摘要：開展高海拔地區水電工程智能建造關鍵挑戰問題與對策研究，對促進水電安全、優質、綠色、高效開發具有重要意義。本文總結了高海拔地區水電的自然環境、建筑結構、工程建設等特點，從生態優先、本質安全、精品工程、資源利用、價值創造方面闡明了高海拔智能建造面臨的挑戰。基于“全面感知、真實分析、實時控制、持續優化”的閉環建造控制理論，聚焦高海拔地區水電工程建設中將會出現的新問題，建立了智能建造三維四要素協同系統分析框架;對典型河段的生態調控、地下空間環境健康、土石方智能平衡、水工隧洞智能襯砌、深厚覆蓋層地基智能振沖、地質災害防治及綠色生產輔助系統等，提出了相應的智能建造方法和對策，以充分發揮智能化技術和管理在資源投入、工藝過程、業務流程、結構性態、工程進度和實物成本等六大管理要素中的重要作用，推進高海拔水電工程智能建造技術創新和管理提升。研究結果對高海拔地區水電工程智能建造技術與管理的應用和發展具有指導意義，也可供其它水工程及基礎設施工程建設借鑒。

　　關鍵詞：水電工程;智能建造;閉環控制;綠色水電;高海拔地區

　　1研究背景

　　國家《能源互聯網行動計劃大綱》指出，要通過能源互聯網推動能源生產、消費、體制變革和能源結構的調整，有力地推動我國能源革命[1]。2020年國家13部委聯合印發《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，指出“以數字化、智能化升級為動力，創新突破相關核心技術，加大智能建造在工程建設各環節應用”[2]。深入思考水電企業在互聯網時代的新理論、新技術、新對策，并開啟以能源革命與信息化變革為核心的智能建造，這是大勢所趨，是保障國家和社會高質量持續發展的關鍵[3-4]。

　　水電論文范例： 發揮河長制優勢做好小流域水電站防汛度汛

　　水電作為清潔可再生能源，是實現2030年碳達峰、2060年碳中和目標，促進國家能源轉型的重要組成部分。截至2020年底，中國水電裝機容量總量3.8億kW左右，待開發水力資源一半以上集中在高海拔地區的雅魯藏布江、瀾滄江、怒江和金沙江流域，國家“十四五”規劃和2035年遠景目標[5]明確要實施雅魯藏布江下游水電資源開發。

　　高海拔地區水電建設具有“四高”(高寒、高地應力、高地震烈度、高水頭)，“四大”(大埋深、大落差、大保護、大溫差)，“三長”(長冬歇、長隧洞、長周期)等特點，高海拔水電工程智能建造技術的應用范圍、專業領域、融合深度、覆蓋周期等要求更高，且端、網、云、自然、交通、通訊等基礎條件較弱，特別是開發過程中將遇到典型河段生態調控、地下空間健康環境控制、土石方時空平衡利用、長大水工隧洞襯砌建造、深厚覆蓋層地基振沖置換、高位雪崩泥石流災害防治及綠色生產輔助系統等特有新問題和新挑戰，對安全、優質、綠色、高效開發水電資源提出了更高的要求，需要更好開發運用數字化、智能化技術和管理手段，來實現這些建設目標。

　　因此，開展高海拔地區水電工程智能建造挑戰與對策研究，具有重要意義。目前，國內外針對水電工程智能建造研究主要包含理論、技術和管理平臺三方面，主要進展如下：

　　(1)理論，早期學者提出智能建造重點在于建造過程中數值技術、智能技術的充分利用[6]。信息化、智能化技術逐漸被應用到水電工程建設中[7]，如糯扎渡[6]、溪洛渡[8-10]、向家壩、白鶴灘[11]、烏東德[4]等高壩。通過工程實踐和研究的深入，眾多學者提出了不同的智能建造定義[12-13]，樊啟祥等[14]進一步明確了智能建造內容、過程和類別等內涵，強調閉環控制理論是智能建造的核心。

　　(2)技術，近10年來，智能建造技術在建筑、土木及水利水電等基礎設施建造行業的應用越來越廣泛[8，15-16]。相對比較成熟和應用較廣泛的數字化和智能化技術，包括智能碾壓[17]、智能溫控[18]、智能灌漿[11]、智能安全[12，19-20]、3D打印[21]及BIM應用[22]等。

　　在交通、水工隧洞及電站廠房等地下工程方面，盾構隧道信息化施工智能技術[23]、隧道施工多元信息智能監控系統[24]、隧洞排水設備狀態智能監控系統[25]相繼得到應用。為水利水電工程已有典型智能建造技術，它們推動了水利水電工程建造技術高質量發展。(3)管理平臺，基于溪洛渡、烏東德、白鶴灘等大型水電工程實踐研發的Idam綜合管理平臺[8]，是當前水電工程智能建造最具代表性管理平臺之一。

