水庫大壩智慧運(yùn)維技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)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(yùn)輸部 國家能源局南京水利科學(xué)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(qiáng)人類活動(dòng)影響等帶來諸多現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)運(yùn)維模式已難以滿足“全生命周期管理”和“精準(zhǔn)化防控”需求。梳理了我國水庫大壩安全運(yùn)維發(fā)展歷程，分析了我國水庫大壩運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)闡述了水庫大壩智慧運(yùn)維內(nèi)涵與特征，明晰了“透徹感知、自主分析、智能決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”的大壩全生命周期運(yùn)維管理邏輯，建立了基于OODA-PDCA的新時(shí)代水庫大壩智慧運(yùn)維體系，從透徹感知、風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢分析、科學(xué)決策和處置措施等方面概述了水庫大壩智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)，并通過區(qū)域大壩風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警平臺(tái)實(shí)踐案例驗(yàn)證了技術(shù)體系的可行性。水庫大壩智慧運(yùn)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(yùn)維效能、保障工程安全提供理論支撐與實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：水庫大壩；智慧運(yùn)維；透徹感知；風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢；科學(xué)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

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFC3005405）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U23B20150、52479130、52409167)。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.013

我國水庫大壩運(yùn)行維護(hù)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(diǎn)、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(yùn)行維護(hù)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(bǔ)水等多任務(wù)協(xié)同。通過健全安全管理法規(guī)制度、落實(shí)大壩安全責(zé)任制、推進(jìn)水管體制改革、強(qiáng)化依法依規(guī)和應(yīng)急管理等扎實(shí)有效工作，我國水庫大壩安全狀況與管理?xiàng)l件得到根本性改善，2000年以來年均潰壩率降至0.05‰以下，進(jìn)入低潰壩率國家行列，2022—2024年首次實(shí)現(xiàn)連續(xù)3年水庫無一垮壩。大壩運(yùn)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(yùn)維是通過監(jiān)測、檢查、養(yǎng)護(hù)、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(dòng)。《國務(wù)院辦公廳關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)水庫除險(xiǎn)加固和運(yùn)行管護(hù)工作的通知》（國辦發(fā)〔2021〕8號）提出，全面落實(shí)水庫安全管理責(zé)任制，加強(qiáng)水庫運(yùn)行管護(hù)，提升信息化管理能力?！端筷P(guān)于加快構(gòu)建現(xiàn)代化水庫運(yùn)行管理矩陣的指導(dǎo)意見》（水運(yùn)管〔2023〕248號）中提到，加強(qiáng)除險(xiǎn)、體檢、維護(hù)、安全“四管”工作，加強(qiáng)水庫維修養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)化水庫安全保障。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與大壩安全管理技術(shù)進(jìn)步，運(yùn)維技術(shù)也從傳統(tǒng)的人工巡檢、經(jīng)驗(yàn)判斷逐步向自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化、精細(xì)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(dòng)維護(hù)、強(qiáng)化運(yùn)維、數(shù)字化運(yùn)維和智慧化運(yùn)維創(chuàng)新4個(gè)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(dòng)維護(hù)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(dǎo)向，以“重建輕管”為特征，先天存在質(zhì)量隱患，運(yùn)維長期處于被動(dòng)應(yīng)對狀態(tài)。早期人工巡檢依賴看、聽、摸、敲等經(jīng)驗(yàn)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(tái)賬，安全管理技術(shù)尚未成熟，缺乏專業(yè)培訓(xùn)后的運(yùn)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(shí)修補(bǔ)，缺乏系統(tǒng)加固方案。重建輕管導(dǎo)致大量水庫大壩帶病運(yùn)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(xiàng)維護(hù)資金，運(yùn)維效率低、成本高，導(dǎo)致潰壩事故時(shí)有發(fā)生。

