预测预警、智能建造关键装备、全要素全过程全成本智能管理等提出了新命题、新问题、新要求，其解决方案还需结合水电开发的迫切现实要求深入研究。

　　本文首先分析高海拔地区水电工程建设特点、挑战和应用原则，构建了高海拔地区智能建造闭环控制方法和智能管理体系;进而基于智能闭环控制理论，阐述典型河段生态调控、地下空间健康环境控制、土石方时空调配平衡利用、长大水工隧洞衬砌智能化施工、深厚覆盖层地基振冲碎石桩智能控制、地质灾害防治及绿色生产辅助系统等新挑战，提出智能建造相应的对策。

　　2高海拔水电工程建设的特点、挑战和原则

　　2.1高海拔地区水电工程建造特点与挑战

　　从高海拔地区水电工程河流规划、工程布置、建设实施、运行维护等时空演变特性看，可归纳其自然环境、建筑结构、工程建设等特点。同时，高海拔水电开发还面临无人区本底资料缺少、地域特性相关的电力消纳市场协调处理复杂、市场化电价承受能力有限、建设征地和移民搬迁安置艰巨、科技积累和技术水平不高、开发建设体制机制深化改革等挑战。这些特点和挑战叠加，使高海拔水电工程建设和电站运行面临更大的风险。

　　2.2高海拔水电工程智能建造遵循的原则

　　高海拔地区的自然、结构、建设等特点，要求工程建造活动遵循生态保护、本质安全、质量控制、资源利用和价值创造等基本原则：

　　(1)生态优先。

　　由于特殊的地理位置和地形条件，高海拔地区拥有极其丰富且独特的自然和生物资源，有的项目邻近自然保护区或生态红线，环境保护压力大。工程干支流、梯级及调节性水库和径流电站、天然河流径流补给构成一个以水工程为核心的新的高原水生态、水环境及水资源系统，其调度协调控制难度大。处理高海拔地区丰富水力资源开发和生物多样性保护的关系，构建资源开发生态判断准则、关键控制指标和梯级生态调度控制指标等必须坚持生态优先，促进绿色、智能技术与管理创新在工程生态和地质环境保护中的应用。

　　(2)本质安全。

　　高海拔地区水电工程安全管控涉及到规划、设计、施工、运维的全生命周期，不仅要解决变化的工程生态和地质环境中不确定性带来的工程永久安全问题，也要解决复杂水文、地形、地质环境，如冰湖、雪崩、泥石流等频发地质灾害对工程施工和电站运行中人员、机器设备、物料等全资源要素、全工艺过程及全业务流程带来的挑战，更要面对高海拔缺氧、复杂地下施工环境对人员健康和安全带来的巨大挑战。杜绝人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素及管理缺陷，需要在已有技术基础上，创新研发适应高海拔地区的智能传感设备、智能机器人等安全管控技术，培育智能建造安全文化，达到工程全周期本质安全的要求。

　　(3)精品工程。

　　精品工程是对工程建设质量的更高要求和追求，一般要制定高于现有国家标准的技术指标和工艺措施，并通过系统的保证体系来实现。如，三峡工程精品机组及金沙江下游大型梯级电站精品工程[10]，通过制定先进的技术指标、工艺要求和质量标准，建立完善严格精细化的技术与质量管理体系来实现。高海拔工程建设的环境严峻性、技术挑战性、运行可靠性和品质耐久性更要追求精品工程，要围绕资源投入、工艺过程、业务流程、结构性态、工程进度、实物成本等六个要素。

　　积极应用智能建造控制理论，采取数字化、智能化技术进行全过程的偏差管理和变更管理，创新电气化、无人化施工系统，实现安全零隐患、质量零缺陷、环保零违规、进度零延误、成本零浪费、行为零问责的“六零”工程建设管理目标。如在高海拔地区不同工艺环节和应用场景中，研发升级智能振冲、3D打印、智能碾压、智能温控等智能建造技术，充分考虑网络通信技术与智能化技术应用对接，做好通信规划和布置，为建设精品工程奠定基础。

　　(4)资源利用。

　　水电工程在高效利用水力资源产生经济、社会、生态等综合效益的同时，也要针对工程规模大、施工工期长、物质材料设备消耗多及建设资金大的特点，持续进行资源及资金投入的动态优化。通过优化设计、提高作业效率，做好节水、节电、节材，降低能耗，对于工程建设过程中产生的各类材料如工程开挖料也要做好资源化综合利用，减少资源消耗，降低碳排放，节省建设资金。

