水庫大壩智慧運維技術(shù)創(chuàng)新與實踐

Innovation and practice of smart operation and maintenance technologies for reservoir dams

向衍戴波王亞坤

1.水利部 交通運輸部 國家能源局南京水利科學研究院，210029，南京；2.水利部大壩安全管理中心，210029，南京

摘要：我國水庫大壩數(shù)量多、壩齡長、類型復(fù)雜，環(huán)境變化與強人類活動影響等帶來諸多現(xiàn)實挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)運維模式已難以滿足“全生命周期管理”和“精準化防控”需求。梳理了我國水庫大壩安全運維發(fā)展歷程，分析了我國水庫大壩運維面臨的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)闡述了水庫大壩智慧運維內(nèi)涵與特征，明晰了“透徹感知、自主分析、智能決策、精準執(zhí)行”的大壩全生命周期運維管理邏輯，建立了基于OODA-PDCA的新時代水庫大壩智慧運維體系，從透徹感知、風險態(tài)勢分析、科學決策和處置措施等方面概述了水庫大壩智慧運維關(guān)鍵技術(shù)，并通過區(qū)域大壩風險實時預(yù)警平臺實踐案例驗證了技術(shù)體系的可行性。水庫大壩智慧運維已成為保障水利基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全的核心路徑，為提升水庫大壩運維效能、保障工程安全提供理論支撐與實踐參考。

關(guān)鍵詞：水庫大壩；智慧運維；透徹感知；風險態(tài)勢；科學決策；處置措施

作者簡介：向衍，水利部大壩安全管理中心副主任，正高級工程師，主要從事水庫大壩安全管理、高壩水下檢測與修復(fù)加固裝備研發(fā)等研究

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.013

我國水庫大壩運行維護發(fā)展歷程

水安全是涉及國家長治久安的大事，水庫大壩作為構(gòu)建流域防洪工程體系的重要組件、建設(shè)國家水網(wǎng)的重要結(jié)點、復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的重要支撐，是保障水安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施與關(guān)鍵屏障。水庫大壩運行維護不僅要保障自身安全，還需服務(wù)于防洪、供水、灌溉、生態(tài)補水等多任務(wù)協(xié)同。通過健全安全管理法規(guī)制度、落實大壩安全責任制、推進水管體制改革、強化依法依規(guī)和應(yīng)急管理等扎實有效工作，我國水庫大壩安全狀況與管理條件得到根本性改善，2000年以來年均潰壩率降至0.05‰以下，進入低潰壩率國家行列，2022—2024年首次實現(xiàn)連續(xù)3年水庫無一垮壩。大壩運維作為依法依規(guī)管理核心環(huán)節(jié)和日常管理重要工作之一，在保障水庫大壩安全中起著舉足輕重的作用。

水庫大壩運維是通過監(jiān)測、檢查、養(yǎng)護、修理等措施，維持工程結(jié)構(gòu)安全、功能完整并延長其使用壽命的全生命周期管理活動?！秶鴦?wù)院辦公廳關(guān)于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》（國辦發(fā)〔2021〕8號）提出，全面落實水庫安全管理責任制，加強水庫運行管護，提升信息化管理能力。《水利部關(guān)于加快構(gòu)建現(xiàn)代化水庫運行管理矩陣的指導意見》（水運管〔2023〕248號）中提到，加強除險、體檢、維護、安全“四管”工作，加強水庫維修養(yǎng)護，強化水庫安全保障。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展與大壩安全管理技術(shù)進步，運維技術(shù)也從傳統(tǒng)的人工巡檢、經(jīng)驗判斷逐步向自動化、智能化、數(shù)字化、精細化方向演變。我國水庫大壩安全管理發(fā)展歷程及潰壩年際分布情況見下圖，大體可分為被動維護、強化運維、數(shù)字化運維和智慧化運維創(chuàng)新4個階段。

大壩安全管理發(fā)展歷程及全國潰壩年際分布情況

1.被動維護階段（新中國成立—改革開放前）

新中國成立初期，水利工程作為治國安邦的戰(zhàn)略支撐，首要任務(wù)是解決防洪減災(zāi)和農(nóng)業(yè)灌溉問題，大壩建設(shè)以“數(shù)量優(yōu)先、快速投產(chǎn)”為導向，以“重建輕管”為特征，先天存在質(zhì)量隱患，運維長期處于被動應(yīng)對狀態(tài)。早期人工巡檢依賴看、聽、摸、敲等經(jīng)驗方法，僅能定性判斷表觀缺陷，精度和范圍受限。數(shù)據(jù)記錄靠紙質(zhì)臺賬，安全管理技術(shù)尚未成熟，缺乏專業(yè)培訓后的運維人員，巡檢周期不固定。對于壩體裂縫、滲漏等問題，多采用臨時修補，缺乏系統(tǒng)加固方案。重建輕管導致大量水庫大壩帶病運行，面對洪水和地震等自然災(zāi)害，無有效的預(yù)防、控制及應(yīng)對體系，缺乏專項維護資金，運維效率低、成本高，導致潰壩事故時有發(fā)生。

