丁志軍，張俊陽(yáng)，王 超，戴洪義，黃宏美

(1. 中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都 610091； 2. 武漢英思工程科技股份有限公司，湖北 武漢 430000)

1 研究目標(biāo)

1.1 需解決的問題

水利水電工程(含其他基建工程)中土石方的開挖、運(yùn)輸、填筑是一種廣泛應(yīng)用的施工項(xiàng)目。但由于開挖階段施工道路變化較快、施工分包單位參與較多、渣料的堆存地點(diǎn)規(guī)范性不強(qiáng)、土石方計(jì)量單位較多(有方、趟、噸、運(yùn)距)等原因。土石方開挖計(jì)量與有用料存放復(fù)用的管理一直是工程信息化管理的薄弱環(huán)節(jié)。

施工現(xiàn)場(chǎng)的管理中，如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、運(yùn)輸過程監(jiān)控、運(yùn)輸物料判別、運(yùn)輸過程可回溯、數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和容錯(cuò)等，一直是管理中難題。依靠人工統(tǒng)計(jì)、罰款、建立各種繁瑣的規(guī)章制度與手段限制數(shù)量造假、運(yùn)輸不規(guī)范等行為，一方面效率低下，一方面容易激發(fā)矛盾?，F(xiàn)代物流業(yè)的發(fā)展，為上述施工現(xiàn)場(chǎng)的管理問題提供了信息化、高效的手段。本產(chǎn)品將建立一套科學(xué)化的管理手段，使施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部物料運(yùn)輸路徑可視化、運(yùn)輸數(shù)據(jù)透明化、運(yùn)輸過程可追溯化、物料庫(kù)存實(shí)時(shí)化，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性、準(zhǔn)確性、一致性，支持工程土石方調(diào)配方案的落地實(shí)施，提升工程整體信息化管理水平。

本產(chǎn)品具體而言，需要解決以下業(yè)務(wù)管理問題：

1)以運(yùn)單為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工程作業(yè)面上開挖出渣的管理，可以統(tǒng)計(jì)每個(gè)作業(yè)面、每班、到各個(gè)棄(存)料場(chǎng)、或施工部位的運(yùn)輸趟次或運(yùn)渣重量；

2)以運(yùn)單為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各種料場(chǎng)的進(jìn)出料登記與管理?？梢越y(tǒng)計(jì)分析每個(gè)料場(chǎng)、每班、每種材料的進(jìn)料量與出料量。本處的料場(chǎng)至少包含：棄料場(chǎng)、存料場(chǎng)、砂石料場(chǎng)、上壩料等；

3)以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)單數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與匯集。包括：運(yùn)輸車輛識(shí)別，計(jì)數(shù)機(jī)器人、地磅稱重系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成，為運(yùn)單提供趟次、重量等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并提供圖片等佐證資料；

4)通過場(chǎng)地運(yùn)輸?shù)缆返亩x，可以計(jì)算場(chǎng)內(nèi)各主要道路的運(yùn)輸強(qiáng)度、車輛平均行駛速度、運(yùn)輸循環(huán)耗時(shí)等功效類型的分析數(shù)據(jù)；

5)給所有的運(yùn)輸車輛提供車輛運(yùn)輸記錄，以保證基于運(yùn)單結(jié)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可追溯性；

6)利用BIM系統(tǒng)各工程PBS節(jié)點(diǎn)的開挖設(shè)計(jì)方量數(shù)據(jù)、運(yùn)輸?shù)奶舜闻c運(yùn)輸距離，將運(yùn)單數(shù)據(jù)換算成施工合同中的結(jié)算單位。

1.2 行業(yè)現(xiàn)狀與分析

土石方調(diào)運(yùn)動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)研究適用目標(biāo)客戶和目標(biāo)市場(chǎng)較為廣泛，目標(biāo)客戶主要面向業(yè)主、施工單位。系統(tǒng)可用于水利水電[1]、房建、機(jī)場(chǎng)、新能源、礦產(chǎn)等一系列基建工程土石方、礦產(chǎn)資源等挖運(yùn)管理；可用于土石方開挖、運(yùn)輸進(jìn)行磅房物資管理全過程把控(收料、發(fā)料和調(diào)撥等)；后期可結(jié)合混凝土生產(chǎn)過程要料、發(fā)料和運(yùn)輸進(jìn)行全過程實(shí)現(xiàn)信息化手段管理。

研究方案適用于封閉場(chǎng)地內(nèi)部的物料運(yùn)輸管理，運(yùn)輸路線相對(duì)固定，運(yùn)輸線路有較強(qiáng)的重復(fù)性的應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于長(zhǎng)距離的、路線變化較大的運(yùn)輸方式，需采用基于GPS定位等多種配套線路規(guī)劃方式進(jìn)行，成本較高、人為可操作性因素較多。

