水利系学子学术演讲比赛获奖作品:智能建造——为“聪明大坝”保驾护航
2020-12-28

印度电影《溃坝决堤999》的一幕幕令人触目惊心。从大坝开裂到整体溃坝仅仅数十秒,下游成千上万的房屋被冲毁,数以万计的人们付出了生命的代价。这不是危言耸听,现实中大坝因建设质量问题付出过惨痛代价,86%与裂纹的扩展和失稳有关。如英国的戴尔戴克、美国的马尔帕塞等。因此大坝的防裂至关重要。另一方面,水电工程施工安全管控涉及到人员、机器设备、物料、环境等综合管控要素,具有复杂多样、动态变化和多元耦合等难点。安全管控难度巨大。我国西南地区地质条件更差、建设大坝更高、泄流量更大。但溪洛渡、乌东德拱坝却做到了没有一条裂缝且无一起重大安全事故。张超然院士评级溪洛渡是聪明的大坝,一有头疼脑热就会及时告诉你;前段时间翁永红总工在开讲啦中评价乌东德是聪明的大坝,没有裂缝。


大家一定好奇什么是聪明的大坝?他具有怎样的特征?怎样建造聪明的大坝呢?其实聪明的大坝就像我们生命系统一样,大坝内部的多元传感和数据传输体系相当于大坝的“神经系统”,智能算法及理论等相当于大坝的“大脑”,智能设备及硬件系统相当于大坝的“双手双脚”,持续的数据挖掘,则使得大坝变得越来越“聪明”。因此,聪明的大坝具有通过机器设备自动感知问题、分析问题并解决问题的能力。


怎样建造聪明大坝呢?数字化、智能化技术在监测信息、网络传输、数据储存以及分析反馈方面的优势,可以实现对大坝的智能控制。因此,我们首先提出了智能建造闭环控制理论,并成功应用在大坝施工安全和建设质量管控上,这就是我国特高拱坝建设挑战更大,质量和安全更优的原因。


我们首先提出了智能建造的定义:智能建造(Intelligent construction):是指集成融合多种智能技术及项目管理等知识,对建造物及其建造活动全过程、全要素内容进行闭环控制,以促进安全、优质、绿色、高效建造。通俗的说,更多的人力劳动被智能设备所代替。基于智能建造定义,提出指导工程实际应用的智能建造闭环控制理论(图1)。



1.png


全面感知相当于大坝神经系统发现问题,指采用数字传感、移动定位、智能识别等,实现对建造环境/状态/多元要素信息等的感知;真实分析相当于大坝的大脑分析问题,指基于标准库、判据库、规则库与算法,实现对工程建设全过程中涉及的稳定、偏差进行反馈分析和预测;实时控制相当于大坝的双手双脚在控制,就是通过智能设备及软件,达到实时动态调整和预报预警目的。通过数据挖掘实现持续优化,相当于“生长”和“发育”。


智能建造闭环控制核心:建立建造环境、建造物和智能体 (智能建造装备) 的智能通用驱动系统。为让计算机能够实时掌控施工现场的状态。我们将现场施工状态参数化,建立了环境、建筑物、智能设备之间的闭环学习逻辑流程,实现系统内部多要素互联。通过多元传感器、状态时空表达、状态矩阵建立,构建了多要素环境状态转移概率函数。有了一个状态,建造体系该转变为状态1,状态2,还是状态n呢?也就是智能策略怎么控制建设向着质量最优、最安全方向转移呢?通过价值回报函数、最优回报计算,可以帮助我们做出最优策略。下面,我将介绍案例一,智能安全案例。


我们来看这样一起水电小事故,8月3日:3#龙落尾中层开挖面左侧局部围岩较破碎,支护不及时不上报,8月9日:上报3#龙落尾一层开挖后未及时支护;8月14日:该部位发生坍塌事故。安全隐患发现不及时、整改不及时、常规安全管控效率低。因此,我们构建了智能安全管控流程(图2)。

2.png

我们想象一个安全情况完全未知的现场,我们首先要掌握系统各个部分安全隐患发生概率,进而分析各个隐患危险程度及整改时间和顺序,机器自动危险的安全隐患以后,指导隐患整改、并建立水电隐患数据库,最终构建现场安全文化,降低事故率。智能安全全面感知基于安全信息熵,通过安全信息熵将未知安全情况的现场抽象为隐患概率模型。反映管理者对于现场安全状态的掌握程度, Si越大,表明现场越复杂,需要更多安全管理掌握施工现场各个部分安全隐患发生概率以后,事故演化熵揭示安全隐患演变为事故的机制及隐患整改的时间及顺序,如右图所示,在相同时间段内,t1熵值远小于t2,因此萌芽期优先整改典型安全隐患;那么如何快速在大量隐患中快速选择并自动预警整改较为危险的安全隐患呢?我构建了基于卷积神经网络的典型安全隐患挖掘模型,达到机器智能学习自动识别较危险安全隐患的目的,实现了施工现场扁平、精益、快捷管理,并发表文章。最终,建立了Wesafety安全隐患系统,包括隐患上报、隐患处理、趋势分析等模块,可以看出,相比于传统安全管理流程,Wesafety管理流程具有实时扁平交互的优势。目前应用单位181家,隐患整改率提高31%。


下面为大家介绍第二个应用。我们水工届有一句话叫“无坝不裂”,因为大坝浇筑过程中使用大量混凝土,而混凝土在硬化过程中会发生水化反应而放热,在热胀冷缩作用下,混凝土内部会产生很大的拉力而开裂。因此混凝土的温度控制直接关系到大坝开裂和安全。并且,混凝土像是婴儿一样需要精心呵护,降温太快或者太慢都会引起混凝土的开裂。因此,我们提出智能温控策略,即小梯度、慢冷却、精准控制;实现连续平稳降温+分期持续优化。让混凝土按照我们设计的温度曲线走,混凝土就一定不会开裂。怎么将混凝土温度精准的控制和设计曲线一致呢?我们研发了智能通水软硬件成套系统(图3)。

3.png

在乌东德、白鹤滩大坝全面应用,实现实时、在线、个性化智能温控,是解决“无坝不裂”世界性难题的重要保障。多场景智能温控近1000万方混凝土,最高温度、降温速率符合率>99%, 节水18%。发明基于介质的智能温度控制数据管理系统及方法,实现智能通水温控大屏展示,工人在远程就可以实时掌控大坝的质量。本人与本项目研究相关成果包括专利一项、省部级奖励两项、文章7篇、企业标准3项。


总结目前,我们建立了水电工程智能建造理论,构建了智能温控、智能安全系统并实现了成功应用,基于深度学习等算法实现了数据挖掘分析。节约了大量人工和资源并有效控制了大坝的安全和质量。但是,面对未来更复杂应用场景和高效安全建设的需求,需构建更多的智能工艺流程,如智能灌浆、智能喷雾、智能振捣,最终形成智能平台。最后,请允许我引用的水利建设者之歌作为结语,从那黄河走到长江,我们一生走遍四方,辽阔的祖国和万里河山,到处都是我们的家乡!作为新时代的水电青年人,我深知自己目前的工作只是智能建造的一小步,但是,我相信通过一代代水电人的努力,可以将水电智能建造打造为国际一流水平!



Baidu
sogou