以智能大壩理念引領(lǐng)壩工技術(shù)發(fā)展

引言

大壩是人類(lèi)順應(yīng)河流、治理河流和利用河流的偉大創(chuàng)舉，是人類(lèi)工程智慧的結(jié)晶，具有防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等多種功能，發(fā)揮著巨大的綜合效益。但隨著全球氣候變化不斷加劇、人類(lèi)活動(dòng)影響不斷增強(qiáng)、工程服役齡期不斷增長(zhǎng)，潰壩事件在世界各地時(shí)有發(fā)生，災(zāi)難性后果影響巨大；同時(shí)防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等綜合利用要求越來(lái)越高，可持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。面對(duì)保障高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全時(shí)代需求，在新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展背景下，應(yīng)用智能技術(shù)賦能大壩工程已成為歷史必然。

我國(guó)正在致力于推進(jìn)智能大壩建設(shè)，不斷提升水庫(kù)大壩現(xiàn)代化建設(shè)運(yùn)行管理能力。2025年5月21日，在四川成都舉辦的國(guó)際大壩委員會(huì)第28屆大會(huì)上，水利部部長(zhǎng)李國(guó)英作主旨報(bào)告，并為中國(guó)水利水電科學(xué)研究院編寫(xiě)的《智能大壩理念與實(shí)踐》新書(shū)發(fā)布揭幕；李國(guó)英部長(zhǎng)在報(bào)告中闡述了智能大壩的內(nèi)涵、目標(biāo)、實(shí)施路徑和核心特征，明確指出“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”，提出的“以智能大壩為引領(lǐng)，推動(dòng)全球壩工事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”倡議獲得國(guó)際社會(huì)廣泛響應(yīng)。

本文從保障高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全的需要出發(fā)，進(jìn)一步闡釋智能大壩的建設(shè)需求、基本概念和功能作用，探討智能大壩的構(gòu)成和技術(shù)體系，提出了智能大壩分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

智能大壩的建設(shè)需求

1.保障高水平安全的迫切需要

我國(guó)大壩數(shù)量多、分布廣，對(duì)于保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展至關(guān)重要。我國(guó)政府高度重視大壩安全，開(kāi)展了大規(guī)模除險(xiǎn)加固工作，實(shí)施了構(gòu)筑雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線(xiàn)”、提升水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)能力、建設(shè)數(shù)字孿生工程、構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣等一系列工作，有效提升了大壩安全保障水平，2022年以來(lái)未發(fā)生潰壩事件。但我國(guó)大壩80%以上修建于20世紀(jì)50—70年代，存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、設(shè)施不配套、工程老化劣化等問(wèn)題。同時(shí)，近年全球極端天氣事件呈現(xiàn)趨多趨頻趨強(qiáng)態(tài)勢(shì)，大壩面臨極端暴雨、超標(biāo)準(zhǔn)洪水等非常規(guī)極端事件的威脅，全球已發(fā)生了多起影響巨大的潰壩事故。上述工程本體因素和外界環(huán)境因素都會(huì)增加潰壩風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)手段難以有效預(yù)判和防控，需要綜合采用各種手段，尤其是智能化手段有效提升工程監(jiān)測(cè)感知、安全分析、預(yù)警預(yù)判、應(yīng)急處置和綜合防控等安全管理能力，確保大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.保障工程效益充分發(fā)揮的核心支撐

大壩工程在實(shí)際運(yùn)行中需要統(tǒng)籌考慮防洪、供水、灌溉、發(fā)電、生態(tài)、航運(yùn)等不同需求，因庫(kù)容有限，難以全部滿(mǎn)足，需要在保證大壩安全條件下進(jìn)行多目標(biāo)決策調(diào)度實(shí)現(xiàn)工程效益的“帕累托最優(yōu)”。水庫(kù)大壩的運(yùn)行往往受上下游、左右岸的制約并對(duì)上下游、左右岸產(chǎn)生影響，尤其以大壩群模式運(yùn)行時(shí)水庫(kù)大壩之間需要精準(zhǔn)調(diào)度、協(xié)同運(yùn)行，才能更好地發(fā)揮工程效益。但受限于技術(shù)水平和方法，現(xiàn)有調(diào)度方案往往僅為局部最優(yōu)，難以有效保證水庫(kù)大壩綜合效益充分發(fā)揮，急需采用智能化手段予以支撐。智能大壩可以通過(guò)智能化手段有效提升工程管控效率和運(yùn)維水平，提升多目標(biāo)決策的科學(xué)合理性，在實(shí)現(xiàn)單個(gè)大壩工程效益充分發(fā)揮的同時(shí)，加強(qiáng)水庫(kù)壩群的互聯(lián)互通和協(xié)同融合，強(qiáng)化梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩群效益的最大化發(fā)揮。

