已建大壩智能化改造實(shí)踐探索與思考

Practice exploration and reflection on intelligent transformation of existing dams

戴濟(jì)群

（水利部 交通運(yùn)輸部 國家能源局南京水利科學(xué)研究院，210029，南京

摘要：已建大壩承擔(dān)著防洪、供水、灌溉、發(fā)電等多重功能。我國約80%大壩建成于1980年以前，普遍面臨結(jié)構(gòu)性能退化、設(shè)施老化問題，加之全球氣候變化引發(fā)的極端天氣事件趨多趨頻，傳統(tǒng)安全管理模式難以滿足水利新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展要求。聚焦已建大壩智能化改造的復(fù)雜性，構(gòu)建“檢測評估—監(jiān)測升級—融合診斷—智能決策—聯(lián)動(dòng)保障”全鏈條體系，通過對工程歷史信息挖掘與功能動(dòng)態(tài)評估，以及統(tǒng)籌工程安全、公共安全與生態(tài)安全的系統(tǒng)安全評估，明確改造要求，完善升級監(jiān)測設(shè)施，構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系，開展歷史數(shù)據(jù)治理與多源多模態(tài)數(shù)據(jù)融合，研發(fā)基于失效風(fēng)險(xiǎn)的智能診斷與預(yù)測預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度、智能運(yùn)維與應(yīng)急決策的智能化升級。在此基礎(chǔ)上，剖析存量設(shè)備兼容性不足、極端環(huán)境下感知穩(wěn)定性差、多源數(shù)據(jù)融合精度有限、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)滯后等核心挑戰(zhàn)，提出技術(shù)攻關(guān)、試點(diǎn)推廣、標(biāo)準(zhǔn)完善等系統(tǒng)性解決方案。研究表明，智能化改造可顯著提升大壩安全保障能力與運(yùn)行效率，為推動(dòng)水利新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展、實(shí)現(xiàn)高水平安全和高質(zhì)量發(fā)展提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：大壩；智能化改造；數(shù)字孿生；水利新質(zhì)生產(chǎn)力；監(jiān)測感知；高水平安全

作者簡介：戴濟(jì)群，院長，正高級工程師，長期從事水利基礎(chǔ)設(shè)施處理、河湖庫底泥處置與資源化利用等方面科研工作。

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2024YFC3210700）；黃河水科學(xué)研究聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U2443231）；水災(zāi)害防御全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金項(xiàng)目（Yk725001）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.007

黨的二十屆三中全會(huì)通過的《中共中央關(guān)于進(jìn)一步全面深化改革、推進(jìn)中國式現(xiàn)代化的決定》，明確要求“推進(jìn)傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造”“發(fā)展以高技術(shù)、高效能、高質(zhì)量為特征的生產(chǎn)力”，為破解已建水利基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行管理難題提供了根本遵循。水利部黨組堅(jiān)決貫徹落實(shí)黨中央決策部署，明確提出“建設(shè)安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩”，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化賦能傳統(tǒng)大壩工程，這一舉措正是發(fā)展水利領(lǐng)域新質(zhì)生產(chǎn)力的具體實(shí)踐。

我國大壩數(shù)量和高壩規(guī)模均居世界首位，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)保障。其中，約80%的大壩建成于1980年以前，受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件，普遍存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、配套設(shè)施不完善等問題。歷經(jīng)數(shù)十年運(yùn)行，壩體結(jié)構(gòu)性能退化、設(shè)備設(shè)施老化失效等問題日益突出，工程病險(xiǎn)與安全隱患逐步顯現(xiàn)。2000年以來，全國已完成約7萬座次水庫大壩的除險(xiǎn)加固，顯著降低了大壩本體的結(jié)構(gòu)性風(fēng)險(xiǎn)，有效遏制了病險(xiǎn)惡化趨勢。然而，隨著運(yùn)行年限繼續(xù)增長，早期除險(xiǎn)加固的部分工程已進(jìn)入性能衰減期；同時(shí)，全球氣候變化導(dǎo)致極端暴雨洪水、特大干旱等災(zāi)害事件趨頻趨強(qiáng)，對水庫大壩的安全運(yùn)行尤其是旱澇急轉(zhuǎn)等特殊工況的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此背景下，主要依賴人工巡檢、點(diǎn)狀監(jiān)測和靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)決策的“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)、人工主導(dǎo)”運(yùn)行管理模式，在應(yīng)對壩齡老化與極端氣候疊加的“灰犀牛”與“黑天鵝”事件雙重風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，暴露出感知碎片化、診斷滯后性、決策被動(dòng)化等短板，已難以適應(yīng)新形勢下的安全管控需求，這也印證了已建大壩智能化改造的緊迫性。