2.強(qiáng)化運(yùn)維階段（改革開放—20世紀(jì)90年代末）

改革開放以來，通過制度建設(shè)、技術(shù)引進(jìn)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(yùn)維體系，運(yùn)維從“被動(dòng)搶護(hù)”轉(zhuǎn)向“定期維護(hù)”。啟動(dòng)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(yùn)維納入法治軌道。推廣定期安全檢查與病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固，水庫大壩安全狀況不斷改善。組建專職運(yùn)維隊(duì)伍，開展常態(tài)化運(yùn)行維護(hù)。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(diǎn)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(shí)間離散，難追蹤動(dòng)態(tài)過程。二者雖實(shí)現(xiàn)定量化，但時(shí)空數(shù)據(jù)割裂導(dǎo)致難以系統(tǒng)分析大壩安全狀況。

3.數(shù)字化運(yùn)維階段（21世紀(jì)初—2020年）

21世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(qiáng)。積極推進(jìn)水利工程管養(yǎng)分離，通過政府購買服務(wù)方式，鼓勵(lì)專業(yè)化隊(duì)伍承擔(dān)工程維修養(yǎng)護(hù)和河湖管護(hù)，提高水利工程管理現(xiàn)代化水平。在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)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(jī)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(qiáng)國戰(zhàn)略、“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)、國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略等實(shí)施，水利信息化、自動(dòng)化水平全面提升。部分水庫建立了信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢與簡單統(tǒng)計(jì)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(yùn)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(yùn)維工作逐漸從被動(dòng)式運(yùn)維轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)風(fēng)險(xiǎn)感知與安全智能診斷相結(jié)合的運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對大壩運(yùn)行性態(tài)的精細(xì)化模擬與監(jiān)控，據(jù)此提升風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。同時(shí)，以數(shù)字孿生、知識(shí)圖譜和專家系統(tǒng)為支撐，集成設(shè)計(jì)施工運(yùn)維信息、“天空地水工”等多源信息，形成閉環(huán)式科學(xué)決策機(jī)制，可精準(zhǔn)制定風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對策略與管理措施，顯著提高大壩運(yùn)維決策的智能化水平。

水庫大壩運(yùn)維信息感知技術(shù)發(fā)展

水庫大壩安全運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)運(yùn)維以問題導(dǎo)向?yàn)橹?，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(yàn)判斷，存在監(jiān)測覆蓋不全、數(shù)據(jù)時(shí)效性差、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別滯后、決策依賴經(jīng)驗(yàn)等痛點(diǎn)，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(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)。80%的水庫大壩修建于20世紀(jì)50—70年代，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對較低，工程建設(shè)質(zhì)量參差不齊，且普遍進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)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(yùn)維工作量增加，運(yùn)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(qiáng)度，影響工程設(shè)計(jì)、運(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(dòng)態(tài)適應(yīng)性運(yùn)維策略。

3.管理對象復(fù)雜性與安全需求增強(qiáng)

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(jī)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(fēng)險(xiǎn)，要求運(yùn)維要從“安全運(yùn)行”向“精準(zhǔn)管理、智慧服務(wù)”延伸。同時(shí)，受經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、高速城市化和強(qiáng)人類活動(dòng)影響，流域下墊面發(fā)生了根本性變化，下游保護(hù)對象和運(yùn)維邊界的變化對水庫大壩的功能定位、運(yùn)行安全提出了更高要求?？紤]下游保護(hù)對象和生態(tài)安全保障需求，新時(shí)期運(yùn)維決策的難度增大。

4.運(yùn)維資源優(yōu)化的內(nèi)在需求

傳統(tǒng)人工巡檢需耗費(fèi)大量人力物力，且難以高頻次覆蓋所有壩段與監(jiān)測點(diǎn)，導(dǎo)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(yán)重、知識(shí)結(jié)構(gòu)更新滯后等問題。同時(shí)，我國水庫數(shù)量眾多（尤其小型水庫），維護(hù)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(shí)現(xiàn)更優(yōu)的安全保障。

