大型流域工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與管控研究

張 志 豪， 李 善 平， 王 力， 劉 金 飛

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.國(guó)能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

水電工程數(shù)字化和智能化往往針對(duì)某類具體業(yè)務(wù)需求開展研究與應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和流域整體風(fēng)險(xiǎn)管控需求的增長(zhǎng)，數(shù)字流域研究已成為水電工程數(shù)字化研究領(lǐng)域的新熱門方向，如數(shù)字雅礱江、智慧金上[1]等，但目前尚處于起步階段，主要側(cè)重于數(shù)據(jù)的集成和展示，尚未通過對(duì)工程數(shù)字化中積累的海量實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析和挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站級(jí)、流域級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)識(shí)別、預(yù)警和輔助決策。

如何適應(yīng)水電開發(fā)的發(fā)展形勢(shì)和前沿技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行管理創(chuàng)新；如何結(jié)合流域?qū)蛹?jí)工程建設(shè)綜合管理職能，研究建立智慧工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管控體系；如何基于電站層級(jí)智能化建設(shè)所積累的海量數(shù)據(jù)，研究風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)識(shí)別和管控模型；如何打通流域各電站開發(fā)過程狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，建立企業(yè)工程建設(shè)大數(shù)據(jù)中心，在項(xiàng)目公司日常管理智能化的基礎(chǔ)上，研發(fā)流域工程建設(shè)管控平臺(tái)，以工程重大安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資、環(huán)保問題和關(guān)鍵部位管理為重點(diǎn)，通過大數(shù)據(jù)及決策分析模型，對(duì)各管理要素趨勢(shì)性、系統(tǒng)性問題的分析、預(yù)警、決策與綜合管理，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)管理的自動(dòng)預(yù)判、自主決策、自我演進(jìn)等，是相關(guān)領(lǐng)域研究發(fā)展的趨勢(shì)[2-5]。

1 智慧工程建設(shè)管控分級(jí)預(yù)警指標(biāo)體系

分級(jí)指標(biāo)體系，是按照流域級(jí)、集團(tuán)級(jí)工程管控需求，從各工程建設(shè)期、運(yùn)維期產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)中抽絲剝繭而形成的關(guān)鍵管控信息，這些關(guān)鍵指標(biāo)的數(shù)據(jù)、歷史趨勢(shì)、關(guān)聯(lián)約束等信息，將時(shí)刻反饋出一個(gè)電站工程在建設(shè)、運(yùn)維期的整體狀態(tài)、項(xiàng)目管理情況，是各電站工程的關(guān)鍵控制性指標(biāo)[6-8]。

(1)安全管控指標(biāo)。重大安全隱患數(shù)量、隱患整改及時(shí)率、安全事故數(shù)量；安全檢查隱患整改完成率、危險(xiǎn)源(點(diǎn))在控情況、安全習(xí)慣性違章、危險(xiǎn)源(點(diǎn))在控率、安全生產(chǎn)費(fèi)用投入、人員安全培訓(xùn)、安委會(huì)召開次數(shù)、特種作業(yè)；增加安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

(2)質(zhì)量管控指標(biāo)。如機(jī)電工程質(zhì)量管控指標(biāo)、檢測(cè)頻次(原材料、半成品和成品)完成率、單元工程質(zhì)量評(píng)定合格率、單元工程質(zhì)量評(píng)定優(yōu)良率、檢測(cè)不合格數(shù)量整改率。

(3)投資管控指標(biāo)。如年度投資完成偏差率、資金計(jì)劃完成率、進(jìn)度與投資偏差率、預(yù)計(jì)造價(jià)增減率、甲供材料使用率、備用資金使用率、保險(xiǎn)項(xiàng)目結(jié)案率。

(4)環(huán)水保管控指標(biāo)。環(huán)水保設(shè)施按時(shí)投用率、珍稀動(dòng)植物保護(hù)區(qū)變化指標(biāo)、環(huán)保水保投資完成率、環(huán)保水保問題整改率、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合格率、“三同時(shí)”措施任務(wù)完成率[9-10]。

