随着中国水电事业的不断发展和技术的不断成熟,越来越多的大型水电工程得以发展和建设。心墙堆石坝由于具有较强的经济性、安全性和较为成熟的设计、施工经验,使得其可以从众多坝型中脱颖而出,并开始向300米级高度进行发展。尽管如此,心墙堆石坝施工过程仍是一个十分复杂的系统工程,施工强度大、施工工期紧、施工工艺复杂,施工过程控制要求严格,这给心墙堆石坝施工过程的控制带来了很大的挑战。首先,当前有关心墙堆石坝施工控制的研究,主要集中于对施工参数的采集和分析,缺乏对施工过程的智能优化、决策和反馈,从而未能实现施工过程的高效控制。再者,当前研究仅局限于个别施工环节或施工参数的分析,缺乏对心墙堆石坝施工从方案规划到方案各执行环节,整体施工流程的智能控制研究。因此,如何实现施工过程的智能优化、决策和反馈,如何在控制过程中对施工方案进行合理规划,如何在施工过程中对多个施工环节实现全面的智能控制是心墙堆石坝施工控制领域的重要研究课题。本文针对上述问题进行了深入的研究,并取得如下创新性研究成果。(1)针对当前心墙堆石坝施工无法得到及时、准确、有效控制的现状,提出了心墙堆石坝施工智能监控理论,通过对施工信息的感知、分析、优化、决策和反馈,实现心墙堆石坝施工过程的智能控制。现有的心墙堆石坝施工控制依赖人工进行决策反馈,控制过程存在不确定性和主客观因素的干扰,无法实现施工过程的及时、准确、有效控制。因此,为了提高心墙堆石坝施工控制的及时性、准确性和有效性,本文提出了心墙堆石坝施工智能监控理论,从而实现心墙堆石坝施工方案优化决策、坝料运输智能调度控制和坝面填筑智能压实控制。首先,对心墙堆石坝施工过程进行了描述,分析了心墙堆石坝施工控制的目标、流程、影响因素和施工控制的特点;其次,总结分析了心墙堆石坝施工控制的发展历程,并提出了心墙堆石坝施工智能监控理论;随后,针对心墙堆石坝施工智能监控理论提出了心墙堆石坝施工方案优化决策方法,心墙堆石坝施工智能调度控制方法和心墙堆石坝施工智能压实控制方法,并建立了心墙堆石坝施工智能监控理论框架,分析了智能监控理论的从信息感知、分析、优化、决策到执行的控制流程。最后,提出了心墙堆石坝施工智能监控数学模型,描述了心墙堆石坝施工智能监控理论的控制目标以及影响因素。(2)针对当前心墙堆石坝方案优化研究中未能实现以仓面多施工方案分析为基础的多方案优化以及未能在仓面施工过程中对仓面施工方案进行动态优化调整的现状,提出了心墙堆石坝施工方案优化决策方法,实现施工方案的优化决策。现有的心墙堆石坝施工方案优化研究缺乏以仓面多施工方案分析为基础的心墙堆石坝施工方案整体优化及施工过程中施工方案动态优化的研究。因此,为了提高心墙堆石坝施工控制效果,结合心墙堆石坝施工智能监控理论,本文提出了心墙堆石坝施工方案优化决策方法。首先,对心墙堆石坝施工方案优化决策方法进行了描述,分析了该方法的优化目标、优化内容和优化流程;其次,建立了心墙堆石坝施工方案优化决策数学模型,定义了目标函数、约束条件和状态转移方程;再次,对心墙堆石坝分期分区施工方案仿真优化方法进行了分析,具体包括仓面施工方案规划方法、仓面精细化仿真方法、仿真参数抽样方法和施工方案优化方法;随后,面向施工过程对心墙堆石坝仓面施工方案动态仿真优化方法进行了分析,其中包括对仓面施工方案执行偏差分析方法、施工参数更新方法;最后,以中国西南某在建心墙堆石坝为例,对心墙堆石坝施工方案优化决策方法进行了应用分析。结果表明,心墙堆石坝施工方案优化决策方法能够对施工过程进行准确的分析和反映,且在该方法的参与下,实现了仓面施工方案的有效控制。心墙堆石坝施工方案优化决策方法作为心墙堆石坝施工智能监控理论的重要组成内容,可为智能调度控制和智能压实控制提供方案指导。