3.發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力的重要載體

大壩是技術(shù)密集的水利工程，在設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行等各階段涉及工程材料、工程結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域。實(shí)踐中，大壩工程建設(shè)與智能技術(shù)的融合已有效催生了智能建造技術(shù)，如智能碾壓、智能溫控、智能灌漿等，促進(jìn)了水利工程建設(shè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)了新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展。智能大壩建設(shè)依賴(lài)于人工智能、傳感器、遙感技術(shù)、高效算法、信息融合、自動(dòng)控制等多種前沿技術(shù)的創(chuàng)新突破和集成應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大壩工程的進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，也將實(shí)現(xiàn)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)而發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力。

智能大壩的發(fā)展歷程和發(fā)展現(xiàn)狀

1.發(fā)展歷程

大壩工程歷史悠久，但大壩工程的數(shù)字化、智能化發(fā)展探索主要在近20年。下圖為以智能、大壩為主題詞的歷年論文發(fā)文量情況。

▲以智能、大壩為主題詞的歷年論文發(fā)文量

2005年之前，大壩工程智能化概念主要針對(duì)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控，個(gè)別文獻(xiàn)涉及智能材料、智能裝備。

2005—2020年，數(shù)字大壩理念逐漸形成。初期，數(shù)字大壩主要指在安全監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)控之外增加數(shù)字監(jiān)控并適當(dāng)擴(kuò)充用于大壩管理的系統(tǒng)；后期，數(shù)字大壩擴(kuò)展用于大壩工程建設(shè)信息的收集、存儲(chǔ)和管理，一批數(shù)字大壩工程管理系統(tǒng)建成，包括糯扎渡、梨園、長(zhǎng)河壩、魯?shù)乩人娬緮?shù)字大壩。同時(shí)，在施工仿真、溫度仿真等基礎(chǔ)上，逐漸形成智能碾壓、智能溫控等智能建造技術(shù)。基于數(shù)字大壩和智能建造，智能大壩的概念逐步形成，但這一階段的智能大壩主要聚焦于大壩壩體自身的監(jiān)測(cè)仿真、施工管理和預(yù)警控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員、工程質(zhì)量、工程安全的智能管控，實(shí)質(zhì)上可以理解為大壩工程的智能建造，而大壩工程的智能運(yùn)維和效益發(fā)揮涉及較少。

2020年后，數(shù)字孿生概念在大壩工程中逐漸應(yīng)用并推廣，目的是實(shí)現(xiàn)水利工程運(yùn)行管理的全過(guò)程監(jiān)管和控制。2022年，水利部印發(fā)《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》，明確了數(shù)字孿生水利工程建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)方法。基于該技術(shù)導(dǎo)則并結(jié)合工程實(shí)際，三峽、小浪底、大藤峽、萬(wàn)家寨等工程開(kāi)展了數(shù)字孿生大壩工程建設(shè)，顯著提高了工程運(yùn)維和調(diào)度的智能化水平，取得了良好成效，為智能大壩理念提升提供了基礎(chǔ)。

2025年，《智能大壩理念與實(shí)踐》在國(guó)際大壩委員會(huì)第28屆大會(huì)暨第93屆年會(huì)上正式發(fā)布，比較系統(tǒng)地闡述了智能大壩的理念。鐘登華、周創(chuàng)兵等從不同角度對(duì)大壩工程智能化或智能大壩進(jìn)行了解析，提出了發(fā)展建議。鐘登華等也提出了智慧大壩的概念，即以數(shù)字大壩為基礎(chǔ)框架，以物聯(lián)網(wǎng)、智能技術(shù)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)為基本手段，建立動(dòng)態(tài)精細(xì)化的可感知、可分析、可控制的智能化大壩建設(shè)與運(yùn)行管理體系，該體系具有整體性、協(xié)同性、融合可拓展性、自主性和魯棒性特點(diǎn)，與智能大壩概念基本一致。《中國(guó)水利》雜志推出的《大壩建設(shè)運(yùn)行管理的中國(guó)實(shí)踐》專(zhuān)輯，對(duì)智能大壩的建設(shè)意義、內(nèi)涵、要求、思路、設(shè)計(jì)、建造、標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)踐等進(jìn)行了專(zhuān)題探討，進(jìn)一步完善了智能大壩的理念體系。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