(5)進(jìn)度與投資協(xié)同管控指標(biāo)。進(jìn)度完成率與投資完成率的匹配性指標(biāo)，如掙值法。

(6)樞紐與移民的進(jìn)度匹配度。

(7)樞紐與送出的進(jìn)度匹配度。

2 智慧工程建設(shè)管控算法模型

圍繞預(yù)警指標(biāo)體系，以數(shù)據(jù)挖掘?yàn)榛A(chǔ)、以算法模型為核心、以應(yīng)用場(chǎng)景為主線，按照“大感知、大傳輸、大存儲(chǔ)、大計(jì)算、大分析”的要求，從數(shù)據(jù)來源、算法模型、應(yīng)用場(chǎng)景等展開研究，逐一落實(shí)形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理的管控模型。具體工作包括[11]：

(1)指標(biāo)項(xiàng)計(jì)算模型。包括上述指標(biāo)體系中各指標(biāo)項(xiàng)的數(shù)據(jù)來源、計(jì)算公式、分級(jí)閾值等。

(2)預(yù)警閾值的自適應(yīng)模型。部分預(yù)警閾值需根據(jù)歷史狀況、工程階段等條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如邊坡變形速率等。

(3)風(fēng)險(xiǎn)原因分析相關(guān)性模型。如施工質(zhì)量與工序質(zhì)量的相關(guān)性[12]，與管理人員到崗到勤率的相關(guān)性等，用于系統(tǒng)自動(dòng)分析風(fēng)險(xiǎn)的原因、支撐風(fēng)險(xiǎn)處置決策。

3 智慧工程風(fēng)險(xiǎn)決策支持體系

以問題導(dǎo)向，解決工程建設(shè)中的實(shí)際問題，圍繞預(yù)警指標(biāo)體系，分析各項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)異常時(shí)，可能的原因及應(yīng)對(duì)策略分析，形成相應(yīng)的決策支持體系[13]。具體工作包括：

(1)制定風(fēng)險(xiǎn)決策支持響應(yīng)流程。當(dāng)預(yù)警產(chǎn)生，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)原因分析結(jié)果，驅(qū)動(dòng)預(yù)警指標(biāo)相關(guān)特征數(shù)據(jù)與知識(shí)融合，匹配決策知識(shí)庫(kù)對(duì)應(yīng)處理方案，由用戶研究并選擇處理方案，跟蹤方案處理結(jié)果，并將其經(jīng)驗(yàn)?zāi)毿纬芍R(shí)存入決策知識(shí)庫(kù)[14]。

(2)決策知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建。以工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全、投資、環(huán)保五控制管控為重點(diǎn)劃分知識(shí)庫(kù)，并對(duì)各管控要素知識(shí)以及措施方案按照說明性知識(shí)、過程性知識(shí)進(jìn)行總結(jié)、分類、組織。以進(jìn)度管控為例主要包括：

①資源配置影響知識(shí)；

②工期優(yōu)化知識(shí)；

③費(fèi)用優(yōu)化知識(shí)；

④資源優(yōu)化知識(shí)；

⑤類似工程糾偏案例知識(shí)；

⑥施工技術(shù)影響知識(shí)；

⑦趕工風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)等。

4 智慧工程管控平臺(tái)

面向大渡河工程管理大部制的管理職能，研發(fā)流域工程管控?cái)?shù)據(jù)中心平臺(tái)。以智慧工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管控體系及管控模型為基礎(chǔ)，以大渡河智慧企業(yè)大數(shù)據(jù)中心為支撐，在項(xiàng)目公司日常管理智能化的基礎(chǔ)上，以工程重大安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資、環(huán)保問題和關(guān)鍵部位管理為重點(diǎn)，通過大數(shù)據(jù)及決策分析模型，對(duì)各管理要素趨勢(shì)性、系統(tǒng)性問題的分析、預(yù)警、決策與綜合管理，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)管理的自動(dòng)預(yù)判、自主決策、自我演進(jìn)[15]。系統(tǒng)覆蓋大屏、移動(dòng)端，包含基礎(chǔ)與特色功能。

