智能大壩發(fā)展階段和實(shí)踐路徑

Development stages and practical paths of smart dam

柴福鑫，辛建達(dá)，程恒，張磊

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)與水安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京

摘要：在全球氣候變化影響加劇背景下，大壩面臨的環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜極端，構(gòu)建智能大壩是保障大壩高水平安全、高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，是壩工技術(shù)發(fā)展的必然。系統(tǒng)闡述了智能大壩的發(fā)展階段和實(shí)踐路徑。根據(jù)功能需求與技術(shù)可行性，智能大壩發(fā)展分為三個(gè)階段：初級(jí)階段，搭建起比較完備的監(jiān)測(cè)感知體系，主要依托傳統(tǒng)理論方法結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)分析診斷，決策與調(diào)控依賴人工完成；中級(jí)階段，升級(jí)為完備的監(jiān)測(cè)感知體系，分析診斷以仿真技術(shù)為核心，決策與調(diào)控借助智能化輔助決策平臺(tái)實(shí)現(xiàn)；高級(jí)階段，構(gòu)建起透徹的監(jiān)測(cè)感知體系，分析診斷、決策及調(diào)控全過(guò)程由人工智能技術(shù)主導(dǎo)。智能大壩的實(shí)踐路徑是數(shù)字孿生，通過(guò)映射物理大壩與數(shù)字大壩構(gòu)建同步仿真運(yùn)行平臺(tái)，對(duì)大壩性態(tài)全要素和運(yùn)行管理全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化映射、智能化模擬，虛實(shí)交互、耦合優(yōu)化，提升調(diào)度指揮的科學(xué)性與安全性。在此基礎(chǔ)上分階段、分類別推進(jìn)智能大壩建設(shè)，推動(dòng)大壩建設(shè)與運(yùn)維模式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性變革。

關(guān)鍵詞：智能大壩；監(jiān)測(cè)感知；分析診斷；決策調(diào)控；數(shù)字孿生

作者簡(jiǎn)介：柴福鑫，正高級(jí)工程師，主要從事防洪減災(zāi)技術(shù)研究。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.011

智能大壩建設(shè)是應(yīng)對(duì)全球氣候變化挑戰(zhàn)、推動(dòng)水利工程現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的核心路徑，其發(fā)展歷程與技術(shù)迭代深刻影響著水安全與資源高效利用。在傳統(tǒng)工程管理模式難以適應(yīng)全球極端天氣事件頻發(fā)背景下，智能大壩通過(guò)融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，正逐步實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)防御”到“主動(dòng)預(yù)判”范式轉(zhuǎn)變。習(xí)近平總書記在黨的二十大報(bào)告中指出要“構(gòu)建現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系”，在主持中央政治局第十一次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)“發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力是推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求和重要著力點(diǎn)”。水利部部長(zhǎng)李國(guó)英指出，構(gòu)建智能大壩是應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)、把握時(shí)代之變、塑造發(fā)展動(dòng)能的關(guān)鍵之舉。智能大壩是壩工事業(yè)現(xiàn)代化的重要方向，基于我國(guó)水庫(kù)大壩建設(shè)管理的現(xiàn)實(shí)需求，深入研究智能大壩發(fā)展階段與實(shí)踐路徑，對(duì)于提升大壩現(xiàn)代化水平、保障流域安全和水資源高效利用具有重要意義，是推動(dòng)水利工程智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵任務(wù)。

智能大壩發(fā)展階段

智能大壩建設(shè)統(tǒng)籌考慮功能需求與技術(shù)可能，分階段逐步推進(jìn)，在應(yīng)用中不斷迭代升級(jí)，可分為初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三個(gè)發(fā)展階段。

智能大壩發(fā)展階段

①初級(jí)階段：具有基礎(chǔ)完善的監(jiān)測(cè)感知體系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)主要物理量的監(jiān)測(cè)與感知，分析診斷以傳統(tǒng)理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)為核心，決策控制與調(diào)控依賴人工操作，側(cè)重?cái)?shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)及人工處理，實(shí)時(shí)性與交互性較弱。

