孫天野¹?? 劉福生² ??王濤¹??黨建濤²  ??燕軍樂²??

（1.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084；

2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西  西安 710024）

編者按：

　　清華大學水利水電工程系智能建造團隊一直致力于推進水利工程信息化，提高碾壓混凝土大壩施工質量，克服施工問題，保障工程的經濟與社會效益，努力在水利工程施工中實現智能建造。陜西省引漢濟渭工程建設有限公司聯合清華大學將無人駕駛智能碾壓混凝土技術應用于三河口碾壓混凝土重力壩的施工過程中，并開展無人駕駛攤鋪技術的研究。本研究是國內外第一次在碾壓混凝土拱壩上使用無人駕駛碾壓筑壩技術，這不但能夠形成一套碾壓混凝土大壩無人駕駛碾壓施工方法，而且也能為行業與企業學習并掌握這種新技術提供實際工程示例。

　　本刊特邀清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室孫天野博士攜“無人駕駛碾壓混凝土筑壩技術研究”技術團隊，將無人駕駛智能碾壓新技術在引漢濟渭三河口水利樞紐建設中的應用成果以系列論文形式分享給行業，以期共同促進我國水利工程施工智能建造技術的進步。

摘要: 伴隨著我國經濟發展和科技水平的提升，水利工程智能化技術的應用在社會各界高度重視。無人駕駛智能碾壓技術由GPS基站、無人駕駛碾壓機、通訊中繼站和遠程監控中心構成，具有無線局域網通訊、自主運行管理等特點，顯著提高了碾壓混凝土施工質量與筑壩效率，實現了水利工程的電氣化、數字化、網絡化、智能化。在引漢濟渭三河口水利樞紐建設中，應用無人駕駛智能碾壓筑壩新技術，探索研究作業區域規劃、曲線碾壓與碾壓避障的安全措施，具有巨大的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：引漢濟渭；無人駕駛；智能碾壓；三河口水利樞紐

中圖分類號： TV512??文獻標識碼：A

0 引言

　　我國人均水資源量大約只有2100立方米，不足世界平均水平的1/3，是水資源缺乏的國家。我國受地理位置、季風氣候等影響水資源時空分配不均，總體呈現南多北少、東多西少，社會經濟與水資源分布不匹配的格局^[1] 。從水資源的“空間均衡”角度出發，以解決水資源與經濟發展不相衡的問題，我國進行了水資源戰略規劃，提出了南水北調“四橫三縱”的全局性水資源戰略部署，并規劃了引黃入晉、引漢濟渭、引江濟太等一系列區域性調水工程，最終實現水資源“南北調配、東西互濟”的優化配置目標^[2]。其中引漢濟渭工程是陜西省的“南水北調”工程，擔負著緩解渭河流域缺水、支撐關中平原社會經濟發展、改善渭河中下游生態環境的重要使命 ^[3]。

　　關中地區集中了64%的全省人口、56%的耕地、72%的灌溉面積和82%的國內生產總值，是陜西省政治、經濟、文化活動的核心區域，城市化程度高，工業發達，供水保證率要求高。由于渭河天然水資源量的衰減，以及水區水資源嚴重匱乏等原因，工業農業生產受到了嚴重制約，一些企業因水源不足處于停產或半停產狀態，關中地區每年失灌面積達到400萬畝^[4]。由于長期擠占生態用水，過度開采地下水，使得渭河流域的生態環境非常脆弱，干流及許多支流出現了河道斷流、水污染加劇的生態問題^[5]。因此，需要引漢濟渭工程解決漢中地區缺水問題^[6]。

　　無人駕駛碾壓筑壩技術是人工智能在水利建設中的具體體現，本項目研究將水利建設融入“中國制造 2025”，提升水利工程信息化，提高碾壓混凝土大壩施工質量，克服施工過程存在的問題，保障工程的經濟與社會效益。結合陜西省引漢濟渭重點工程，開展碾壓混凝土高壩施工技術研究，對于進一步完善和發展高壩筑壩技術，促進300米級高壩工程建設，具有重要的意義。如何破解工程管理和建設過程中技術難題、工程快速推進、保證三河口大壩工程建設進度，成為擺在建設團隊面前的一個重大課題，考驗著工程建設者的勇氣、智慧和能力。項目將以重點工程帶動科技發展，無人駕駛碾壓筑壩技術采用自動控制、計算機、通訊、傳感、GPS等高新技術，將會使水利工程建設擺脫以往人員密集型的行業， 轉化成為知識型的高技術行業，不但能有利保證碾壓混凝土質量、明顯提高碾壓混凝土筑壩效率，而且實現了水利工程建設的新四化：電氣化、數字化、網絡化、智能化建造大壩。

