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0 引言
我国人均水资源量大约只有2100立方米，不足世界平均水平的1/3，是水资源缺乏的国家。我国受地理位置、季风气候等影响水资源时空分配不均，总体呈现南多北少、东多西少，社会经济与水资源分布
水利枢纽建设中的应用
移通智能手机
Application of Unmanned Intelligent Rolling Technology in the Construction of
Yinhanjiwei Sanhekou Hydro-Junction Project
孙天野/SUN Tianye 1 刘福生/LIU Fusheng 2 王涛/WANG Tao 1
党建涛/DANG Jiantao 2 燕军乐/YAN Junle 2
（1.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084； 2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024）
摘要: 伴随着我国经济发展和科技水平的提升，水利工程智能化技术的应用在社会各界高度重视。无人驾驶智能碾压技术由GPS 、无人驾驶碾压机、通讯中继站和远程监控中心构成，具有无线局域网通讯、自主运行管理等特点，显著提高了碾压混凝土施工质量与筑坝效率，实现了水利工程的电气化、数字化、网络化、智能化。在引汉济渭三河口水利枢纽建设中，应用无人驾驶智能碾压筑坝新技术，探索研究作业区域规划、曲线碾压与碾压避障的安全措施，具有巨大的经济效益和社会效益。 关键词：引汉济渭；无人驾驶；智能碾压；三河口水利枢纽中图分类号： TV512 文献标识码：A
编者按：
清华大学水利水电工程系智能建造团队一直致力于推进水利工程信息化，提高碾压混凝土大坝施工质量，克服施工问题，保障工程的经济与社会效益，努力在水利工程施工中实现智能建造。陕西省引汉济渭工程建设有限公司联合清华大学将无人驾驶智能碾压混凝土技术应用于三河口碾压混凝土重力坝的施工过程中，并开展无人驾驶摊铺技术的研究。本研究是国内外第一次在碾压混凝土拱坝上使用无人驾驶碾压筑坝技术，这不但能够形成一套碾压混凝土大坝无人驾驶碾压施工方法，而且也能为行业与企业学习并掌握这种新技术提供实际工程示例。
本刊特邀清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室孙天野博士携“无人驾驶碾压混凝土筑坝技术研究”技术团队，将无人驾驶智能碾压新技术在引汉济渭三河口水利枢纽建设中的应用成果以系列论文形式分享给行业，以期共同促进我国水利工程施工智能建造技术的进步。复方川羚定喘胶囊
不匹配的格局
[1]
。从水资源的“空间均衡”角度出发，
以解决水资源与经济发展不相衡的问题，我国进行了水资源战略规划，提出了南水北调“四横三纵”的全局性水资源战略部署，并规划了引黄入晋、引汉济渭、引江济太等一系列区域性调水工程，最终实现水资源
基金项目：
陕西省水利科技项目，无人驾驶碾压混凝土筑坝技术研究（2018SLKJ-2）
“南北调配、东西互济”的优化配置目标[2]。其中引汉济渭工程是陕西省的“南水北调”工程，担负着缓解渭河流域缺水、支撑关中平原社会经济发展、改善渭河中下游生态环境的重要使命 [3]。
关中地区集中了64%的全省人口、56%的耕地、72%的灌溉面积和82%的国内生产总值，是陕西省政治、经济、文化活动的核心区域，城市化程度高，工业发达，供水保证率要求高。由于渭河天然水资源量的衰减，以及水区水资源严重匮乏等原因，工业农业生产受到了严重制约，一些企业因水源不足处于停产或半停产状态，关中地区每年失灌面积达到400万亩[4]。由于长期挤占生态用水，过度开采地下水，使得渭河流域的生态环境非常脆弱，干流及许多支流出现了河道断流、水污染加剧的生态问题[5]。因此，需要引汉济渭工程解决汉中地区缺水问题[6]。
无人驾驶碾压筑坝技术是人工智能在水利建设中的具体体现，本项目研究将水利建设融入“中国制造 2025”，提升水利工程信息化，提高碾压混凝土大坝施工质量，克服施工过程存在的问题，保障工程的经济与社会效益。结合陕西省引汉济渭重点工程，开展碾压混凝土高坝施工技术研究，对于进一步完善和发展高坝筑坝技术，促进300米级高坝工程建设，具有重要的意义。如何破解工程管理和建设过程中技术难题、工程快速推进、保证三河口大坝工程建设进度，成为摆在建设团队面前的一个重大课题，考验着工程建设者的勇气、智慧和能力。项目将以重点工程带动科技发展，无人驾驶碾压