　　工程开挖渣料并不是废料和弃料，具有资源价值，宜遵循循环经济、再生利用原则，进行资源化开发和利用。一方面通过工程布置、结构设计及施工组织的结合减少开挖量，另一方面要把开挖料作为工程建设自身的建筑材料如混凝土骨料和构件制品来利用，也可以用于地质灾害和生态环境治理、河岸防护、人造滩头湿地、生态景观营造、建筑构件产品化生产、地方基础设施与生产生活发展用地等。同时，要增强对施工范围地面表土、陆生植被等资源稀缺性、珍贵性的认识，提前做好规划与施工组织，通过建设过程时空调控发挥其作用。在生产辅助系统如施工用水、用电等方面，要通过以需定供的全过程智能调控技术达到绿色发展、资源节约、循环使用的目标。

　　3高海拔智能建造闭环控制理论与管理

　　3.1高海拔智能闭环控制理论

　　水电工程建造是一次性活动，有明确的建造目的和要求，但也是一个创新性活动。建造过程中，不同工程和地域会遇到不同的水文过程、地质和自然灾害等不确定性挑战，工程建设过程中的阶段性转化和专业转换特性，提高了一次性实现原有目标的难度。工程建造需要时刻在变化中进行分析，并采取及时有效的对策。智能闭环控制理论[13]即“全面感知、真实分析、实时控制、持续优化”，可有效应对变化，提高建造效率，保证目标实现。基于闭环控制理论与高海拔地区水电工程发展特点和挑战，本文构建高海拔地区智能闭环控制模型。

　　随着建设环境与建造物及其建造过程状态的时空变化，表征环境与工程状态函数，涵盖生态调控、施工环境调控、资源利用、智能衬砌、智能振冲以及灾害防治等关键建造活动与环境，梳理主要建造活动的闭环控制关键参数，建立建造活动的数字孪生模型;通过智能算法及回报反馈机制，依据关键控制参数与控制目标的偏差变化，对状态表征函数进行更新[13]。

　　实现人机协同;融合资源投入、工艺过程、业务流程、结构性态、工程进度和实物成本等六大管理要素，考虑自然与工程环境动态变化，基于数据学习等智能算法计算工程建造“回报”，进而优化重构真实分析对比的标准、判据和规则，升级开发智能装备、产品和闭环管理逻辑，实现无人化管理，进而对建造全过程的实时智能闭环控制流程、关键参数、感知、分析与控制的指标以及回报或者智能算法的更新，即持续优化过程。持续优化的参数、流程、算法等依赖于深度学习和优化目标，是智能系统不断提升的关键。

　　3.2智能建造三维四要素协同系统分析方法

　　基于智能建造闭环控制理论，面对高海拔地区更为复杂和特殊的水电建设环境，亟需在已有智能建造技术基础上实现：(1)全要素的数字孪生;(2)多方人机协同;(3)无人智能偏差控制、纠偏;(4)可持续的优化与调整;(5)资源共享与协同工作，知识的有效传递与传承，使水电工程在全生命周期里具有持续价值创造的能力。针对高海拔地区水电工程开发建设遇到的典型河段的生态调控、地下空间健康环境、土石方利用时空平衡、长大水工隧洞衬砌优化与智能化施工、深厚覆盖层地基振冲碎石桩置换工艺智能控制、地质灾害防治及绿色生产辅助系统等特有新问题。

　　(1)水电工程智能建造活动必须聚焦工程业务问题，如技术、安全健康、生态环保等问题，要充分发挥数字化、智能化手段的作用，来解决问题，提升建设绩效。本文从项目管理全周期，专业知识与研究方法、工作程序与逻辑等3个维度，以及工程项目建设管理包含的时间-空间-质量-数量等4个要素，建立水电工程智能建造活动三维四要素协同系统分析框架。从智能建造闭环控制理论[13]出发，此框架中强调了智能建造的创新性、知识运用的综合性、管理决策的科学性。

　　其中3个维度具体指：(a)项目管理全周期，即工程建设项目规划-建设-运行的全生命期，包括动议立项、调研勘测、河流规划、预可研(可研)设计、招标设计、施工设计、建设实施、运行维护、持续提升等;(b)专业知识与研究方法，即理论分析、试验测试、监测反馈、仿真复核、大数据挖掘优化、边缘计算、人工智能、云平台、区块链等;(c)工作程序与逻辑，即问题提出、目标制定、准则建立、方案设计、建模寻优、综合评价、科学决策及项目实施等。

　　4个要素是采用智能建造解决典型河段的生态调控、地下空间环境健康、土石方时空平衡、水工隧洞智能衬砌、深厚覆盖层地基智能振冲、地质灾害防治及绿色生产辅助系统等问题以及建造活动的主要变量，通过运行智能化技术来调控这些变量的各类属性，实现闭环控制。