發(fā)達(dá)國家在水庫大壩安全運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)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(hù)資金不到位的情況。美國土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）在2025年美國基礎(chǔ)設(shè)施綜合評估報(bào)告中，將大壩評估為D+（較差級，存在風(fēng)險(xiǎn)），指出需要加大年度資金投入來強(qiáng)化大壩安全檢查、監(jiān)測、規(guī)劃和維修養(yǎng)護(hù)等方面的安全保障。

新形勢下智慧運(yùn)維技術(shù)提檔升級

1.內(nèi)涵與特征

為破解水庫大壩運(yùn)維難題，新時(shí)期水庫大壩智慧運(yùn)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(dòng)運(yùn)維模式從被動(dòng)響應(yīng)向主動(dòng)預(yù)控、從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、從人工主導(dǎo)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(yùn)維可推動(dòng)實(shí)現(xiàn)水庫工程狀態(tài)感知更透徹、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判更精準(zhǔn)、調(diào)度決策更科學(xué)、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(zhǔn)執(zhí)行”的大壩全生命周期運(yùn)維管理體系，實(shí)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(yùn)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(jī)器人、無人機(jī)）與數(shù)智化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)與遠(yuǎn)程控制的協(xié)同聯(lián)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)早識(shí)別、早預(yù)警、早處置，量化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，確定處置優(yōu)先級，推動(dòng)決策模式從經(jīng)驗(yàn)判斷向模型推演轉(zhuǎn)型。

2.基于OODA-PDCA的水庫大壩智慧運(yùn)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(jì)70年代提出的動(dòng)態(tài)決策與行動(dòng)框架。其核心是通過“觀察—調(diào)整—決策—行動(dòng)”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(jī)應(yīng)對等）快速適應(yīng)，搶占主動(dòng)，本質(zhì)是一種以速度制勝、以迭代優(yōu)化的動(dòng)態(tài)思維模型。新時(shí)期水庫大壩運(yùn)維核心是及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，科學(xué)診斷決策，精準(zhǔn)高效消除缺陷隱患，防止小病不治、釀成大病。從智慧運(yùn)維的內(nèi)涵出發(fā)，水庫大壩智慧運(yùn)維體系可凝煉為感知、診斷、決策、管控4個(gè)過程。OODA循環(huán)理論強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)感知、快速響應(yīng)、閉環(huán)迭代，與智慧運(yùn)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(shí)時(shí)采集水庫大壩運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)預(yù)處理后上傳至數(shù)據(jù)平臺(tái)；診斷層依托“數(shù)據(jù)-機(jī)理-知識(shí)”三元驅(qū)動(dòng)模型，通過時(shí)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(shí)經(jīng)驗(yàn)和歷史場景模型等方法手段對大壩隱患缺陷進(jìn)行識(shí)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(biāo)，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(yùn)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(fù)責(zé)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(jìn)領(lǐng)域的經(jīng)典理論P(yáng)DCA（Plan-Do-Check-Act）循環(huán)，對管控層進(jìn)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(yàn)，推動(dòng)循環(huán)升級，實(shí)現(xiàn)管控層流程優(yōu)化。整個(gè)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(yùn)維的規(guī)范化水平與持續(xù)改進(jìn)能力，既確保了水庫大壩日常運(yùn)維的規(guī)范演進(jìn)，又提升了大壩運(yùn)維在復(fù)雜突發(fā)應(yīng)急場景下的動(dòng)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(jì)劃—執(zhí)行—檢查—處理（PDCA）”雙循環(huán)理論的雙螺旋架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)水庫大壩智慧運(yùn)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(shí)現(xiàn)從感知到執(zhí)行的實(shí)時(shí)閉環(huán)，PDCA循環(huán)是管理過程的持續(xù)改進(jìn)，二者相輔相成，共同推動(dòng)系統(tǒng)效能螺旋式上升。通過建立虛實(shí)交互的閉環(huán)管控機(jī)制，構(gòu)造具有自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化特性的全生命周期安全運(yùn)維體系。