智能大壩因智能化要求和特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行管理方面都與傳統(tǒng)大壩存在顯著差異，近年的發(fā)展現(xiàn)狀如下。

設(shè)計(jì)方面，一是提出并發(fā)展了數(shù)字孿生大壩的設(shè)計(jì)原則和要求，包括數(shù)字孿生平臺(tái)、信息化基礎(chǔ)設(shè)施、業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面，為智能大壩建設(shè)奠定了基礎(chǔ)；二是研發(fā)了基于BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)施工一體化管理技術(shù)和平臺(tái)，保證了大壩工程幾何特性、材料性能、監(jiān)測(cè)設(shè)備等基礎(chǔ)信息的完整可靠；三是提出并持續(xù)完善“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知體系，助力工程透徹感知。

建造方面，一是研發(fā)了智能碾壓、智能溫控、智能灌漿等成套技術(shù)裝備，保障了大壩工程本體高質(zhì)量建設(shè)；二是研發(fā)了施工進(jìn)度仿真、工程性態(tài)仿真等技術(shù)及軟件，實(shí)時(shí)分析評(píng)估并優(yōu)化調(diào)控大壩工程設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度；三是研發(fā)了數(shù)字大壩管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全環(huán)節(jié)、全要素信息化集成管控，為智能大壩建設(shè)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

運(yùn)行管理方面，一是初步建立了監(jiān)測(cè)檢測(cè)、信息傳輸和融合分析的感知技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)-大壩-河道信息的透徹感知和實(shí)時(shí)分析；二是持續(xù)發(fā)展數(shù)據(jù)-機(jī)理-知識(shí)多元驅(qū)動(dòng)的智能分析方法，研發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元仿真、垂直領(lǐng)域大模型等的工程分析評(píng)估和診斷決策模型；三是研發(fā)了針對(duì)大壩破損滲漏、白蟻等害堤動(dòng)物的智能處置技術(shù)裝備和材料，開(kāi)展智能化修復(fù)處置；四是研發(fā)了數(shù)字孿生大壩或智能大壩系統(tǒng)平臺(tái)，集成感知、分析、處置技術(shù)及裝備，在三峽、小浪底、大藤峽、萬(wàn)家寨等工程中應(yīng)用。

上述幾方面的研究探索有力推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)發(fā)展，也為智能大壩建設(shè)提供了良好支撐。

智能大壩的含義

目前，圍繞智能大壩的建設(shè)意義、內(nèi)涵、要求、思路、特征、目標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)體系、發(fā)展階段等已有一些初步探討，取得了一定進(jìn)展，但智能大壩的基本概念、架構(gòu)體系、功能作用需要進(jìn)一步明確。

1.基本概念

智能大壩以物理大壩為基礎(chǔ)、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)水庫(kù)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，實(shí)現(xiàn)大壩建設(shè)運(yùn)行全生命周期透徹監(jiān)測(cè)感知、智能分析預(yù)測(cè)、前瞻決策支持，保障大壩安全高效可持續(xù)運(yùn)行。

時(shí)間維度上，智能大壩主要面向工程運(yùn)行期，服務(wù)于工程運(yùn)維和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)安全保障水平和效益發(fā)揮水平雙提升。在大壩設(shè)計(jì)和建造期，智能大壩是建造物理實(shí)體的手段，尤其是數(shù)智設(shè)計(jì)和智能建造可以有效提高物理實(shí)體的建設(shè)質(zhì)量和效率，提升物理大壩的本質(zhì)安全水平，同時(shí)提供大壩材料、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、性態(tài)、設(shè)備儀器等基礎(chǔ)信息。