　　在安全生產及生態環境管控等方面，如安全隱患排查治理系統[20]，現場監理人員管理和評價系統[26]，電力系統實時動態安全智能評估[27]，水質、生態、環境監測傳感管理平臺[28]等也得到應用。面對高海拔地區自然環境、建筑結構、工程建設等建設特點，現有資源如人類活動、施工機械、機電設備的能力與效率等面臨新的挑戰。

　　生態環境調查評估保護監測分析的手段與方法、雪崩冰崩及其泥石流等自然災害、強烈構造運動對復雜環境下水工建筑物的全生命期安全影響等問題一定程度上超出了現有的工程認知，對傳統的、定型的、熟悉的工程方法提出了新的挑戰，相關工程建造理論、工程技術標準、工程管理要求已超出現有實踐與規范，水電開發全生命期綠色化、無人化、電氣化、智能化的管理目標，對建設要素感知、實時數據處理、智能預測預警、智能建造關鍵裝備、全要素全過程全成本智能管理等提出了新命題、新問題、新要求，其解決方案還需結合水電開發的迫切現實要求深入研究。

　　本文首先分析高海拔地區水電工程建設特點、挑戰和應用原則，構建了高海拔地區智能建造閉環控制方法和智能管理體系;進而基于智能閉環控制理論，闡述典型河段生態調控、地下空間健康環境控制、土石方時空調配平衡利用、長大水工隧洞襯砌智能化施工、深厚覆蓋層地基振沖碎石樁智能控制、地質災害防治及綠色生產輔助系統等新挑戰，提出智能建造相應的對策。

　　2高海拔水電工程建設的特點、挑戰和原則

　　2.1高海拔地區水電工程建造特點與挑戰

　　從高海拔地區水電工程河流規劃、工程布置、建設實施、運行維護等時空演變特性看，可歸納其自然環境、建筑結構、工程建設等特點。同時，高海拔水電開發還面臨無人區本底資料缺少、地域特性相關的電力消納市場協調處理復雜、市場化電價承受能力有限、建設征地和移民搬遷安置艱巨、科技積累和技術水平不高、開發建設體制機制深化改革等挑戰。這些特點和挑戰疊加，使高海拔水電工程建設和電站運行面臨更大的風險。

　　2.2高海拔水電工程智能建造遵循的原則

　　高海拔地區的自然、結構、建設等特點，要求工程建造活動遵循生態保護、本質安全、質量控制、資源利用和價值創造等基本原則：

　　(1)生態優先。

　　由于特殊的地理位置和地形條件，高海拔地區擁有極其豐富且獨特的自然和生物資源，有的項目鄰近自然保護區或生態紅線，環境保護壓力大。工程干支流、梯級及調節性水庫和徑流電站、天然河流徑流補給構成一個以水工程為核心的新的高原水生態、水環境及水資源系統，其調度協調控制難度大。處理高海拔地區豐富水力資源開發和生物多樣性保護的關系，構建資源開發生態判斷準則、關鍵控制指標和梯級生態調度控制指標等必須堅持生態優先，促進綠色、智能技術與管理創新在工程生態和地質環境保護中的應用。

　　(2)本質安全。

　　高海拔地區水電工程安全管控涉及到規劃、設計、施工、運維的全生命周期，不僅要解決變化的工程生態和地質環境中不確定性帶來的工程永久安全問題，也要解決復雜水文、地形、地質環境，如冰湖、雪崩、泥石流等頻發地質災害對工程施工和電站運行中人員、機器設備、物料等全資源要素、全工藝過程及全業務流程帶來的挑戰，更要面對高海拔缺氧、復雜地下施工環境對人員健康和安全帶來的巨大挑戰。杜絕人的不安全行為、物的不安全狀態、環境的不安全因素及管理缺陷，需要在已有技術基礎上，創新研發適應高海拔地區的智能傳感設備、智能機器人等安全管控技術，培育智能建造安全文化，達到工程全周期本質安全的要求。

　　(3)精品工程。

　　精品工程是對工程建設質量的更高要求和追求，一般要制定高于現有國家標準的技術指標和工藝措施，并通過系統的保證體系來實現。如，三峽工程精品機組及金沙江下游大型梯級電站精品工程[10]，通過制定先進的技術指標、工藝要求和質量標準，建立完善嚴格精細化的技術與質量管理體系來實現。高海拔工程建設的環境嚴峻性、技術挑戰性、運行可靠性和品質耐久性更要追求精品工程，要圍繞資源投入、工藝過程、業務流程、結構性態、工程進度、實物成本等六個要素。

