智能大壩建設與韌性提升發展路徑研究

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.南京水利科學研究院，210029，南京）

摘要：近年來顛覆傳統認知的極端降水事件頻繁發生，對水庫大壩安全度汛造成嚴重威脅，世界范圍內洪水漫壩及漫頂潰壩事故時有發生，水庫大壩應對極端事件的工程韌性亟待提升。移動互聯網、大數據、云計算、物聯網、人工智能等新一代信息技術階躍式發展為水庫大壩安全管理數字化、網絡化、智能化變革提供了重要契機。強化數字賦能，對傳統水庫大壩開展智能化改造，是提升水庫大壩工程韌性、有效防范各類極端事件風險的重要路徑。從提升水庫大壩工程韌性角度出發，探討了智能大壩定義及其內涵、特征，總結了智能大壩研究與建設現狀及面臨的問題與挑戰，凝練了智能大壩建設需要攻關突破的關鍵科學問題與關鍵技術。從加強頂層設計、科學謀劃智能大壩建設規劃與實施路徑，加快構建智能大壩建造與智能化改造理論體系，加強科技創新以組織開展智能大壩建設關鍵技術和裝備攻關，支撐透徹感知體系以及智能診斷、智能預警、智慧運維、智慧決策系統平臺構建，加強技術標準體系建設與示范引領并推進智能大壩建設與智能化改造先行先試等方面，提出智能大壩建設路徑。

關鍵詞：智能大壩；韌性提升；透徹感知；智能診斷；智能預警；智慧決策；自主饋控

作者簡介：盛金保，正高級工程師，主要從事大壩安全與風險評估工作。

基金項目：國家重點研發計劃（2022YFC3005400）；國家自然科學基金（U2443231）；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（Y722003、Y723008）。

引言

水庫大壩是國家重要戰略性基礎設施，承擔著保障國家防洪安全、供水安全、糧食安全、能源安全、生態安全等重要任務。全國現有各類水庫大壩9.5萬多座，具有總量多、小型水庫多、土石壩多、老舊壩多、病險庫多、高壩大庫多等特點。從壩型看，土石壩占91.8%；從建成年代看，20世紀50—70年代及之前修建的占87.1%，平均壩齡53年。

近年來，顛覆傳統認知的極端暴雨事件頻繁發生，對水庫大壩安全度汛造成嚴重威脅，國內外洪水漫壩及漫頂潰壩事故時有發生。從國內看，2018年8月1日，新疆哈密地區射月溝小（1）型水庫遭遇超標準洪水漫頂潰壩，該水庫校核洪水標準為300年一遇，而實際發生洪水超1000年一遇，漫頂水深達5m。2021年汛期，我國多地出現連續強降雨天氣，導致兩座水庫漫頂潰壩、多座水庫出現漫壩險情；7月18日，內蒙古莫力達瓦旗12h累計降雨量232.1mm，導致一座?。?）型水庫（永安水庫）、一座中型水庫（新發水庫）漫頂潰壩，其中永安水庫遭遇的500年一遇洪水的校核洪峰流量比原設計大204%，新發水庫遭遇的300年一遇洪水的校核洪峰流量比原設計大225%；2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨小時最強點雨量201.9mm，突破我國大陸氣象觀測記錄歷史極值，導致鄭州市143座水庫中有84座出現不同程度險情，其中郭家嘴水庫出現漫壩險情，嚴重威脅下游南水北調中線工程安全；8月11日，湖北襄陽地區普降特大暴雨，5座小（2）型水庫出現漫壩險情。2023年“七下八上”防汛關鍵期，松花江流域部分支流發生超實測記錄洪水，哈爾濱市磨盤山水庫、龍鳳山水庫兩座大型水庫幾近漫壩。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，永興鎮最大降雨總量281.9mm，前鋒水庫、宏勝水庫兩座?。?）型水庫出現漫壩險情。從國際看，2018年7月23日，熱帶風暴“山神”（Son-Tinh）過境引起的持續強降雨導致老撾桑片-桑南內水電站副壩潰決。2020年5月1日，烏茲別克斯坦薩爾多巴（Sardoba）水庫遭遇臺風暴雨后潰壩，超過7.5萬人被迫轉移；5月19日，持續強降雨導致美國密歇根州伊登維爾（Edenville）大壩和桑福德（Sanford）大壩相繼潰決，上萬人被迫緊急撤離。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生超標準洪水導致其漫頂潰決；3月8日，強降雨導致美國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“丹尼爾”帶來極端強降雨，利比亞東部港口城市德爾納河上游24h內產水量超過阿爾比拉德和阿布曼蘇爾兩座水庫總庫容的5倍，9月11日凌晨2時左右兩座水庫相繼潰壩，潰壩洪水瞬間沖擊歷史名城德爾納，全國超過10%的人口遭受洪災影響；10月4日凌晨，中印邊境錫金邦提斯塔河流域因持續降雨誘發南洛納克冰川湖潰決，產生的毀滅性大洪水導致下游提斯塔Ⅲ級水電站潰壩，沿河15座橋梁及大量建筑、軍事設施被沖毀。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潰決；7月26日，俄羅斯西南部車里雅賓斯克州基阿利姆（Kialimskoye）水庫土石壩在持續強降雨沖擊下因調度不當潰壩，所幸未造成人員傷亡。