空間維度上，智能大壩是個(gè)廣義的概念，除大壩工程本身外，還包括其上下游、左右岸，其中上游主要指影響大壩工程使用的水庫(kù)，下游主要指受工程調(diào)度影響程度較大的河道，左右岸的近壩岸坡也屬于智能大壩覆蓋范疇。

物理維度上，智能大壩涵蓋工程物理本體及附屬的設(shè)備設(shè)施等硬件，同時(shí)包括電力、通信以及各種算法、模型、系統(tǒng)平臺(tái)等軟件。其中硬件尤其是設(shè)備設(shè)施應(yīng)適應(yīng)智能化運(yùn)行需求，軟件是大壩工程智能化運(yùn)維和調(diào)度的關(guān)鍵。

目標(biāo)維度上，與傳統(tǒng)大壩工程相比，智能大壩要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全的良性互動(dòng)，支撐安全大壩和生態(tài)大壩建設(shè)。一是在日常運(yùn)行過(guò)程中，有效發(fā)現(xiàn)并及時(shí)消除工程風(fēng)險(xiǎn)隱患，確保大壩功能正常發(fā)揮和長(zhǎng)期耐久運(yùn)行；二是在保證大壩安全的前提下，最大程度提升大壩工程的效益發(fā)揮能力，支撐高質(zhì)量發(fā)展；三是通過(guò)充分發(fā)揮綜合效益和利用生態(tài)調(diào)控手段，助力維護(hù)生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

特征維度上，一是智能大壩主要通過(guò)數(shù)字孿生的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有交互性、實(shí)時(shí)性和預(yù)測(cè)預(yù)判性等特征；二是智能大壩具有自主性，這是區(qū)別于傳統(tǒng)大壩的具體體現(xiàn)，當(dāng)前自主性程度存在差別，涵蓋局部簡(jiǎn)單運(yùn)維任務(wù)到復(fù)雜的聯(lián)合決策控制等，需要持續(xù)改進(jìn)、調(diào)整和完善，逐步實(shí)現(xiàn)整體的智能化。

層級(jí)維度上，智能大壩客觀上存在不同的智能化程度，應(yīng)按照智能化程度進(jìn)行分級(jí)，便于政府行業(yè)管理、企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工程運(yùn)維管理。

2.架構(gòu)體系

智能大壩由工程物理體系、工程感知體系、分析診斷體系、決策控制體系、信息網(wǎng)絡(luò)體系組成，構(gòu)成自洽循環(huán)的具身智能體，架構(gòu)組成見(jiàn)下圖。

▲智能大壩架構(gòu)體系

邏輯關(guān)系上，工程物理體系是載體和前提；工程感知體系和信息網(wǎng)絡(luò)體系是基礎(chǔ)，部署于工程物理體系中；分析診斷體系和決策控制體系是核心，依賴(lài)于工程物理體系、工程感知體系和信息網(wǎng)絡(luò)體系。五大體系通過(guò)信息流與控制流的實(shí)時(shí)交互，形成“感知—分析—決策—控制—反饋”持續(xù)優(yōu)化閉環(huán)。

工程物理體系是智能大壩的載體，是智能化手段的賦能對(duì)象，主要包括大壩工程相關(guān)的擋水、泄水、輸水、供水、航運(yùn)、發(fā)電等建（構(gòu)）筑物，閘門(mén)、啟閉機(jī)、機(jī)組、通信、監(jiān)測(cè)等附屬設(shè)備設(shè)施，以及上游水庫(kù)、下游河道、工程邊坡等。

工程感知體系是智能大壩的“五官”，主要是“天空地水工”一體化全要素全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系，包括工程本體的監(jiān)測(cè)體系、工程相關(guān)環(huán)境信息的感知系統(tǒng)，還涉及一些外部信息或共享信息，支撐實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩及相關(guān)建（構(gòu)）筑物性態(tài)、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)、周邊環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)情況等信息的透徹感知。其所采集的原始數(shù)據(jù)通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)體系實(shí)時(shí)上傳，為分析診斷提供源頭輸入，同時(shí)執(zhí)行決策控制系統(tǒng)下達(dá)的感知指令。