基于OODA-PDCA的水庫大壩智慧運(yùn)維體系

水庫大壩智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)踐應(yīng)用

1.智慧運(yùn)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(xué)習(xí)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(fēng)險(xiǎn)源（例如滑坡、崩塌等）全局識(shí)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(dòng)態(tài)分析及水利工程安全評估等。

基于無人機(jī)自主巡檢，利用高分辨率攝像頭、LiDAR、熱紅外相機(jī)，開展壩體表面巡檢、庫區(qū)岸坡巡查，綜合利用圖像識(shí)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(shí)別方法，彌補(bǔ)人工難以到達(dá)區(qū)域的監(jiān)測缺口。使用無人機(jī)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(jìn)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(jī)自主巡檢系統(tǒng)，滿足對水工建筑物、滑坡體等全自動(dòng)、不間斷巡檢需求。無人船配備多波束測深儀、ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）動(dòng)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(jī)器人，通過搭載高清攝像頭、智能傳感器和邊緣計(jì)算模塊，對水庫大壩、邊坡、廊道、電氣設(shè)備等進(jìn)行常態(tài)化精準(zhǔn)巡檢，提高運(yùn)維效率，增強(qiáng)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(jì)、雷達(dá)流量計(jì)、翻斗式雨量計(jì)、多參數(shù)水質(zhì)傳感器等，形成固定監(jiān)測站網(wǎng)?；诖髩伟踩O(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(jì)等智能大壩傳感器，針對關(guān)鍵部位進(jìn)行時(shí)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(dòng)態(tài)感知模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測雨量、水位等關(guān)鍵參數(shù)，提升大壩運(yùn)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(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.基于“數(shù)據(jù)-機(jī)理-知識(shí)”三元驅(qū)動(dòng)的大壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢分析

基于“數(shù)據(jù)-機(jī)理-知識(shí)”三元驅(qū)動(dòng)的大壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢分析是大壩安全智能運(yùn)維的核心突破方向，其通過融合實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、物理機(jī)理和專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，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(yàn)分析的局限性。

數(shù)據(jù)是風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢分析的觀測依據(jù)，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理分析并進(jìn)行有效整合，是提高數(shù)據(jù)利用效率、實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測快速處理與反應(yīng)的關(guān)鍵手段之一。運(yùn)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(jìn)行預(yù)處理，開展“數(shù)據(jù)級-特征級-決策級”融合診斷識(shí)別，確定運(yùn)維過程中的關(guān)鍵缺陷并采取響應(yīng)措施。

機(jī)理是風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢分析的物理基礎(chǔ)，基于機(jī)理模型計(jì)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(shí)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(jī)理。單一要素異?？赡懿粯?gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，但多要素耦合可能觸發(fā)連鎖反應(yīng)，結(jié)合機(jī)理模型開展風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)關(guān)系深度解析，推理因果關(guān)系。

知識(shí)是風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢分析的“經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)”，基于對水庫大壩安全運(yùn)行維護(hù)知識(shí)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(shí)、應(yīng)急預(yù)案知識(shí)等相關(guān)知識(shí)，形成具有一定數(shù)據(jù)規(guī)模的知識(shí)圖譜，可提供水利知識(shí)的跨域查詢與檢索服務(wù)，形成知識(shí)層面的高保真映射框架和決策機(jī)制。通過整合歷史維修案例、材料庫存、施工規(guī)范，由知識(shí)圖譜推理生成最優(yōu)運(yùn)維方案（如裂縫修補(bǔ)的材料配比、施工窗口期），并基于知識(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)要素與工程脆弱點(diǎn)的關(guān)聯(lián)矩陣，為主動(dòng)防控提供依據(jù)。

