智能大壩建設(shè)與韌性提升發(fā)展路徑研究

智能大壩建設(shè)與韌性提升發(fā)展路徑研究

Development path and resilience reinforcement studies on intelligent dam construction

盛金保，李宏恩，王芳

（1.水利部大壩安全管理中心，210029，南京；2.南京水利科學(xué)研究院，210029，南京）

摘要：近年來(lái)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的極端降水事件頻繁發(fā)生，對(duì)水庫(kù)大壩安全度汛造成嚴(yán)重威脅，世界范圍內(nèi)洪水漫壩及漫頂潰壩事故時(shí)有發(fā)生，水庫(kù)大壩應(yīng)對(duì)極端事件的工程韌性亟待提升。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)階躍式發(fā)展為水庫(kù)大壩安全管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化變革提供了重要契機(jī)。強(qiáng)化數(shù)字賦能，對(duì)傳統(tǒng)水庫(kù)大壩開展智能化改造，是提升水庫(kù)大壩工程韌性、有效防范各類極端事件風(fēng)險(xiǎn)的重要路徑。從提升水庫(kù)大壩工程韌性角度出發(fā)，探討了智能大壩定義及其內(nèi)涵、特征，總結(jié)了智能大壩研究與建設(shè)現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，凝練了智能大壩建設(shè)需要攻關(guān)突破的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)。從加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、科學(xué)謀劃智能大壩建設(shè)規(guī)劃與實(shí)施路徑，加快構(gòu)建智能大壩建造與智能化改造理論體系，加強(qiáng)科技創(chuàng)新以組織開展智能大壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)和裝備攻關(guān)，支撐透徹感知體系以及智能診斷、智能預(yù)警、智慧運(yùn)維、智慧決策系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建，加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)與示范引領(lǐng)并推進(jìn)智能大壩建設(shè)與智能化改造先行先試等方面，提出智能大壩建設(shè)路徑。

關(guān)鍵詞：智能大壩；韌性提升；透徹感知；智能診斷；智能預(yù)警；智慧決策；自主饋控

作者簡(jiǎn)介：盛金保，正高級(jí)工程師，主要從事大壩安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFC3005400）；國(guó)家自然科學(xué)基金（U2443231）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（Y722003、Y723008）。

引言

水庫(kù)大壩是國(guó)家重要戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著保障國(guó)家防洪安全、供水安全、糧食安全、能源安全、生態(tài)安全等重要任務(wù)。全國(guó)現(xiàn)有各類水庫(kù)大壩9.5萬(wàn)多座，具有總量多、小型水庫(kù)多、土石壩多、老舊壩多、病險(xiǎn)庫(kù)多、高壩大庫(kù)多等特點(diǎn)。從壩型看，土石壩占91.8%；從建成年代看，20世紀(jì)50—70年代及之前修建的占87.1%，平均壩齡53年。

近年來(lái)，顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的極端暴雨事件頻繁發(fā)生，對(duì)水庫(kù)大壩安全度汛造成嚴(yán)重威脅，國(guó)內(nèi)外洪水漫壩及漫頂潰壩事故時(shí)有發(fā)生。從國(guó)內(nèi)看，2018年8月1日，新疆哈密地區(qū)射月溝?。?）型水庫(kù)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫頂潰壩，該水庫(kù)校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，而實(shí)際發(fā)生洪水超1000年一遇，漫頂水深達(dá)5m。2021年汛期，我國(guó)多地出現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)降雨天氣，導(dǎo)致兩座水庫(kù)漫頂潰壩、多座水庫(kù)出現(xiàn)漫壩險(xiǎn)情；7月18日，內(nèi)蒙古莫力達(dá)瓦旗12h累計(jì)降雨量232.1mm，導(dǎo)致一座?。?）型水庫(kù)（永安水庫(kù)）、一座中型水庫(kù)（新發(fā)水庫(kù)）漫頂潰壩，其中永安水庫(kù)遭遇的500年一遇洪水的校核洪峰流量比原設(shè)計(jì)大204%，新發(fā)水庫(kù)遭遇的300年一遇洪水的校核洪峰流量比原設(shè)計(jì)大225%；2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨小時(shí)最強(qiáng)點(diǎn)雨量201.9mm，突破我國(guó)大陸氣象觀測(cè)記錄歷史極值，導(dǎo)致鄭州市143座水庫(kù)中有84座出現(xiàn)不同程度險(xiǎn)情，其中郭家嘴水庫(kù)出現(xiàn)漫壩險(xiǎn)情，嚴(yán)重威脅下游南水北調(diào)中線工程安全；8月11日，湖北襄陽(yáng)地區(qū)普降特大暴雨，5座?。?）型水庫(kù)出現(xiàn)漫壩險(xiǎn)情。2023年“七下八上”防汛關(guān)鍵期，松花江流域部分支流發(fā)生超實(shí)測(cè)記錄洪水，哈爾濱市磨盤山水庫(kù)、龍鳳山水庫(kù)兩座大型水庫(kù)幾近漫壩。2024年7月20日，黑龍江省綏化市明水縣遭遇超100年一遇特大暴雨洪水襲擊，永興鎮(zhèn)最大降雨總量281.9mm，前鋒水庫(kù)、宏勝水庫(kù)兩座?。?）型水庫(kù)出現(xiàn)漫壩險(xiǎn)情。從國(guó)際看，2018年7月23日，熱帶風(fēng)暴“山神”（Son-Tinh）過(guò)境引起的持續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致老撾桑片-桑南內(nèi)水電站副壩潰決。2020年5月1日，烏茲別克斯坦薩爾多巴（Sardoba）水庫(kù)遭遇臺(tái)風(fēng)暴雨后潰壩，超過(guò)7.5萬(wàn)人被迫轉(zhuǎn)移；5月19日，持續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致美國(guó)密歇根州伊登維爾（Edenville）大壩和桑福德（Sanford）大壩相繼潰決，上萬(wàn)人被迫緊急撤離。2021年2月7日，印度北阿坎德邦在建的里希甘加（Rishiganga）水電站大壩上游冰川崩塌產(chǎn)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致其漫頂潰決；3月8日，強(qiáng)降雨導(dǎo)致美國(guó)夏威夷毛伊島考帕卡魯亞（Kaupakalua）土壩漫頂潰壩。2023年9月10日，颶風(fēng)“丹尼爾”帶來(lái)極端強(qiáng)降雨，利比亞?wèn)|部港口城市德?tīng)柤{河上游24h內(nèi)產(chǎn)水量超過(guò)阿爾比拉德和阿布曼蘇爾兩座水庫(kù)總庫(kù)容的5倍，9月11日凌晨2時(shí)左右兩座水庫(kù)相繼潰壩，潰壩洪水瞬間沖擊歷史名城德?tīng)柤{，全國(guó)超過(guò)10%的人口遭受洪災(zāi)影響；10月4日凌晨，中印邊境錫金邦提斯塔河流域因持續(xù)降雨誘發(fā)南洛納克冰川湖潰決，產(chǎn)生的毀滅性大洪水導(dǎo)致下游提斯塔Ⅲ級(jí)水電站潰壩，沿河15座橋梁及大量建筑、軍事設(shè)施被沖毀。2024年5月2日，因遭遇極端暴雨洪水，巴西南里奧格蘭德州（Rio Grande do Sul）七月十四（14 de Julho）水電站庫(kù)水位超10000年一遇校核洪水位0.3m，碾壓混凝土壩上部整體失穩(wěn)潰決；7月26日，俄羅斯西南部車?yán)镅刨e斯克州基阿利姆（Kialimskoye）水庫(kù)土石壩在持續(xù)強(qiáng)降雨沖擊下因調(diào)度不當(dāng)潰壩，所幸未造成人員傷亡。