分析診斷體系是智能大壩的“大腦”，主要包括機(jī)理驅(qū)動(dòng)模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型等分析系統(tǒng)，以及相應(yīng)的評(píng)估診斷指標(biāo)等診斷系統(tǒng)。分析系統(tǒng)中，物理模型涉及理論方法以及數(shù)值分析方法；數(shù)據(jù)模型涉及統(tǒng)計(jì)模型、智能模型等。分析系統(tǒng)結(jié)合診斷系統(tǒng)中的相應(yīng)評(píng)估診斷指標(biāo)，用于實(shí)現(xiàn)評(píng)估、診斷和預(yù)測(cè)性分析。該體系的高效運(yùn)行依賴(lài)于信息網(wǎng)絡(luò)體系提供的低延時(shí)、高帶寬通信與強(qiáng)大算力支持，確保能夠?qū)Υ髩涡詰B(tài)及環(huán)境變化進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)仿真與快速預(yù)測(cè)，滿(mǎn)足控制決策的時(shí)效性要求。

決策控制體系是智能大壩的“四肢”，主要包括決策系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。其中，決策系統(tǒng)主要依據(jù)分析診斷結(jié)果，利用知識(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)與優(yōu)化算法等決策模型生成調(diào)控方案或處置策略；執(zhí)行系統(tǒng)基于決策方案，驅(qū)動(dòng)閘門(mén)、啟閉機(jī)、機(jī)組等可控設(shè)備設(shè)施進(jìn)行精準(zhǔn)操作與自動(dòng)調(diào)控。該體系形成的控制指令通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)體系可靠下達(dá)至執(zhí)行單元，同時(shí)，通過(guò)工程感知體系實(shí)時(shí)捕獲執(zhí)行效果與設(shè)備狀態(tài)等反饋信息，并將其再次匯入分析診斷體系，進(jìn)行效果評(píng)估與策略?xún)?yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)“決策—控制—反饋”的閉環(huán)控制，確保智能大壩行為的自適應(yīng)與持續(xù)改進(jìn)。

信息網(wǎng)絡(luò)體系是智能大壩的“神經(jīng)”，包括存儲(chǔ)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、計(jì)算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)等，用于支撐智能大壩的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)安全。該體系通過(guò)高速通信技術(shù)保障感知數(shù)據(jù)與控制指令的實(shí)時(shí)、可靠傳輸；通過(guò)云邊端協(xié)同計(jì)算架構(gòu)為分析診斷與決策控制提供分級(jí)算力支撐（如邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)處理本地實(shí)時(shí)控制任務(wù)，云計(jì)算中心承載復(fù)雜模型訓(xùn)練與大數(shù)據(jù)分析）；通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線(xiàn)與服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)五大體系間數(shù)據(jù)與信息的無(wú)縫交互與共享，是構(gòu)建自洽循環(huán)智能體的關(guān)鍵紐帶。

3.功能作用

智能大壩功能作用是指在傳統(tǒng)大壩功能作用基礎(chǔ)上因智能化提升而形成的功能和作用。

智能大壩主要具有透徹感知、智能分析、自主饋控、自主學(xué)習(xí)功能，用于支撐工程的現(xiàn)狀評(píng)估、未來(lái)預(yù)測(cè)、決策優(yōu)化以及未來(lái)的自主維護(hù)、自主控制。①透徹感知是智能大壩的基礎(chǔ)功能，是利用監(jiān)測(cè)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、外部信息共享及數(shù)字孿生平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成等，對(duì)大壩工程、上游庫(kù)區(qū)、下游河道等的工程建（構(gòu)）筑物、附屬設(shè)施設(shè)備、環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)等進(jìn)行全范圍、全過(guò)程、全要素的感知。其中全范圍、全過(guò)程、全要素的透徹感知是一個(gè)相對(duì)概念，與智能大壩發(fā)展程度或階段直接相關(guān)，也與對(duì)大壩工程的認(rèn)知程度直接相關(guān)，范圍、過(guò)程、要素需要不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整和完善。②智能分析是智能大壩的關(guān)鍵功能，是基于數(shù)字孿生平臺(tái)，利用機(jī)理驅(qū)動(dòng)模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和相應(yīng)的評(píng)估診斷指標(biāo)，對(duì)大壩結(jié)構(gòu)安全性態(tài)、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)、工程效益發(fā)揮情況等進(jìn)行自主“正向—逆向—正向”推演分析和診斷，實(shí)現(xiàn)大壩工程運(yùn)行狀況和效益發(fā)揮情況的智能化評(píng)估、預(yù)測(cè)、預(yù)警。③自主饋控是智能大壩的核心功能，涉及工程性態(tài)調(diào)控、設(shè)備狀況調(diào)整、工程調(diào)度優(yōu)化、危險(xiǎn)或隱患處置等。在透徹感知和智能分析的基礎(chǔ)上，基于決策模型形成控制方案，推送至智能控制系統(tǒng)或運(yùn)維機(jī)器人、智能化設(shè)備設(shè)施等，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行，并能夠根據(jù)環(huán)境變化或預(yù)設(shè)條件自動(dòng)調(diào)整操作，以確保安全、優(yōu)化性能或提高效率。④自主學(xué)習(xí)是智能大壩的遠(yuǎn)期功能，即智能大壩在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中不斷升級(jí)智能化系統(tǒng)，具備自我訓(xùn)練和優(yōu)化能力，決策控制效率、精度、可靠度等持續(xù)提升。

