沿海城市发展与海洋的关系日益密切，海洋设施建设亦日益重要。港珠澳大桥是珠江口超级城市群的重要连接通道，属于近海超大型基础设施工程。近海工程建设面临复杂的自然环境、高难度的海上作业等诸多风险与挑战，港珠澳大桥岛隧工程运用物联网、云计算、大数据及新一代互联网技术建立了各种智能化控制手段，实现了工程全过程智能建造，有效控制了工程风险，安全、高效地实现了工程建设目标。
港珠澳大桥是我国继三峡工程、青藏铁路、京沪高铁之后又一重大基础设施项目，是具有国家战略意义的世界级超大型跨海通道。大桥跨越珠江口伶仃洋海域，东连香港、西接珠海、澳门，总长约35.6km。其中，岛隧工程是港珠澳大桥主体工程的控制性工程。隧道全长约6.7km，是迄今为止全球范围内长度最长、埋深最深、规模最大、综合难度最大的外海沉管隧道。
岛隧工程建设环境复杂，受自然条件、施工环境限制条件双重约束，自然条件包括气象、水文、地质、生物等；施工环境包括生态、航道与锚地、管线、航空限高等[1]，如表1所示。
岛隧工程技术挑战大，沉管预制、隧道基础、管节浮运安装等每一道工序对作业能力、控制精度都提出了极高要求。传统经验式控制方法无法满足要求，需要利用智能化设备与技术，达到水下施工可视、可知，可动态实施调整，精准、有效控制，实现建设目标。
表1 岛隧工程建设环境条件
因素总体描述细分因素气象工程区域气候复杂多变,灾害性天气频繁,受台风、季风、强对流天气影响气温、降水、风、雾、雷暴水文人工岛工程位于伶仃洋海域,汇集珠江入海四个口门的径流,径流大伶仃洋水下浅滩和深槽相间,地形复杂、岛屿众多,受地形、潮汐、径流等的综合作用,水动力条件复杂潮汐、潮流、波浪、泥沙、海水温度、海水盐度地质短距离范围地质情况变化大,工程深厚软土地基、超长深埋、海域回淤强度大地层分布、水的腐蚀性评价海洋生态敏感区穿越中华白海豚保护区核心区,需保护海洋生态环境和物种多样,对噪音及水污染进行控制白海豚 江豚 航道与锚地珠江口是我国水运业最发达、最繁忙的水域,通航环境复杂,施工及附近水域船舶活动密集航道、锚地、船行波各类管线有1条天然气管道和1条通信电缆线通过施工区域,有2条管线处于施工影响区域航空限高人工岛和隧道临近香港国际机场,施工装备受航空限高严格
(1)沉管预制。岛隧工程是继厄勒海峡隧道后，第二个采用工厂法预制沉管管节的工程，但管节数量、体积均超越前者，管节浇筑采用全断面浇筑，混凝土质量控制、管节几何线形的控制难度大。
(2)基础施工。隧道过渡段地基加固采用挤密砂桩堆载预压施工方法，砂桩打入深度及间距直接影响隧道过渡段地基能否达到沉降控制要求。此外，沉管隧道基槽开挖精度及基床施工平整度等质量标准要求高，远远超出了现行的疏浚工程和水运工程规范要求，常规技术和现有设备难以满足隧道基础施工的质量要求。
(3)管节浮运安装。沉管隧道施工区域地处珠江口，复杂水流和航运条件增加了管节长距离浮运难度。管节安装在深水无掩护条件下进行，一方面施工区域自然环境难以预测，作业窗口选择难度大；另一方面，深水施工控制难度大，水下施工状态数据获取困难，常规的测控手段难以精确控制管节对接过程，作业安全和精度控制面临巨大挑战。
总之，面对环境以及工程技术挑战，岛隧工程迫切需要增强对环境的感知和预测能力，提高施工作业控制精度，通过智能建造将智能技术应用于工程建设领域，有助于实现工程目标。
为应对岛隧工程建设面临的挑战，结合智能建造实际需求，以新一代互联网技术、信息技术及传感技术等为支撑，构建了智能建造平台；研发了一套与工程建设相匹配的智能建造系统；实现了沉管“预制—浮运—安装”全过程智能化施工、数字化管理；有效解决了施工技术难题，在保障工程目标、把控工程风险等方面发挥决定性作用，提升了工程设计、施工及管理水平。
岛隧工程智能建造以信息化为基础，并运用物联网、大数据及云计算等先进技术，创造具有感知储存能力、学习判断能力的智能设备、智能控制系统等，通过人性化输出界面，扩展、延伸工程建设者的感知能力、预测能力、控制能力及作业能力，将机器智能与人类智慧紧密结合，形成人机一体化智能建造系统，使工程建设更为安全、高效[2-4]。
岛隧工程智能建造借助于智能化大型船舶装备、智能化测控系统、智能化工程保障系统实现了以下三大功能：