2000年以來(lái)，我國(guó)水庫(kù)年均潰壩率已降至0.5/10000以下，進(jìn)入世界低潰壩率國(guó)家行列，但超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致的潰壩占比呈明顯增大趨勢(shì)，這與當(dāng)前極端天氣事件頻發(fā)和強(qiáng)人類活動(dòng)影響有很大關(guān)系。未來(lái)要實(shí)現(xiàn)“確保現(xiàn)有水庫(kù)安然無(wú)恙”防御目標(biāo)，必須提升水庫(kù)大壩應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水等各類突發(fā)事件的工程韌性。

1954—2023年我國(guó)超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致潰壩數(shù)量與比例統(tǒng)計(jì)

“工程韌性”概念最早由加拿大學(xué)者Holling提出，其定義為工程系統(tǒng)在受到洪水、地震等自然災(zāi)害及社會(huì)動(dòng)蕩、戰(zhàn)爭(zhēng)、恐怖襲擊等強(qiáng)人類活動(dòng)擾動(dòng)后恢復(fù)平衡或穩(wěn)定狀態(tài)的能力。基于此定義，水庫(kù)大壩工程韌性則是指庫(kù)壩系統(tǒng)在受到暴雨洪水、突發(fā)地震、強(qiáng)人類活動(dòng)等擾動(dòng)，或出現(xiàn)漫頂、滲漏、滑坡、裂縫等工程險(xiǎn)情后恢復(fù)工程基本功能與穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。中國(guó)工程院發(fā)布的《全球工程前沿2023》中將“結(jié)構(gòu)與工程系統(tǒng)全壽命抗災(zāi)韌性”列為10項(xiàng)土木、水利與建筑工程領(lǐng)域工程研究前沿之一。國(guó)際上也對(duì)變化環(huán)境下水工程韌性提升給予了高度關(guān)注。2024年9月14日，在北京召開的第18屆世界水資源大會(huì)“水工程韌性提升-應(yīng)對(duì)極端事件”專場(chǎng)會(huì)議指出，近年來(lái)，在氣候變化和強(qiáng)人類活動(dòng)背景下，全球水系統(tǒng)遭遇的外界干擾頻率、強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，高韌性水治理迫在眉睫。水庫(kù)大壩等水工程在應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)高韌性水治理中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。2024年5月23日，在印度尼西亞巴厘島召開的第十屆世界水論壇“氣候變化下水利基礎(chǔ)設(shè)施韌性提升”分會(huì)指出，提升水工程應(yīng)對(duì)洪水、干旱、旱澇急轉(zhuǎn)等極端事件的適應(yīng)能力與工程韌性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，有關(guān)提升工程韌性的研究取得顯著進(jìn)展，特別是在提升城市基礎(chǔ)設(shè)施和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的韌性方面。學(xué)者們通過(guò)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)城市電力系統(tǒng)、交通網(wǎng)絡(luò)和建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高工程在面對(duì)自然災(zāi)害和人為干擾時(shí)的恢復(fù)力和適應(yīng)力。

變化環(huán)境與強(qiáng)人類活動(dòng)給水庫(kù)大壩安全帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)安全管理理念和模式已難以滿足新階段水庫(kù)大壩高質(zhì)量發(fā)展與高水平安全需求。物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)階躍式發(fā)展為水庫(kù)大壩安全管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化變革提供了重要契機(jī)，強(qiáng)化數(shù)字賦能，開展智能大壩建設(shè)或?qū)鹘y(tǒng)水庫(kù)大壩開展智能化改造，是提升水庫(kù)大壩工程韌性、有效防范各類極端事件風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)的重要路徑。面向發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力，智能大壩建設(shè)已成為壩工技術(shù)進(jìn)步的制高點(diǎn)，也成為當(dāng)下水利行業(yè)重點(diǎn)推進(jìn)的工作和研究熱點(diǎn)。王浩所在研究團(tuán)隊(duì)較早系統(tǒng)闡述了智慧水利的數(shù)字賦能體系框架；鐘登華等探討了大壩建設(shè)及運(yùn)行管理過(guò)程中在數(shù)字化、智能化方面的關(guān)鍵需求；李慶斌等針對(duì)大壩智能建造提出了基于感知—分析—控制的閉環(huán)控制理論；盛金保等闡明了大壩安全智慧管理的內(nèi)涵，并在水庫(kù)大壩性能演化與災(zāi)變機(jī)理、大壩安全智能診斷決策理論與方法等方面取得研究進(jìn)展。

本文從提升水庫(kù)大壩工程韌性角度，探討了智能大壩定義及其內(nèi)涵、特征，總結(jié)了智能大壩研究與建設(shè)現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，凝練了智能大壩建設(shè)與智能化改造需要攻關(guān)突破的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)性提出了智能大壩建設(shè)發(fā)展路徑。