當(dāng)前我國(guó)大型水庫(kù)大壩已建立了較為完善的監(jiān)測(cè)感知體系，但由于70%以上中小型水庫(kù)建于20世紀(jì)50—70年代，普遍存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、老化失修嚴(yán)重、監(jiān)測(cè)手段原始等問(wèn)題，中小型水庫(kù)智能大壩建設(shè)底子薄、基礎(chǔ)弱。為提升中小型水庫(kù)防汛預(yù)警能力、優(yōu)化水資源管理，我國(guó)自2021年全面啟動(dòng)中小型水庫(kù)智能化改造項(xiàng)目，“十四五”以來(lái)，完成425座大中型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)、5.1萬(wàn)余座小型水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)和5.7萬(wàn)余座雨水情測(cè)報(bào)設(shè)施建設(shè)，監(jiān)測(cè)覆蓋率與自動(dòng)化程度大幅度提高，水庫(kù)安全管理已基本實(shí)現(xiàn)從“模糊感知”到“精準(zhǔn)掌控”的跨越式轉(zhuǎn)變。例如：江西新干縣作為全國(guó)首批試點(diǎn)縣，為98座小型水庫(kù)安裝滲壓計(jì)、量水堰等設(shè)施，整合滲流、位移、水位等8類數(shù)據(jù)接入省級(jí)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大壩安全指標(biāo)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與科學(xué)處置；安徽龍河口水庫(kù)引入北斗高精度位移監(jiān)測(cè)與機(jī)器視覺(jué)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航系統(tǒng)，構(gòu)建了全天候立體感知網(wǎng)絡(luò)，大壩監(jiān)測(cè)精度和巡查效率顯著提升；云南彌勒市通過(guò)部署“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)壩體毫米級(jí)形變實(shí)時(shí)捕捉，配合AI視頻分析自動(dòng)識(shí)別管涌等13類風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警響應(yīng)時(shí)間大幅度縮短。智能化改造正推動(dòng)中小型水庫(kù)從被動(dòng)應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)向主動(dòng)防控、從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)?？傮w而言，目前我國(guó)大部分已建水庫(kù)大壩已構(gòu)建起適應(yīng)工程需求的監(jiān)測(cè)感知基礎(chǔ)，但大部分水庫(kù)尤其中小型水庫(kù)大壩的分析診斷仍主要依賴傳統(tǒng)理論與經(jīng)驗(yàn)積累，決策控制依賴人工操作，處于智能大壩建設(shè)初級(jí)階段。

②中級(jí)階段：具備系統(tǒng)完備的監(jiān)測(cè)感知體系，可覆蓋上下游庫(kù)區(qū)、大壩及河道的各類物理量，分析診斷以仿真技術(shù)為核心，依托智能輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)控，側(cè)重?cái)?shù)據(jù)分析與輔助決策，具備初步自動(dòng)化調(diào)控能力，實(shí)時(shí)性與交互性良好。

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展數(shù)字孿生工程、在線監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)以及矩陣管理的水庫(kù)大壩工程處于中級(jí)階段，部分建設(shè)初步達(dá)到了高級(jí)階段。例如：三峽工程構(gòu)建了覆蓋壩體、庫(kù)區(qū)及上下游河道的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)，布設(shè)萬(wàn)余個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)采集壩體應(yīng)力、水位、流速及氣象數(shù)據(jù)；“數(shù)字孿生三峽”平臺(tái)融合BIM+GIS技術(shù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與三維模型聯(lián)動(dòng)，動(dòng)態(tài)渲染壩體變形、滲流場(chǎng)等狀態(tài)，直觀展示船閘運(yùn)行時(shí)序；建立的壩體三維有限元實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，將采集的龐大監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)清洗后輸入模型，模擬不同水位組合下的壩體位移響應(yīng)，預(yù)測(cè)壩體變形趨勢(shì)；平臺(tái)通過(guò)整合雨水情等數(shù)據(jù)，運(yùn)用流域預(yù)報(bào)模擬成果，結(jié)合防洪調(diào)度出庫(kù)流量，對(duì)比分析不同調(diào)度方案下的水庫(kù)輸沙排沙效果、庫(kù)區(qū)淤積量及淤積分布等，預(yù)演多種調(diào)度情景。小浪底工程聚焦黃河水沙特性，部署泥沙濃度、壩前沖淤等專項(xiàng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，結(jié)合衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)庫(kù)區(qū)淤積；通過(guò)開(kāi)發(fā)水沙耦合仿真模型，利用多年調(diào)水調(diào)沙數(shù)據(jù)訓(xùn)練算法，模擬不同來(lái)水條件下的庫(kù)區(qū)沖淤過(guò)程，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)排沙效率；結(jié)合實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整出庫(kù)流量，具備了突發(fā)險(xiǎn)情的快速響應(yīng)能力，呈現(xiàn)出智能大壩建設(shè)中級(jí)階段“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、人機(jī)協(xié)同”的特征。