4.1 智慧工程管控平臺(tái)基礎(chǔ)功能

4.1.1 智慧工程管控平臺(tái)(大屏端)

含流域綜合展示模塊、前期管理、安全管控模塊、投資管控模塊、環(huán)水保管控模塊、科技管理模塊、機(jī)電工程管控模塊、移民工程管控模塊、送出工程管控模塊、多維度協(xié)同管理、知識(shí)庫(kù)、預(yù)警信息分級(jí)管控等。

4.1.2 智慧工程管控平臺(tái)(移動(dòng)端)

對(duì)接移動(dòng)基礎(chǔ)平臺(tái)、前期管理展示與查詢、安全管控模塊展示查詢、投資管控模塊展示查詢、環(huán)水保管控模塊展示查詢、科技管理展示查詢、機(jī)電工程管控模塊查詢展示、移民工程管控模塊查詢展示、送出工程管控模塊查詢展示、個(gè)人管理。

4.2 智慧工程管控平臺(tái)特色功能

4.2.1 工程建設(shè)全生命周期高階管理

以項(xiàng)目公司智能化建設(shè)為基礎(chǔ)，建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、流程規(guī)范、業(yè)務(wù)量化的工程管控體系，體現(xiàn)公司層級(jí)從發(fā)展規(guī)劃、項(xiàng)目立項(xiàng)、前期設(shè)計(jì)、建設(shè)實(shí)施、竣工驗(yàn)收、移交運(yùn)營(yíng)到工程壽命終止的全階段、全周期的重點(diǎn)管理。

4.2.2 工程建設(shè)全方位風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、全要素智能調(diào)控

通過對(duì)工程建設(shè)過程中各種風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)管理和管控模型分析，對(duì)接國(guó)電大渡河大數(shù)據(jù)中心，打通建設(shè)中業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、政府等相關(guān)方的數(shù)據(jù)，與各電站的智慧工程建設(shè)共同形成工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資、環(huán)保與機(jī)電、移民搬遷等專業(yè)的大感知、大傳輸、大儲(chǔ)存、大數(shù)據(jù)、大計(jì)算、大分析的管控體系，實(shí)現(xiàn)全方位、全過程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，全專業(yè)、全要素智能調(diào)控。

4.2.3 管控對(duì)象及業(yè)務(wù)可視化

掌控流域工程建設(shè)當(dāng)前的整體狀態(tài)(對(duì)象可視化)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)過程計(jì)劃、實(shí)際、偏差的度量(業(yè)務(wù)可視化)，監(jiān)控管控要素的狀態(tài)(數(shù)據(jù)可視化)。

4.2.4 管控流程的固化與優(yōu)化

針對(duì)工程開工、工程核準(zhǔn)、移民手續(xù)、環(huán)保手續(xù)、送出審批、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警與處理等流程[16]，固化在工程管控平臺(tái)，優(yōu)化處理流程體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)提醒與失效預(yù)警。

4.2.5 大數(shù)據(jù)相關(guān)性分析模型

利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過數(shù)據(jù)挖掘和相關(guān)性分析，建立工程五控制(安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資、環(huán)保)分析預(yù)測(cè)模型。

4.2.6 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人機(jī)交互決策

系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警原因匹配措施庫(kù)，以友好的界面展示，通過人性化的交互方式供決策者確定預(yù)警原因、選擇處理措施，做出決策[17]。

4.2.7 重大風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警及處置閉環(huán)管理

工程管控平臺(tái)輔以移動(dòng)端APP，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)五要素的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、分級(jí)預(yù)警、輔助決策、處理反饋、措施優(yōu)化的閉環(huán)管理。

4.2.8 遠(yuǎn)程診斷會(huì)商

建立遠(yuǎn)程會(huì)商平臺(tái)，進(jìn)行公司、項(xiàng)目部、工地現(xiàn)場(chǎng)、外部專家等多方即時(shí)溝通，對(duì)工程設(shè)計(jì)方案、施工方案、工程進(jìn)度質(zhì)量等進(jìn)行論證和交流[18]。

4.2.9 措施庫(kù)、知識(shí)庫(kù)自我演進(jìn)