智能大壩定義、內(nèi)涵與特征

1.智能大壩定義

智能大壩是以大壩工程物理實(shí)體、賦存環(huán)境數(shù)字體為基礎(chǔ)，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)，以及傳感器、衛(wèi)星遙感、高效算法、信息融合、自動(dòng)控制等前沿技術(shù)與水庫(kù)大壩專業(yè)知識(shí)的深度融合，以透徹感知、自主分析、自主饋控為基本運(yùn)行模式，以透徹感知、全面互聯(lián)、深度融合、廣泛共享、智能應(yīng)用、泛在服務(wù)為重要特征，基于數(shù)據(jù)—機(jī)理—知識(shí)三元驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩全生命周期安全與風(fēng)險(xiǎn)的智能感知—融合—診斷—預(yù)警—決策—防控，顯著提升水庫(kù)大壩工程韌性。

智能大壩內(nèi)涵與基本運(yùn)行模式

2.智能大壩內(nèi)涵

從目標(biāo)、維度、技術(shù)、功能與愿景5個(gè)角度對(duì)智能大壩內(nèi)涵進(jìn)行詮釋。

（1）目標(biāo)

智能大壩以實(shí)現(xiàn)大壩“物理空間可視化、安全監(jiān)控智能化、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖形化、運(yùn)行管理協(xié)同化”為具體功能目標(biāo)，建設(shè)“數(shù)字大壩、協(xié)同大壩、韌性大壩、綠色大壩、高效大壩、安全大壩”，顯著提升水庫(kù)大壩工程韌性，在更高水平上保障大壩安全運(yùn)行和效益發(fā)揮。

（2）維度

智能大壩基于系統(tǒng)安全理念，跨越了空間、時(shí)間、用戶、業(yè)務(wù)4個(gè)維度?？臻g維度包括水庫(kù)大壩工程自身及上下游、左右岸影響區(qū)；時(shí)間維度跨越水庫(kù)大壩規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、蓄水運(yùn)行、加固改造、降等報(bào)廢等全生命周期；用戶維度包括水行政主管部門、水庫(kù)大壩主管部門和運(yùn)行管理單位、水庫(kù)功能受益對(duì)象等；業(yè)務(wù)維度包括工程安全運(yùn)行、科學(xué)優(yōu)化調(diào)度、業(yè)務(wù)高效管理、風(fēng)險(xiǎn)快速處置。

（3）技術(shù)

智能大壩建設(shè)涉及4大賦能體（系）與8項(xiàng)核心技術(shù)，即水庫(kù)大壩工程體、賦存環(huán)境數(shù)字體、矩陣管理智慧體、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，以及智能感知設(shè)備（傳感器）、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)。

（4）功能

智能大壩實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩全生命周期橫向到邊、縱向到底全方位要素信息透徹感知、智能融合、智能監(jiān)管、智能調(diào)度、智慧運(yùn)維；統(tǒng)籌上下游、左右岸，對(duì)大壩安全和災(zāi)變進(jìn)行智能診斷和預(yù)警，對(duì)大壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)進(jìn)行智能辨識(shí)、決策與自主饋控。

（5）愿景

通過(guò)智能大壩建設(shè)與智能化改造，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩建設(shè)與安全管理理念和技術(shù)從數(shù)據(jù)到信息、從信息到知識(shí)、從知識(shí)到智能、從智能到智慧的轉(zhuǎn)變，使傳統(tǒng)大壩具備物聯(lián)感知、全要素表達(dá)、可視化呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)融合供給、空間分析計(jì)算、模擬仿真推演、虛實(shí)交互，以及自我學(xué)習(xí)、自我優(yōu)化、自主診斷、自主饋控等多種能力。

3.智能大壩特征

（1）物理實(shí)體大壩和數(shù)字孿生大壩是基礎(chǔ)

物理實(shí)體大壩是水庫(kù)發(fā)揮防洪、灌溉、發(fā)電等綜合效益的物質(zhì)基礎(chǔ)，是工程建設(shè)和行業(yè)管理的具體對(duì)象，是現(xiàn)代化智能感知技術(shù)裝備的物理載體；數(shù)字孿生大壩是物理實(shí)體大壩的數(shù)字化映射，通過(guò)BIM、GIS、VR等技術(shù)，將工程實(shí)體、機(jī)械設(shè)備、監(jiān)測(cè)儀器等映射到三維數(shù)字化可視空間，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩建管業(yè)務(wù)及信息交互從紙面到屏幕、從二維到三維、從抽象靜態(tài)到形象動(dòng)態(tài)的提升。

（2）全要素信息透徹感知與數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)任锫?lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用是關(guān)鍵

“天空地水工”全要素信息感知儀器設(shè)備是智能大壩的“感覺(jué)器官”和“信息終端”，實(shí)現(xiàn)大壩變形、應(yīng)力、滲流、溫度等監(jiān)測(cè)量，以及水情、雨情、旱情、地震等環(huán)境監(jiān)測(cè)量的全面實(shí)時(shí)感知。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為海量監(jiān)測(cè)信息在智能大壩的“感知終端”和“大腦中樞”之間搭建高效互聯(lián)互通的信息高速公路，實(shí)現(xiàn)人-機(jī)-物高速率、低時(shí)延互聯(lián)。

（3）多源數(shù)據(jù)融合分析與大壩安全性態(tài)智能診斷及風(fēng)險(xiǎn)自適應(yīng)預(yù)警和自主饋控是核心

大壩人工智能是人類為水庫(kù)大壩開發(fā)的“大腦中樞”，利用計(jì)算機(jī)模擬大壩工程師的邏輯思維和推理決策過(guò)程，通過(guò)深度學(xué)習(xí)，對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析；利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、專業(yè)知識(shí)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)大壩安全性態(tài)進(jìn)行智能診斷；通過(guò)仿真模擬對(duì)大壩全生命周期可能場(chǎng)景或極端工況下風(fēng)險(xiǎn)演化進(jìn)行數(shù)字化預(yù)演、自適應(yīng)預(yù)警和自主饋控。

（4）建設(shè)和運(yùn)行管理的精準(zhǔn)化智慧化決策是標(biāo)志

智能大壩能夠在學(xué)習(xí)、推理、預(yù)演基礎(chǔ)上，對(duì)大壩建設(shè)和運(yùn)行管理進(jìn)行智慧決策，建設(shè)期能夠?qū)炷琳駬v、土石料碾壓、壩基灌漿、混凝土溫控等重要過(guò)程及施工進(jìn)度進(jìn)行精準(zhǔn)化監(jiān)控；運(yùn)行期對(duì)水庫(kù)大壩安全性態(tài)進(jìn)行透徹感知和智能診斷，對(duì)調(diào)度運(yùn)用、維修養(yǎng)護(hù)、更新改造、功能提升、隱患治理、風(fēng)險(xiǎn)防控等作出科學(xué)判斷和優(yōu)化決策，并反饋給設(shè)備管理人員，通過(guò)合理權(quán)限分配，實(shí)現(xiàn)閘門自動(dòng)控制、隱患智能處理、預(yù)警信息發(fā)布、預(yù)案迭代優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)自主防范等功能。

