水利工程智能建造進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)

水利工程智能建造進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)摘要：近年來，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和云計(jì)算等信息技術(shù)逐漸在土木和水利工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國(guó)水電工程的建設(shè)先后經(jīng)歷了人工化、機(jī)械化、信息化和數(shù)字化的階段，現(xiàn)在已邁入向智能化轉(zhuǎn)型的階段。智能建造定義為將信息化、自動(dòng)化、智能化與工程建設(shè)過程高度融合的建造方式，通過集成和應(yīng)用智能化系統(tǒng)，減少對(duì)人的以來和人工決策的主觀性，提高基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，已經(jīng)成為當(dāng)前世界各國(guó)土木和水利工程建設(shè)的發(fā)展重點(diǎn)和熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞：水利工程；智能建造進(jìn)展；關(guān)鍵技術(shù)引言水利工程建設(shè)的建設(shè)方法和管理經(jīng)歷了傳統(tǒng)的人力、機(jī)械、自動(dòng)化、數(shù)字化和情報(bào)發(fā)展過程。在人工和機(jī)械階段，人類對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)量控制、管理不善和報(bào)告不當(dāng)?shù)挠绊憣?dǎo)致施工措施和管理不善，很容易導(dǎo)致工程質(zhì)量控制的喪失；在因特網(wǎng)和大數(shù)據(jù)方面，近年來，信息技術(shù)與工程建設(shè)相結(jié)合，成功地實(shí)施了一些大型水電項(xiàng)目，主要是工程數(shù)字建筑模型和工程質(zhì)量控制系統(tǒng)，這些項(xiàng)目廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域。1智能化主要特征智能階段的主要特點(diǎn)是:(1)集成人工智能等新一代信息技術(shù)，開發(fā)智能決策控制技術(shù)+自動(dòng)控制；(2)實(shí)現(xiàn)人體信息物理系統(tǒng)及所有要素的智能感知、智能分析、智能控制和智能管理；⑶協(xié)同解決大壩設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的多目標(biāo)優(yōu)化管理和監(jiān)管問題，實(shí)現(xiàn)安全、高質(zhì)量、高效、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)大壩建設(shè)的目標(biāo)。特別值得一提的是，在諸如海量數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物體互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新信息技術(shù)的推動(dòng)下，人類信息物理系統(tǒng)的三個(gè)組成部分的檢測(cè)、分析和監(jiān)測(cè)能力得到了前所未有的提高。2大壩智能建造技術(shù)進(jìn)展2.1智能碾壓數(shù)字碾壓技術(shù)應(yīng)用的初期，碾壓機(jī)仍由人工控制；為進(jìn)一步減少人為因素的干預(yù)、提高碾壓的控制精度，基于自動(dòng)控制理論、相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)和技術(shù)（包括GPS、計(jì)算機(jī)、通訊、傳感等），無人碾壓技術(shù)得到了發(fā)展。智能碾壓的研究?jī)?nèi)容主要涉及碾壓參數(shù)智能感知、碾壓材料特性智能感知、碾壓質(zhì)量智能評(píng)價(jià)和碾壓過程智能控制4個(gè)方面。（1）碾壓參數(shù)的智能感知是指通過加速度計(jì)等測(cè)量設(shè)備和機(jī)器視覺等手段對(duì)碾壓筑壩過程中的施工信息進(jìn)行精確感知，包括：碾壓機(jī)行駛速度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度等，可為碾壓質(zhì)量評(píng)價(jià)和碾壓過程控制提供基礎(chǔ)。（2）碾壓材料特性的感知是為了獲取用來確定壩料壓實(shí)特性的材料本身（內(nèi)部）因素，包括材料的含水率和級(jí)配等。不同研究人員基于機(jī)器視覺、貝葉斯估計(jì)、隨機(jī)森林等模型和算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)碾壓材料特性的感知和預(yù)測(cè)。（3）碾壓質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要是分析碾壓機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)特性指標(biāo)和壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性，從而構(gòu)建壓實(shí)質(zhì)量評(píng)估模型。目前較為常用的壓實(shí)指標(biāo)包括：SCV（Soundcompactionvalue）、CV（Compactionvalue）和CF（Compactionfeature）。在此基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者考慮了更全面的影響因素，包括：施工過程的碾壓參數(shù)（行駛速度、壓實(shí)厚度、碾壓遍數(shù)）、振動(dòng)頻率/振幅信號(hào)、材料特性參數(shù)（壩料含水率、壩料級(jí)配特性）等等，通過相關(guān)性分析或機(jī)器學(xué)習(xí)方法等來構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，建立了各影響因素與壓實(shí)指標(biāo)間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)碾壓質(zhì)量的評(píng)價(jià)。由于材料的不同，土石壩和碾壓混凝土壩的壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)存在差異，需要在進(jìn)一步研究中對(duì)比不同壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣和適用范圍。（4）碾壓過程智能控制，是指在機(jī)載反饋控制系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，集成人工智能控制算法，對(duì)碾壓操作參數(shù)信息進(jìn)行優(yōu)化，提高碾壓精度和效率。2.2基坑降水監(jiān)測(cè)技術(shù)在4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基坑降水的自動(dòng)化、信息化和智能化。降水控制中心可通過APP端和移動(dòng)電話計(jì)算機(jī)終端監(jiān)測(cè)基坑降水監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)以4G格式將基坑降水水平和流量傳遞給控制中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)可以有效和及時(shí)地監(jiān)測(cè)自動(dòng)降雨控制系統(tǒng)，并對(duì)基本坑進(jìn)行科學(xué)的降水管理。