已建大壩的智能化改造絕非簡單地將智能傳感器、數(shù)學(xué)模型等裝備技術(shù)進(jìn)行疊加，而是對傳統(tǒng)運(yùn)行管理模式的系統(tǒng)性重構(gòu)。其核心在于運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，深度融合壩工理論，通過實(shí)時(shí)映射、動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)工程全要素透徹感知、信息集成共享、狀態(tài)智能決策和風(fēng)險(xiǎn)主動(dòng)防控，進(jìn)而解決在物理世界中因復(fù)雜性、不確定性導(dǎo)致的管理難題，最終達(dá)到提升工程韌性、保障本體安全、優(yōu)化資源配置、提質(zhì)增效降本的目標(biāo)。基于此，本文立足已建大壩智能化改造的特殊性與復(fù)雜性，系統(tǒng)梳理實(shí)施體系，深入剖析關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，提出切實(shí)可行的實(shí)施路徑，旨在推動(dòng)已建大壩智能化改造的規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、高質(zhì)量發(fā)展，為加快發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力提供理論參考。

已建大壩智能化改造的實(shí)施體系

已建大壩智能化改造是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需緊密結(jié)合其存量升級的特殊性，以“高水平安全、高質(zhì)量運(yùn)行、可持續(xù)發(fā)展”為核心目標(biāo)，以數(shù)字孿生技術(shù)為關(guān)鍵使能器，構(gòu)建物理大壩與數(shù)字孿生大壩的實(shí)時(shí)映射與動(dòng)態(tài)互饋機(jī)制，賦予工程“自感知、自診斷、自決策、自適應(yīng)”的智能化能力，實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能落地見效。實(shí)施體系涵蓋基礎(chǔ)夯實(shí)、感知升級、數(shù)據(jù)融合、智能診斷、決策優(yōu)化和保障支撐等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.系統(tǒng)安全評估與薄弱環(huán)節(jié)精準(zhǔn)識別

全面檢測與評估是智能化改造的“全身體檢”，需立足統(tǒng)籌工程安全、公共安全、生態(tài)安全的系統(tǒng)安全，摸清大壩與設(shè)備設(shè)施的“健康底數(shù)”，精準(zhǔn)識別薄弱環(huán)節(jié)、破壞路徑及其關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)，為精準(zhǔn)制定協(xié)同改造方案提供科學(xué)依據(jù)。

已建大壩智能化改造的技術(shù)路線

其目標(biāo)為：①涵蓋工程安全、公共安全與生態(tài)安全三大維度的系統(tǒng)安全評價(jià)。采用聲學(xué)、電磁學(xué)等先進(jìn)無損檢測技術(shù)，定位壩體、壩基內(nèi)部缺陷，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)與多尺度數(shù)值模擬，揭示病害成因與演化規(guī)律，識別潛在失效模式與風(fēng)險(xiǎn)等級；通過潰壩洪水演進(jìn)模擬與下游人口分布、基礎(chǔ)設(shè)施映射，評估極端工況下對風(fēng)險(xiǎn)人口及基礎(chǔ)設(shè)施的影響范圍與程度；分析大壩運(yùn)行對上下游水文情勢、水質(zhì)、水生生物多樣性及周邊陸生生態(tài)系統(tǒng)的潛在擾動(dòng)，識別生態(tài)敏感區(qū)與風(fēng)險(xiǎn)傳導(dǎo)路徑；必要時(shí)檢視水庫設(shè)計(jì)功能發(fā)揮情況，動(dòng)態(tài)評估水庫功能，確定綜合功能提升路徑。②設(shè)備狀態(tài)與感知能力評估。系統(tǒng)測試現(xiàn)有傳感器精度、穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)傳輸能力，評估其與智能化系統(tǒng)的兼容性，辨識監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)，評價(jià)關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備健康狀況與自動(dòng)化水平。③管理流程與場景適配性研判。對標(biāo)“四預(yù)”功能要求，針對運(yùn)行安全實(shí)時(shí)評價(jià)、多目標(biāo)調(diào)度、應(yīng)急處置三類核心場景，研判現(xiàn)有依賴人工、分散化的運(yùn)維流程與決策機(jī)制短板，明確智能化提升方向。