2000年以來，我國水庫年均潰壩率已降至0.5/10000以下，進入世界低潰壩率國家行列，但超標準洪水導致的潰壩占比呈明顯增大趨勢，這與當前極端天氣事件頻發和強人類活動影響有很大關系。未來要實現“確保現有水庫安然無恙”防御目標，必須提升水庫大壩應對超標準洪水等各類突發事件的工程韌性。

1954—2023年我國超標準洪水導致潰壩數量與比例統計

“工程韌性”概念最早由加拿大學者Holling提出，其定義為工程系統在受到洪水、地震等自然災害及社會動蕩、戰爭、恐怖襲擊等強人類活動擾動后恢復平衡或穩定狀態的能力?；诖硕x，水庫大壩工程韌性則是指庫壩系統在受到暴雨洪水、突發地震、強人類活動等擾動，或出現漫頂、滲漏、滑坡、裂縫等工程險情后恢復工程基本功能與穩定運行狀態的能力。中國工程院發布的《全球工程前沿2023》中將“結構與工程系統全壽命抗災韌性”列為10項土木、水利與建筑工程領域工程研究前沿之一。國際上也對變化環境下水工程韌性提升給予了高度關注。2024年9月14日，在北京召開的第18屆世界水資源大會“水工程韌性提升-應對極端事件”專場會議指出，近年來，在氣候變化和強人類活動背景下，全球水系統遭遇的外界干擾頻率、強度不斷增強，高韌性水治理迫在眉睫。水庫大壩等水工程在應對氣候變化、實現高韌性水治理中發揮著越來越重要的作用。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設施韌性提升”分會指出，提升水工程應對洪水、干旱、旱澇急轉等極端事件的適應能力與工程韌性，具有重要的現實意義。

近年來，有關提升工程韌性的研究取得顯著進展，特別是在提升城市基礎設施和區域經濟的韌性方面。學者們通過運用大數據、人工智能和機器學習等先進技術，對城市電力系統、交通網絡和建筑結構進行風險評估和優化設計，以提高工程在面對自然災害和人為干擾時的恢復力和適應力。

變化環境與強人類活動給水庫大壩安全帶來新的挑戰，傳統安全管理理念和模式已難以滿足新階段水庫大壩高質量發展與高水平安全需求。物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術階躍式發展為水庫大壩安全管理數字化、網絡化、智能化變革提供了重要契機，強化數字賦能，開展智能大壩建設或對傳統水庫大壩開展智能化改造，是提升水庫大壩工程韌性、有效防范各類極端事件風險挑戰的重要路徑。面向發展水利新質生產力，智能大壩建設已成為壩工技術進步的制高點，也成為當下水利行業重點推進的工作和研究熱點。王浩所在研究團隊較早系統闡述了智慧水利的數字賦能體系框架；鐘登華等探討了大壩建設及運行管理過程中在數字化、智能化方面的關鍵需求；李慶斌等針對大壩智能建造提出了基于感知—分析—控制的閉環控制理論；盛金保等闡明了大壩安全智慧管理的內涵，并在水庫大壩性能演化與災變機理、大壩安全智能診斷決策理論與方法等方面取得研究進展。

本文從提升水庫大壩工程韌性角度，探討了智能大壩定義及其內涵、特征，總結了智能大壩研究與建設現狀及面臨的問題與挑戰，凝練了智能大壩建設與智能化改造需要攻關突破的關鍵科學問題與關鍵技術，針對性提出了智能大壩建設發展路徑。