智能大壩建設(shè)進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)

1.建設(shè)進(jìn)展

利用新一代信息技術(shù)改造升級(jí)傳統(tǒng)水利基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)水利新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展，是國(guó)家和行業(yè)重點(diǎn)推進(jìn)的工作任務(wù)，也是行業(yè)學(xué)者關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。2023年5月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》，明確全面推動(dòng)水網(wǎng)工程數(shù)字化智能化建設(shè)，提升調(diào)度管理智能化水平，打造全覆蓋、高精度、多維度、保安全的水網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系。水利部也相繼印發(fā)《水利部關(guān)于印發(fā)加快推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見(jiàn)的通知》（水規(guī)計(jì)〔2018〕39號(hào)）、《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》（水信息〔2021〕323號(hào)）、《水利部關(guān)于加快構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣的指導(dǎo)意見(jiàn)》（水運(yùn)管〔2023〕248號(hào)）、《水利部印發(fā)〈關(guān)于推進(jìn)水利工程建設(shè)數(shù)字孿生的指導(dǎo)意見(jiàn)〉的通知》（水建設(shè)〔2024〕93號(hào)）等系列文件，以提升水利工程建設(shè)全要素、全過(guò)程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理能力。智能大壩建設(shè)與智能化升級(jí)改造依賴于多種前沿技術(shù)創(chuàng)新突破和集成應(yīng)用，近年來(lái)，通過(guò)積極推進(jìn)水利信息化、智慧水利、數(shù)字孿生水利建設(shè)等相關(guān)工作，大壩智能建造、智能感知、智能預(yù)警、智能監(jiān)控、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域研究及應(yīng)用取得明顯進(jìn)展。

（1）智能建造方面

隨著大壩工程建設(shè)規(guī)模與難度逐漸加大，數(shù)字化、信息化和智能化的工程建設(shè)管理需求日趨迫切。智能建造技術(shù)的引入，不僅提高了大壩建設(shè)的質(zhì)量與效率，更在施工安全性、環(huán)境友好性等方面帶來(lái)了顯著提升。大壩智能建造技術(shù)的發(fā)展主要可以歸納為理論、技術(shù)、方法、設(shè)備4個(gè)方面。

理論層面，融合在線監(jiān)測(cè)與仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程中大壩性態(tài)的實(shí)時(shí)分析和調(diào)控，成為提高大壩安全性和降低風(fēng)險(xiǎn)的有效手段，形成了基于感知—分析—控制閉環(huán)控制理念的智能建造理論。

技術(shù)層面，通過(guò)融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)建立了智能監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)提出了材料生產(chǎn)、澆筑、振搗、壓實(shí)、灌漿等質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)；基于數(shù)字孿生技術(shù)與Unity可視化展示平臺(tái)等實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩施工全過(guò)程的可視化動(dòng)態(tài)展示；通過(guò)集成信息技術(shù)和工程管理理論提出了智能施工管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的智能調(diào)度。

方法層面，結(jié)合智能監(jiān)控系統(tǒng)獲取的材料信息，提出基于多源信息融合驅(qū)動(dòng)的壩料物理力學(xué)模型識(shí)別與參數(shù)綜合反演技術(shù)，并研發(fā)了智能決策模塊，為現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)、高效的施工管理提供了有效手段。

設(shè)備層面，近年來(lái)發(fā)展較為成熟的智能施工機(jī)械通過(guò)配備各種傳感系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和集成智能算法的控制系統(tǒng)等，完成自動(dòng)定位、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動(dòng)施工動(dòng)作執(zhí)行等任務(wù)；研發(fā)了集成環(huán)境信息監(jiān)測(cè)設(shè)備、控制參數(shù)計(jì)算的理論模型和反饋控制系統(tǒng)的噴霧、溫控等裝備系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的智能化動(dòng)態(tài)控制，并在烏東德水電站和白鶴灘水電站等智能建造過(guò)程中成功應(yīng)用。需要指出的是，智能建造的大壩并不一定是智能大壩，但可以為智能大壩建設(shè)奠定良好物理實(shí)體基礎(chǔ)。

（2）智能感知方面

多源信息透徹智能感知是實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化運(yùn)行管理的基礎(chǔ)，通過(guò)衛(wèi)星遙感、人工智能等新技術(shù)，無(wú)人機(jī)、無(wú)人船、水下機(jī)器人等新裝備新技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)建覆蓋水庫(kù)上下游、左右岸的“天空地水工”全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系，可為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成、全面提升水庫(kù)工程全要素風(fēng)險(xiǎn)感知與防控能力提供重要技術(shù)支撐。在大尺度監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備方面，綜合應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)區(qū)、下游河道等區(qū)域地表環(huán)境和時(shí)空變化的大范圍、長(zhǎng)時(shí)序動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；在中小尺度監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備方面，研發(fā)應(yīng)用了一批新型監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備，包括智能感知終端、無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等。通過(guò)加強(qiáng)窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、5G等新一代物聯(lián)通信技術(shù)及智能感知、控制執(zhí)行和精準(zhǔn)計(jì)量等設(shè)備的應(yīng)用，提升傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)手段的自動(dòng)化、智能化水平；在深水探測(cè)技術(shù)與裝備方面，我國(guó)自主研發(fā)的大壩深水檢測(cè)專用載人潛水器“禹龍?zhí)枴背晒ν黄屏?00m級(jí)深水環(huán)境大壩安全保障技術(shù)難題，重點(diǎn)解決了載人潛水器作業(yè)固定、水下定位、作業(yè)工具搭載、低能見(jiàn)度探測(cè)、安全防護(hù)、寬視野觀察窗研制等技術(shù)難題；在全要素?cái)?shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)底板構(gòu)建方面，匯集工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、“天空地水工”全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)以及跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)，構(gòu)建水庫(kù)全要素信息數(shù)據(jù)底板，實(shí)現(xiàn)工程多源信息的透徹感知。

（3）智能預(yù)警方面

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位、降雨量、滲流、應(yīng)力、沉降等關(guān)鍵物理量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程潛在風(fēng)險(xiǎn)和異常情況，進(jìn)一步預(yù)測(cè)可能發(fā)生的險(xiǎn)情，如洪水、滑坡和結(jié)構(gòu)損壞等，并實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警，為應(yīng)急決策提供科學(xué)依據(jù)。

在雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”構(gòu)建方面，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的推廣應(yīng)用，在數(shù)字孿生場(chǎng)景中接入或疊加雨量和洪水預(yù)報(bào)成果展示功能不斷完善。在智能診斷模型與動(dòng)態(tài)預(yù)警體系構(gòu)建方面，融合工程全生命周期內(nèi)“天空地水工”全天候智能監(jiān)控系統(tǒng)匯集的全要素信息，充分挖掘工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行期信息特征并實(shí)現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)互饋，基于數(shù)字孿生平臺(tái)形成了大數(shù)據(jù)環(huán)境下大壩安全性態(tài)的數(shù)據(jù)-機(jī)理雙驅(qū)動(dòng)智能融合及診斷方法與模型。在仿真預(yù)演與系統(tǒng)研發(fā)方面，通過(guò)構(gòu)建具備正反向推演功能的全過(guò)程、多情景模擬仿真預(yù)演體系對(duì)預(yù)報(bào)場(chǎng)景進(jìn)行前瞻預(yù)演，為調(diào)度方案優(yōu)選、應(yīng)急預(yù)案制定提供科學(xué)依據(jù)。在應(yīng)急預(yù)案迭代優(yōu)化方面，數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案可為快速應(yīng)急搶險(xiǎn)調(diào)度提供決策支持，通過(guò)結(jié)構(gòu)化、模塊化應(yīng)急預(yù)案基礎(chǔ)要素，如組織機(jī)構(gòu)、預(yù)警與預(yù)防機(jī)制等，融合水庫(kù)防洪調(diào)度方案和風(fēng)險(xiǎn)人口及社會(huì)經(jīng)濟(jì)熱力圖分析成果等進(jìn)行模擬仿真，快速生成匹配當(dāng)前情景的應(yīng)急指令群，作為進(jìn)一步動(dòng)態(tài)模擬和迭代優(yōu)化的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案的數(shù)字化、矢量化、結(jié)構(gòu)化處理。

（4）智能監(jiān)管方面

智能大壩建設(shè)通過(guò)融合新一代信息化技術(shù)及專業(yè)知識(shí)實(shí)現(xiàn)大壩安全性態(tài)的透徹感知、自主分析、自主饋控及大壩全生命周期智能監(jiān)控，建設(shè)大壩智能監(jiān)管平臺(tái)，集成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、智能決策及信息共享等功能，為應(yīng)對(duì)突發(fā)事件中大壩風(fēng)險(xiǎn)智能防控提供技術(shù)支撐。

在智能監(jiān)管模式方面，針對(duì)大壩監(jiān)管信息異構(gòu)性強(qiáng)的問(wèn)題，建立了信息分類標(biāo)準(zhǔn)及模型，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管信息的標(biāo)準(zhǔn)化管理；建立了全國(guó)水庫(kù)大壩安全信息采集上報(bào)與共享體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、分析、應(yīng)用和水庫(kù)大壩安全管理的規(guī)范化、精細(xì)化、智能化；初步構(gòu)建了“法規(guī)制度為依據(jù)、監(jiān)管機(jī)制為保障、監(jiān)管體制為支撐、監(jiān)管措施為抓手”的智能監(jiān)管模式與機(jī)制；建立了管理評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)預(yù)警指標(biāo)體系、大壩安全技術(shù)手冊(cè)質(zhì)量智能評(píng)估方法及系統(tǒng)等。在動(dòng)態(tài)智能監(jiān)管方法與技術(shù)方面，在大壩安全智能監(jiān)管模式框架下，基于監(jiān)管異構(gòu)信息標(biāo)準(zhǔn)化成果，采用關(guān)聯(lián)、聚類等方法挖掘識(shí)別大壩安全監(jiān)管潛在風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)現(xiàn)定量化分析，為提出針對(duì)性監(jiān)管措施提供依據(jù)，建立適用于不同階段、不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的大壩智能動(dòng)態(tài)監(jiān)管方法。在智能監(jiān)管平臺(tái)建設(shè)方面，圍繞管理監(jiān)督、安全預(yù)警、應(yīng)急決策三個(gè)環(huán)節(jié)，構(gòu)建水庫(kù)大壩安全信息共享與多維協(xié)同監(jiān)管云服務(wù)架構(gòu)，包括智能監(jiān)管、智能預(yù)警及智能決策系統(tǒng)。

（5）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面

為充分發(fā)揮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)性、基礎(chǔ)性、保障性作用，以構(gòu)建面向發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系為目標(biāo)，加強(qiáng)衛(wèi)星遙感、智能巡檢、無(wú)人機(jī)與水下機(jī)器人等新技術(shù)應(yīng)用，水利部新修訂的《水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系表》中，將智能化施工技術(shù)作為功能序列“施工與安裝”的重要內(nèi)容，同時(shí)形成國(guó)家水網(wǎng)工程智能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、大壩安全智能監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則等31項(xiàng)智能大壩建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃。但上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)尚待時(shí)日，智能大壩建設(shè)與智能化改造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建立依舊任重道遠(yuǎn)。

2.面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

相較于智慧城市、智能電網(wǎng)、智能交通、智能醫(yī)療等領(lǐng)域的快速發(fā)展，智能大壩建設(shè)特別是傳統(tǒng)大壩智能化升級(jí)改造，在理論方法、關(guān)鍵技術(shù)、儀器裝備、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面尚存以下突出問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

（1）統(tǒng)籌全生命周期的智能大壩建設(shè)理念方法與技術(shù)體系尚待構(gòu)建

智能大壩是蘊(yùn)含新一代發(fā)展理念的大壩發(fā)展形態(tài)，而統(tǒng)籌規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、蓄水、運(yùn)行、加固、改造、退役等全生命周期建設(shè)運(yùn)行安全保障的智能建設(shè)尚處在理論探索階段，特別是面廣量大的已建水庫(kù)大壩信息化基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，建設(shè)信息缺失，運(yùn)行期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匱乏，難以支撐大壩安全智能診斷與協(xié)同管理，智能化改造的理論、方法與技術(shù)缺少實(shí)踐探索經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)籌水庫(kù)大壩全生命周期的智能大壩建設(shè)理念方法與技術(shù)體系亟待構(gòu)建。