已建大壩智能化改造應(yīng)用場景和能力提升方向

通過評估，形成設(shè)備改造清單、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)升級方案、模型體系與管理流程優(yōu)化路徑，確保改造方案精準(zhǔn)匹配工程、公共、生態(tài)等系統(tǒng)安全的需求。

2.感知網(wǎng)絡(luò)升級與跨尺度協(xié)同

以補(bǔ)短板、提精度、全覆蓋為原則，構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系，通過跨尺度冗余與多項(xiàng)目協(xié)同實(shí)現(xiàn)存量設(shè)施智能化、新型技術(shù)嵌入、多源數(shù)據(jù)互證三層次升級。該任務(wù)針對傳統(tǒng)安全監(jiān)測存在的缺少關(guān)鍵部位覆蓋、多參數(shù)關(guān)聯(lián)、時(shí)空連續(xù)性等問題開展，具體包括：①存量設(shè)施改造。評估既有傳感器可用性，將人工監(jiān)測點(diǎn)升級為自動(dòng)化終端，更換老化設(shè)備，搭建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸通道。②跨尺度冗余設(shè)計(jì)。針對不同空間與時(shí)間尺度，補(bǔ)充監(jiān)測項(xiàng)目，部署互補(bǔ)傳感器，避免埋入式設(shè)備失效導(dǎo)致的盲區(qū)，增強(qiáng)感知網(wǎng)絡(luò)魯棒性。③新型感知技術(shù)補(bǔ)充。空天層面引入衛(wèi)星遙感與無人機(jī)巡檢；地面部署北斗定位、測量機(jī)器人、地基SAR、光纖等設(shè)備；環(huán)境監(jiān)測整合測雨雷達(dá)、雨量站等“三道防線”數(shù)據(jù)，結(jié)合視頻AI監(jiān)控實(shí)現(xiàn)智能識別，形成分鐘級、全域覆蓋的感知能力。

小浪底水利樞紐通過升級改造原有監(jiān)測儀器，自動(dòng)化率提升至88%，構(gòu)建了覆蓋庫區(qū)的立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；丹江口水利樞紐整合新老壩體監(jiān)測儀器，新增北斗、測量機(jī)器人等設(shè)備，形成了一體化監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)。實(shí)踐表明，二者均顯著提升了對大壩及周邊環(huán)境的感知能力。