2.強化運維階段（改革開放—20世紀90年代末）

改革開放以來，通過制度建設(shè)、技術(shù)引進升級、資金支持和人才培養(yǎng)等多方面發(fā)展，構(gòu)建系統(tǒng)化運維體系，運維從“被動搶護”轉(zhuǎn)向“定期維護”。啟動水利工程管理體制改革，明確“安全第一，預(yù)防為主”原則，將運維納入法治軌道。推廣定期安全檢查與病險水庫除險加固，水庫大壩安全狀況不斷改善。組建專職運維隊伍，開展常態(tài)化運行維護。傳感器監(jiān)測能連續(xù)采集變形、滲流、應(yīng)變等效應(yīng)量，在空間上主要呈點狀特征，難以定位全域缺陷；物探、鉆探等技術(shù)可獲取空間靜態(tài)信息，但時間離散，難追蹤動態(tài)過程。二者雖實現(xiàn)定量化，但時空數(shù)據(jù)割裂導致難以系統(tǒng)分析大壩安全狀況。

3.數(shù)字化運維階段（21世紀初—2020年）

21世紀以來，我國經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生活改善對水安全提出了新的要求，水安全上升為國家戰(zhàn)略，水利投入持續(xù)增加，水利基礎(chǔ)設(shè)施體系不斷完善，水利管理不斷加強。積極推進水利工程管養(yǎng)分離，通過政府購買服務(wù)方式，鼓勵專業(yè)化隊伍承擔工程維修養(yǎng)護和河湖管護，提高水利工程管理現(xiàn)代化水平。在此基礎(chǔ)上加強了防汛抗旱應(yīng)急管理，不斷完善安全應(yīng)急預(yù)案體系，建立重大安全隱患防范和應(yīng)急機制。通過與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的融合，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略、“互聯(lián)網(wǎng)+”行動、國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略等實施，水利信息化、自動化水平全面提升。部分水庫建立了信息管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、查詢與簡單統(tǒng)計分析，但仍以數(shù)據(jù)展示為主，缺乏深度挖掘與智能決策能力。

4.智慧化運維創(chuàng)新階段（2021年至今）

近年來，隨著智能傳感、人工智能和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，水庫大壩運維工作逐漸從被動式運維轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃语L險感知與安全智能診斷相結(jié)合的運維模式。通過構(gòu)建以多源異構(gòu)數(shù)據(jù)和人工智能算法為核心的風險態(tài)勢感知系統(tǒng)，實現(xiàn)對大壩運行性態(tài)的精細化模擬與監(jiān)控，據(jù)此提升風險預(yù)判的準確性與實時性。同時，以數(shù)字孿生、知識圖譜和專家系統(tǒng)為支撐，集成設(shè)計施工運維信息、“天空地水工”等多源信息，形成閉環(huán)式科學決策機制，可精準制定風險應(yīng)對策略與管理措施，顯著提高大壩運維決策的智能化水平。

水庫大壩運維信息感知技術(shù)發(fā)展

水庫大壩安全運維面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)運維以問題導向為主，聚焦于“故障發(fā)現(xiàn)—缺陷修復(fù)”的閉環(huán)。其模式依賴人工巡檢、定期監(jiān)測和經(jīng)驗判斷，存在監(jiān)測覆蓋不全、數(shù)據(jù)時效性差、風險識別滯后、決策依賴經(jīng)驗等痛點，難以適應(yīng)“全要素感知、全生命周期管理、全鏈條防控”的現(xiàn)代水利管理需求。具體體現(xiàn)在：

1.工程老化與風險積累

我國水庫大壩呈現(xiàn)總量多、小水庫多、壩型多、分布廣等特點。80%的水庫大壩修建于20世紀50—70年代，設(shè)計標準相對較低，工程建設(shè)質(zhì)量參差不齊，且普遍進入“老齡化”階段。工程先天存在結(jié)構(gòu)材料劣化、設(shè)備設(shè)施老化等質(zhì)量隱患，且隱患風險隨時間推移不斷累積，具有“小概率、大災(zāi)難”的典型特征，缺陷處理難度增大，運維工作量增加，運維技術(shù)要求高。