智能大壩的作用主要體現(xiàn)在進(jìn)一步提高大壩安全保障水平和綜合效益發(fā)揮水平。①在進(jìn)一步提高大壩安全保障水平方面，一是日常運(yùn)行中準(zhǔn)確診斷和優(yōu)化調(diào)整大壩工程結(jié)構(gòu)性態(tài)和安全狀態(tài)，及時(shí)處置工程風(fēng)險(xiǎn)隱患和缺陷；二是及時(shí)預(yù)警并處置設(shè)備設(shè)施故障，提前更換不良設(shè)備或部件，持續(xù)優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行方式；三是面臨洪水、泥石流、地震、爆炸等極端情況以及人為破壞時(shí)，智能判別響應(yīng)級(jí)別并啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，實(shí)現(xiàn)大壩工程智能化協(xié)同控制。②在進(jìn)一步提高綜合效益發(fā)揮水平方面，綜合考慮大壩防洪、供水、灌溉、航運(yùn)、發(fā)電、生態(tài)、環(huán)境等部分或全部要求，基于大壩工程調(diào)度系統(tǒng)目標(biāo)、約束條件、邊界條件等，持續(xù)優(yōu)化調(diào)度方案并執(zhí)行，既能保證大壩及上下游防洪安全，又能保證大壩工程的綜合效益最大化，實(shí)現(xiàn)綜合智能調(diào)度。

綜上，智能大壩利用工程物理體系、工程感知體系、分析診斷體系、決策控制體系、信息網(wǎng)絡(luò)體系五大體系，形成透徹感知、智能分析、自主饋控、自主學(xué)習(xí)的新型功能，綜合考慮大壩安全和調(diào)度目標(biāo)、約束條件、邊界條件等，在保證大壩及上下游防洪安全的前提下，實(shí)現(xiàn)工程綜合效益最大化。

智能大壩分級(jí)

受限于技術(shù)、政策、資金、認(rèn)識(shí)等制約和挑戰(zhàn)，智能大壩建設(shè)需要分階段逐步推進(jìn)，并持續(xù)改進(jìn)提升。為更好地指導(dǎo)和支撐工程建設(shè)，依據(jù)監(jiān)測(cè)感知體系的完備性、分析診斷方法的實(shí)時(shí)和交互性、決策控制和調(diào)控的自主性，將智能大壩劃分為初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)三個(gè)發(fā)展階段，較好地支撐了智能大壩的發(fā)展，但缺乏可執(zhí)行的智能大壩智能化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。參照智能駕駛、AI智能體、智能網(wǎng)聯(lián)道路系統(tǒng)等的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將智能大壩分為5個(gè)級(jí)別，分別定義為L(zhǎng)0無(wú)智能化、L1單一功能智能化、L2多項(xiàng)功能智能化、L3限制條件下智能化、L4全功能智能化，具體見(jiàn)下表，可為智能大壩規(guī)范編制和技術(shù)要求制定提供框架和參考。

▲智能大壩分級(jí)

需要說(shuō)明的是，上述分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)通用性框架，在將其應(yīng)用于土石壩、混凝土壩、拱壩等不同壩型，以及大型、中型、小型等不同規(guī)模的工程時(shí)，其技術(shù)內(nèi)涵和建設(shè)路徑需結(jié)合具體工程特點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