智能大壩定義、內涵與特征

1.智能大壩定義

智能大壩是以大壩工程物理實體、賦存環境數字體為基礎，通過移動互聯網、大數據、云計算、物聯網、人工智能等新一代信息技術，以及傳感器、衛星遙感、高效算法、信息融合、自動控制等前沿技術與水庫大壩專業知識的深度融合，以透徹感知、自主分析、自主饋控為基本運行模式，以透徹感知、全面互聯、深度融合、廣泛共享、智能應用、泛在服務為重要特征，基于數據—機理—知識三元驅動，實現水庫大壩全生命周期安全與風險的智能感知—融合—診斷—預警—決策—防控，顯著提升水庫大壩工程韌性。

智能大壩內涵與基本運行模式

2.智能大壩內涵

從目標、維度、技術、功能與愿景5個角度對智能大壩內涵進行詮釋。

（1）目標

智能大壩以實現大壩“物理空間可視化、安全監控智能化、物聯網絡圖形化、運行管理協同化”為具體功能目標，建設“數字大壩、協同大壩、韌性大壩、綠色大壩、高效大壩、安全大壩”，顯著提升水庫大壩工程韌性，在更高水平上保障大壩安全運行和效益發揮。

（2）維度

智能大壩基于系統安全理念，跨越了空間、時間、用戶、業務4個維度?？臻g維度包括水庫大壩工程自身及上下游、左右岸影響區；時間維度跨越水庫大壩規劃設計、施工建設、蓄水運行、加固改造、降等報廢等全生命周期；用戶維度包括水行政主管部門、水庫大壩主管部門和運行管理單位、水庫功能受益對象等；業務維度包括工程安全運行、科學優化調度、業務高效管理、風險快速處置。

（3）技術

智能大壩建設涉及4大賦能體（系）與8項核心技術，即水庫大壩工程體、賦存環境數字體、矩陣管理智慧體、技術標準體系，以及智能感知設備（傳感器）、物聯網、數字孿生、大數據、云計算、移動互聯網、人工智能、網絡信息安全技術。

（4）功能

智能大壩實現水庫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、智能監管、智能調度、智慧運維；統籌上下游、左右岸，對大壩安全和災變進行智能診斷和預警，對大壩運行風險態勢進行智能辨識、決策與自主饋控。

（5）愿景

通過智能大壩建設與智能化改造，實現水庫大壩建設與安全管理理念和技術從數據到信息、從信息到知識、從知識到智能、從智能到智慧的轉變，使傳統大壩具備物聯感知、全要素表達、可視化呈現、數據融合供給、空間分析計算、模擬仿真推演、虛實交互，以及自我學習、自我優化、自主診斷、自主饋控等多種能力。

3.智能大壩特征

（1）物理實體大壩和數字孿生大壩是基礎

物理實體大壩是水庫發揮防洪、灌溉、發電等綜合效益的物質基礎，是工程建設和行業管理的具體對象，是現代化智能感知技術裝備的物理載體；數字孿生大壩是物理實體大壩的數字化映射，通過BIM、GIS、VR等技術，將工程實體、機械設備、監測儀器等映射到三維數字化可視空間，實現水庫大壩建管業務及信息交互從紙面到屏幕、從二維到三維、從抽象靜態到形象動態的提升。

（2）全要素信息透徹感知與數據通信傳輸等物聯網技術集成應用是關鍵

“天空地水工”全要素信息感知儀器設備是智能大壩的“感覺器官”和“信息終端”，實現大壩變形、應力、滲流、溫度等監測量，以及水情、雨情、旱情、地震等環境監測量的全面實時感知。移動互聯網等數據通信傳輸技術與網絡基礎設施為海量監測信息在智能大壩的“感知終端”和“大腦中樞”之間搭建高效互聯互通的信息高速公路，實現人-機-物高速率、低時延互聯。

（3）多源數據融合分析與大壩安全性態智能診斷及風險自適應預警和自主饋控是核心

大壩人工智能是人類為水庫大壩開發的“大腦中樞”，利用計算機模擬大壩工程師的邏輯思維和推理決策過程，通過深度學習，對多源異構數據進行融合分析；利用監測數據、專業知識、技術標準、工程經驗對大壩安全性態進行智能診斷；通過仿真模擬對大壩全生命周期可能場景或極端工況下風險演化進行數字化預演、自適應預警和自主饋控。