2.復(fù)雜變化環(huán)境下極端事件頻發(fā)

氣候變化通過改變水文循環(huán)，加劇了極端事件發(fā)生的頻率和強度，影響工程設(shè)計、運行調(diào)度和材料特性等，對水工程安全的影響日顯突出。水庫大壩應(yīng)對洪水、強震、地質(zhì)災(zāi)害、異常干旱或低溫、恐怖破壞及非常規(guī)工況等極端事件的應(yīng)急保障能力相對薄弱。大壩出現(xiàn)隱患缺陷的概率和頻率增大，要求運維具有更快感知響應(yīng)速度、決策生成速度和處置執(zhí)行速度，構(gòu)建考慮復(fù)雜環(huán)境不確定性的動態(tài)適應(yīng)性運維策略。

3.管理對象復(fù)雜性與安全需求增強

庫壩系統(tǒng)本質(zhì)上是涉及水工結(jié)構(gòu)、巖土基礎(chǔ)、金屬結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備、水文氣象、生態(tài)環(huán)境等多領(lǐng)域的巨系統(tǒng)復(fù)合體，各系統(tǒng)存在級聯(lián)失效風險，要求運維要從“安全運行”向“精準管理、智慧服務(wù)”延伸。同時，受經(jīng)濟社會發(fā)展、高速城市化和強人類活動影響，流域下墊面發(fā)生了根本性變化，下游保護對象和運維邊界的變化對水庫大壩的功能定位、運行安全提出了更高要求?？紤]下游保護對象和生態(tài)安全保障需求，新時期運維決策的難度增大。

4.運維資源優(yōu)化的內(nèi)在需求

傳統(tǒng)人工巡檢需耗費大量人力物力，且難以高頻次覆蓋所有壩段與監(jiān)測點，導致漏檢、誤檢問題突出?；鶎铀畮旃芾韱挝黄毡槊媾R專業(yè)技術(shù)人員數(shù)量不足、老齡化嚴重、知識結(jié)構(gòu)更新滯后等問題。同時，我國水庫數(shù)量眾多（尤其小型水庫），維護管理成本壓力巨大。依靠人海戰(zhàn)術(shù)的粗放式管理效率低下、成本高昂且難以持續(xù)，迫切需要提質(zhì)增效，以有限資源實現(xiàn)更優(yōu)的安全保障。

發(fā)達國家在水庫大壩安全運維方面也遇到了一定的挑戰(zhàn)。美國水庫大壩老化帶來的安全風險和維護成本正不斷增加，中小型水庫和老舊工程往往存在管理和維護資金不到位的情況。美國土木工程師協(xié)會（ASCE）在2025年美國基礎(chǔ)設(shè)施綜合評估報告中，將大壩評估為D+（較差級，存在風險），指出需要加大年度資金投入來強化大壩安全檢查、監(jiān)測、規(guī)劃和維修養(yǎng)護等方面的安全保障。

新形勢下智慧運維技術(shù)提檔升級

1.內(nèi)涵與特征

為破解水庫大壩運維難題，新時期水庫大壩智慧運維通過融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，推動運維模式從被動響應(yīng)向主動預(yù)控、從經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動、從人工主導向智能協(xié)同轉(zhuǎn)變。通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)賦能，智慧運維可推動實現(xiàn)水庫工程狀態(tài)感知更透徹、風險預(yù)判更精準、調(diào)度決策更科學、處置執(zhí)行更高效，構(gòu)建“透徹感知、自主分析、智能決策、精準執(zhí)行”的大壩全生命周期運維管理體系，實現(xiàn)安全增效、生態(tài)增效與管理增效的協(xié)同優(yōu)化。

智慧運維的內(nèi)涵可概括為“三化”：①感知立體化，構(gòu)建多維多源數(shù)據(jù)透徹感知網(wǎng)絡(luò)，覆蓋大壩全空間維度（表面、內(nèi)部、水下）與環(huán)境要素（氣象、水文、地質(zhì)）；②作業(yè)協(xié)同化，通過智能載具（如巡檢機器人、無人機）與數(shù)智化系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)與遠程控制的協(xié)同聯(lián)動，提升效率與安全水平；③決策智能化，基于大數(shù)據(jù)分析與AI模型，實現(xiàn)風險早識別、早預(yù)警、早處置，量化風險指標，確定處置優(yōu)先級，推動決策模式從經(jīng)驗判斷向模型推演轉(zhuǎn)型。