　　積極應用智能建造控制理論，采取數字化、智能化技術進行全過程的偏差管理和變更管理，創新電氣化、無人化施工系統，實現安全零隱患、質量零缺陷、環保零違規、進度零延誤、成本零浪費、行為零問責的“六零”工程建設管理目標。如在高海拔地區不同工藝環節和應用場景中，研發升級智能振沖、3D打印、智能碾壓、智能溫控等智能建造技術，充分考慮網絡通信技術與智能化技術應用對接，做好通信規劃和布置，為建設精品工程奠定基礎。

　　(4)資源利用。

　　水電工程在高效利用水力資源產生經濟、社會、生態等綜合效益的同時，也要針對工程規模大、施工工期長、物質材料設備消耗多及建設資金大的特點，持續進行資源及資金投入的動態優化。通過優化設計、提高作業效率，做好節水、節電、節材，降低能耗，對于工程建設過程中產生的各類材料如工程開挖料也要做好資源化綜合利用，減少資源消耗，降低碳排放，節省建設資金。

　　工程開挖渣料并不是廢料和棄料，具有資源價值，宜遵循循環經濟、再生利用原則，進行資源化開發和利用。一方面通過工程布置、結構設計及施工組織的結合減少開挖量，另一方面要把開挖料作為工程建設自身的建筑材料如混凝土骨料和構件制品來利用，也可以用于地質災害和生態環境治理、河岸防護、人造灘頭濕地、生態景觀營造、建筑構件產品化生產、地方基礎設施與生產生活發展用地等。同時，要增強對施工范圍地面表土、陸生植被等資源稀缺性、珍貴性的認識，提前做好規劃與施工組織，通過建設過程時空調控發揮其作用。在生產輔助系統如施工用水、用電等方面，要通過以需定供的全過程智能調控技術達到綠色發展、資源節約、循環使用的目標。

　　3高海拔智能建造閉環控制理論與管理

　　3.1高海拔智能閉環控制理論

　　水電工程建造是一次性活動，有明確的建造目的和要求，但也是一個創新性活動。建造過程中，不同工程和地域會遇到不同的水文過程、地質和自然災害等不確定性挑戰，工程建設過程中的階段性轉化和專業轉換特性，提高了一次性實現原有目標的難度。工程建造需要時刻在變化中進行分析，并采取及時有效的對策。智能閉環控制理論[13]即“全面感知、真實分析、實時控制、持續優化”，可有效應對變化，提高建造效率，保證目標實現。基于閉環控制理論與高海拔地區水電工程發展特點和挑戰，本文構建高海拔地區智能閉環控制模型。

　　隨著建設環境與建造物及其建造過程狀態的時空變化，表征環境與工程狀態函數，涵蓋生態調控、施工環境調控、資源利用、智能襯砌、智能振沖以及災害防治等關鍵建造活動與環境，梳理主要建造活動的閉環控制關鍵參數，建立建造活動的數字孿生模型;通過智能算法及回報反饋機制，依據關鍵控制參數與控制目標的偏差變化，對狀態表征函數進行更新[13]。

　　實現人機協同;融合資源投入、工藝過程、業務流程、結構性態、工程進度和實物成本等六大管理要素，考慮自然與工程環境動態變化，基于數據學習等智能算法計算工程建造“回報”，進而優化重構真實分析對比的標準、判據和規則，升級開發智能裝備、產品和閉環管理邏輯，實現無人化管理，進而對建造全過程的實時智能閉環控制流程、關鍵參數、感知、分析與控制的指標以及回報或者智能算法的更新，即持續優化過程。持續優化的參數、流程、算法等依賴于深度學習和優化目標，是智能系統不斷提升的關鍵。

　　3.2智能建造三維四要素協同系統分析方法

　　基于智能建造閉環控制理論，面對高海拔地區更為復雜和特殊的水電建設環境，亟需在已有智能建造技術基礎上實現：(1)全要素的數字孿生;(2)多方人機協同;(3)無人智能偏差控制、糾偏;(4)可持續的優化與調整;(5)資源共享與協同工作，知識的有效傳遞與傳承，使水電工程在全生命周期里具有持續價值創造的能力。針對高海拔地區水電工程開發建設遇到的典型河段的生態調控、地下空間健康環境、土石方利用時空平衡、長大水工隧洞襯砌優化與智能化施工、深厚覆蓋層地基振沖碎石樁置換工藝智能控制、地質災害防治及綠色生產輔助系統等特有新問題。

　　(1)水電工程智能建造活動必須聚焦工程業務問題，如技術、安全健康、生態環保等問題，要充分發揮數字化、智能化手段的作用，來解決問題，提升建設績效。本文從項目管理全周期，專業知識與研究方法、工作程序與邏輯等3個維度，以及工程項目建設管理包含的時間-空間-質量-數量等4個要素，建立水電工程智能建造活動三維四要素協同系統分析框架。從智能建造閉環控制理論[13]出發，此框架中強調了智能建造的創新性、知識運用的綜合性、管理決策的科學性。