（4）建設和運行管理的精準化智慧化決策是標志

智能大壩能夠在學習、推理、預演基礎上，對大壩建設和運行管理進行智慧決策，建設期能夠對混凝土振搗、土石料碾壓、壩基灌漿、混凝土溫控等重要過程及施工進度進行精準化監控；運行期對水庫大壩安全性態進行透徹感知和智能診斷，對調度運用、維修養護、更新改造、功能提升、隱患治理、風險防控等作出科學判斷和優化決策，并反饋給設備管理人員，通過合理權限分配，實現閘門自動控制、隱患智能處理、預警信息發布、預案迭代優化、風險自主防范等功能。

智能大壩建設進展及面臨的挑戰

1.建設進展

利用新一代信息技術改造升級傳統水利基礎設施，促進水利新質生產力發展，是國家和行業重點推進的工作任務，也是行業學者關注和研究的焦點。2023年5月，中共中央、國務院印發《國家水網建設規劃綱要》，明確全面推動水網工程數字化智能化建設，提升調度管理智能化水平，打造全覆蓋、高精度、多維度、保安全的水網監測體系。水利部也相繼印發《水利部關于印發加快推進新時代水利現代化的指導意見的通知》（水規計〔2018〕39號）、《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》（水信息〔2021〕323號）、《水利部關于加快構建現代化水庫運行管理矩陣的指導意見》（水運管〔2023〕248號）、《水利部印發〈關于推進水利工程建設數字孿生的指導意見〉的通知》（水建設〔2024〕93號）等系列文件，以提升水利工程建設全要素、全過程的數字化、網絡化、智能化管理能力。智能大壩建設與智能化升級改造依賴于多種前沿技術創新突破和集成應用，近年來，通過積極推進水利信息化、智慧水利、數字孿生水利建設等相關工作，大壩智能建造、智能感知、智能預警、智能監控、技術標準等領域研究及應用取得明顯進展。

（1）智能建造方面

隨著大壩工程建設規模與難度逐漸加大，數字化、信息化和智能化的工程建設管理需求日趨迫切。智能建造技術的引入，不僅提高了大壩建設的質量與效率，更在施工安全性、環境友好性等方面帶來了顯著提升。大壩智能建造技術的發展主要可以歸納為理論、技術、方法、設備4個方面。

理論層面，融合在線監測與仿真技術實現建造過程中大壩性態的實時分析和調控，成為提高大壩安全性和降低風險的有效手段，形成了基于感知—分析—控制閉環控制理念的智能建造理論。

技術層面，通過融合物聯網、大數據等技術建立了智能監控系統，同時提出了材料生產、澆筑、振搗、壓實、灌漿等質量評估系統；基于數字孿生技術與Unity可視化展示平臺等實現了對大壩施工全過程的可視化動態展示；通過集成信息技術和工程管理理論提出了智能施工管理技術，實現施工過程的智能調度。

方法層面，結合智能監控系統獲取的材料信息，提出基于多源信息融合驅動的壩料物理力學模型識別與參數綜合反演技術，并研發了智能決策模塊，為現場科學、高效的施工管理提供了有效手段。

設備層面，近年來發展較為成熟的智能施工機械通過配備各種傳感系統、監測系統和集成智能算法的控制系統等，完成自動定位、現場環境感知、路徑規劃、自動施工動作執行等任務；研發了集成環境信息監測設備、控制參數計算的理論模型和反饋控制系統的噴霧、溫控等裝備系統，實現對控制參數的智能化動態控制，并在烏東德水電站和白鶴灘水電站等智能建造過程中成功應用。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奠定良好物理實體基礎。

（2）智能感知方面

多源信息透徹智能感知是實現水庫大壩數字化、網絡化、智能化運行管理的基礎，通過衛星遙感、人工智能等新技術，無人機、無人船、水下機器人等新裝備新技術的應用，構建覆蓋水庫上下游、左右岸的“天空地水工”全天候動態監控體系，可為實現水庫運行管理信息系統數據集成、全面提升水庫工程全要素風險感知與防控能力提供重要技術支撐。在大尺度監測技術與裝備方面，綜合應用衛星遙感技術可實現對庫區、下游河道等區域地表環境和時空變化的大范圍、長時序動態監測；在中小尺度監測技術與裝備方面，研發應用了一批新型監測技術與設備，包括智能感知終端、無人機、無人船等。通過加強窄帶物聯網（NB-IoT）、5G等新一代物聯通信技術及智能感知、控制執行和精準計量等設備的應用，提升傳統安全監測手段的自動化、智能化水平；在深水探測技術與裝備方面，我國自主研發的大壩深水檢測專用載人潛水器“禹龍號”成功突破了300m級深水環境大壩安全保障技術難題，重點解決了載人潛水器作業固定、水下定位、作業工具搭載、低能見度探測、安全防護、寬視野觀察窗研制等技術難題；在全要素數據集成與數據底板構建方面，匯集工程基礎數據、“天空地水工”全天候動態監測數據、地理空間數據、業務管理數據以及跨行業共享數據，構建水庫全要素信息數據底板，實現工程多源信息的透徹感知。