③高級(jí)階段：構(gòu)建全域透徹的監(jiān)測(cè)感知體系，可實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)、大壩及上下游河道全要素全過(guò)程的透徹感知，深度融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，以人工智能為核心開(kāi)展分析、決策與調(diào)控，具備自主感知、診斷、決策、執(zhí)行及學(xué)習(xí)能力，擁有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”及智能防洪、水資源調(diào)控等功能，可支撐工程智能運(yùn)維與效益最大化。

智能大壩建設(shè)的高級(jí)階段是智能大壩的最終建設(shè)目標(biāo)，具有強(qiáng)大的自主感知能力、自主分析診斷能力、自主決策控制能力和自主學(xué)習(xí)能力。例如：作為智能大壩建設(shè)期試點(diǎn)的古賢水利樞紐工程，通過(guò)研發(fā)參數(shù)化建模與大壩智能設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)碾壓混凝土重力壩、水工隧洞、金屬結(jié)構(gòu)、電站廠房的智能設(shè)計(jì)；研發(fā)大壩施工仿真與動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩施工組織設(shè)計(jì)方案的仿真預(yù)演等。作為智能大壩運(yùn)行期試點(diǎn)的西藏旁多水利樞紐補(bǔ)齊信息化監(jiān)測(cè)短板，構(gòu)建“天空地水工”一體化全要素全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系，通過(guò)整合衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、視頻監(jiān)控、北斗應(yīng)用等新設(shè)備和新技術(shù)形成全方位、多維度監(jiān)控網(wǎng)；通過(guò)開(kāi)展?jié)畏治鲇?jì)算進(jìn)行下游洪水淹沒(méi)模擬計(jì)算，精準(zhǔn)掌握下游區(qū)域淹沒(méi)范圍人員分布，劃定風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位及區(qū)域，實(shí)現(xiàn)有效預(yù)警，確保下游河道安全，呈現(xiàn)出智能大壩建設(shè)高級(jí)階段“人機(jī)融合與自主決策、全域協(xié)同與動(dòng)態(tài)適配”躍升性特征，實(shí)現(xiàn)從“輔助支持”向“自主智能”的質(zhì)變。

智能大壩實(shí)踐路徑

智能大壩是壩工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其全面實(shí)踐是一個(gè)長(zhǎng)期漸進(jìn)過(guò)程，依賴前沿技術(shù)突破與多學(xué)科深度融合。智能大壩的實(shí)踐路徑之一是數(shù)字孿生，通過(guò)耦合物理大壩與數(shù)字大壩，構(gòu)建同步仿真運(yùn)行平臺(tái)，對(duì)大壩性態(tài)全要素和運(yùn)行管理全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化映射、智能化模擬，虛實(shí)交互、耦合優(yōu)化，提升調(diào)度指揮的科學(xué)性與安全性，通過(guò)強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)、突破關(guān)鍵技術(shù)、開(kāi)展先行先試、完善標(biāo)準(zhǔn)體系等舉措，分階段、分類別推進(jìn)智能大壩建設(shè)。