筑坝技术采用自动控制、
计算机、通讯、传感、
GPS等高新技术，将会
使水利工程建设摆脱以往
人员密集型的行业， 转
化成为知识型的高技术行
业，不但能有利保证碾压
混凝土质量、明显提高碾
压混凝土筑坝效率，而且
实现了水利工程建设的新
四化：电气化、数字化、
网络化、智能化建造大坝。1 引汉济渭工程介绍
发光标识
引汉济渭工程包含黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽及输水工程[7]。黄金峡水利枢纽是引汉济渭工程的主要水源地，以供水为主，兼顾发电、防洪等功能；三河口水利枢纽是引汉济渭工程的主要调蓄水库；输水工程由秦岭输水隧洞黄三段、越岭段、控制闸及其与三河口水库的连接洞组成[6]。引汉济渭工程实现联合调度保障工程调水：（1）黄金峡水库，在满足上下游用水与工程防洪条件下，从泵站自水库提水入秦岭隧洞黄三段；（2）当泵站抽水流量小于受水区需水要求时，其抽水水量全部经控制闸输入秦岭隧洞越岭段至关中黄池沟；（3）当黄金峡泵站抽水流量大于受水区需水要求时，多余的水量在控制闸处由连接洞导向三河口坝址下游处，在三河口水位在防弃水线之下的前提下由三河口泵站抽水入三河口水库存蓄；（4）三河口水库在满足下游用水与工程防洪条件下，尽可能多地蓄水；（5）当黄金峡泵站抽水流量不足需水要求时，由三河口下泄水量经连接洞自流入控制闸处，补充外调水量[6]。
三河口、黄金峡水库的外调水采用不同的利用模式：三河口水库的抽水泵站在电站尾水洞取水，即发电用水重合了外调水和生态用水两部分，形成了“一水多用”的模式[6]；而黄金峡泵站从水库取水，通过输水隧洞向控制闸处输水，因此黄金峡的外调水无法同时用于发电及生态。调水工程的工程示意图如图1 所示[6]。
图 1 引汉济渭工程示意图[6]
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2 无人驾驶智能碾压混凝土与筑坝技术
自上世纪80年代以来，碾压混凝土筑坝技术在我国发展迅速，至今已建成碾压混凝土重力坝与拱坝近两百座，修建大坝的高度也已突破百米。在此过程中，我国坝工界积累了丰富的实践经验，并形成了碾压混凝土设计与施工规范。但在碾压混凝土筑坝实践过程中，也发现了一些较难控制的施工问题，传统的人工碾压无法获取施工数据，存在压不直、漏压、错压、超压等现象，为大坝建造留下很大隐患。且施工人员劳动强度较大，重复性工作较多，碾压机振动环境对人体健康也有一定的损害。这些问题都影响着碾压混凝土大坝的工程质量
[8]
。
为了解决目前碾压混凝土筑坝技术中的共性问题，响应“中国制造2025”，清华大学水利水电工程系智
能建造团队一直致力于推进水利工程信息化，提高碾压混凝土大坝施工质量，克服施工问题，保障工程的经济与社会效益，努力在水利工程施工中实现智能建造。目前，已经在碾压土石坝施工中成功应用了基于信息化的无人驾驶碾压筑坝技术
[9-10]
。无人驾
驶碾压筑坝技术采用自动控制、计算机、通讯、传感、GPS 等高新技术，将会使水利工程建设摆脱以往人员密集型的行业，转化成为知识型的高技术行业，不但能有利保证碾压混凝土质量、明显提高碾压混凝土筑坝效率，而且实现了水利工程建设的新四化：电气化、数字化、网络化、智能化建造大坝。
清华大学水利水电工程系智能建造团队基于土石坝施工发明了一种智能碾压机器人，即给碾压机再增加一个控制作用的“大脑”，使其不但能通过GPS 等传感器知道自己的位置与状态，而且还能通过主动控制来达到自主碾压作业的目的。图2是无人驾驶碾压机系统示意图。当分配给无人驾驶碾压机任务后，碾压机将自主巡航、自主在线检测压实指标、自主完成筑坝碾压任务，不存在任何人为因素的干扰，完全实现了筑坝碾压作业的自动化。对于海量筑坝信息采用在线机器学习方法进行处理。无人驾驶碾压机作业在洛阳前坪水库土石坝建设工程实践取的成功。
3 引汉济渭三河口水利枢纽的应用
陕西省引汉济渭工程建设有限公司联合清华大学将无人驾驶智能碾压混凝土技术应用于黄金峡碾压混凝土重力坝的施工过程中，并开展无人驾驶摊铺技术
的研究。碾压机装配GPS 监测系统虽然可跟踪碾压作业轨迹、碾压遍数等来保障施工质量，但还不能主动避免相邻作业面间出现漏碾、交叉重复碾压等现象。目前应用的碾压机GPS 监测系统实际上是“被动”信息记录系统，不能事先控制碾压机的行驶轨迹。为了实现碾压机等施工机械的主动控制，施工机械需要进行智能化改造，“中国制造2025”正是这种战略的具体体现。