（3）智能預警方面

通過實時監測水位、降雨量、滲流、應力、沉降等關鍵物理量，及時發現工程潛在風險和異常情況，進一步預測可能發生的險情，如洪水、滑坡和結構損壞等，并實現風險智能預警，為應急決策提供科學依據。

在雨水情監測預報“三道防線”構建方面，隨著數字孿生技術的推廣應用，在數字孿生場景中接入或疊加雨量和洪水預報成果展示功能不斷完善。在智能診斷模型與動態預警體系構建方面，融合工程全生命周期內“天空地水工”全天候智能監控系統匯集的全要素信息，充分挖掘工程設計、建設、運行期信息特征并實現全生命周期數據互饋，基于數字孿生平臺形成了大數據環境下大壩安全性態的數據-機理雙驅動智能融合及診斷方法與模型。在仿真預演與系統研發方面，通過構建具備正反向推演功能的全過程、多情景模擬仿真預演體系對預報場景進行前瞻預演，為調度方案優選、應急預案制定提供科學依據。在應急預案迭代優化方面，數字化應急預案可為快速應急搶險調度提供決策支持，通過結構化、模塊化應急預案基礎要素，如組織機構、預警與預防機制等，融合水庫防洪調度方案和風險人口及社會經濟熱力圖分析成果等進行模擬仿真，快速生成匹配當前情景的應急指令群，作為進一步動態模擬和迭代優化的基礎，實現應急預案的數字化、矢量化、結構化處理。

（4）智能監管方面

智能大壩建設通過融合新一代信息化技術及專業知識實現大壩安全性態的透徹感知、自主分析、自主饋控及大壩全生命周期智能監控，建設大壩智能監管平臺，集成實時監測、預警預報、智能決策及信息共享等功能，為應對突發事件中大壩風險智能防控提供技術支撐。

在智能監管模式方面，針對大壩監管信息異構性強的問題，建立了信息分類標準及模型，實現監管信息的標準化管理；建立了全國水庫大壩安全信息采集上報與共享體系，實現數據共享、分析、應用和水庫大壩安全管理的規范化、精細化、智能化；初步構建了“法規制度為依據、監管機制為保障、監管體制為支撐、監管措施為抓手”的智能監管模式與機制；建立了管理評估標準及分級預警指標體系、大壩安全技術手冊質量智能評估方法及系統等。在動態智能監管方法與技術方面，在大壩安全智能監管模式框架下，基于監管異構信息標準化成果，采用關聯、聚類等方法挖掘識別大壩安全監管潛在風險并實現定量化分析，為提出針對性監管措施提供依據，建立適用于不同階段、不同風險等級的大壩智能動態監管方法。在智能監管平臺建設方面，圍繞管理監督、安全預警、應急決策三個環節，構建水庫大壩安全信息共享與多維協同監管云服務架構，包括智能監管、智能預警及智能決策系統。

（5）技術標準方面

為充分發揮技術標準的引領性、基礎性、保障性作用，以構建面向發展水利新質生產力的技術標準體系為目標，加強衛星遙感、智能巡檢、無人機與水下機器人等新技術應用，水利部新修訂的《水利技術標準體系表》中，將智能化施工技術作為功能序列“施工與安裝”的重要內容，同時形成國家水網工程智能化設計標準、大壩安全智能監測技術導則等31項智能大壩建設相關標準制修訂計劃。但上述技術標準出臺尚待時日，智能大壩建設與智能化改造技術標準體系建立依舊任重道遠。

2.面臨的問題與挑戰

相較于智慧城市、智能電網、智能交通、智能醫療等領域的快速發展，智能大壩建設特別是傳統大壩智能化升級改造，在理論方法、關鍵技術、儀器裝備、標準規范等方面尚存以下突出問題與挑戰。