(1)智能化工程保障系统提升灾害性天气预测能力。智能化工程保障系统以大数据分析技术为基础，通过气象、水文观测设备实时收集数据，并结合历史数据形成气象水文大数据库，运用大型高性能计算机对数据进行分析，对短期、中期及长期气象水文情况作出预测，筛选合理作业窗口。该系统提升了防范灾害性天气、应对海洋环境风险的能力，为工程建设顺利开展提供了保障。
(2)智能化专业船舶装备提升作业能力。岛隧工程建设团队结合传感技术、通信技术、互联网技术等研发了完整的外海条件下沉管隧道智能化施工装备。智能化施工装备集成实时监测、分析成像、远程操控等功能，具备外海深水条件下高精度安装沉管的作业能力，实现基础施工、管节沉放安装等一体化操控，使施工作业更加程序化、数字化、智能化，操控更加便捷，为高精度、高效率建设岛隧工程提供了保障。
(3)智能化测控方法和系统提升感知能力。通过应用测量塔、无线声呐等精密测控仪器组成智能化深水测控系统，有效解决传统测控手段精度控制较低、稳定性不强、易受外界干扰、对作业环境要求高、安装拆卸不便及需潜水员配合完成等不足之处，提升了建设团队对深水环境下沉管管节姿态、空间位置及海流状态的感知能力，为管节安装提供了更加全面可靠的数据信息，保证管节安装的高精度。
岛隧工程建设团队以大数据为基础，通过智能技术获取数据，运用计算机与处理模型相匹配的智能系统，进行大量系统训练，并借助新一代通讯信息技术，构建起“机智—人智”协同的智能建造平台。
智能建造平台由感知层、网络层、数据层、应用支撑层及应用层组成(见图1)。感知层感知施工现场的基础数据信息，数据信息由网络层传输到数据层，通过应用支撑层的相关技术进行数据处理，最终在应用层形成各种智能控制系统，辅助工程建设者进行决策[5-7]。
图1 港珠澳大桥岛隧工程智能建造平台
(1)感知层。感知是实现智能的前提，感知层是智能建造平台的基础，借助卫星、GPS/GIS、测量塔/声呐等物联网技术、传感技术，全过程、全方位感知周边环境，采集施工现场中的位置、距离、温度、湿度等各类数据信息，类似人的眼睛等感官。
(2)网络层。网络层利用光纤通信网、WIFI等技术将感知层采集的各类数据信息传输至数据层，是感知层与数据层的信息传输通道，类似人体神经系统，实现系统内部各要素之间，以及系统内部与外部之间的交互。
(3)数据层。数据层中存储着大量的数据信息资源，借助数据库、云存储等智能存储手段，实现信息资源的有效存储和共享。数据层由基础数据信息整合构成基础数据库、业务数据库以及云存储等，是进一步数据分析的基础。
(4)应用支撑层。应用支撑层是智能建造平台的运算中心，类似于大脑，包含数据挖掘、人工神经网络、超算等数据处理技术及设备，实现数据融合、应用融合。数据融合即数据处理整合过程，实现大数据的汇聚、存储、挖掘分析并以数字化形式展现；应用融合即应用支撑层为应用层提供一体化支撑平台，进行应用开发、管理、协同、集成等操作。
(5)应用层。应用层是在感知层、网络层、数据层、应用支撑层基础上形成的一系列智能化应用系统，为项目建设提供可交互智能服务，如作业窗口管理系统、沉管对接保障系统等，类似于人的躯干。
岛隧工程沉管智能安装系统由14个子系统构成，包含6个沉管安装保障系统及8个水下无人作业沉管安装系统，是智能建造平台的核心部件，对应应用层,如表2所示。
在岛隧工程施工过程中，工程建设团队围绕“精准保障沉管安全施工”的目标，根据工程实际需求，历时2年半，自主研发了一整套高度集成的外海沉管安装保障系统，搭建起可实现“机智—人智”结合的信息交换平台，如图2所示。
表2 沉管安装智能系统
总系统一级子系统二级子系统沉管安装智能系统作业窗口管理系统对接保障系统回淤预警预报系统沉管安装保障系统异常波预警系统运动姿态监控系统结构安全监控系统智能安装装备管节浮运导航系统压载控制系统对接导向系统水下无人作业安装系统数控拉合系统水力压接系统精调系统测控系统
图2 “机智-人智”结合的信息交换平台
(1)作业窗口管理系统。作业窗口管理系统应用于基床铺设、沉管浮运安装等施工前气象、水文预报，由位于北京的预报中心服务器、施工现场的水文气象监测系统及岛隧营地的现场保障信息系统构成，采用集散式体系结构，通过采集器集中采集和处理各个分散配置的传感器信号，利用无线网络传输到大型高性能计算机，再经过分析处理形成最终气象、水文预测数据。通过高采样频率、高数据传输率实现了施工区域提前15天、100m空间分辨率、半小时时间分辨率的长历时、小区域、高精度环境预测、预报。