基于爬蟲技術(shù)的知識(shí)庫(kù)自我擴(kuò)充；知識(shí)庫(kù)-支撐自主決策-處理反饋-擴(kuò)充知識(shí)庫(kù)的自我演進(jìn)機(jī)制；基于用戶喜好的知識(shí)個(gè)性化推送[19]。

4.2.10 建立智慧工程建設(shè)長(zhǎng)效監(jiān)控機(jī)制

項(xiàng)目公司智能化建設(shè)進(jìn)展監(jiān)控；系統(tǒng)應(yīng)用情況(數(shù)據(jù)稽核、用戶數(shù)量、使用次數(shù))監(jiān)控與預(yù)警；建設(shè)效益統(tǒng)計(jì)分析。

5 應(yīng)用場(chǎng)景示例

針對(duì)土石壩施工過程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行示例。

5.1 數(shù)據(jù)采集

土石壩施工過程中，土石料碾壓是施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。在施工過程中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)采集的碾壓范圍、碾壓遍速等自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，以及壓實(shí)度等人工采集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過工程現(xiàn)場(chǎng)各類APP、系統(tǒng)實(shí)時(shí)匯集，并在各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行分析和處理，同時(shí)，數(shù)據(jù)通過篩選后，進(jìn)入大渡河工程數(shù)據(jù)中心，并按照分級(jí)預(yù)警指標(biāo)體系進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，形成預(yù)警體系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.2 指標(biāo)預(yù)警

當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)首先判斷該指標(biāo)預(yù)警的可信度，排除如數(shù)據(jù)污染或填報(bào)錯(cuò)誤等原因造成的異常預(yù)警。對(duì)無法排除異常情況的預(yù)警，則進(jìn)入指標(biāo)預(yù)警處置體系，系統(tǒng)自動(dòng)推送主要指標(biāo)預(yù)警，如大壩填筑單元工程優(yōu)良率持續(xù)下降。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系(同類業(yè)務(wù)、同部位等)，自動(dòng)推送次要指標(biāo)數(shù)據(jù)，如大壩填筑單元工程優(yōu)良率指標(biāo)相關(guān)的心墻料檢測(cè)合格率、碾壓行駛速度、鋪料厚度、碾壓覆蓋范圍、碾壓遍數(shù)等指標(biāo)，從以上指標(biāo)中，系統(tǒng)將自動(dòng)篩選出有明顯異常情況的指標(biāo)(通常情況下在主要指標(biāo)未預(yù)警的情況下，次級(jí)指標(biāo)并不作為流域級(jí)工程管理預(yù)警指標(biāo))。用戶可通過主要預(yù)警指標(biāo)的數(shù)據(jù)特征與次級(jí)指標(biāo)的異常情況，分析異常情況的可能原因。

5.3 存在的風(fēng)險(xiǎn)

系統(tǒng)自動(dòng)針對(duì)指標(biāo)預(yù)警情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)提示。系統(tǒng)將利用風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)模型，根據(jù)預(yù)警指標(biāo)的具體類型，提取對(duì)應(yīng)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，推送至管理層。風(fēng)險(xiǎn)管理模型具備預(yù)設(shè)及人工篩選功能，通過大量樣本的決策選擇機(jī)制，優(yōu)化關(guān)聯(lián)關(guān)系。推送的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果將包含如風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性、風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重性等相關(guān)信息，為管理決策提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的支撐數(shù)據(jù)。