3.歷史數(shù)據(jù)治理與多源數(shù)據(jù)時(shí)空融合

數(shù)據(jù)治理與融合通過標(biāo)準(zhǔn)化處理與多維度融合，將分散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用知識。核心工作包括：①歷史數(shù)據(jù)修復(fù)與校準(zhǔn)。首先加強(qiáng)對工程歷史信息挖掘，對設(shè)計(jì)原則、目標(biāo)功能、建設(shè)過程和運(yùn)維歷史等資料的整理，必要時(shí)需開展功能動(dòng)態(tài)評估，與此同時(shí)，針對早期數(shù)據(jù)缺失、精度不足問題，結(jié)合現(xiàn)場測試校準(zhǔn)老舊數(shù)據(jù)，通過清洗、插值等技術(shù)剔除異常值、彌補(bǔ)缺失值。②多源數(shù)據(jù)整合。歸集設(shè)計(jì)資料、運(yùn)維記錄、監(jiān)測數(shù)據(jù)等全生命周期數(shù)據(jù)，制定標(biāo)準(zhǔn)化編碼規(guī)則，統(tǒng)一結(jié)構(gòu)化（早期自動(dòng)化數(shù)據(jù)）、非結(jié)構(gòu)化（新增影像圖譜數(shù)據(jù)）與半結(jié)構(gòu)化（人工記錄數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)格式。③時(shí)空配準(zhǔn)與融合。對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行三維配準(zhǔn)與時(shí)間戳統(tǒng)一，通過數(shù)據(jù)層、特征層、決策層分層融合技術(shù)，構(gòu)建多維度關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)體系。④數(shù)據(jù)中臺構(gòu)建。形成標(biāo)準(zhǔn)化、動(dòng)態(tài)更新的數(shù)據(jù)底板，打破信息孤島，為安全評價(jià)、智能診斷與調(diào)度決策提供支撐。

丹江口水利樞紐創(chuàng)新數(shù)據(jù)預(yù)處理模型，融合滑動(dòng)窗口與拉依達(dá)準(zhǔn)則算法開展數(shù)據(jù)清洗，并建立分級監(jiān)控指標(biāo)體系，為數(shù)據(jù)融合提供了有效實(shí)踐范例。

4.智能診斷與主動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)構(gòu)建

通過“自診斷、自修復(fù)”提升大壩安全性與耐久性，主要包括：①智能診斷模型研發(fā)。基于監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢與異常模式，構(gòu)建實(shí)時(shí)診斷與趨勢預(yù)測模型，開發(fā)機(jī)理-數(shù)據(jù)協(xié)同驅(qū)動(dòng)模型，融合專家經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)動(dòng)態(tài)研判與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。②智能運(yùn)維技術(shù)應(yīng)用。在維修加固中部署自感知、自適應(yīng)材料，提升結(jié)構(gòu)的環(huán)境響應(yīng)能力；基于振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)構(gòu)建金屬結(jié)構(gòu)機(jī)電設(shè)備健康度模型，通過水下修復(fù)機(jī)器人等實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，推動(dòng)運(yùn)維從被動(dòng)響應(yīng)向主動(dòng)防控轉(zhuǎn)變。

小浪底水利樞紐基于BIM與三維地質(zhì)模型，耦合滲流、變形數(shù)值分析模型，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)反演參數(shù)，動(dòng)態(tài)模擬結(jié)構(gòu)響應(yīng)，支撐一體化安全狀態(tài)評價(jià)；丹江口水利樞紐融合巡檢信息與監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建機(jī)理與數(shù)據(jù)協(xié)同驅(qū)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)在線安全評價(jià)，在2023年漢江秋汛期間為防汛決策提供了直接支撐。

5.多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度與智能應(yīng)急決策

通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化與高效應(yīng)急響應(yīng)，支撐“四預(yù)”功能落地，具體包括：①多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度。針對防洪、發(fā)電、供水等目標(biāo)，構(gòu)建“正向—逆向—正向”動(dòng)態(tài)迭代機(jī)制，依托數(shù)字孿生平臺模擬不同工況下工程響應(yīng)，生成帕累托最優(yōu)調(diào)度方案，提升綜合效益。②前瞻決策支持。模擬超標(biāo)準(zhǔn)洪水、設(shè)備故障等極端場景并預(yù)演處置方案，聯(lián)動(dòng)無人機(jī)巡檢與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)提升應(yīng)急效率；構(gòu)建“險(xiǎn)情—原因—措施”關(guān)聯(lián)知識圖譜，通過智能問答系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)查詢與方案優(yōu)化，突破經(jīng)驗(yàn)依賴局限。

小浪底水利樞紐創(chuàng)新多庫聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，構(gòu)建流域來水預(yù)報(bào)系統(tǒng)與聯(lián)合防洪調(diào)度模型，在近年調(diào)水調(diào)沙中顯著提升了調(diào)度科學(xué)性；丹江口水利樞紐依托數(shù)字孿生平臺預(yù)演高水位響應(yīng)及調(diào)度方案影響，有效保障了南水北調(diào)中線供水穩(wěn)定性。應(yīng)急處置方面，二者通過多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)研判與智能巡檢，均大幅提升了應(yīng)急響應(yīng)效率與決策科學(xué)性。