(2)对接保障系统。沉管隧道横流布设，隧道基槽深30余米，外海深槽沉管安装对接保障系统揭示了深槽海流的“齿轮现象”，并通过米级分辨率的三维海流数值预报系统，实现在施工前10-15天进行海流等要素的数值预报，预报精度达到了0.08m/s，为施工提供更精准的预报结果，有效解决了沉管对接的偏位风险。
(3)回淤预警预报系统。回淤预警预报系统，适时预报每个管节安放窗口期基床淤积，实现了基槽泥沙淤积预报从宏观到局部，从“年、月”精确到“逐天”，预报精度从米达到厘米级的精细化，极大地提升了回淤预警、预报的精确度和时效性。
(4)异常波预警系统。异常波预警系统运行时段为每次管节从浮运到安装完成的整个过程，密切关注施工海域异常波发生情况，根据观测到的异常波波高、周期和传播信息，计算异常波的预警时间并及时发布相应的预警信息。
(5)运动姿态监测系统。运动姿态监测系统用于监测水下系泊状态的超大管节相对于平衡位置的短期内超低频运动幅度，实现了对沉管水下晃动、位移、转角等数据的高精度、自动化监测，辅助指挥人员下达操作指令，有效避免沉管导向杆与导向托架相撞，保障沉管安装对接精度及安全。
(6)结构安全监控系统。通过在管节关键位置设置观测点，对管节沉降、差异变形、阶段张合量、端封门变形量、管节位移等结构数据进行实时监测，并对采集到的数据进行分析处理，使沉管隧道施工全过程结构及防水安全始终处于可控状态。
通过智能化的导航系统、压载控制系统、对接导向系统、数控拉合系统、水力压载系统、精调系统、深水测控系统及集成操控的智能装备实现了沉管水下无人作业，沉管安装对接流程如图3所示。
(1)智能安装装备——沉管安装船。沉管安装船集沉放对接、远程操控、监测监控等综合功能于一体，可通过远程控制系统及监测控制系统，遥控操作沉管安装全过程，是保证沉管安装的智能中枢。
图3 沉管安装对接流程
图4 管节浮运导航系统
(2)管节浮运导航系统。浮运导航系统(见图4)由UPS、计算机、GPS、电台、无线AP等设备组成，可实时记录沉管的运动轨迹，并在沉管首端尾端显示沉管的运动轨迹点，提供沉管运动趋势，及时调整拖轮航向及拖力保证沉管浮运姿态。通过人性化、可视化、系统化的控制界面，实现了浮运拖轮统一指挥。
(3)压载控制系统。压载控制系统通过向水箱内注水或者排水来控制管节的浮力和姿态，系统集成了监控系统，可以将管节内部监控画面实时传输至指挥室，操作人员能够进行远程操控。
(4)对接导向系统。对接导向系统主要由导向托架及导向杆组成，管节着床后能够根据偏移量大小精确调整管节轴线位置以满足控制要求。
(5)数控拉合系统。数控拉合系统待安管节沉放于碎石基床后，将待安管节拉向已安管节并压缩GINA止水带，整个拉合过程由安装船上操作人员远程控制。实时监控千斤顶拉合距离，通过数据计算，在主控台界面上显示两管节端面间距，实时显示拉合力大小，实现水下无人自动搭接。
(6)压接系统。水力压接系统位于已安管节尾端，压接时排除结合腔海水，实时监测压接过程中的压力和排水量，并最终形成图形，有利于水力压接过程控制和事后分析。
(7)精调系统。精调系统采用高精度传感器和集成化控制系统，包括沉管精调千斤顶系统、千斤顶油泵控制系统、界面显示系统等，实现高自动化、全功能遥控操控。
(8)测控系统。为解决深水作业条件下，测控系统运用测量塔及声呐，可实时反馈管节三维坐标，感知深水环境下管节状态，保障管节安装精度。
为解决港珠澳大桥岛隧工程建设面临的风险与挑战，构建了智能建造平台，开发了各种智能控制系统，扩展了人们的感知能力、预测能力、控制能力及作业能力，使工程建设诸多技术难题变为力所能及；实现了对工程的可视、可知、可测、可控；水下作业的自动化、无人化，提高了施工精细化、标准化管理水平；工程风险得到有效控制，保障了工程品质与建设效率。保护开发海洋，发展蓝色经济是未来城市化战略的重要组成部分，岛隧工程智能建造的探索与实践，提升了我国海洋工程建设管理水平，促进了城市与海洋和谐共处，为今后我国海洋大型基础设施建设提供了有益参考。
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