　　4高海拔水电工程建设典型问题智能建造对策

　　4.1典型河段的生态调控方法

　　水库水位与流域水资源高效利用以及生态系统息息相关[30]。A电站具有年调节能力，位于河流1与河流2汇合口上游;B为径流式电站，正常蓄水位以下水位变幅小，为反调节水库，位于汇合口下游一定距离处，河流1与河流2交汇处形成湿地公园。A水库调节及其下游自然河段，以及B水库蓄水回水会对交汇处河道产生影响。水库淹没、下泄水文过程、泥沙等条件的改变可能对湿地空间分布、水沙过程以及生物地球化学循环产生影响。需要处理好电站建设与该河段生态保护及景观维护之间的关系。

　　4.2地下空间环境健康控制

　　随着电气化、机械化、自动化、智能化施工技术的研发应用，水电工程建设过程中的施工人数将大量减少，尤其是地下空间的施工作业人员和艰苦狭窄环境下的手工劳动将大量减少。高海拔、大埋深、高地温环境下建设人员及施工设备所处地理空间的环境健康质量，对人身健康安全和施工效率都有直接的影响。因此，高海拔地区地下空间环境和人员健康状态的预警预控是保证建设安全、建设质量和建设进度的关键，地下空间健康环境智能调控对策宜包括：

　　(1)研发适应高海拔地区超长深埋隧洞环境的人员智能健康可穿戴设备和实时定位交互通讯系统，形成对作业人员与施工环境的不间断监测与反馈。充分发挥智能健康可穿戴设备的计步、心率、呼吸、温度、疲劳、睡眠、血压血氧等监测功能，实时收集高海拔地区佩戴人员安全健康信息并分析人员健康情况，及时反馈处理人员生理状态、异常预警，建立不同工种、不同季节、不同时间段、不同性别、不同年龄段的健康评价标准体系。

　　5结语

　　通过智能建造高质量开发高海拔地区水电资源是实现中国清洁能源可持续发展的重要手段，是保护雪域高原生态环境、推进国家生态文明建设的重要方法。本文对高海拔地区水电工程智能建造挑战与对策开展研究，主要结论如下：大型水电工程智能建造是一个持续创新、价值创造的过程。当前中国水电工程建造已经初步形成了以数字仿真、智能碾压、智能通水及智能灌浆等为代表的水电工程智能建造技术。

　　通过调研，分析了高海拔地区水电工程的自然环境、建筑结构以及工程建设的特点和挑战，提出要遵循生态优先、本质安全、精品工程、资源利用、价值创造等基本原则。结合高海拔水电过程建设面对的工程技术、生态环境保护和建设管理等新问题，提出了高海拔智能建造闭环控制理论及智能技术拓展应用与创新研发的主要领域和关键问题，定义了高海拔水电工程主要建造活动智能闭环控制的关键参数。

　　结合水电工程建设规律和高海拔水电工程特点与挑战，构建了聚焦工程业务问题的三维度(项目管理全周期-专业知识与研究方法-工作程序与逻辑)四要素(时间-空间-质量-数量)协同系统分析框架，同时建立具有建模、定量、寻优、闭环、调控等特点的智能建造数据管理系统，为分析高海拔水电工程建造活动的闭环智能控制提供了有效的工作工具。

　　针对典型河段生态调控、地下空间环境健康、土石方利用平衡、长大水工隧洞衬砌优化、深厚覆盖层地基振冲碎石桩置换、雪崩泥石流地质灾害防治及绿色集约生产辅助系统等特有新问题，提出了智能建造闭环控制实现路径和相应对策，为实现生态优先、本质安全、精品工程、资源利用、价值创造的工程绩效提供了技术方向，可供高海拔地区大型水电工程智能建造技术与管理的创新和实践参考。

　　参考文献：

　　[1]曾鸣.能源互联网与能源革命[J].中国电力企业管理，2016(16)：36-39.

　　[2]中华人民共和国中央人民政府.住房和城乡建设部等部门关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见[EB/OL].(2020-08-03).

　　[3]樊启祥，张超然，陈文斌，等.乌东德及白鹤滩特高拱坝智能建造关键技术[J].水力发电学报，2019，38(2)：22-35.[4]樊启祥，陆佑楣，周绍武，等.金沙江水电工程智能建造技术体系研究与实践[J].水利学报，2019，50(3)：294-304.

　　[5]中华人民共和国中央人民政府.中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议.(2020-11-03).

　　[6]ZHONGDH，CUIB，LIUD，etal.Theoreticalresearchonconstructionqualityreal-timemonitoringandsystemintegrationofcorerockfilldam[J].ScienceinChinaSeriesE：TechnologicalSciences，2009，52(11)：3406.

　　[7]樊启祥，周绍武，林鹏，等.大型水利水电工程施工智能控制成套技术及应用[J].水利学报，2016，47(7)：916-923，933.

　　作者：樊启祥1，林鹏2，魏鹏程2，李果1