物理大壩和數(shù)字大壩交互

智能大壩實(shí)踐路徑

1.在役工程

對(duì)于在役工程，全面評(píng)估其結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)度情況及管理流程，據(jù)此明確智能化升級(jí)的需求和目標(biāo)，提出感知、診斷、控制、調(diào)度、算力等系統(tǒng)的升級(jí)改造方案，選取適配的軟硬件技術(shù)和設(shè)備逐步實(shí)施改造并聯(lián)調(diào)聯(lián)試；收集運(yùn)行信息，總結(jié)試點(diǎn)中存在的問(wèn)題，為后續(xù)迭代改進(jìn)提供依據(jù)。圍繞“監(jiān)測(cè)補(bǔ)盲、模型升級(jí)、決策自主”關(guān)鍵核心，構(gòu)建“全域感知—智能診斷—自主調(diào)控”閉環(huán)體系。通過(guò)開(kāi)展系統(tǒng)評(píng)估、精準(zhǔn)改造、能力補(bǔ)強(qiáng)、持續(xù)優(yōu)化，構(gòu)建高效可持續(xù)的在役智能大壩體系。在役工程的升級(jí)改造流程應(yīng)因壩施策、漸進(jìn)改造，以智能技術(shù)賦能提升在役工程“可感、可知、可控”能力。

（1）監(jiān)測(cè)體系全域化改造

在役工程需以“補(bǔ)盲、提質(zhì)、自主”為核心，構(gòu)建覆蓋壩體、庫(kù)區(qū)及上下游河道的全要素感知網(wǎng)絡(luò)。在硬件層面，增設(shè)高精度分布式傳感設(shè)備、北斗終端等先進(jìn)設(shè)備，形成天空地一體化監(jiān)測(cè)矩陣，實(shí)現(xiàn)從單點(diǎn)監(jiān)測(cè)向全域感知的轉(zhuǎn)變。截至2024年年底，現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣全國(guó)平臺(tái)基本建成，8246座水庫(kù)開(kāi)展了矩陣建設(shè)。上海、吉林、浙江等省（直轄市）以及廣東省永漢河等流域已基本建成區(qū)域矩陣平臺(tái)；小浪底、丹江口、萬(wàn)家寨、大藤峽、密云等水庫(kù)大壩已基本建成數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)并上線運(yùn)行。以提升水庫(kù)現(xiàn)代化測(cè)報(bào)能力為目標(biāo)，聚焦流域防洪與水庫(kù)調(diào)度需求，2023年7月，水利部啟動(dòng)由氣象衛(wèi)星和測(cè)雨雷達(dá)、雨量站、水文站組成的雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”建設(shè)。通過(guò)研發(fā)產(chǎn)匯流水文模型、水動(dòng)力洪水演進(jìn)模型等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云中雨—落地雨—河道徑流全過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期和提高洪水預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度的有效統(tǒng)一。2025年年底前實(shí)現(xiàn)氣象衛(wèi)星強(qiáng)降雨預(yù)警全覆蓋，在重點(diǎn)區(qū)域開(kāi)展測(cè)雨雷達(dá)試點(diǎn)，初步構(gòu)建雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”；2035年年底全面建成雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”。目前已在山東大汶河、北京永定河等流域落地應(yīng)用，為智能大壩建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。

（2）分析診斷智能化升級(jí)

基于既有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)積累，構(gòu)建多維度智能分析模型。針對(duì)壩體結(jié)構(gòu)性態(tài)，開(kāi)發(fā)融合有限元理論與深度學(xué)習(xí)算法的混合診斷模型，自主識(shí)別裂縫擴(kuò)展、材料劣化等隱性風(fēng)險(xiǎn)，并預(yù)測(cè)大壩性態(tài)演變趨勢(shì)。針對(duì)水文過(guò)程，引入時(shí)空序列預(yù)測(cè)算法，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)生成未來(lái)入庫(kù)流量過(guò)程，支撐防洪與興利調(diào)度決策。在數(shù)據(jù)治理方面，建立全生命周期數(shù)據(jù)清洗模型，自動(dòng)識(shí)別異常值、缺失值并完成修復(fù)；構(gòu)建工程知識(shí)圖譜，整合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)維記錄及專家經(jīng)驗(yàn)，形成可動(dòng)態(tài)更新的規(guī)則庫(kù)，為智能診斷提供知識(shí)支撐。為響應(yīng)水利現(xiàn)代化要求，提升水利工程管理水平，三峽、小浪底、丹江口、大藤峽、萬(wàn)家寨、太浦閘等重大水利樞紐加快推進(jìn)數(shù)字孿生建設(shè)。通過(guò)構(gòu)建數(shù)字孿生平臺(tái)，完善水利感知網(wǎng)、信息網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，搭建數(shù)據(jù)底板，開(kāi)發(fā)專業(yè)與智能識(shí)別模型，圍繞防洪調(diào)度、工程安全、庫(kù)區(qū)管理等業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”功能，針對(duì)各樞紐特點(diǎn)開(kāi)展特色應(yīng)用建設(shè)。