該系統(tǒng)解決了人工監(jiān)測(cè)精度低、延誤、時(shí)間短、缺乏集中和效率等問題水位傳感器不銹鋼探頭具有集成擴(kuò)散硅敏感元件，利用壓力電阻效應(yīng)將所承受的水壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后電壓電流互感器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4~20ma遠(yuǎn)程傳輸信號(hào)，將檢測(cè)到的水位信號(hào)傳遞給遙控收集器，檢查收集器中的計(jì)算機(jī)，將實(shí)測(cè)水位信號(hào)與調(diào)整信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算偏差，然后根據(jù)偏差的性質(zhì)，主動(dòng)將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄蹵PP云和手機(jī)計(jì)算機(jī)終端，服務(wù)器下達(dá)命令，智能APP云獲得自動(dòng)或手動(dòng)控制啟動(dòng)。2.3智能溫控隨著數(shù)字化和智能化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，智能溫控的理論逐漸完善。大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力控制，包括數(shù)據(jù)采集感知、智能評(píng)價(jià)決策和溫度智能調(diào)控3部分。通過對(duì)大壩施工過程的多源數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集分析，基于全過程溫度應(yīng)力數(shù)值仿真計(jì)算評(píng)價(jià)大壩在預(yù)設(shè)初始通水策略下的整體安全性，并通過對(duì)通水策略的優(yōu)化，采用當(dāng)前最優(yōu)通水策略進(jìn)行溫度的調(diào)控。目前混凝土的溫度應(yīng)力調(diào)控主要以“保證結(jié)構(gòu)安全、發(fā)揮材料性能和提升施工效率”為優(yōu)化目標(biāo)，即在保證結(jié)構(gòu)全過程安全裕度的同時(shí)，最大限度發(fā)揮混凝土材料的自身強(qiáng)度性能（節(jié)約造價(jià)）?；炷翝仓蟮臏囟茸兓€為一個(gè)先增大后減小的單峰曲線，基于此規(guī)律，智能溫控的優(yōu)化目標(biāo)包括：最高溫度、最大溫差（如不同倉澆筑時(shí)機(jī)不同而帶來溫差的最大值）、降溫速率等?；炷翢崃W(xué)性能參數(shù)準(zhǔn)確識(shí)別是準(zhǔn)確模擬大壩溫度場(chǎng)的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的大體積混凝土施工中，混凝土材料的熱力學(xué)性能參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)、絕熱溫升系數(shù)等參數(shù)、比熱等）一般采用經(jīng)驗(yàn)公式或室內(nèi)試驗(yàn)獲取，但由于經(jīng)驗(yàn)公式往往與實(shí)際情況相差較大，室內(nèi)試驗(yàn)易受到環(huán)境條件和隨機(jī)因素的干擾。2.4智能灌漿技術(shù)一種智能注射方法，提高注射操作過程的標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，實(shí)現(xiàn)隱蔽工程陽光操作，避免人為干預(yù)，保證執(zhí)行質(zhì)量。將自動(dòng)控制、變頻調(diào)速、網(wǎng)絡(luò)通信和信息加密等技術(shù)結(jié)合起來，研究和設(shè)計(jì)智能注射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)所有注射操作的自動(dòng)化和智能創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)面糊制備和分配全過程的智能化，注射壓力和反該技術(shù)由智能噴射專家系統(tǒng)、智能紙漿生產(chǎn)站和智能噴射裝置組成。專家系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制智能漿料站和智能注塑機(jī)，實(shí)現(xiàn)面料生產(chǎn)分配、注塑機(jī)壓力和流量控制、數(shù)據(jù)錄入和處理全過程的智能化；智能面餅生產(chǎn)站根據(jù)中央服務(wù)器給出的面餅分配參數(shù)制備標(biāo)準(zhǔn)面餅，并為智能面餅生產(chǎn)單元分配面餅；智能注射單元是智能注射的實(shí)現(xiàn)層。它由數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)、智能壓力控制系統(tǒng)和3部分智能電源系統(tǒng)組成，所有部件都集成到數(shù)據(jù)庫中，并封裝在一起，可以全局移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)精確的智能控制，例如壓力、吞吐量、密度、溫度等參數(shù)。3智能建造技術(shù)升級(jí)(1)物體因特網(wǎng)提供硬件和軟件支持，以實(shí)現(xiàn)全面認(rèn)識(shí)，從而能夠在各級(jí)有效地整合和整合各種信息，從而為實(shí)現(xiàn)多級(jí)智能控制奠定基礎(chǔ)。2)大數(shù)據(jù)和云計(jì)算為智能高效決策提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和計(jì)算能力。3)人工智能及其控制技術(shù)，如專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、多智能控制、遺傳算法、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃等。廣泛應(yīng)用于大壩裂縫、水冷卻、安全監(jiān)測(cè)、參數(shù)反演、研磨優(yōu)化、進(jìn)度模擬、結(jié)構(gòu)模擬、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域。4)建筑信息模型技術(shù)有利于大壩綜合投入信息模型的發(fā)展。dim是通過將BIM應(yīng)用模型與行業(yè)4.0的概念和特征相結(jié)合而開發(fā)的。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了idam大壩智能施工平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)施工過程的智能化管理。結(jié)束語目前，我國(guó)水利工程智能建造已逐漸由探索階段向系統(tǒng)化發(fā)展階段過渡，這些技術(shù)難點(diǎn)也開始得到領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注和研究?？梢灶A(yù)見，隨著在理論、技術(shù)、方法方面研究的不斷深入，智能化標(biāo)準(zhǔn)和體系的逐漸完善，集成智能建造平臺(tái)不斷升級(jí)和更高效部署，我國(guó)水利工程的建設(shè)水平將會(huì)達(dá)到一個(gè)新的高度。參考文獻(xiàn)[1]汪慶發(fā).人工智能在水利工程管理中的應(yīng)用的淺述[J].居舍,201