6.政策、市場與金融三維聯(lián)動(dòng)保障體系構(gòu)建

參考“新基建”推進(jìn)模式，構(gòu)建有利于智能化改造的生態(tài)環(huán)境：①行政與政策層面。統(tǒng)籌跨部門職能，簡化審批流程；出臺專項(xiàng)政策與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將改造項(xiàng)目納入地方“新基建”規(guī)劃，配套財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等政策。②市場與經(jīng)濟(jì)層面。鼓勵(lì)政府和社會(huì)資本合作模式吸引社會(huì)資本，發(fā)行專項(xiàng)債降低成本，探索通過碳交易機(jī)制將節(jié)能效益轉(zhuǎn)化為收益。③投融資層面。引導(dǎo)低息貸款，引入履約保險(xiǎn)分散風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)運(yùn)營收益權(quán)資產(chǎn)證券化盤活存量資產(chǎn)。目標(biāo)是構(gòu)建“政府引導(dǎo)、市場運(yùn)作、金融支持、多方共贏”的智能化改造推進(jìn)機(jī)制和產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

已建大壩智能化改造的技術(shù)挑戰(zhàn)

小浪底、丹江口等典型案例的成功實(shí)踐，驗(yàn)證了“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系的有效性與協(xié)同驅(qū)動(dòng)模型的科學(xué)性，表明不同類型、不同功能大壩可通過差異化路徑實(shí)現(xiàn)智能化改造，顯著提升安全保障能力與運(yùn)行效率。然而，改造需克服存量設(shè)施利用、復(fù)雜環(huán)境適配等多重約束，結(jié)合智能電網(wǎng)、智慧交通等行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前亟須攻克以下技術(shù)瓶頸。

1.存量設(shè)施兼容性與全域感知短板

已建大壩的智能化改造需要在保留可用設(shè)施的前提下升級，但受限于歷史條件約束與智能化發(fā)展趨勢影響，面臨三重核心約束：①設(shè)備老化與數(shù)據(jù)孤島問題突出。監(jiān)測設(shè)施為不同時(shí)期布設(shè)，單點(diǎn)監(jiān)測為主，與隱患特征匹配性差；埋入式傳感器精度衰減、修復(fù)困難；系統(tǒng)協(xié)議不統(tǒng)一，形成信息孤島；部分水庫依賴人工觀測，與新系統(tǒng)銜接存在接口壁壘。②感知覆蓋區(qū)域存在盲區(qū)。暴雨、濃霧、峽谷等環(huán)境導(dǎo)致監(jiān)測盲區(qū)，如深水區(qū)域水下機(jī)器人定位誤差增大，近壩邊坡、泄洪洞等隱蔽部位監(jiān)測手段有限，難以實(shí)現(xiàn)全域感知。③評估與改造的協(xié)同難度大。壩體既有病害（如黏土壩滲漏、混凝土壩裂縫）復(fù)雜，缺乏風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向的監(jiān)測匹配模型，新增設(shè)備與結(jié)構(gòu)適配性不足，影響感知網(wǎng)絡(luò)效能。需突破新舊設(shè)施兼容技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不破壞結(jié)構(gòu)前提下的全覆蓋、全天候監(jiān)測和高精度感知。