（3）預(yù)警防控系統(tǒng)化強(qiáng)化

構(gòu)建多層級(jí)水位監(jiān)測(cè)體系，結(jié)合激光測(cè)距與視頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)壩頂水位的厘米級(jí)實(shí)時(shí)感知。開(kāi)發(fā)暴雨洪水耦合模型，整合流域雨情、產(chǎn)匯流數(shù)據(jù)，提前預(yù)判漫頂風(fēng)險(xiǎn)，并生成分級(jí)預(yù)警閾值。配套建設(shè)智能應(yīng)急體系，包括壩頂防漫頂擋墻自動(dòng)升降裝置、庫(kù)區(qū)周邊聲光預(yù)警終端，形成“監(jiān)測(cè)—預(yù)警—處置”閉環(huán)調(diào)控體系。目前，三峽實(shí)現(xiàn)1.2萬(wàn)多個(gè)測(cè)點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)，支撐長(zhǎng)江2024年第1號(hào)洪水防御，小浪底智能系統(tǒng)連續(xù)3年支撐調(diào)水調(diào)沙，丹江口在2023年秋汛中實(shí)現(xiàn)大壩性態(tài)動(dòng)態(tài)推演，大藤峽、萬(wàn)家寨、太浦閘等在防洪、工程安全、庫(kù)區(qū)管理等方面成效顯著，有力提升了水利工程調(diào)度與管理的科學(xué)化、精準(zhǔn)化水平，為水利高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

（4）功能適配差異化提升

針對(duì)以防洪為主的在役工程，強(qiáng)化流域協(xié)同調(diào)度能力，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)共享接口，實(shí)現(xiàn)與上下游水庫(kù)的實(shí)時(shí)信息交互。構(gòu)建防洪風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型，可根據(jù)來(lái)水情景自主調(diào)整調(diào)度策略，在保障安全的前提下提升洪水資源利用率。對(duì)于以供水為核心功能的在役工程，重點(diǎn)升級(jí)水資源調(diào)配系統(tǒng)。對(duì)于以發(fā)電為主的在役工程，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行控制算法，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，自主選擇開(kāi)機(jī)組合與負(fù)荷分配方案，提升發(fā)電效率。

為提升流域梯級(jí)工程協(xié)同運(yùn)行水平，金沙江下游、大渡河流域推進(jìn)梯級(jí)調(diào)度智能化建設(shè)。金沙江下游構(gòu)建梯級(jí)水電集控系統(tǒng)，整合遠(yuǎn)程監(jiān)控、水庫(kù)調(diào)度等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集與聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控；大渡河流域研發(fā)智能感知設(shè)備，構(gòu)建大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)警模型，建成自學(xué)習(xí)、自預(yù)警、自決策智慧化梯級(jí)電站群。通過(guò)流域梯級(jí)調(diào)度，金沙江下游梯級(jí)集控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閘門遠(yuǎn)程控制成功率100%，年降低運(yùn)維成本超百萬(wàn)元。大渡河流域成功預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害30余次，2022年瀘定地震后快速處置險(xiǎn)情，2020年“8·18”洪水削峰率達(dá)80%。新技術(shù)應(yīng)用提升了資源利用率與防洪能力，為流域防洪安全和資源優(yōu)化利用提供支撐。

2.新建工程

對(duì)于新建工程，根據(jù)其工程等級(jí)、開(kāi)發(fā)任務(wù)等特點(diǎn)，擬定詳細(xì)的設(shè)計(jì)和建設(shè)方案，涵蓋智能建設(shè)及感知、診斷、控制、調(diào)度、算力等系統(tǒng)，確保各系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)以提升大壩整體性能。投入運(yùn)行后，根據(jù)實(shí)際需求持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，打造行業(yè)標(biāo)桿，引導(dǎo)其他大壩工程向智能方向發(fā)展。