（1）統籌全生命周期的智能大壩建設理念方法與技術體系尚待構建

智能大壩是蘊含新一代發展理念的大壩發展形態，而統籌規劃、設計、建設、蓄水、運行、加固、改造、退役等全生命周期建設運行安全保障的智能建設尚處在理論探索階段，特別是面廣量大的已建水庫大壩信息化基礎設施薄弱，建設信息缺失，運行期監測數據匱乏，難以支撐大壩安全智能診斷與協同管理，智能化改造的理論、方法與技術缺少實踐探索經驗，統籌水庫大壩全生命周期的智能大壩建設理念方法與技術體系亟待構建。

（2）智能大壩建設關鍵核心技術亟待攻關突破

在大壩透徹感知體系構建方面，涵蓋監測、檢測、探測等全要素的透徹感知體系尚未建立，相應的感知設備布設方法與技術標準不健全，多源感知要素數據治理融合度較低，無法實現關鍵要素時間連續和空間全面的透徹感知；在大壩安全性態智能診斷、預警與饋控方面，尚存在多源多模態數據相互融合技術缺乏，數據、機理及知識的相互協同性不強，面向結構性態演變、環境變化等復雜環境條件下的安全性態自診斷和自適應預警能力不足等問題。如何通過理論與方法創新，將傳統壩工技術與新一代信息技術和前沿技術充分融合，全面感知水庫大壩全天候、全要素、全周期多源信息，通過數據融合實現大壩安全與風險的智能診斷—預警—決策—防控關鍵技術仍需進一步深入研究。

（3）智能大壩建設管理全鏈條關鍵儀器裝備亟待自主研發

智能大壩透徹感知體系是包括“天空地水工”監測、檢測與探測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鍵，現有埋入式大壩安全監測儀器以弦式、差阻式、電容式等為主，長期穩定性、環境適應性、觀測精度難以滿足復雜運行環境下大壩安全風險早期精準識別的需求，一旦發生損壞，往往難以及時修復更新，無法保證監測數據的時空連續性?，F地終端功能不足，數據缺失防控與儀器故障修復技術尚不健全，難以支撐智能大壩透徹感知體系建設。同時，適應復雜環境的大壩智能建造裝備，以及大壩深水長距離檢測與修補加固裝備、深埋隱伏病害無損檢測與處置裝備還存在關鍵短板。如何通過自主研發全鏈條關鍵儀器裝備，進一步提升水庫大壩信息感知、性能仿真、智能診斷、智能維護等全覆蓋業務領域智能化水平有待深入研究。

（4）支撐智能大壩建設和智能化改造的技術標準體系亟待加速建立

技術標準是推動智能大壩建設與傳統大壩智能化改造布局的重要支撐，是引導智能大壩規模化應用和技術產業生態集群建設的關鍵基礎。盡管水利部新修訂的《水利技術標準體系表》將國家水網工程智能化設計標準、大壩安全智能監測技術導則等31項智能大壩建設相關技術標準列入其中，但標準制修訂需要相關研究基礎與應用實踐支撐，距離上述標準出臺仍有相當長時間，科學、合理、可行的智能大壩建設與智能化改造技術標準體系亟待加速建立。

智能大壩建設的發展路徑

智能大壩建設和傳統大壩智能化改造應以提升工程韌性、支撐水庫大壩高質量發展與高水平安全為統領，以推動數智賦能、應用至上為核心，錨定數字化、網絡化、智能化發展主線，堅持目標導向、需求牽引，統籌謀劃，整體推進。

1.加強頂層設計，明確發展階段和實施路徑

智能大壩的頂層設計是引領智能大壩的技術框架、建設目標、建設內容、推進模式及保障機制的基礎，具體實施路徑是保障智能大壩建設與智能化改造有序推進和持續發展的關鍵。一是遵循新階段水利新質生產力、水利高質量發展和高水平安全基本要求，強化傳統壩工技術與新一代信息技術和前沿技術的深度融合，開展多學科多技術聯合科技攻關，破解智能大壩建設與智能化改造關鍵技術瓶頸與裝備瓶頸；二是基于智能感知—融合—診斷—預警—決策—防控全鏈條技術路線，在全國范圍有序推進“數字大壩、協同大壩、韌性大壩、綠色大壩、高效大壩、安全大壩”建設；三是統籌考慮功能需求與技術創新進展，分階段穩步推進，在應用中不斷迭代升級。