2.智能感知裝備的環(huán)境適應(yīng)性與國產(chǎn)化不足

智能感知裝備是智能化改造的基礎(chǔ)支撐，但其性能表現(xiàn)受環(huán)境條件與技術(shù)成熟度制約，主要面臨三方面挑戰(zhàn)：①極端環(huán)境下穩(wěn)定性不足。高速水流導(dǎo)致水下機(jī)器人姿態(tài)失控，強(qiáng)電磁干擾引發(fā)光纖傳感器數(shù)據(jù)漂移，嚴(yán)酷環(huán)境縮短設(shè)備壽命，影響長期監(jiān)測可靠性。②高端裝備國產(chǎn)化替代滯后。地基SAR、高精度光纖傳感器等核心設(shè)備進(jìn)口率高，激光雷達(dá)芯片等依賴國外供應(yīng)鏈；國產(chǎn)設(shè)備（如測雨雷達(dá)）長期運(yùn)行狀況下存在數(shù)據(jù)漂移，穩(wěn)定性待提升。③應(yīng)急通信保障能力薄弱。傳統(tǒng)通信依賴易損光纖，極端天氣下易中斷；北斗短報(bào)文在峽谷中覆蓋率不足，多網(wǎng)融合應(yīng)急通信技術(shù)不成熟，斷聯(lián)時(shí)數(shù)據(jù)補(bǔ)傳效率低。

3.多源多模態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)空融合的精度限制

已建大壩數(shù)據(jù)來源具有多代際、多類型、多格式特征，其治理與融合面臨以下技術(shù)難題：①數(shù)據(jù)格式與標(biāo)準(zhǔn)異構(gòu)性顯著。數(shù)據(jù)涵蓋結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化與半結(jié)構(gòu)化，缺乏統(tǒng)一編碼與接口規(guī)范，整合耗時(shí)費(fèi)力。②時(shí)空校準(zhǔn)難度大。設(shè)備采樣頻率差異顯著（如雨量站為分鐘級、變形監(jiān)測為小時(shí)級），坐標(biāo)體系不統(tǒng)一，需動(dòng)態(tài)進(jìn)行時(shí)間規(guī)整與空間轉(zhuǎn)換，否則易產(chǎn)生融合偏差。③算法適應(yīng)性不足。暴雨、地震等復(fù)合工況下多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性復(fù)雜，誤判率升高；極端事件歷史樣本稀缺，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型泛化能力弱，難以支撐精準(zhǔn)分析。

4.智能診斷與應(yīng)急決策的效能制約

智能診斷與應(yīng)急決策模型的實(shí)際效能受限于計(jì)算效率、預(yù)演精度、響應(yīng)速度，具體表現(xiàn)為：①復(fù)雜工況下的計(jì)算效率瓶頸。運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)早期病害精準(zhǔn)識別方法尚不成熟；機(jī)理-數(shù)據(jù)-知識協(xié)同驅(qū)動(dòng)模型在多場耦合分析中自適應(yīng)能力弱，參數(shù)反演與安全評價(jià)計(jì)算量大，難以滿足實(shí)時(shí)決策需求。②極端場景預(yù)演精度不足。洪水演進(jìn)、滑坡涌浪等機(jī)理模型對邊界條件敏感，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型因極端樣本少，預(yù)演誤差大，難以滿足精準(zhǔn)處置需求。③應(yīng)急響應(yīng)自動(dòng)化程度低。應(yīng)急場景下多源信息時(shí)空錯(cuò)位、格式異構(gòu)，決策依賴人工匹配預(yù)案，對復(fù)合險(xiǎn)情缺乏智能推理能力，導(dǎo)致方案滯后。

此外，智能監(jiān)測改造、多源數(shù)據(jù)融合的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失，進(jìn)一步制約規(guī)模化應(yīng)用。

已建大壩智能化改造的實(shí)施路徑

破解已建大壩智能化改造的瓶頸，需立足國家戰(zhàn)略需求與工程實(shí)際，遵循場景牽引、技術(shù)突破、試點(diǎn)驗(yàn)證、標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)的邏輯主線，形成政府、市場、科技、工程多方協(xié)同的推進(jìn)格局，具體實(shí)施路徑如下。

1.以核心場景為導(dǎo)向，精準(zhǔn)布局技術(shù)攻關(guān)