對(duì)于不同壩型，工程結(jié)構(gòu)和安全核心關(guān)切不同，智能化的側(cè)重點(diǎn)因此也存在差異。例如，土石壩的智能化感知與分析需重點(diǎn)關(guān)注漫頂風(fēng)險(xiǎn)、滲流、變形等大壩性態(tài)指標(biāo)的長(zhǎng)期演變，其感知體系的部署密度與分析診斷模型的選擇需與此相適應(yīng)；混凝土重力壩和拱壩則更側(cè)重對(duì)應(yīng)力應(yīng)變、揚(yáng)壓力及壩體與基巖聯(lián)合作用的精確模擬和實(shí)時(shí)反饋，其分析診斷體系對(duì)模型的機(jī)理性和計(jì)算精度要求更高。因此，在應(yīng)用智能大壩分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，同一級(jí)別下不同壩型所要求的具體感知要素、診斷模型精度與控制策略會(huì)因其內(nèi)在機(jī)理差異而有所不同。

對(duì)于不同規(guī)模的工程，其智能化路徑的選擇受投資效益、技術(shù)復(fù)雜度和管理需求的綜合影響。大型水利樞紐工程通常功能重要、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、社會(huì)影響巨大，其智能化建設(shè)往往追求更高的級(jí)別（如L3或L4），并傾向于采用更全面、更先進(jìn)的技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化與風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)防控。中小型工程則更注重實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，可采取分步實(shí)施的策略，優(yōu)先在安全監(jiān)控、汛期調(diào)度等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)智能化（如L1或L2），而非追求全面的高級(jí)別智能。因此，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)具備一定彈性，允許不同規(guī)模工程在滿(mǎn)足基本安全要求的前提下，根據(jù)自身?xiàng)l件選擇差異化的智能化發(fā)展路徑與升級(jí)節(jié)奏。

結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大壩建設(shè)和運(yùn)維經(jīng)歷了人工化、機(jī)械化、自動(dòng)化和數(shù)字化的發(fā)展階段。當(dāng)前，新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興技術(shù)的融合越來(lái)越深入，催生了智能交通、智能航運(yùn)、智能農(nóng)業(yè)、智慧城市等一系列新業(yè)態(tài)、新模式，大壩工程智能化是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是社會(huì)發(fā)展的必然要求，智能大壩是大壩工程智能化發(fā)展的必然結(jié)果。智能大壩建設(shè)涉及工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行各環(huán)節(jié)，依賴(lài)于傳感技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、智能算法、自動(dòng)控制、智能材料、機(jī)器人等多種前沿技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新突破，需要基于大壩工程現(xiàn)實(shí)條件和特點(diǎn)，分類(lèi)分階段推進(jìn)建設(shè)，并在應(yīng)用中持續(xù)迭代升級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩的目標(biāo)。

Abstract: China is a major country in dam engineering construction. Under the background of intensified global climate change and increasing human activities, ensuring the long-term safety and sustainable and efficient operation of dams has become a major challenge. Building smart dams is a key initiative to address risks, adapt to the changing times, and foster new development momentum. The rapid advancement of new-generation information technologies provides both opportunities and conditions for the innovation and development of concepts, methods, and technologies for smart dams. This paper elaborates on the needs for constructing smart dams from three perspectives: ensuring high-level safety, maximizing benefit performance, and developing new quality productive forces in water conservancy. The definition of smart dams is explained across six dimensions: time, space, physics, objectives, characteristics, and hierarchy. A framework system comprising five subsystems is constructed: the engineering physical system, engineering perception system, analysis and diagnosis system, decision-making and control system, and information network system. The main functions of smart dams are identified as comprehensive perception, intelligent analysis, autonomous feedback and control, and self-learning, all of which contribute to further improving dam safety and enhancing overall benefits. Based on development stages and according to the levels of perception, analysis, and control, a five-level classification standard is proposed, providing conceptual and technical support for smart dam construction

Keywordssmart dam; system framework; engineering safety; efficient operation; classification standard; intelligence; new quality productive forces

本文引用格式：

劉毅，周秋景，趙運(yùn)天.以智能大壩理念引領(lǐng)壩工技術(shù)發(fā)展[J].中國(guó)水利，2025（20）：29-36.

封面供圖廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司

責(zé)編王慧

校對(duì)｜董林玥

審核楊軼

監(jiān)制李坤

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