（2）智能大壩建設(shè)關(guān)鍵核心技術(shù)亟待攻關(guān)突破

在大壩透徹感知體系構(gòu)建方面，涵蓋監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、探測(cè)等全要素的透徹感知體系尚未建立，相應(yīng)的感知設(shè)備布設(shè)方法與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不健全，多源感知要素?cái)?shù)據(jù)治理融合度較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵要素時(shí)間連續(xù)和空間全面的透徹感知；在大壩安全性態(tài)智能診斷、預(yù)警與饋控方面，尚存在多源多模態(tài)數(shù)據(jù)相互融合技術(shù)缺乏，數(shù)據(jù)、機(jī)理及知識(shí)的相互協(xié)同性不強(qiáng)，面向結(jié)構(gòu)性態(tài)演變、環(huán)境變化等復(fù)雜環(huán)境條件下的安全性態(tài)自診斷和自適應(yīng)預(yù)警能力不足等問(wèn)題。如何通過(guò)理論與方法創(chuàng)新，將傳統(tǒng)壩工技術(shù)與新一代信息技術(shù)和前沿技術(shù)充分融合，全面感知水庫(kù)大壩全天候、全要素、全周期多源信息，通過(guò)數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)大壩安全與風(fēng)險(xiǎn)的智能診斷—預(yù)警—決策—防控關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步深入研究。

（3）智能大壩建設(shè)管理全鏈條關(guān)鍵儀器裝備亟待自主研發(fā)

智能大壩透徹感知體系是包括“天空地水工”監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與探測(cè)等全要素感知信息深度融合的體系，可靠的儀器裝備是透徹感知的關(guān)鍵，現(xiàn)有埋入式大壩安全監(jiān)測(cè)儀器以弦式、差阻式、電容式等為主，長(zhǎng)期穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、觀測(cè)精度難以滿足復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下大壩安全風(fēng)險(xiǎn)早期精準(zhǔn)識(shí)別的需求，一旦發(fā)生損壞，往往難以及時(shí)修復(fù)更新，無(wú)法保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空連續(xù)性?，F(xiàn)地終端功能不足，數(shù)據(jù)缺失防控與儀器故障修復(fù)技術(shù)尚不健全，難以支撐智能大壩透徹感知體系建設(shè)。同時(shí)，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的大壩智能建造裝備，以及大壩深水長(zhǎng)距離檢測(cè)與修補(bǔ)加固裝備、深埋隱伏病害無(wú)損檢測(cè)與處置裝備還存在關(guān)鍵短板。如何通過(guò)自主研發(fā)全鏈條關(guān)鍵儀器裝備，進(jìn)一步提升水庫(kù)大壩信息感知、性能仿真、智能診斷、智能維護(hù)等全覆蓋業(yè)務(wù)領(lǐng)域智能化水平有待深入研究。

（4）支撐智能大壩建設(shè)和智能化改造的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系亟待加速建立

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是推動(dòng)智能大壩建設(shè)與傳統(tǒng)大壩智能化改造布局的重要支撐，是引導(dǎo)智能大壩規(guī)?；瘧?yīng)用和技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)集群建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。盡管水利部新修訂的《水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系表》將國(guó)家水網(wǎng)工程智能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、大壩安全智能監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則等31項(xiàng)智能大壩建設(shè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)列入其中，但標(biāo)準(zhǔn)制修訂需要相關(guān)研究基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)踐支撐，距離上述標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)仍有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，科學(xué)、合理、可行的智能大壩建設(shè)與智能化改造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系亟待加速建立。

智能大壩建設(shè)的發(fā)展路徑

智能大壩建設(shè)和傳統(tǒng)大壩智能化改造應(yīng)以提升工程韌性、支撐水庫(kù)大壩高質(zhì)量發(fā)展與高水平安全為統(tǒng)領(lǐng)，以推動(dòng)數(shù)智賦能、應(yīng)用至上為核心，錨定數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展主線，堅(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向、需求牽引，統(tǒng)籌謀劃，整體推進(jìn)。

1.加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，明確發(fā)展階段和實(shí)施路徑

智能大壩的頂層設(shè)計(jì)是引領(lǐng)智能大壩的技術(shù)框架、建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、推進(jìn)模式及保障機(jī)制的基礎(chǔ)，具體實(shí)施路徑是保障智能大壩建設(shè)與智能化改造有序推進(jìn)和持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。一是遵循新階段水利新質(zhì)生產(chǎn)力、水利高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全基本要求，強(qiáng)化傳統(tǒng)壩工技術(shù)與新一代信息技術(shù)和前沿技術(shù)的深度融合，開展多學(xué)科多技術(shù)聯(lián)合科技攻關(guān)，破解智能大壩建設(shè)與智能化改造關(guān)鍵技術(shù)瓶頸與裝備瓶頸；二是基于智能感知—融合—診斷—預(yù)警—決策—防控全鏈條技術(shù)路線，在全國(guó)范圍有序推進(jìn)“數(shù)字大壩、協(xié)同大壩、韌性大壩、綠色大壩、高效大壩、安全大壩”建設(shè)；三是統(tǒng)籌考慮功能需求與技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)展，分階段穩(wěn)步推進(jìn)，在應(yīng)用中不斷迭代升級(jí)。

2.加快構(gòu)建智能大壩建造與智能化改造理論體系

加快構(gòu)建集“多維度信息感知、多目標(biāo)智能決策、多要素實(shí)時(shí)控制”為一體的智能大壩建設(shè)與智能化改造理論方法體系，涵蓋智能感知、智能仿真、智能診斷、智能預(yù)警、智能調(diào)度、智慧運(yùn)維、自主饋控等全鏈條業(yè)務(wù)需求，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行全過(guò)程中施工要素、材料性能、結(jié)構(gòu)性態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)演化等因素的綜合智能調(diào)控，解決大壩結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)調(diào)控、生命期安全性能評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警難題，實(shí)現(xiàn)“高質(zhì)、高效、安全、綠色”智能建設(shè)目標(biāo)提供理論基礎(chǔ)。

3.加快推進(jìn)大壩透徹感知體系建設(shè)