圍繞三大核心業(yè)務(wù)場景，鎖定技術(shù)短板，明確攻關(guān)優(yōu)先級：①運(yùn)行安全實(shí)時(shí)評價(jià)。突破機(jī)理-數(shù)據(jù)-知識協(xié)同診斷模型、多效應(yīng)量融合算法，通過代理模型提升復(fù)雜工況計(jì)算效率，解決單一指標(biāo)誤判問題。②多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度。攻關(guān)極端工況數(shù)字孿生預(yù)演技術(shù)、多目標(biāo)帕累托優(yōu)化算法，構(gòu)建“預(yù)報(bào)—優(yōu)化—驗(yàn)證”動(dòng)態(tài)迭代機(jī)制，提升多目標(biāo)協(xié)同精度。③應(yīng)急處置。研發(fā)“險(xiǎn)情—原因—措施”關(guān)聯(lián)知識圖譜、多網(wǎng)融合應(yīng)急通信技術(shù)，開發(fā)智能決策體，實(shí)現(xiàn)險(xiǎn)情到方案的自動(dòng)化推理，縮短響應(yīng)時(shí)間。

2.強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)，突破極端環(huán)境適應(yīng)性瓶頸

針對存量設(shè)備兼容技術(shù)、極端環(huán)境感知裝備國產(chǎn)化、多源數(shù)據(jù)融合算法等問題，在感知、融合、運(yùn)維三大技術(shù)鏈條實(shí)現(xiàn)自主可控與性能躍升：①智能感知設(shè)施裝備。研發(fā)高精度、抗干擾的單點(diǎn)/分布式傳感器與現(xiàn)地終端；突破抗高流速水下機(jī)器人、耐惡劣環(huán)境無人機(jī)技術(shù)；加快地基SAR等高端設(shè)備國產(chǎn)化，控制數(shù)據(jù)漂移。②多源多模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。開發(fā)異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中間件，構(gòu)建具備全鏈條能力的數(shù)據(jù)中臺，支撐跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通。③智能材料與結(jié)構(gòu)。推進(jìn)自修復(fù)混凝土、自適應(yīng)止水材料等工程化應(yīng)用，開發(fā)材料-結(jié)構(gòu)耦合智能運(yùn)維體系，結(jié)合特種機(jī)器人實(shí)現(xiàn)缺陷快速處置。

3.開展典型工程先行先試，探索差異化改造范式

選擇安全風(fēng)險(xiǎn)突出、功能重要、基礎(chǔ)條件各異且具代表性的已建大壩分類開展試點(diǎn)：①協(xié)同改造方案制定。研究多源感知信息時(shí)空關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，制定存量設(shè)施兼容升級方案——對合格傳感器通過協(xié)議轉(zhuǎn)換接入新系統(tǒng)，對盲區(qū)補(bǔ)充北斗、InSAR等技術(shù)，搭建具備歷史數(shù)據(jù)修復(fù)功能的數(shù)據(jù)中臺。②場景化驗(yàn)證與迭代。聚焦汛期監(jiān)測、應(yīng)急通信等關(guān)鍵場景開展試點(diǎn)工作，優(yōu)化預(yù)警閾值與模型參數(shù)，最終形成可復(fù)制的改造流程與標(biāo)準(zhǔn)，為同類工程提供范例。

4.完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與產(chǎn)業(yè)生態(tài)，加速推廣應(yīng)用

加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，以試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)、指南、生態(tài)三位一體的推廣體系，加速技術(shù)落地：①標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定。按“急用先行”原則，加快編制大壩安全智能監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則，同步推進(jìn)大壩智能化改造技術(shù)、多源數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)等智能化改造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確監(jiān)測設(shè)備兼容性要求、數(shù)據(jù)融合技術(shù)規(guī)范、模型平臺通用能力要求、“四預(yù)”功能技術(shù)指標(biāo)，統(tǒng)一改造標(biāo)準(zhǔn)。②推廣范式提煉。總結(jié)分壩型、分規(guī)模改造指南，細(xì)化極端環(huán)境技術(shù)適配方案，提供菜單式選項(xiàng)。③產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建。引導(dǎo)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，構(gòu)建“感知裝備—數(shù)據(jù)服務(wù)—決策系統(tǒng)”產(chǎn)業(yè)集群，推動(dòng)技術(shù)成果共享復(fù)用與產(chǎn)業(yè)化落地。