　　其中3個維度具體指：(a)項目管理全周期，即工程建設項目規劃-建設-運行的全生命期，包括動議立項、調研勘測、河流規劃、預可研(可研)設計、招標設計、施工設計、建設實施、運行維護、持續提升等;(b)專業知識與研究方法，即理論分析、試驗測試、監測反饋、仿真復核、大數據挖掘優化、邊緣計算、人工智能、云平臺、區塊鏈等;(c)工作程序與邏輯，即問題提出、目標制定、準則建立、方案設計、建模尋優、綜合評價、科學決策及項目實施等。

　　4個要素是采用智能建造解決典型河段的生態調控、地下空間環境健康、土石方時空平衡、水工隧洞智能襯砌、深厚覆蓋層地基智能振沖、地質災害防治及綠色生產輔助系統等問題以及建造活動的主要變量，通過運行智能化技術來調控這些變量的各類屬性，實現閉環控制。

　　4高海拔水電工程建設典型問題智能建造對策

　　4.1典型河段的生態調控方法

　　水庫水位與流域水資源高效利用以及生態系統息息相關[30]。A電站具有年調節能力，位于河流1與河流2匯合口上游;B為徑流式電站，正常蓄水位以下水位變幅小，為反調節水庫，位于匯合口下游一定距離處，河流1與河流2交匯處形成濕地公園。A水庫調節及其下游自然河段，以及B水庫蓄水回水會對交匯處河道產生影響。水庫淹沒、下泄水文過程、泥沙等條件的改變可能對濕地空間分布、水沙過程以及生物地球化學循環產生影響。需要處理好電站建設與該河段生態保護及景觀維護之間的關系。

　　4.2地下空間環境健康控制

　　隨著電氣化、機械化、自動化、智能化施工技術的研發應用，水電工程建設過程中的施工人數將大量減少，尤其是地下空間的施工作業人員和艱苦狹窄環境下的手工勞動將大量減少。高海拔、大埋深、高地溫環境下建設人員及施工設備所處地理空間的環境健康質量，對人身健康安全和施工效率都有直接的影響。因此，高海拔地區地下空間環境和人員健康狀態的預警預控是保證建設安全、建設質量和建設進度的關鍵，地下空間健康環境智能調控對策宜包括：

　　(1)研發適應高海拔地區超長深埋隧洞環境的人員智能健康可穿戴設備和實時定位交互通訊系統，形成對作業人員與施工環境的不間斷監測與反饋。充分發揮智能健康可穿戴設備的計步、心率、呼吸、溫度、疲勞、睡眠、血壓血氧等監測功能，實時收集高海拔地區佩戴人員安全健康信息并分析人員健康情況，及時反饋處理人員生理狀態、異常預警，建立不同工種、不同季節、不同時間段、不同性別、不同年齡段的健康評價標準體系。

　　5結語

　　通過智能建造高質量開發高海拔地區水電資源是實現中國清潔能源可持續發展的重要手段，是保護雪域高原生態環境、推進國家生態文明建設的重要方法。本文對高海拔地區水電工程智能建造挑戰與對策開展研究，主要結論如下：大型水電工程智能建造是一個持續創新、價值創造的過程。當前中國水電工程建造已經初步形成了以數字仿真、智能碾壓、智能通水及智能灌漿等為代表的水電工程智能建造技術。

　　通過調研，分析了高海拔地區水電工程的自然環境、建筑結構以及工程建設的特點和挑戰，提出要遵循生態優先、本質安全、精品工程、資源利用、價值創造等基本原則。結合高海拔水電過程建設面對的工程技術、生態環境保護和建設管理等新問題，提出了高海拔智能建造閉環控制理論及智能技術拓展應用與創新研發的主要領域和關鍵問題，定義了高海拔水電工程主要建造活動智能閉環控制的關鍵參數。

　　結合水電工程建設規律和高海拔水電工程特點與挑戰，構建了聚焦工程業務問題的三維度(項目管理全周期-專業知識與研究方法-工作程序與邏輯)四要素(時間-空間-質量-數量)協同系統分析框架，同時建立具有建模、定量、尋優、閉環、調控等特點的智能建造數據管理系統，為分析高海拔水電工程建造活動的閉環智能控制提供了有效的工作工具。

　　針對典型河段生態調控、地下空間環境健康、土石方利用平衡、長大水工隧洞襯砌優化、深厚覆蓋層地基振沖碎石樁置換、雪崩泥石流地質災害防治及綠色集約生產輔助系統等特有新問題，提出了智能建造閉環控制實現路徑和相應對策，為實現生態優先、本質安全、精品工程、資源利用、價值創造的工程績效提供了技術方向，可供高海拔地區大型水電工程智能建造技術與管理的創新和實踐參考。

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　　作者：樊啟祥1，林鵬2，魏鵬程2，李果1