（1）提升大壩智能監(jiān)（檢）測(cè)技術(shù)裝備自主研發(fā)能力

構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)，融合三維可視化技術(shù)，采用智能優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)大壩智能感知體系優(yōu)化設(shè)計(jì)。融合高精度感知、抗電磁抗干擾技術(shù)以及精密制造工藝，加快大壩智能傳感器研發(fā)，實(shí)現(xiàn)傳感器與專用微型處理器的結(jié)合，研制高精度、抗干擾且集自診斷、自校準(zhǔn)、功耗管理、數(shù)據(jù)處理等功能的一體化智能傳感器，增加傳統(tǒng)傳感器不具備的自動(dòng)校零、漂移補(bǔ)償、傳感單元過(guò)載防護(hù)、數(shù)采模式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析等功能。研發(fā)集成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立大壩綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)體系，構(gòu)建感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能傳感器與數(shù)字孿生技術(shù)的多效結(jié)合。研發(fā)多源數(shù)據(jù)智能采集、冗余存儲(chǔ)與多信道自適應(yīng)通信和智能感知預(yù)警的現(xiàn)地終端裝備。

（2）提升大壩風(fēng)險(xiǎn)智能感知與處置決策水平

研發(fā)基于大測(cè)深探地雷達(dá)、分布式電法等技術(shù)的大壩病害智能外檢測(cè)技術(shù)裝備；積極推動(dòng)新一代人工智能在風(fēng)險(xiǎn)感知和智能診斷技術(shù)中的應(yīng)用，開發(fā)智能算法，感知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的異常信息和風(fēng)險(xiǎn)特征，提升水庫(kù)大壩潛在風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與量化評(píng)估能力；開發(fā)極端情況下的智能預(yù)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，提升數(shù)據(jù)處理自主分析能力和自動(dòng)響應(yīng)效率，提升風(fēng)險(xiǎn)處置智能決策技術(shù)能力。

4.加快推進(jìn)智能大壩建設(shè)成套技術(shù)裝備研發(fā)

（1）推進(jìn)大壩智能建造與智能化改造技術(shù)革新

加快物聯(lián)網(wǎng)、人工智能與綠色施工技術(shù)的融合，提升技術(shù)適應(yīng)性與可靠性，提高施工全過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)集成率。構(gòu)建大壩建設(shè)多源信息感知體系，實(shí)現(xiàn)大壩建造過(guò)程信息感知的精準(zhǔn)性與實(shí)時(shí)性。研發(fā)新型加固材料，創(chuàng)新加固技術(shù)，優(yōu)化改造方案，提高已建壩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，強(qiáng)化服役性態(tài)。通過(guò)智能化改造，開展已建壩智能傳感監(jiān)測(cè)體系建設(shè)，推動(dòng)傳統(tǒng)已建壩信息化、數(shù)字化提檔升級(jí)。

（2）加快大壩智能建造新技術(shù)新裝備研發(fā)

發(fā)展適用于高寒高海拔地區(qū)深厚覆蓋層和軟巖地基的筑壩技術(shù)，以及嚴(yán)酷環(huán)境下耐久性混凝土、特大型堆積體利用、高陡邊坡穩(wěn)定控制、大型棄渣場(chǎng)利用與安全控制等關(guān)鍵技術(shù)。研發(fā)深埋長(zhǎng)隧洞勘測(cè)、高機(jī)動(dòng)性地球物理探測(cè)、高架大跨度渡槽震災(zāi)防控技術(shù)與裝備，以及新型高效破巖與刀盤卡機(jī)快速脫困技術(shù)，高地?zé)?、高地?yīng)力、多斷層破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋長(zhǎng)隧洞鉆爆法、TBM法智能安全高效掘進(jìn)技術(shù)與裝備。

（3）迭代優(yōu)化大壩智能建造可視化仿真平臺(tái)

發(fā)展國(guó)產(chǎn)三維可視化圖形設(shè)計(jì)軟件，研究高效高精度的三維可視化技術(shù)。整合微觀材料性能到宏觀結(jié)構(gòu)行為的多尺度仿真模型與仿真結(jié)果，利用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大壩虛擬規(guī)劃與場(chǎng)景預(yù)演、施工仿真模型的智能更新、施工方案的智能優(yōu)化與反饋控制等技術(shù)更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩建設(shè)進(jìn)度和質(zhì)量的動(dòng)態(tài)控制，解決由大壩建設(shè)過(guò)程中的隨機(jī)性和不確定性造成的施工進(jìn)度和質(zhì)量控制難度大等問(wèn)題。開發(fā)高效直觀的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)協(xié)作設(shè)計(jì)和決策的便捷性。

（4）加強(qiáng)筑壩材料科技創(chuàng)新

研發(fā)適用于廣泛環(huán)境條件的高耐久、高強(qiáng)度、優(yōu)異抗?jié)B性和抗裂性的新型混凝土材料和其他筑壩材料。開展生態(tài)環(huán)境友好型材料研究，提高工業(yè)副產(chǎn)品和廢料的利用率，利用現(xiàn)代納米和生物技術(shù)手段，改善傳統(tǒng)建筑材料的力學(xué)性能和耐久性。促進(jìn)材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息技術(shù)等多學(xué)科交叉，建立和完善新型材料性能評(píng)估和檢測(cè)體系。

5.加快構(gòu)建大壩智能診斷與智慧運(yùn)維技術(shù)體系

（1）建立大壩運(yùn)維期智能化預(yù)測(cè)算法

基于大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法，開發(fā)基于大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度分析模型，實(shí)時(shí)評(píng)估大壩結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜外荷載作用下水庫(kù)大壩力學(xué)響應(yīng)與災(zāi)變過(guò)程仿真。開發(fā)基于物理模型和歷史數(shù)據(jù)的大壩老化與壽命預(yù)測(cè)模型，構(gòu)建大壩滲流與裂縫發(fā)展預(yù)測(cè)模型，對(duì)潛在安全隱患進(jìn)行早期識(shí)別，提升水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警和自主饋控水平。

（2）發(fā)展大壩安全智能診斷預(yù)警模擬方法

開發(fā)基于物理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的預(yù)測(cè)工具，結(jié)合大壩的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)大壩的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能預(yù)測(cè)。利用災(zāi)變模擬結(jié)果進(jìn)行水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析可能的損害模式和失效機(jī)制，為智慧決策提供科學(xué)依據(jù)?；诒O(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)閾值，建立自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警和啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序。

（3）建立大壩智慧運(yùn)維技術(shù)體系

研發(fā)“天空地水工”智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合與治理技術(shù)，開發(fā)基于大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常識(shí)別技術(shù)、多源多時(shí)空監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合治理模型，開發(fā)水庫(kù)大壩智慧運(yùn)維管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、預(yù)警信息、操作日志、維護(hù)記錄、安全檢查報(bào)告智能處理，利用監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)分析結(jié)果提供操作建議、維護(hù)措施和風(fēng)險(xiǎn)處置策略。