1?引漢濟渭工程介紹

　　引漢濟渭工程包含黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐及輸水工程^[7]。黃金峽水利樞紐是引漢濟渭工程的主要水源地，以供水為主，兼顧發電、防洪等功能；三河口水利樞紐是引漢濟渭工程的主要調蓄水庫；輸水工程由秦嶺輸水隧洞黃三段、越嶺段、控制閘及其與三河口水庫的連接洞組成^[6]。引漢濟渭工程實現聯合調度保障工程調水：（1）黃金峽水庫，在滿足上下游用水與工程防洪條件下，從泵站自水庫提水入秦嶺隧洞黃三段；（2）當泵站抽水流量小于受水區需水要求時，其抽水水量全部經控制閘輸入秦嶺隧洞越嶺段至關中黃池溝；（3）當黃金峽泵站抽水流量大于受水區需水要求時，多余的水量在控制閘處由連接洞導向三河口壩址下游處，在三河口水位在防棄水線之下的前提下由三河口泵站抽水入三河口水庫存蓄；（4）三河口水庫在滿足下游用水與工程防洪條件下，盡可能多地蓄水；（5）當黃金峽泵站抽水流量不足需水要求時，由三河口下泄水量經連接洞自流入控制閘處，補充外調水量^[6]。 

　　三河口、黃金峽水庫的外調水采用不同的利用模式：三河口水庫的抽水泵站在電站尾水洞取水，即發電用水重合了外調水和生態用水兩部分，形成了“一水多用”的模式^[6]；而黃金峽泵站從水庫取水，通過輸水隧洞向控制閘處輸水，因此黃金峽的外調水無法同時用于發電及生態。調水工程的工程示意圖如圖1 所示^[6]。

圖 1 引漢濟渭工程示意圖^[6]

2?無人駕駛智能碾壓混凝土與筑壩技術

　　自上世紀80年代以來，碾壓混凝土筑壩技術在我國發展迅速，至今已建成碾壓混凝土重力壩與拱壩近兩百座，修建大壩的高度也已突破百米。在此過程中，我國壩工界積累了豐富的實踐經驗，并形成了碾壓混凝土設計與施工規范。但在碾壓混凝土筑壩實踐過程中，也發現了一些較難控制的施工問題，傳統的人工碾壓無法獲取施工數據，存在壓不直、漏壓、錯壓、超壓等現象，為大壩建造留下很大隱患。且施工人員勞動強度較大，重復性工作較多，碾壓機振動環境對人體健康也有一定的損害。這些問題都影響著碾壓混凝土大壩的工程質量^[8]。

　　為了解決目前碾壓混凝土筑壩技術中的共性問題，響應“中國制造2025”，清華大學水利水電工程系智能建造團隊一直致力于推進水利工程信息化，提高碾壓混凝土大壩施工質量，克服施工問題，保障工程的經濟與社會效益，努力在水利工程施工中實現智能建造。目前，已經在碾壓土石壩施工中成功應用了基于信息化的無人駕駛碾壓筑壩技術^[9-10]。無人駕駛碾壓筑壩技術采用自動控制、計算機、通訊、傳感、GPS等高新技術，將會使水利工程建設擺脫以往人員密集型的行業，轉化成為知識型的高技術行業，不但能有利保證碾壓混凝土質量、明顯提高碾壓混凝土筑壩效率，而且實現了水利工程建設的新四化：電氣化、數字化、網絡化、智能化建造大壩。

　　清華大學水利水電工程系智能建造團隊基于土石壩施工發明了一種智能碾壓機器人，即給碾壓機再增加一個控制作用的“大腦”，使其不但能通過GPS等傳感器知道自己的位置與狀態，而且還能通過主動控制來達到自主碾壓作業的目的。圖2是無人駕駛碾壓機系統示意圖。當分配給無人駕駛碾壓機任務后，碾壓機將自主巡航、自主在線檢測壓實指標、自主完成筑壩碾壓任務，不存在任何人為因素的干擾，完全實現了筑壩碾壓作業的自動化。對于海量筑壩信息采用在線機器學習方法進行處理。無人駕駛碾壓機群作業在洛陽前坪水庫土石壩建設工程實踐取的成功。

圖2 無人駕駛碾壓機系統示意圖

3?引漢濟渭三河口水利樞紐的應用

　　陜西省引漢濟渭工程建設有限公司聯合清華大學將無人駕駛智能碾壓混凝土技術應用于黃金峽碾壓混凝土重力壩的施工過程中，并開展無人駕駛攤鋪技術的研究。碾壓機裝配GPS監測系統雖然可跟蹤碾壓作業軌跡、碾壓遍數等來保障施工質量，但還不能主動避免相鄰作業面間出現漏碾、交叉重復碾壓等現象。目前應用的碾壓機GPS監測系統實際上是“被動”信息記錄系統，不能事先控制碾壓機的行駛軌跡。為了實現碾壓機等施工機械的主動控制，施工機械需要進行智能化改造，“中國制造2025”正是這種戰略的具體體現。