(3)针对当前心墙堆石坝施工坝料运输过程控制的研究缺乏运输路径智能规划和加水过程智能调控的现状,提出了心墙堆石坝施工智能调度控制方法,实现心墙堆石坝施工坝料运输过程智能监控。现有的心墙堆石坝施工坝料运输过程控制主要针对坝料装卸载过程进行监控以及采用固定加水标准对坝料加水过程进行统一控制,未能对运输路径进行智能规划和加水标准的动态调整。因此,为了实现坝料运输过程的有效控制,结合心墙堆石坝施工智能监控理论,本文提出了心墙堆石坝施工智能调度控制方法。首先,对心墙堆石坝施工智能调度控制方法进行了定义,并分析了该方法的控制目标、控制环节、控制参数、控制内容、控制模型架构和控制流程;其次,建立了心墙堆石坝施工智能调度控制数学模型,对目标函数和约束条件进行了定义;再次,对心墙堆石坝施工智能调度控制方法进行了研究,包括装卸料点的实时判断和反馈方法,基于专家调查法的坝料加水标准的动态调控方法和应用改进蚁群算法实现的运输路径智能优化方法;最后,在上述智能调度控制方法研究的基础上对其实现过程进行了分析。分析结果表明,心墙堆石坝施工智能调度控制方法可有效实现坝料运输过程的智能控制,为心墙堆石坝施工坝料运输过程的控制提供了新的思路和方法。(4)针对当前心墙堆石坝施工坝面填筑过程控制的研究缺乏平仓厚度的监控和基于仓面压实质量实时分析的施工参数智能优化的研究,提出了心墙堆石坝施工智能压实控制方法,实现心墙堆石坝施工坝面填筑过程智能控制。现有的心墙堆石坝施工坝面填筑过程的控制缺乏对仓面平仓厚度进行实时分析和对仓面压实质量进行实时智能分析及碾压施工参数动态优化调整的研究。因此,为了实现坝面填筑过程的有效控制,结合心墙堆石坝施工智能监控理论,提出了心墙堆石坝施工智能压实控制方法。首先,对心墙堆石坝施工智能压实控制方法进行了定义,并分析了该方法的控制目标、控制环节、控制参数、控制内容、控制模型架构和控制流程;其次,建立了心墙堆石坝施工智能压实控制数学模型,对目标函数和约束条件进行了定义;再次,对心墙堆石坝施工智能压实控制方法进行了研究,包括基于K-邻域算法的仓面平仓厚度实时智能监控方法,以及基于粒子群优化的支持向量回归算法的仓面压实质量智能分析方法和施工参数智能优化方法;最后,在对上述智能压实控制方法研究的基础上,对其实现过程进行了分析。分析结果表明,心墙堆石坝施工智能压实控制方法可有效实现坝面填筑过程的智能控制,为心墙堆石坝施工坝面填筑过程的控制提供了新的思路和方法。(5)基于心墙堆石坝施工智能监控理论,结合心墙堆石坝施工方案优化决策方法、心墙堆石坝施工智能调度控制方法和心墙堆石坝施工智能压实控制方法,研发了心墙堆石坝施工智能监控系统。针对当前心墙堆石坝施工智能控制的研究缺乏系统、完整的智能监控方法和未能实现施工过程的及时、准确、有效控制的现状,结合心墙堆石坝施工智能监控理论,以及对心墙堆石坝施工方案优化决策方法,心墙堆石坝施工智能调度控制方法和心墙堆石坝施工智能压实控制方法的分析,建立了心墙堆石坝施工智能监控系统。首先,对心墙堆石坝施工智能监控系统的架构进行了分析,确定了系统的施工方案优化决策、施工智能调度控制和施工智能压实控制三大智能监控模块,以及分期分区施工方案仿真优化、仓面施工方案动态仿真优化、运输过程智能监控、加水过程智能监控、平仓过程实时监控和碾压过程智能监控六大智能监控子系统。其次,介绍了心墙堆石坝施工智能监控系统的构建技术和建设内容。最后,对三大模块,六个子系统的功能进行了介绍,并实现了施工过程智能监控、智能决策信息反馈和智能监控信息查询等功能。通过心墙堆石坝施工智能监控系统对施工方案规划和施工方案执行过程的全程智能控制,为心墙堆石坝施工提供了新的控制思路和方法,使心墙堆石坝施工过程得到了及时控制,从而保证大坝建设目标的实现。