（4）研發(fā)大壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)智能感知與智能饋控平臺(tái)

研究大壩風(fēng)險(xiǎn)全天候感知信息傳輸、存儲(chǔ)、融合方法，構(gòu)建大壩空間數(shù)字化映射場(chǎng)景，明晰風(fēng)險(xiǎn)饋控協(xié)同模式，建立大壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)的智能感知與智能饋控協(xié)同平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大壩全生命周期安全與風(fēng)險(xiǎn)智能感知—融合—診斷—預(yù)警—決策—防控閉環(huán)管理。

6.加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)與示范引領(lǐng)，推進(jìn)智能大壩建設(shè)與智能化改造先行先試

選取建設(shè)條件充分、建設(shè)需求明確、功能發(fā)揮顯著的工程開展先行先試工作，包括新建智能大壩和在役大壩的智能化升級(jí)改造，探索與技術(shù)相適應(yīng)的工程建設(shè)運(yùn)維管理體系，加強(qiáng)試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)成效的考核與總結(jié)，提煉可復(fù)制、可推廣的成功模式和技術(shù)成果，為后續(xù)的迭代改進(jìn)提供依據(jù)，引導(dǎo)其他大壩工程向智能大壩發(fā)展。

圍繞智能大壩建設(shè)目標(biāo)與建設(shè)原則，在總結(jié)先行先試建設(shè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，面向智能大壩設(shè)計(jì)、施工、改造、加固、評(píng)價(jià)、水文、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、信息化等全生命周期、全業(yè)務(wù)流程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，強(qiáng)化新一代信息技術(shù)、前沿技術(shù)與壩工知識(shí)的深度融合，創(chuàng)建能夠有效支撐智能大壩建設(shè)和智能化改造的法規(guī)制度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，分類、分等、分層、分級(jí)構(gòu)建智能大壩建設(shè)與更新改造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與管理規(guī)范體系，涵蓋工程建設(shè)方法、數(shù)據(jù)采集與感知、數(shù)據(jù)處理與分析、智能控制系統(tǒng)、安全防護(hù)與監(jiān)測(cè)等方面，滿足建設(shè)質(zhì)量、軟硬件開放兼容需要，支撐智能大壩技術(shù)的全面推廣實(shí)施和不斷迭代優(yōu)化。加強(qiáng)政府引導(dǎo)與業(yè)務(wù)相關(guān)學(xué)（協(xié)）會(huì)制定標(biāo)準(zhǔn)之間的統(tǒng)籌推進(jìn)和協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建政府主導(dǎo)建設(shè)、業(yè)務(wù)相關(guān)方（市場(chǎng)）自主培育的標(biāo)準(zhǔn)體系，鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研用各方依托社會(huì)組織制定團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)智能大壩建設(shè)技術(shù)在設(shè)計(jì)建造運(yùn)維全過(guò)程全局一體化、規(guī)范化應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

在變化環(huán)境和強(qiáng)人類活動(dòng)背景下，提升水庫(kù)大壩工程韌性以應(yīng)對(duì)極端事件影響，對(duì)在更高水平上保障大壩安全運(yùn)行和效益發(fā)揮至關(guān)重要。智能大壩作為實(shí)現(xiàn)庫(kù)壩系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、蓄水運(yùn)行、加固改造等全生命周期的立體化感知、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、智能化決策及協(xié)同化管理的重要載體，是提升水庫(kù)大壩工程韌性、促進(jìn)水利新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的關(guān)鍵手段。

智能大壩建設(shè)與水庫(kù)大壩智能化改造依賴于新一代信息技術(shù)和前沿技術(shù)的創(chuàng)新突破與集成應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大壩建設(shè)、運(yùn)行、改造過(guò)程的優(yōu)化升級(jí)，也將促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈條的重構(gòu)升級(jí)，形成新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素創(chuàng)新性配置，進(jìn)而催生新質(zhì)生產(chǎn)力。本文從提升水庫(kù)大壩工程韌性角度出發(fā)提出了智能大壩的概念內(nèi)涵，歸納了智能大壩的主要特征；從智能建造、感知、預(yù)警、監(jiān)管、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面總結(jié)了智能大壩建設(shè)與研究現(xiàn)狀，以及面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。此外，從幾方面提出了智能大壩建設(shè)發(fā)展路徑：加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，科學(xué)謀劃智能大壩建設(shè)規(guī)劃與實(shí)施路徑；加快構(gòu)建智能大壩建造與智能化改造理論體系；加強(qiáng)科技創(chuàng)新，組織開展智能大壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)和裝備攻關(guān)，支撐透徹感知體系以及智能診斷、智能預(yù)警、智慧運(yùn)維、智慧決策系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建；加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)與示范引領(lǐng)，推進(jìn)智能大壩建設(shè)與智能化改造先行先試等。

Abstract: In recent years, extreme precipitation events occurred frequently that have overturned traditional knowledge, posing a serious threat to the safety of reservoir and dam in flood season. The happening of floods and dam failures worldwide require higher resilience. The leap forward development of new information technology, such as mobile Internet, big data, cloud computing, Internet of Things and artificial intelligence, provides an opportunity for reform of dam safety management with digital, networked and intelligent systems. Application of these technologies to modernize reservoir and dam shall provide a solution for building resilience and risk reduction. From the perspective of enhancing reservoir and dam resilience, introductions are made on definition, connotation, and characteristics of intelligent dam, current research and construction status, problems and challenges, as well as key issues need to be addressed in the construction of intelligent dams. Firstly, we need to strengthen top-level design, planning and implementation path, and accelerates establishment of a theoretical system for intelligent dam construction. Secondly, we need to boost technological innovation in the development of technology and research, create a clear perception system, as well as intelligent diagnosis, intelligent warning, intelligent operation and maintenance, and intelligent decision-making system platform. Thirdly, we need to form technical standard system, take lead with pilot and rehabilitation projects, and provide a path for intelligent dam construction.

Keywords: intelligent dam; resilience reinforcement; clear perception; intelligent diagnosis; intelligent warning; smart decision-making; independent feedback control

本文引用格式：

盛金保，李宏恩，王芳.智能大壩建設(shè)與韌性提升發(fā)展路徑研究[J].中國(guó)水利，2024（24）：68-77.

封面攝影｜段萬(wàn)卿

責(zé)編李盧祎

校對(duì)董林玥

審核王慧

監(jiān)制軒瑋

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