通過上述路徑，形成已建大壩智能化改造技術(shù)體系升級的良性循環(huán)，逐步破解存量設(shè)施制約，全面提升大壩安全保障能力與運(yùn)行效率，為水利新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展注入動(dòng)能。

結(jié)論與展望

已建大壩的安全高效運(yùn)行是保障江河安瀾、支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的基石。當(dāng)前在大壩壩齡增長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化、全球氣候變化引發(fā)極端天氣事件頻發(fā)的雙重壓力下，傳統(tǒng)依賴人工巡檢與經(jīng)驗(yàn)決策的管理模式的短板日益凸顯，難以應(yīng)對復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。智能化改造是通過技術(shù)范式變更實(shí)現(xiàn)大壩“存量煥新”的核心路徑，是提升大壩安全保障能力、運(yùn)行效率與綜合效益的必由之路，更是發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵切入點(diǎn)，構(gòu)建“檢測評估—監(jiān)測升級—融合診斷—智能決策—聯(lián)動(dòng)保障”全鏈條改造體系是對其的全新探索實(shí)踐。

已建大壩智能化改造仍面臨存量設(shè)備兼容性不足、極端環(huán)境感知穩(wěn)定性差、多源數(shù)據(jù)融合精度有限、智能模型泛化能力薄弱及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)滯后等核心瓶頸，亟須在國家層面組織協(xié)同攻關(guān)。對此，應(yīng)堅(jiān)持場景導(dǎo)向精準(zhǔn)發(fā)力，突破核心裝備與算法瓶頸，開展分類試點(diǎn)示范，完善標(biāo)準(zhǔn)體系并構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)，從而形成良性發(fā)展格局。

展望未來，隨著數(shù)字孿生、人工智能、智能材料等技術(shù)的快速迭代，已建大壩智能化改造將邁向全域透徹感知、深度數(shù)據(jù)融合、智能診斷決策、主動(dòng)運(yùn)維處置的高階形態(tài)。這不僅將重塑傳統(tǒng)大壩的運(yùn)行管理模式，大幅提升水安全保障能力，更將為水利新質(zhì)生產(chǎn)力的蓬勃發(fā)展注入核心動(dòng)能，為實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的中國式現(xiàn)代化提供堅(jiān)實(shí)的水利支撐。

Abstract: Existing dams perform multiple functions such as flood control, water supply, irrigation, and power generation. Approximately 80% of dams in China were built before 1980, generally facing problems of structural performance degradation and facility aging. In addition, coupled with the increasing frequency of extreme weather events caused by global climate change, traditional safety management models can o longer meet the development requirements of new productive forces in water conservancy. Focusing on the complexity of intelligent transformation of existing dams, constructs a full-chain system of “detection and evaluation - monitoring upgrade - fusion diagnosis - intelligent decision-making - linkage guarantee”. It clarifies the transformation requirements through the mining of engineering historical information, dynamic functional assessment, and the systematic safety assessment that coordinates engineering safety, public safety, and ecological safety, improves and upgrades monitoring facilities to build an integrated “sky-air-ground-water-engineering” monitoring and perception network, carries out historical data governance and multi-source multimodal data fusion, develops intelligent diagnosis and prediction-warning models based on failure risks, and realizes the intelligent upgrading of multi-objective optimal scheduling, intelligent operation and maintenance, and emergency decision-making. On this basis, it analyzes core challenges such as insufficient compatibility of existing equipment, poor perception stability in extreme environments, limited accuracy of multi-source data fusion, and lagging technical standards, and proposes systematic solutions including technical research, pilot promotion, and standard improvement. The research shows that intelligent transformation can significantly improve the safety guarantee capability and operation efficiency of dams, providing theoretical support for promoting the development of new productive forces in water conservancy and realizing high-level safety and high-quality development.

Keywordsdam; intelligent transformation; digital twin; new productive forces in water conservancy; monitoring and perception; high-level safety

本文引用格式：

戴濟(jì)群.已建大壩智能化改造實(shí)踐探索與思考[J].中國水利，2025（16）：39-45.

封面攝影馬貴安

責(zé)編王慧

校對董林玥

審核楊軼

監(jiān)制李坤

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