2.基于OODA-PDCA的水庫大壩智慧運維體系

OODA循環(huán)理論（Observe-Orient-Decide-Act）是由美國空軍上校、軍事戰(zhàn)略家John Boyd在20世紀70年代提出的動態(tài)決策與行動框架。其核心是通過“觀察—調(diào)整—決策—行動”的閉環(huán)迭代，幫助系統(tǒng)在復(fù)雜、快速變化的環(huán)境中（如戰(zhàn)場、危機應(yīng)對等）快速適應(yīng)，搶占主動，本質(zhì)是一種以速度制勝、以迭代優(yōu)化的動態(tài)思維模型。新時期水庫大壩運維核心是及時發(fā)現(xiàn)問題，科學診斷決策，精準高效消除缺陷隱患，防止小病不治、釀成大病。從智慧運維的內(nèi)涵出發(fā)，水庫大壩智慧運維體系可凝煉為感知、診斷、決策、管控4個過程。OODA循環(huán)理論強調(diào)動態(tài)感知、快速響應(yīng)、閉環(huán)迭代，與智慧運維全流程高度契合。

在感知層，通過“天空地水工”一體化感知網(wǎng)絡(luò)實時采集水庫大壩運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)邊緣計算節(jié)點預(yù)處理后上傳至數(shù)據(jù)平臺；診斷層依托“數(shù)據(jù)-機理-知識”三元驅(qū)動模型，通過時空數(shù)據(jù)集、水利專業(yè)模型、水利業(yè)務(wù)規(guī)則、專家知識經(jīng)驗和歷史場景模型等方法手段對大壩隱患缺陷進行識別分析；決策層錨定人員不傷亡、水庫不垮壩、重要堤防不決口、重要基礎(chǔ)設(shè)施不受沖擊“四不”目標，基于評估結(jié)果匹配最優(yōu)處置方案；管控層則確保包括工程安全、防洪安全、供水安全、河道安全、航運安全、信息安全、公共安全和生態(tài)安全等在內(nèi)的系統(tǒng)安全，負責方案執(zhí)行與效果反饋，形成完整的閉環(huán)管理。

在OODA閉環(huán)管理的基礎(chǔ)上，引入質(zhì)量管理和持續(xù)改進領(lǐng)域的經(jīng)典理論PDCA（Plan-Do-Check-Act）循環(huán)，對管控層進行優(yōu)化。PDCA循環(huán)以“持續(xù)迭代、螺旋上升”為核心邏輯，通過固化經(jīng)驗，推動循環(huán)升級，實現(xiàn)管控層流程優(yōu)化。整個過程中，OODA循環(huán)確保系統(tǒng)對突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力，PDCA循環(huán)則提升日常運維的規(guī)范化水平與持續(xù)改進能力，既確保了水庫大壩日常運維的規(guī)范演進，又提升了大壩運維在復(fù)雜突發(fā)應(yīng)急場景下的動態(tài)響應(yīng)和快速迭代水平。

結(jié)合水庫大壩應(yīng)用場景，基于“感知—診斷—決策—管控（OODA）”和“計劃—執(zhí)行—檢查—處理（PDCA）”雙循環(huán)理論的雙螺旋架構(gòu)為實現(xiàn)水庫大壩智慧運維提供了新思路新方法。OODA循環(huán)是對外部變化的快速響應(yīng)，實現(xiàn)從感知到執(zhí)行的實時閉環(huán)，PDCA循環(huán)是管理過程的持續(xù)改進，二者相輔相成，共同推動系統(tǒng)效能螺旋式上升。通過建立虛實交互的閉環(huán)管控機制，構(gòu)造具有自學習、自優(yōu)化特性的全生命周期安全運維體系。

基于OODA-PDCA的水庫大壩智慧運維體系

水庫大壩智慧運維關(guān)鍵技術(shù)及實踐應(yīng)用

1.智慧運維透徹感知網(wǎng)絡(luò)

利用衛(wèi)星遙感定期獲取水庫大壩全局影像，基于深度學習的遙感數(shù)據(jù)智能分析方法，研究復(fù)雜環(huán)境下大壩及近壩庫岸風險源（例如滑坡、崩塌等）全局識別方法。2024年12月我國發(fā)射了“水利一號”遙感衛(wèi)星，該衛(wèi)星主要服務(wù)于水利領(lǐng)域，功能覆蓋洪澇災(zāi)害監(jiān)測、涉水突發(fā)事件響應(yīng)、河湖動態(tài)分析及水利工程安全評估等。