5.4 風(fēng)險(xiǎn)原因

系統(tǒng)對(duì)主要指標(biāo)預(yù)警及次要指標(biāo)異常情況進(jìn)行綜合分析判斷，根據(jù)指標(biāo)—原因關(guān)聯(lián)關(guān)系，從原因庫(kù)中提取可能造成指標(biāo)異常及預(yù)警的原因。如當(dāng)系統(tǒng)推送大壩填筑單元工程優(yōu)良率持續(xù)下降指標(biāo)預(yù)警時(shí)，進(jìn)一步篩選關(guān)聯(lián)次級(jí)指標(biāo)，挖掘心墻料檢測(cè)合格率、碾壓覆蓋范圍兩個(gè)次級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)異常[20]。系統(tǒng)根據(jù)以上結(jié)果，遍歷原因庫(kù)，通過預(yù)設(shè)指標(biāo)-原因關(guān)聯(lián)關(guān)系，篩選出可能的原因包括現(xiàn)場(chǎng)交底不足、現(xiàn)場(chǎng)管控不足、碾壓寬度不達(dá)標(biāo)等。管理人員可根據(jù)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)具體情況對(duì)推送原因進(jìn)行調(diào)整、修改，并對(duì)原因分析結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)后的指標(biāo)—原因結(jié)果將反饋至系統(tǒng)，為下一次原因分析提供訓(xùn)練、分析樣本。

5.5 風(fēng)險(xiǎn)原因模型判斷

由于影響工程預(yù)警指標(biāo)的原因是多元的，不僅需要判斷造成風(fēng)險(xiǎn)的原因種類，還應(yīng)當(dāng)分析原因?qū)︼L(fēng)險(xiǎn)的占比或貢獻(xiàn)度。因此，系統(tǒng)應(yīng)提供風(fēng)險(xiǎn)原因分析模型，模型提供風(fēng)險(xiǎn)-原因貢獻(xiàn)度預(yù)設(shè)指標(biāo)，管理員可通過對(duì)實(shí)際的了解、調(diào)查，調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)-原因之間的關(guān)系或貢獻(xiàn)占比，并將樣本反饋至系統(tǒng)，系統(tǒng)通過多次的成果反演，將實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)原因判斷的自我演進(jìn)和真實(shí)趨近[21]。

5.6 決策支持

針對(duì)預(yù)警情況、風(fēng)險(xiǎn)原因分析結(jié)果，系統(tǒng)還提供決策支持功能，基于措施庫(kù)、案例庫(kù)中的數(shù)據(jù)資料，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)-原因-措施之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，推送潛在可解決問題的措施。同時(shí)，類似原因分析及風(fēng)險(xiǎn)分析，用戶可對(duì)措施預(yù)案的合理性、關(guān)聯(lián)性進(jìn)行調(diào)整、新增，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，通過樣本訓(xùn)練調(diào)整關(guān)聯(lián)關(guān)系。如針對(duì)土石壩碾壓施工交底不足的情況，從措施庫(kù)中可獲得決策支持包括以控制碾壓參數(shù)為主，以試坑法檢測(cè)干容重為輔的“雙控”法進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)、“按規(guī)定的錯(cuò)距寬度進(jìn)行碾壓，低速行走。反饋振動(dòng)碾壓操作人員，提示運(yùn)行位置、碾壓遍數(shù)、行車速度等標(biāo)識(shí)”。措施庫(kù)基于規(guī)范建立，確保其可行性和正確性。

5.7 預(yù)警閉合

通過系統(tǒng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)、原因、措施等環(huán)節(jié)的相關(guān)分析成果(含預(yù)警情況、原因分析結(jié)果、風(fēng)險(xiǎn)告知結(jié)果、措施預(yù)案)推送至流域級(jí)工程管理部門及項(xiàng)目管理人員，各方應(yīng)對(duì)預(yù)警情況進(jìn)行反饋，并形成預(yù)警處理閉環(huán)。

6 結(jié) 語(yǔ)

在水電站項(xiàng)目層級(jí)數(shù)字化、智能化建設(shè)的技術(shù)、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，聚焦工程重大安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資、環(huán)保問題和關(guān)鍵部位管理等管控重點(diǎn)，建立流域風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，研究并建立水電水利領(lǐng)域智慧工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型、風(fēng)險(xiǎn)決策模型，對(duì)各管理要素趨勢(shì)性、系統(tǒng)性問題的分析、預(yù)警、決策與綜合管理，通過流域智慧工程管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)管理的自動(dòng)預(yù)判、自主決策、自我演進(jìn)，對(duì)提升大型流域水電工程建設(shè)智能化管控水平、應(yīng)對(duì)新形勢(shì)下水電開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)，具有重要意義。