目前產(chǎn)品市場(chǎng)主要依托于水利水電行業(yè)[1]，通過項(xiàng)目不斷對(duì)產(chǎn)品功能及業(yè)務(wù)進(jìn)行完善，后期完全可進(jìn)行機(jī)場(chǎng)建設(shè)、路橋、煤炭開采、礦石開采等行業(yè)進(jìn)行部分技術(shù)研究完善和推廣應(yīng)用。

2 核心技術(shù)研究與業(yè)務(wù)流程分析

2.1 核心組成部分

1)場(chǎng)內(nèi)調(diào)運(yùn)監(jiān)控。利用道邊RFID識(shí)別機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別車輛經(jīng)過信息，并利用算法歸集車輛的有效運(yùn)輸路徑，形成車輛運(yùn)單。

2)地磅房稱重系統(tǒng)。通過RFID識(shí)別車輛，觸發(fā)稱重、拍照，自動(dòng)生成磅單。

3)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)。提供運(yùn)單統(tǒng)計(jì)、磅單統(tǒng)計(jì)、料場(chǎng)庫(kù)存、基于GIS展示車輛實(shí)時(shí)和歷史軌跡監(jiān)控等統(tǒng)計(jì)分析。核心組成部分見圖1。

圖1 核心組成部分圖

2.2 核心流程

核心流程見圖2。

圖2 核心流程圖

2.3 核心業(yè)務(wù)管理對(duì)象

系統(tǒng)核心管理對(duì)象為運(yùn)輸?shù)缆?、運(yùn)輸車輛、倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)地、施工部位(料源地、用料點(diǎn))等，通過地磅稱重、道邊RFID計(jì)數(shù)機(jī)器人和APP運(yùn)單指派等方式生成施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化運(yùn)輸單據(jù)的管理手段。

對(duì)業(yè)主方的應(yīng)用需求：①通過系統(tǒng)掌握工程總體用料單的開采、儲(chǔ)存、消耗情況；②通過系統(tǒng)掌握主控材料的入場(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)、消耗情況；③系統(tǒng)的電子運(yùn)單能夠作為業(yè)主對(duì)承包商、承包商之間相互結(jié)算的依據(jù)；④運(yùn)輸數(shù)據(jù)了解現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸資源配置情況、運(yùn)輸強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

對(duì)施工方的應(yīng)用需求：①通過系統(tǒng)掌握主控材料、有用料等關(guān)鍵資源的入場(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)、消耗情況；②系統(tǒng)的電子運(yùn)單能夠作為業(yè)主對(duì)承包商、承包商之間、總承包商對(duì)協(xié)作隊(duì)之間、協(xié)作隊(duì)與司機(jī)間相互結(jié)算的依據(jù)；③運(yùn)輸數(shù)據(jù)了解現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸資源配置情況、運(yùn)輸強(qiáng)度等數(shù)據(jù)；④運(yùn)單及庫(kù)存數(shù)據(jù)可以作為承包商后期成本分析的數(shù)據(jù)來源。

2.4 核心業(yè)務(wù)流程圖

根據(jù)對(duì)管理對(duì)象的描述，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)部分業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流圖：

1)開挖出渣運(yùn)輸數(shù)據(jù)流，見圖3。

圖3 開挖出渣運(yùn)輸數(shù)據(jù)流圖

2)場(chǎng)內(nèi)調(diào)運(yùn)(上壩料/砂石料)數(shù)據(jù)流，見圖4。

圖4 場(chǎng)內(nèi)調(diào)運(yùn)(上壩料/砂石料)圖數(shù)據(jù)流圖

3)車輛采集信息和運(yùn)單對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流程，見圖5。車輛最新運(yùn)單的初始登記時(shí)間與到達(dá)終點(diǎn)登記的時(shí)間形成的時(shí)間范圍，作為本車輛通過機(jī)器人采集信息推送的條件，形成車輛運(yùn)輸?shù)耐暾\(yùn)單數(shù)據(jù)。

圖5 車輛采集信息和運(yùn)單對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流程圖

4)地磅房物資驗(yàn)收數(shù)據(jù)流，見圖6。

圖6 地磅房物資驗(yàn)收數(shù)據(jù)流圖

3 土石方調(diào)運(yùn)動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)研究在句容抽水蓄能電站的推廣應(yīng)用

3.1 句容抽水蓄能電站工程概述

句容抽水蓄能電站由國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)，項(xiàng)目建在句容市邊城鎮(zhèn)境內(nèi)，依托侖山湖和附近山體，主要建設(shè)6臺(tái)22.5萬kW單級(jí)立軸可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，以及上下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房等建筑物，總用地約394 hm2，總投資96億元。葛洲壩集團(tuán)承建該電站上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站、場(chǎng)內(nèi)道路等施工內(nèi)容，合同工期87個(gè)月。