基于無人機自主巡檢，利用高分辨率攝像頭、LiDAR、熱紅外相機，開展壩體表面巡檢、庫區(qū)岸坡巡查，綜合利用圖像識別算法和圖像分割算法，開展大壩缺陷的“光-熱”特征提取研究，提出大壩表面缺陷（如裂縫、滲漏）識別方法，彌補人工難以到達區(qū)域的監(jiān)測缺口。使用無人機對筑壩攔汊、圍（填）庫造地等侵占水庫庫容和分隔庫區(qū)水面的行為進行全面排查。目前，小浪底水利樞紐、大藤峽水利樞紐、南水北調(diào)工程、丹江口水庫等均布設(shè)無人機自主巡檢系統(tǒng)，滿足對水工建筑物、滑坡體等全自動、不間斷巡檢需求。無人船配備多波束測深儀、ADCP（聲學多普勒流速剖面儀）動態(tài)探測庫區(qū)水下地形，開展水庫淤積情況摸排和水庫庫容曲線復(fù)核。采用智能巡檢機器人，通過搭載高清攝像頭、智能傳感器和邊緣計算模塊，對水庫大壩、邊坡、廊道、電氣設(shè)備等進行常態(tài)化精準巡檢，提高運維效率，增強安全性。

水情監(jiān)測聚焦水體“量、質(zhì)、態(tài)、勢”四大核心維度，依賴多技術(shù)協(xié)同，形成閉環(huán)式智慧監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。在關(guān)鍵斷面布設(shè)超聲波水位計、雷達流量計、翻斗式雨量計、多參數(shù)水質(zhì)傳感器等，形成固定監(jiān)測站網(wǎng)。基于大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，引入分布式光纖感測技術(shù)、北斗高精度位移測量技術(shù)、振弦式智能滲壓計等智能大壩傳感器，針對關(guān)鍵部位進行時空連續(xù)監(jiān)測，為工程結(jié)構(gòu)早期預(yù)警提供新的技術(shù)手段。依托自主研發(fā)的智能界樁和多源信息融合預(yù)警智能終端構(gòu)建一體化動態(tài)感知模塊，實時監(jiān)測雨量、水位等關(guān)鍵參數(shù)，提升大壩運行環(huán)境綜合感知能力，規(guī)范水庫庫容管理，并融合三維可視化技術(shù)，采用智能優(yōu)化算法實現(xiàn)智能監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計。

2.基于“數(shù)據(jù)-機理-知識”三元驅(qū)動的大壩運行風險態(tài)勢分析

基于“數(shù)據(jù)-機理-知識”三元驅(qū)動的大壩運行風險態(tài)勢分析是大壩安全智能運維的核心突破方向，其通過融合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、物理機理和專家經(jīng)驗知識，構(gòu)建可解釋、高精度的診斷體系，突破了傳統(tǒng)單一數(shù)據(jù)或經(jīng)驗分析的局限性。

數(shù)據(jù)是風險態(tài)勢分析的觀測依據(jù)，對多源數(shù)據(jù)進行綜合處理分析并進行有效整合，是提高數(shù)據(jù)利用效率、實現(xiàn)大壩監(jiān)測快速處理與反應(yīng)的關(guān)鍵手段之一。運維過程中獲取的多源數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，一般包括文本、圖片、音頻、視頻、混合數(shù)據(jù)等。其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括工程基本信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)水文數(shù)據(jù)、災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)等，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括空間地理信息數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、航空攝影數(shù)據(jù)、三維建模數(shù)據(jù)和二維矢量數(shù)據(jù)等。通過對安全監(jiān)測結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，開展“數(shù)據(jù)級-特征級-決策級”融合診斷識別，確定運維過程中的關(guān)鍵缺陷并采取響應(yīng)措施。

機理是風險態(tài)勢分析的物理基礎(chǔ)，基于機理模型計算結(jié)構(gòu)在正常/損傷狀態(tài)下的理論響應(yīng)，結(jié)合數(shù)據(jù)修正模型參數(shù)，縮小理論與實際的偏差，最終模擬水工結(jié)構(gòu)的受力特性、響應(yīng)規(guī)律及損傷演化機理。單一要素異?？赡懿粯?gòu)成風險，但多要素耦合可能觸發(fā)連鎖反應(yīng)，結(jié)合機理模型開展風險關(guān)聯(lián)關(guān)系深度解析，推理因果關(guān)系。