2.加快構建智能大壩建造與智能化改造理論體系

加快構建集“多維度信息感知、多目標智能決策、多要素實時控制”為一體的智能大壩建設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、智能預警、智能調度、智慧運維、自主饋控等全鏈條業務需求，為實現設計、施工、運行全過程中施工要素、材料性能、結構性態、風險演化等因素的綜合智能調控，解決大壩結構服役狀態調控、生命期安全性能評估、風險預測預警難題，實現“高質、高效、安全、綠色”智能建設目標提供理論基礎。

3.加快推進大壩透徹感知體系建設

（1）提升大壩智能監（檢）測技術裝備自主研發能力

構建“天空地水工”一體化監測網，融合三維可視化技術，采用智能優化算法，實現大壩智能感知體系優化設計。融合高精度感知、抗電磁抗干擾技術以及精密制造工藝，加快大壩智能傳感器研發，實現傳感器與專用微型處理器的結合，研制高精度、抗干擾且集自診斷、自校準、功耗管理、數據處理等功能的一體化智能傳感器，增加傳統傳感器不具備的自動校零、漂移補償、傳感單元過載防護、數采模式轉換、數據存儲、數據分析等功能。研發集成無線傳感器網絡技術，建立大壩綜合監測數據傳感網絡體系，構建感知節點的數字孿生系統，實現智能傳感器與數字孿生技術的多效結合。研發多源數據智能采集、冗余存儲與多信道自適應通信和智能感知預警的現地終端裝備。

（2）提升大壩風險智能感知與處置決策水平

研發基于大測深探地雷達、分布式電法等技術的大壩病害智能外檢測技術裝備；積極推動新一代人工智能在風險感知和智能診斷技術中的應用，開發智能算法，感知監測數據中的異常信息和風險特征，提升水庫大壩潛在風險辨識與量化評估能力；開發極端情況下的智能預測與預警系統，提升數據處理自主分析能力和自動響應效率，提升風險處置智能決策技術能力。

4.加快推進智能大壩建設成套技術裝備研發

（1）推進大壩智能建造與智能化改造技術革新

加快物聯網、人工智能與綠色施工技術的融合，提升技術適應性與可靠性，提高施工全過程自動化技術集成率。構建大壩建設多源信息感知體系，實現大壩建造過程信息感知的精準性與實時性。研發新型加固材料，創新加固技術，優化改造方案，提高已建壩結構強度，強化服役性態。通過智能化改造，開展已建壩智能傳感監測體系建設，推動傳統已建壩信息化、數字化提檔升級。

（2）加快大壩智能建造新技術新裝備研發

發展適用于高寒高海拔地區深厚覆蓋層和軟巖地基的筑壩技術，以及嚴酷環境下耐久性混凝土、特大型堆積體利用、高陡邊坡穩定控制、大型棄渣場利用與安全控制等關鍵技術。研發深埋長隧洞勘測、高機動性地球物理探測、高架大跨度渡槽震災防控技術與裝備，以及新型高效破巖與刀盤卡機快速脫困技術，高地熱、高地應力、多斷層破碎帶等復雜地質條件下深埋長隧洞鉆爆法、TBM法智能安全高效掘進技術與裝備。

（3）迭代優化大壩智能建造可視化仿真平臺

發展國產三維可視化圖形設計軟件，研究高效高精度的三維可視化技術。整合微觀材料性能到宏觀結構行為的多尺度仿真模型與仿真結果，利用數字孿生技術，實現大壩虛擬規劃與場景預演、施工仿真模型的智能更新、施工方案的智能優化與反饋控制等技術更新，實現對大壩建設進度和質量的動態控制，解決由大壩建設過程中的隨機性和不確定性造成的施工進度和質量控制難度大等問題。開發高效直觀的人機交互界面，實現協作設計和決策的便捷性。

（4）加強筑壩材料科技創新

研發適用于廣泛環境條件的高耐久、高強度、優異抗滲性和抗裂性的新型混凝土材料和其他筑壩材料。開展生態環境友好型材料研究，提高工業副產品和廢料的利用率，利用現代納米和生物技術手段，改善傳統建筑材料的力學性能和耐久性。促進材料科學、環境科學、信息技術等多學科交叉，建立和完善新型材料性能評估和檢測體系。

5.加快構建大壩智能診斷與智慧運維技術體系

（1）建立大壩運維期智能化預測算法

基于大數據分析與機器學習等智能算法，開發基于大量監測數據的深度分析模型，實時評估大壩結構健康狀態，實現復雜外荷載作用下水庫大壩力學響應與災變過程仿真。開發基于物理模型和歷史數據的大壩老化與壽命預測模型，構建大壩滲流與裂縫發展預測模型，對潛在安全隱患進行早期識別，提升水庫大壩風險智能預警和自主饋控水平。