句容抽水蓄能電站是葛洲壩集團(tuán)目前國(guó)內(nèi)在建的、規(guī)模最大的施工總承包項(xiàng)目，也是集團(tuán)公司在抽水蓄能電站細(xì)分市場(chǎng)中首次全面承接主體工程的施工任務(wù)，工程的建設(shè)具有強(qiáng)烈的示范效應(yīng)。幾年來隨著國(guó)家科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施、工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智慧工程、智慧城市等現(xiàn)代化管理概念蓬勃發(fā)展，也逐漸對(duì)水電工程傳統(tǒng)的管理方式、生產(chǎn)方式帶來觀念上的沖擊。作為句容工程的業(yè)主單位，國(guó)網(wǎng)新源一直非常重視數(shù)字工程、智慧工程的建設(shè)工作。近5年來，先后在豐滿、績(jī)溪、荒溝、沂蒙等一批投資建設(shè)的抽水蓄能電站中積極推進(jìn)數(shù)字化的管理方式，取得了顯著的成績(jī)。因此，本項(xiàng)目工程的建設(shè)目標(biāo)不僅是要按照合同工期，交付出高質(zhì)量的工程產(chǎn)品，而且要在技術(shù)上、管理上取得創(chuàng)新突破，為集團(tuán)公司在數(shù)字化管理、精細(xì)化管理、智能化控制上的提升提供積極、有益的實(shí)踐與探索，也為集團(tuán)公司在國(guó)網(wǎng)新源市場(chǎng)的后期拓展打下堅(jiān)實(shí)地基礎(chǔ)。

3.2 句容土石方調(diào)運(yùn)動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)研究與應(yīng)用的重要性

這個(gè)由中國(guó)能建葛洲壩集團(tuán)承建的句容抽水蓄能電站工程，在抽水蓄能領(lǐng)域占三項(xiàng)世界第一，分別是世界第一高的抽水蓄能電站庫(kù)盆大壩、世界第一高的瀝青混凝土面板堆石壩以及世界第一大填筑規(guī)模的抽水蓄能電站[2-5]。

目前，全球最大蓄能電站是正在建設(shè)的河北豐寧抽水蓄能電站[1]，規(guī)劃裝機(jī)容量3 600 MW。但這個(gè)裝機(jī)容量是“句容站”3倍多的“世界老大”壩高120 m，填筑總方量448.8萬m3，分別是“句容站”的3/5和不足1/6。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，句容抽水蓄能電站建成后裝機(jī)容量為1 350 MW，樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等組成。上水庫(kù)主、副壩均采用瀝青混凝土面板堆石壩，正常蓄水位267 m，相應(yīng)庫(kù)容1 702.7 m3。其中，壩頂高程272.4 m，主壩最大壩高182.3 m，壩頂長(zhǎng)度810 m，上水庫(kù)主壩和庫(kù)盆填筑量近3 000萬m3。

該項(xiàng)目專家組還調(diào)閱了美國(guó)巴斯康蒂抽水蓄能電站、日本神流川水電工程等世界知名抽水蓄能水電站建筑資料，最終確認(rèn)句容抽水蓄能水電站占據(jù)三個(gè)“世界第一”。

由此看來，解決大方量土石方開挖、調(diào)運(yùn)、存儲(chǔ)和消耗是整個(gè)工程順利建成的重中之重，系統(tǒng)性開挖、調(diào)運(yùn)、存儲(chǔ)和消耗，使整個(gè)大壩填筑施工順利開展，為專家團(tuán)隊(duì)決策作下一步土石方調(diào)運(yùn)與動(dòng)態(tài)平衡分析提供強(qiáng)有力數(shù)據(jù)支撐。

3.3 土石方調(diào)運(yùn)動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)研究在句容抽水蓄能電站應(yīng)用產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益

土石方調(diào)運(yùn)動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)的研究在句容抽水蓄能電站推廣應(yīng)用，采用智慧化手段、土石方設(shè)計(jì)等技術(shù)應(yīng)用，加快了施工效率和調(diào)運(yùn)管控效率，為工程整體節(jié)省工期30 d，每天僅按50萬成本計(jì)算，為整體工程直接節(jié)約成本近千萬元。

4 研究性總結(jié)

本文探討了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、圖像識(shí)別抓拍技術(shù)、LED指引技術(shù)、大集成等關(guān)鍵性技術(shù)，全過程監(jiān)控土石方挖填運(yùn)調(diào)配中，挖方填方位置、車輛運(yùn)輸?shù)缆贰⑦\(yùn)輸趟次等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)土石方自動(dòng)計(jì)量統(tǒng)計(jì)功能，與土石方調(diào)配平衡功能。實(shí)現(xiàn)了全流程自動(dòng)化、可視化和可追溯性，實(shí)現(xiàn)了土石方從開挖、運(yùn)輸、庫(kù)存和消耗全流程自動(dòng)化監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)和分析。大大提高了車輛通行效率，確保了人員的安全性，滿足了工程保質(zhì)保量快速建設(shè)要求，為創(chuàng)優(yōu)質(zhì)工程提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐[2-5]。