知識是風險態(tài)勢分析的“經(jīng)驗指導”，基于對水庫大壩安全運行維護知識組成及關(guān)系的梳理與分析，結(jié)合水庫大壩管理業(yè)務(wù)規(guī)則、水利專家知識、應(yīng)急預(yù)案知識等相關(guān)知識，形成具有一定數(shù)據(jù)規(guī)模的知識圖譜，可提供水利知識的跨域查詢與檢索服務(wù)，形成知識層面的高保真映射框架和決策機制。通過整合歷史維修案例、材料庫存、施工規(guī)范，由知識圖譜推理生成最優(yōu)運維方案（如裂縫修補的材料配比、施工窗口期），并基于知識網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建風險要素與工程脆弱點的關(guān)聯(lián)矩陣，為主動防控提供依據(jù)。

3.大壩運行維護科學智慧決策

科學決策需在風險態(tài)勢分析的基礎(chǔ)上，平衡安全、效益、成本等多重目標。在水庫大壩智慧運維中，科學決策的核心矛盾往往集中在“多目標平衡”與“成本約束”之間，既要保障壩體安全，滿足防洪、發(fā)電、供水等功能需求，又要控制運維成本，實現(xiàn)以最小成本處理問題。

（1）風險分析及量化排序

目前，美國、加拿大、澳大利亞等國家采用風險管理模式替代傳統(tǒng)的工程安全管理模式，按風險劃分工程等級和確定設(shè)計標準，更加重視對大壩安全的持續(xù)監(jiān)控及突發(fā)事件的應(yīng)急管理。我國從21世紀初開始進行大壩風險評估和管理研究及相關(guān)應(yīng)用，并取得一系列符合國情的成果：建立了基于風險的大壩安全評價方法體系框架，提出了潰壩模式與潰壩概率分析計算、潰壩后果評估與綜合評價等一系列方法和模型；揭示了經(jīng)濟社會發(fā)展水平與政府、公眾風險承受能力的內(nèi)在關(guān)系，以及潰壩生命風險的地域性、時變性和社會性特點，建立了大壩風險綜合評價模型，提出了中國大壩生命、經(jīng)濟、社會和環(huán)境風險標準；在水庫大壩風險控制非工程措施研究方面，提出了應(yīng)急預(yù)案可行性和有效性評價方法，編制了《水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導則》（SL/Z 720）和《水庫大壩風險等級劃分與評估導則》（SL/T 829），并在實際工程中應(yīng)用。風險排序的核心是通過多維度指標量化風險等級，為資源分配提供依據(jù)，其關(guān)鍵在于建立可操作的風險評估矩陣與權(quán)重體系。大壩風險要素排序可采用FMECA法（Failure Mode Effectsand Criticality Analysis），即破壞模式、后果和危害程度分析法。我國現(xiàn)有水庫數(shù)量多、高壩多、病險庫多，應(yīng)確保高風險水庫大壩優(yōu)先開展除險加固，為此使用綜合風險指數(shù)對群壩進行排序。對單座大壩來說，可對風險要素進行排序，在資金不足的情況下，確保主要風險要素得以優(yōu)先處理。

（2）考慮成本與效益的帕累托最優(yōu)

針對高優(yōu)先級風險，需構(gòu)建多目標優(yōu)化模型，在滿足約束條件的前提下篩選最優(yōu)處理方案，常見的約束條件包括：成本最小化、風險降低最大化、耐久性最大化、運維干擾最小化等。多目標優(yōu)化中，由于目標函數(shù)間存在耦合關(guān)系（如成本降低可能導致風險降低幅度不足），需通過帕累托最優(yōu)準則篩選非支配解。

4.養(yǎng)護維修與修復(fù)加固

養(yǎng)護維修與修復(fù)加固作為水庫大壩智慧運維體系中的關(guān)鍵一環(huán)，其核心目標在于改善工程形象面貌，減緩工程老化速度，提高工程安全性能，及時消除安全隱患。在規(guī)程規(guī)范方面，編制了《土石壩養(yǎng)護修理規(guī)程》（SL 210）、《混凝土壩養(yǎng)護修理規(guī)程》（SL 230）、《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（SL/T 105）、《水庫降等與報廢標準》（SL 605）、《水庫降等與報廢評估導則》（SL/T 791）、《水庫大壩隱患探測技術(shù)規(guī)程》（SL/T 827）、《水利工程白蟻防治技術(shù)規(guī)程》（SL/T 836）、《水庫防洪搶險技術(shù)導則》（SL/T 840）等，對運行維護進行指導。同時，在維修養(yǎng)護技術(shù)手段、材料研發(fā)等方面開展研究。