（1）感知體系的原生構(gòu)建

在設(shè)計(jì)階段即嵌入全域感知理念，形成“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知體系，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)—大壩—下游一體化透徹感知。在壩體混凝土澆筑中同步布設(shè)智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)從施工期到運(yùn)行期的全生命周期監(jiān)測(cè)。針對(duì)庫(kù)區(qū)地形特點(diǎn)，采用北斗導(dǎo)航、無(wú)人機(jī)航測(cè)等技術(shù)構(gòu)建三維基礎(chǔ)模型，配套部署水質(zhì)、泥沙、氣象等一體化監(jiān)測(cè)站，形成覆蓋壩體、庫(kù)區(qū)、河道的立體感知網(wǎng)絡(luò)。融合BIM與GIS技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生底座，將感知數(shù)據(jù)與三維模型實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)工程狀態(tài)的可視化動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。開(kāi)發(fā)感知設(shè)備自校準(zhǔn)模型，通過(guò)物理場(chǎng)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，自主修正傳感器漂移誤差，確保長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)精度。例如：作為智能大壩建設(shè)期試點(diǎn)的浙江鏡嶺水庫(kù)，研發(fā)基于磁柵技術(shù)的新型混凝土壩應(yīng)力與變形直接監(jiān)測(cè)設(shè)備以及混凝土智能拌和監(jiān)測(cè)設(shè)備，重慶市跳蹬水庫(kù)開(kāi)展工程建設(shè)管理工地“人、機(jī)、料、法、環(huán)”全要素全過(guò)程的即時(shí)感知、實(shí)時(shí)可視、安全在控和環(huán)保監(jiān)控，有效提升大壩智能建設(shè)感知能力。

（2）分析診斷的智能融合

構(gòu)建以物理機(jī)理為根基、AI算法為引擎的融合分析診斷體系，在設(shè)計(jì)階段即植入多維度分析模型框架，整合壩體結(jié)構(gòu)力學(xué)、水文水動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域理論，形成“物理模型+數(shù)據(jù)模型”雙驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。建立全生命周期數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的診斷機(jī)制，開(kāi)發(fā)時(shí)序預(yù)測(cè)模型，提前預(yù)警壩體異常性態(tài)。構(gòu)建情景庫(kù)與推理引擎，模擬強(qiáng)震等極端風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景下的工程響應(yīng)，自動(dòng)生成損傷演化路徑與應(yīng)急處置閾值。打造“診斷-反饋-迭代”閉環(huán)系統(tǒng)，將專家評(píng)估、工程案例作為訓(xùn)練樣本，通過(guò)遷移學(xué)習(xí)優(yōu)化診斷模型泛化能力。例如：以城市供水為主的太平水庫(kù)，在建設(shè)環(huán)節(jié)結(jié)合深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)人員的不安全行為、設(shè)備的不安全狀態(tài)及環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)因素的智能識(shí)別與預(yù)警，有效提升大壩智能建設(shè)分析診斷能力。

（3）智能決策的深度集成

構(gòu)建以AI為核心的決策中樞，整合水文、結(jié)構(gòu)、生態(tài)等多領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和調(diào)控模型，開(kāi)發(fā)自適應(yīng)調(diào)度算法，根據(jù)實(shí)時(shí)雨水情、電力負(fù)荷、生態(tài)流量、缺陷分級(jí)等約束條件，自主生成多目標(biāo)優(yōu)化方案，并通過(guò)數(shù)字孿生仿真預(yù)判方案實(shí)施效果。建立情景推演模型，模擬地震、特大洪水等事件的工程響應(yīng)，提前生成應(yīng)急處置預(yù)案。構(gòu)建工程聯(lián)合調(diào)度及其優(yōu)化求解算法集，實(shí)現(xiàn)面向多調(diào)度方案的智能化優(yōu)選。研發(fā)迭代算法模型，提升決策方案與實(shí)際需求的匹配度，在支持系統(tǒng)自主決策的同時(shí)，允許人工干預(yù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智能與經(jīng)驗(yàn)的有機(jī)融合。例如：對(duì)于以防洪減淤、水資源調(diào)蓄為首要功能的古賢水利樞紐工程，通過(guò)強(qiáng)化流域協(xié)同能力，構(gòu)建跨區(qū)域數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與上下游水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度。開(kāi)發(fā)洪水演進(jìn)數(shù)字孿生系統(tǒng)，精準(zhǔn)模擬洪水在流域內(nèi)的傳播過(guò)程，為錯(cuò)峰調(diào)度提供量化支撐。配套建設(shè)生態(tài)流量智能調(diào)控設(shè)施，在防洪的同時(shí)保障河道生態(tài)用水需求，有效提升大壩智能建設(shè)決策能力。