（2）發展大壩安全智能診斷預警模擬方法

開發基于物理模型和數據驅動模型的預測工具，結合大壩的歷史監測數據和實時數據，對大壩的運行狀態進行智能預測。利用災變模擬結果進行水庫大壩風險評估，分析可能的損害模式和失效機制，為智慧決策提供科學依據。基于監測風險閾值，建立自動預警系統，實現自動觸發預警和啟動應急響應程序。

（3）建立大壩智慧運維技術體系

研發“天空地水工”智能監測數據融合與治理技術，開發基于大數據及機器學習的監測數據異常識別技術、多源多時空監測數據融合治理模型，開發水庫大壩智慧運維管理平臺，實現實時數據、預警信息、操作日志、維護記錄、安全檢查報告智能處理，利用監測與預測分析結果提供操作建議、維護措施和風險處置策略。

（4）研發大壩運行風險態勢智能感知與智能饋控平臺

研究大壩風險全天候感知信息傳輸、存儲、融合方法，構建大壩空間數字化映射場景，明晰風險饋控協同模式，建立大壩運行風險態勢的智能感知與智能饋控協同平臺，實現大壩全生命周期安全與風險智能感知—融合—診斷—預警—決策—防控閉環管理。

6.加強技術標準體系建設與示范引領，推進智能大壩建設與智能化改造先行先試

選取建設條件充分、建設需求明確、功能發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改造，探索與技術相適應的工程建設運維管理體系，加強試點項目建設成效的考核與總結，提煉可復制、可推廣的成功模式和技術成果，為后續的迭代改進提供依據，引導其他大壩工程向智能大壩發展。

圍繞智能大壩建設目標與建設原則，在總結先行先試建設經驗基礎上，面向智能大壩設計、施工、改造、加固、評價、水文、監測、檢測、信息化等全生命周期、全業務流程技術標準要求，強化新一代信息技術、前沿技術與壩工知識的深度融合，創建能夠有效支撐智能大壩建設和智能化改造的法規制度技術標準體系，分類、分等、分層、分級構建智能大壩建設與更新改造技術標準與管理規范體系，涵蓋工程建設方法、數據采集與感知、數據處理與分析、智能控制系統、安全防護與監測等方面，滿足建設質量、軟硬件開放兼容需要，支撐智能大壩技術的全面推廣實施和不斷迭代優化。加強政府引導與業務相關學（協）會制定標準之間的統籌推進和協同發展，構建政府主導建設、業務相關方（市場）自主培育的標準體系，鼓勵產學研用各方依托社會組織制定團體標準，推動智能大壩建設技術在設計建造運維全過程全局一體化、規范化應用。

結語

在變化環境和強人類活動背景下，提升水庫大壩工程韌性以應對極端事件影響，對在更高水平上保障大壩安全運行和效益發揮至關重要。智能大壩作為實現庫壩系統規劃設計、施工建設、蓄水運行、加固改造等全生命周期的立體化感知、網絡化傳輸、智能化決策及協同化管理的重要載體，是提升水庫大壩工程韌性、促進水利新質生產力發展的關鍵手段。

智能大壩建設與水庫大壩智能化改造依賴于新一代信息技術和前沿技術的創新突破與集成應用，不僅能夠實現大壩建設、運行、改造過程的優化升級，也將促進相關產業鏈條的重構升級，形成新的產業生態，實現生產要素創新性配置，進而催生新質生產力。本文從提升水庫大壩工程韌性角度出發提出了智能大壩的概念內涵，歸納了智能大壩的主要特征；從智能建造、感知、預警、監管、技術標準等方面總結了智能大壩建設與研究現狀，以及面臨的問題與挑戰。此外，從幾方面提出了智能大壩建設發展路徑：加強頂層設計，科學謀劃智能大壩建設規劃與實施路徑；加快構建智能大壩建造與智能化改造理論體系；加強科技創新，組織開展智能大壩建設關鍵技術和裝備攻關，支撐透徹感知體系以及智能診斷、智能預警、智慧運維、智慧決策系統平臺構建；加強技術標準體系建設與示范引領，推進智能大壩建設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.智能大壩建設與韌性提升發展路徑研究[J].中國水利，2024（24）：68-77.

封面攝影｜段萬卿

責編李盧祎

校對董林玥

審核王慧

監制軒瑋

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