（1）害堤動物防治

針對害堤動物監(jiān)控預(yù)警，通過構(gòu)建“表觀巡檢-內(nèi)部監(jiān)測”雙模態(tài)融合的白蟻堤壩入侵智能感知預(yù)警方法，研發(fā)害堤動物誘導智能監(jiān)測設(shè)備和害堤動物巢穴智能探測方法，開展白蟻對大壩病害影響的智能評估和風險分級預(yù)警。

（2）新型修補加固材料研發(fā)

現(xiàn)有運行維護和除險加固技術(shù)以外部注漿、加固為主，修復(fù)周期較長。為不影響建筑物運行，應(yīng)盡可能選擇在水下修復(fù)，其關(guān)鍵是選擇適宜的修復(fù)材料。從點、線、面維度研發(fā)了大壩缺陷修補材料，其中“點”為集中滲漏通道，“線”為混凝土裂縫，“面”為水下混凝土表層缺陷，主要集中在涂刷類材料、粘貼類材料、充填嵌填類材料、回填修補類材料、灌漿類材料等。智能材料指能夠感知內(nèi)外部環(huán)境變化（如應(yīng)力、溫度等）并自主作出反應(yīng)，自修復(fù)自適應(yīng)智能材料模仿生物體的自愈機制，為基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期性能提升提供了新思路。智能材料大致可分為病害主動防御類、功能自適應(yīng)類和損傷自愈修復(fù)類。

（3）復(fù)雜環(huán)境下多種作業(yè)機具協(xié)同作業(yè)

水下機器人的快速發(fā)展解決了深水復(fù)雜區(qū)域的檢測及修復(fù)作業(yè)難題。以“禹龍?zhí)枴陛d人潛水器、水下浮游機器人、吸附機器人、爬行機器人等為代表的水下缺陷檢測裝備不斷涌現(xiàn)，復(fù)雜環(huán)境水工程水下修復(fù)成套技術(shù)裝備持續(xù)研發(fā)，為精細化檢測和修復(fù)壩體水下裂縫、止水破損等缺陷提供了技術(shù)手段，解決了傳統(tǒng)潛水員巡檢和修復(fù)的安全風險與效率問題。在水下檢測及修復(fù)加固協(xié)同作業(yè)場景中，岸基控制系統(tǒng)作為核心指揮中樞，與庫壩系統(tǒng)深水檢測和作業(yè)平臺建立穩(wěn)定供電及通信鏈路，實現(xiàn)對作業(yè)過程的遠程實時操控。載人潛水器作為任務(wù)執(zhí)行的關(guān)鍵水下指揮平臺，協(xié)同遙控潛水器（ROV）和庫壩系統(tǒng)深水檢測與作業(yè)平臺，三者基于岸基控制系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)交互通道形成協(xié)同作業(yè)體系。各作業(yè)機具在岸基控制系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度下實現(xiàn)對水下目標的高效協(xié)同作業(yè)，滿足復(fù)雜水下修復(fù)需求。

不同水下作業(yè)裝備協(xié)同巡檢及修復(fù)場景

5.區(qū)域大壩風險實時預(yù)警與應(yīng)急決策

通過匯聚四川省內(nèi)水庫大壩的運行管理信息、雨水情與安全監(jiān)測信息以及下游保護對象等重要信息，構(gòu)建完善的數(shù)據(jù)資源體系，并通過數(shù)據(jù)治理構(gòu)建面向水庫大壩動態(tài)風險評估、風險實時預(yù)警及決策等各項業(yè)務(wù)的專題信息數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上對四川省大壩工程安全風險和影響后果風險進行風險多因子識別。

按照基于風險的系統(tǒng)安全標準，綜合考慮水庫大壩設(shè)計功能、安全性態(tài)、現(xiàn)階段需求、服務(wù)地方經(jīng)濟發(fā)展未來需求、資金狀況、風險（公共安全、生態(tài)安全）、管理能力等關(guān)鍵要素，在現(xiàn)有安全類別的分類基礎(chǔ)上，建立基于風險的水庫大壩工程功能評估標準，實現(xiàn)水庫大壩安全風險多因子識別與動態(tài)風險評估，并在全省水庫進行應(yīng)用，實現(xiàn)了全省水庫大壩風險評估“一張圖”，提升了水庫大壩智慧運維能力。