（4）算力系統(tǒng)的全域支撐

通過(guò)搭建存儲(chǔ)資源、計(jì)算資源、高速網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)共享和應(yīng)急通信系統(tǒng)，形成算力支撐體系，為新建工程智能分析、決策提供全域算力保障。構(gòu)建算力調(diào)度接口，滿足極端工況仿真、大尺度流域協(xié)同分析等超算需求。開(kāi)發(fā)智能算力調(diào)度算法，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)與實(shí)時(shí)負(fù)載動(dòng)態(tài)分配資源；配套建設(shè)算力安全防護(hù)體系，確保數(shù)據(jù)傳輸與計(jì)算過(guò)程的安全性，為智能大壩的自主感知、分析、決策提供持續(xù)可靠的算力支撐。

結(jié)論

構(gòu)建智能大壩是應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)、把握時(shí)代之變、塑造發(fā)展動(dòng)能的關(guān)鍵舉措。本文系統(tǒng)闡述了智能大壩的發(fā)展階段和實(shí)踐路徑，為智能大壩建設(shè)提供了目標(biāo)指引和步驟規(guī)劃，助力智能大壩建設(shè)科學(xué)、高效、穩(wěn)步落地。

智能大壩建設(shè)需遵循技術(shù)演進(jìn)規(guī)律，分階段穩(wěn)步推進(jìn)。初級(jí)階段以搭建基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)體系為核心，決策模式仍以人工為主導(dǎo)；中級(jí)階段依托仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)輔助決策與初步自動(dòng)化調(diào)控，管理效率得到顯著提升；高級(jí)階段則通過(guò)人工智能深度賦能，達(dá)成全流程智能化管理，實(shí)現(xiàn)自主感知、診斷、決策與優(yōu)化。其中，數(shù)字孿生技術(shù)作為貫穿各階段的核心實(shí)施路徑，通過(guò)物理實(shí)體與虛擬模型的實(shí)時(shí)虛實(shí)耦合，有效增強(qiáng)大壩運(yùn)行的安全性與調(diào)度的科學(xué)性，為各階段目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

未來(lái)將分級(jí)分類加快推進(jìn)智能大壩建設(shè)，在應(yīng)用實(shí)踐中不斷迭代升級(jí)，并推動(dòng)其與數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)有效銜接，加速水利行業(yè)智能化進(jìn)程。

Abstract: Under the background of intensifying of global climate change, dam construction faces more challenges and complex environments. Smart dam construction becomes the key to ensure high-level dam safety and high-quality development and inevitable for dam engineering technology development. A systematic analysis was conducted on stages and practical paths of smart dam development. According to functions and technical feasibility, its development is divided into three stages. In the primary stage, a relatively complete monitoring and perception system shall be built to rely on traditional theoretical methods combined with lessons learned from projects for decision-making and regulation by man. In the intermediate stage, a complete monitoring and perception system is upgraded with simulation technology as the core for analysis and diagnosis and an intelligent platform for decision-making and regulation. In the advanced stage, a comprehensive monitoring and perception system shall be set up, with the entire process of analysis, diagnosis, decision-making, and regulation led by artificial intelligence technology. Digital twin shall be the practical path for smart dam development, with a synchronous simulation operation platform by mapping physical and digital dams. It digitally maps and intelligently simulates all elements of dam behavior and the entire process of operation and management, and optimizes virtual real interaction and coupling to realize scientificity and safety of scheduling and commanding. Based on the above, it aims to boost smart dam construction and facilitate systematic reform in dam construction and operation.

Keywordssmart dam; monitoring perception; analysis and diagnosis; decision-making and control; digital twin

本文引用格式：

柴福鑫，辛建達(dá)，程恒，智能大壩發(fā)展階段和實(shí)踐路徑[J].中國(guó)水利，2025（16）：66-71.

封面攝影郭曉敏

責(zé)編楊文杰

校對(duì)李盧祎

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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