　　無人駕駛智能碾壓筑壩技術已經在河南前坪土石壩工程施工中成功應用，極大的提高了工程施工質量、減輕了作業人員勞動強度、提高了施工效率。鑒于碾壓混凝土與碾壓土石的工藝相似性，在引漢濟渭三河口拱壩工程開展本技術在碾壓混凝土施工中的應用研究，然后應用到黃金峽水利樞紐的碾壓混凝土壩建設，將來還可推廣應用到國內外其它碾壓混凝土壩建設中。清華大學在引漢濟渭三河口拱壩工程中完成了整個系統的開發、建設、測試。布置了無人駕駛系統的“大腦中樞”：無人駕駛碾壓監控中心。圖3所示為無人駕駛碾壓遠程監控中心。

圖3 遠程監控中心

　　完成了覆蓋整個大壩庫區的無人駕駛碾壓機通訊網建設與調試；現場左右岸分別加裝了微波通信天線。兩岸通信為雙鏈路模式，主鏈路通訊，副鏈路備用，主副鏈路切換低時延，保證通訊的可靠性。碾壓機在整個大壩上運行， 做到左右岸網絡通訊無縫漫游切換。圖4為微波通訊天線以及GPS基準站^[8]。

圖4 微波通訊天線以及GPS基準站

　　完成改裝無人駕駛碾壓機五輛，經過數月的調試和測試工作，整個無人駕駛碾壓系統組成如圖5所示，由遠程監控中心，微波通訊網絡，PTK-GPS系統和無人駕駛碾壓機組成。無人駕駛碾壓機依靠具有厘米級定位精度的RTK-GPS技術實現在施工現場的定位與導航，通過微波通訊網絡與遠程監控中心實時通訊^[8]。

圖5 無人駕駛碾壓系統

　　遠程監控中心：系統的監控中心設在三河口拱壩左岸觀景平臺，設有兩臺服務器，一臺用于運行無人駕駛碾壓監控程序，除了可以向碾壓機發送碾壓區域、碾壓速度、振動等相關指令之外，還可以實時解析無人駕駛碾壓機發回的工作數據，并顯示在程序界面上，方便值班人員查看。另一臺用于運行視頻監控軟件，除了大壩左右岸的監控點外，每輛無人駕駛碾壓機駕駛艙內也都有視頻監控。

　　微波通訊網絡：為保證系統的微波通訊網絡能夠覆蓋到倉面的每個角落，在左右岸都設立了微波接收天線，右岸接收天線接收的信號通過無線形式傳回左岸副接收天線，然后再統一通過有線形式發回監控中心。

　　RTK-GPS系統：RTK-GPS基準站由GPS一體機和電臺組成，與左岸接收天線設在一處，統一供電；每輛無人駕駛碾壓機頂部都裝有兩個GPS流動站，左右布置，用于實時確定車輛的坐標和方位。

　　無人駕駛碾壓機：無人駕駛碾壓機是在普通壓路機上加裝了能夠思考的計算機“大腦”，具有網絡通信、自主作業的能力。機載計算機包括發動機控制器、轉向控制器、行走控制器、振動壓實控制器、故障診斷控制器，以及中央控制器，形成了基于CAN總線的機載控制器網絡。圖6為無人駕駛碾壓機模塊構成^[8]。

圖6 無人駕駛碾壓機模塊構成

　　整體上，針對引漢濟渭三河口碾壓混凝土雙曲拱壩建設，首先從施工機械智能化改造入手，利用水電四局的碾壓設備，加裝測控裝備，使其具有感知環境，自主決策作業進度的功能。其次，結合碾壓混凝土工藝的特點，開發施工控制系統，模擬施工人員工作環節，符合施工規范的要求。最后，開發碾壓機群作業研究，實現無人駕駛碾壓筑壩機群作業。針對壩上預埋件等碾壓障礙物，設計院研究新型預埋方法，研究有利于大范圍機械化施工的倉面條件^[8]。圖7為施工現場效果圖。

圖7 施工現場效果圖^[8]

4?結論

　　本研究是國內外第一次在碾壓混凝土拱壩上使用無人駕駛碾壓筑壩技術，這不但能夠形成一套碾壓混凝土大壩無人駕駛碾壓施工方法，而且也能為行業與企業學習并掌握這種新技術提供實際工程示例，尤其是避免了駕駛員在強振、高噪音等惡劣施工環境下工作。

　　引漢濟渭三河口水利樞紐工程建設中，碾壓混凝土拱壩采用無人駕駛智能碾壓筑壩技術能夠嚴格實現碾壓混凝土拱壩碾壓施工組織設計方案，按照碾壓作業參數實施混凝土碾壓，避免碾壓施工環節出現漏壓、超速、激振力低的問題，有效保證三河口水利樞紐大壩建設質量與進度，具有巨大的經濟效益。無人駕駛智能碾壓筑壩技術引領全國水利建設筑壩技術的新高點，將三河口等水利樞紐建成全國樣板工程，發揮國家重點工程的社會效益。

參考文獻

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基金項目：陜西省水利科技項目，無人駕駛碾壓混凝土筑壩技術研究（2018SLKJ-2）

(責任編輯：休魚）