水庫大壩安全風險綜合評價流程

結(jié)論與展望

通過技術(shù)創(chuàng)新與管理創(chuàng)新的深度融合，我國水庫大壩運維逐步實現(xiàn)從經(jīng)驗驅(qū)動到知識驅(qū)動的跨越，為國家水安全與高質(zhì)量發(fā)展提供了堅實保障。未來，水庫大壩智慧運維將以智慧化手段助力水利工程安全效能、生態(tài)效能與管理效能的持續(xù)提升，為構(gòu)建現(xiàn)代化水利基礎(chǔ)設(shè)施體系、發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力提供有力支撐。目前，水庫大壩智慧運維仍面臨多技術(shù)融合壁壘、動態(tài)風險管控等挑戰(zhàn)，存在現(xiàn)行標準與潛在風險匹配度不足、全生命周期動態(tài)管理機制待完善等問題。需進一步推動“安全-生態(tài)-智能”協(xié)同優(yōu)化，加強跨領(lǐng)域技術(shù)融合與標準體系建設(shè)，提升系統(tǒng)的自學習與自優(yōu)化能力，具體體現(xiàn)在：

①智慧運維面臨數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、模型驗證無依據(jù)、安全責任難界定、科學決策不足、處置措施時效性不強等問題。未來水庫大壩智慧運維的發(fā)展，需以體系標準化破解數(shù)據(jù)壁壘，以全生命周期驗證保障模型可靠，以權(quán)責清晰化強化管理協(xié)同，以智能決策系統(tǒng)提升科學性，以快速響應(yīng)體系增強時效性。通過技術(shù)創(chuàng)新與機制優(yōu)化的深度融合，最終實現(xiàn)“風險可知、決策可依、責任可溯、處置可控”的智慧化運維。

②相較于人工被動修復(fù)，考慮修復(fù)加固技術(shù)要求、材料參數(shù)與特性等需要，主動修復(fù)隱患缺陷，是現(xiàn)代工程領(lǐng)域智能修復(fù)的新要求。應(yīng)結(jié)合水工建筑物運維和水下修復(fù)需要，針對凍融破壞、應(yīng)力裂縫、干縮裂縫等典型應(yīng)用場景，研究自修復(fù)自適應(yīng)智能材料制備工藝和分級觸發(fā)模式，提升材料靈敏度、穩(wěn)定性和使用壽命。

③隨著仿生自主機器人的不斷發(fā)展，人形機器人如何更好地替代人類開展復(fù)雜的運維作業(yè)將是未來研究的重點。同時結(jié)合深度學習和具身智能（Embodied AI）等先進技術(shù)，開展主動行為引導的多模態(tài)精準感知、作業(yè)行為驅(qū)動的定位與動態(tài)路徑規(guī)劃、異構(gòu)多智能體行為交互與協(xié)同的精細作業(yè)、感知與行為融合的自主進化等理論與技術(shù)研究，最終構(gòu)建“主動探索-持續(xù)學習-自主演進”的智能運維具身智能新理論新技術(shù)。

Abstract: Given the large number, aging structures, and complex types of reservoir dams in China, coupled with practical challenges arising from changing environments and intense human activities, traditional operation and maintenance models can no longer meet the demands of “l(fā)ife-cycle management” and “precision risk prevention and control”. Reviews the development history of reservoir dam safety operation and maintenance in China, analyzes the challenges faced, systematically elaborates on the concept and characteristics of smart dam operation and maintenance, clarifies the life-cycle management logic of “thorough perception, autonomous analysis, intelligent decision-making, and precise execution”, and establishes a new era smart dam operation and maintenance system based on the OODA-PDCA framework. Key technologies in smart dam operation and maintenance are reviewed, including thorough perception, risk situation analysis, scientific decision-making, and disposal measures. The feasibility of the technical system is validated through a practical case study of a provincial dam risk real-time early warning platform. Smart operation and maintenance of reservoir dams has emerged as a core pathway to ensure the high-quality development and high-level safety of water infrastructure, providing theoretical support and practical references for enhancing dam operation and maintenance efficiency and safeguarding engineering safety

Keywordsreservoir dams; smart operation and maintenance; thorough perception; risk situation; scientific decision-making; disposal measure

本文引用格式：

向衍，戴波，王亞坤水庫大壩智慧運維技術(shù)創(chuàng)新與實踐[J].中國水利，2025（16）：81-90.

封面供圖廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司

責編李盧祎

校對呂彩霞

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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