无人驾驶智能碾压筑坝技术已经在河南前坪土石坝工程施工中成功应用，极大的提高了工程施工质量、减轻了作业人员劳动强度、提高了施工效率。鉴于碾压混凝土与碾压土石的工艺相似性，在引汉济渭三河口拱坝工程开展本技术在碾压混凝土施工中的应用研究，然后应用到黄金峡水利枢纽的碾压混凝土坝建设，将来还可推广应用到国内外其它碾压混凝土坝建设中。清华大学在引汉济渭三河口拱坝工程中完成了整个系统的开发、建设、测试。布置了无人驾驶系统的“大脑中枢”：无人驾驶碾压监控中心。图3所示为无人驾驶碾压远程监控中心。
完成了覆盖整个大坝库区的无人驾驶碾压机通讯网建设与调试；
现场左右岸分别加装了微波通信天线。
图
2 无人驾驶碾压机系统示意图
图3远程监控中心
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两岸通信为双链路模式，主链路通讯，副链路备用，主副链路切换低时延，保证通讯的可靠性。碾压机在整个大坝上运行， 做到左右岸网络通讯无缝漫游切换。图4为微波通讯天线以及GPS 基准站
[8]
。
完成改装无人驾驶碾压机五辆，经过数月的调试和测试工作，整个无人驾驶碾压系统组成如图5所示，由远程监控中心，微波通讯网络，PTK-GPS 系统和无人驾驶碾压机组成。无人驾驶碾压机依靠具有厘米级定位精度的RTK-GPS 技术实现在施工现场的定位与导航，通过微波通讯网络与远程监控中心实时通讯
[8]
。
远程监控中心：系统的监控中心设在三河口拱坝左岸观景平台，设有两台服务器，一台用于运行无人驾驶碾压监控程序，除了可以向碾压机发送碾压区域、碾压速度、振动等相关指令之外，还可以实时解析无人驾驶碾压机发回的工作数据，并显示在程序界面上，方便值班人员查看。另一台用于运行视频监控软件，除了大坝左右岸的监控点外，每辆无人驾驶碾压机驾驶舱内也都有视频监控。
微波通讯网络：为保证系统的微波通讯网络能够覆盖到仓面的每个角落，在左右岸都设立了微波接收天线，右岸接收天线接收的信号通过无线形式传回左岸副接收天线，然后再统一通过有线形式发回监控中心。
RTK-GPS 系统：RTK-GPS 基准站由GPS 一体机和电台组成，与左岸接收天线设在一处，统一供电；每辆无人驾驶碾压机顶部都装有两个GPS 流动站，左右布置，用于实时确定车辆的坐标和方位。
摇臂式喷头无人驾驶碾压机：无人驾驶碾压机是在普通压路机上加装了能够思考的计算机“大脑”，具有网络通信、自主作业的能力。机载计算机包括发动机控制器、转向控制器、行走控制器、振动压实控制器、故障诊断
电表铅封控制器，以及中央控制器，形成了基于CAN 总线的机载控制器网络。图6为无人驾驶碾压机模块构成[8]。
图
5 无人驾驶碾压系统
图
6 无人驾驶碾压机模块构成
图4微波通讯天线以及GPS 基准站
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图7 施工现场效果图[8]
整体上，针对引汉济渭三河口碾压混凝土双曲拱坝建设，首先从施工机械智能化改造入手，利用水电四局的碾压设备，加装测控装备，使其具有感知环境，自主决策作业进度的功能。其次，结合碾压混凝土工艺的特点，开发施工控制系统，模拟施工人员工作环节，符合施工规范的要求。最后，开发碾压机作业研究，实现无人驾驶碾压筑坝机作业。针对坝上预埋件等碾压障碍物，设计院研究新型预埋方法，研究有利于大范围机械化施工的仓面条件[8]
。图7为施工现场效
果图。
4 结论
本研究是国内外第一次在碾压混凝土拱坝上使用无人驾驶碾压筑坝技术，这不但能够形成一套碾压混凝土大坝无人驾驶碾压施工方法，而且也能为行业与企业学习并掌握这种新技术提供实际工程示例，尤其是避免了驾驶员在强振、高噪音等恶劣施工环境下工作。
引汉济渭三河口水利枢纽工程建设中，碾压混凝土拱坝采用无人驾驶智能碾压筑坝技术能够严格实现碾压混凝土拱坝碾压施工组织设计方案，按照碾压作业参数实施混凝土碾压，避免碾压施工环节出现
漏压、超速、激振力低的问题，有效保证三河口水利枢纽大坝建设质量与进度，具有巨大的经济效益。无人驾驶智能碾压筑坝技术引领全国水利建设筑坝技术的新高点，将三河口等水利枢纽建成全国样板工程，发挥国家重点工程的社会效益。
参考文献
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作者简介：孙天野，男，博士研究生，工程师，主要研究方向为智能建造与工程应用。
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