3.大壩運(yùn)行維護(hù)科學(xué)智慧決策

科學(xué)決策需在風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢分析的基礎(chǔ)上，平衡安全、效益、成本等多重目標(biāo)。在水庫大壩智慧運(yùn)維中，科學(xué)決策的核心矛盾往往集中在“多目標(biāo)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(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)以最小成本處理問題。

（1）風(fēng)險(xiǎn)分析及量化排序

目前，美國、加拿大、澳大利亞等國家采用風(fēng)險(xiǎn)管理模式替代傳統(tǒng)的工程安全管理模式，按風(fēng)險(xiǎn)劃分工程等級和確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)初開始進(jìn)行大壩風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)的大壩安全評價(jià)方法體系框架，提出了潰壩模式與潰壩概率分析計(jì)算、潰壩后果評估與綜合評價(jià)等一系列方法和模型；揭示了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平與政府、公眾風(fēng)險(xiǎn)承受能力的內(nèi)在關(guān)系，以及潰壩生命風(fēng)險(xiǎn)的地域性、時(shí)變性和社會(huì)性特點(diǎn)，建立了大壩風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)模型，提出了中國大壩生命、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)；在水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)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(jià)方法，編制了《水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》（SL/Z 720）和《水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級劃分與評估導(dǎo)則》（SL/T 829），并在實(shí)際工程中應(yīng)用。風(fēng)險(xiǎn)排序的核心是通過多維度指標(biāo)量化風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)評估矩陣與權(quán)重體系。大壩風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)庫多，應(yīng)確保高風(fēng)險(xiǎn)水庫大壩優(yōu)先開展除險(xiǎn)加固，為此使用綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對群壩進(jìn)行排序。對單座大壩來說，可對風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行排序，在資金不足的情況下，確保主要風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)，需構(gòu)建多目標(biāo)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(fēng)險(xiǎn)降低最大化、耐久性最大化、運(yùn)維干擾最小化等。多目標(biāo)優(yōu)化中，由于目標(biāo)函數(shù)間存在耦合關(guān)系（如成本降低可能導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)降低幅度不足），需通過帕累托最優(yōu)準(zhǔn)則篩選非支配解。

4.養(yǎng)護(hù)維修與修復(fù)加固

養(yǎng)護(hù)維修與修復(fù)加固作為水庫大壩智慧運(yùn)維體系中的關(guān)鍵一環(huán)，其核心目標(biāo)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(shí)消除安全隱患。在規(guī)程規(guī)范方面，編制了《土石壩養(yǎng)護(hù)修理規(guī)程》（SL 210）、《混凝土壩養(yǎng)護(hù)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(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》（SL 605）、《水庫降等與報(bào)廢評估導(dǎo)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(xiǎn)技術(shù)導(dǎo)則》（SL/T 840）等，對運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行指導(dǎo)。同時(shí)，在維修養(yǎng)護(hù)技術(shù)手段、材料研發(fā)等方面開展研究。

（1）害堤動(dòng)物防治

針對害堤動(dòng)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(dòng)物誘導(dǎo)智能監(jiān)測設(shè)備和害堤動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)分級預(yù)警。

（2）新型修補(bǔ)加固材料研發(fā)

現(xiàn)有運(yùn)行維護(hù)和除險(xiǎn)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(yùn)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(diǎn)、線、面維度研發(fā)了大壩缺陷修補(bǔ)材料，其中“點(diǎn)”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(bǔ)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(jī)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(dòng)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(jī)具協(xié)同作業(yè)

水下機(jī)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(jī)器人、吸附機(jī)器人、爬行機(jī)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(xì)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(fēng)險(xiǎn)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(tái)建立穩(wěn)定供電及通信鏈路，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)過程的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(tái)，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(tái)，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(jī)具在岸基控制系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度下實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)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(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警與應(yīng)急決策

通過匯聚四川省內(nèi)水庫大壩的運(yùn)行管理信息、雨水情與安全監(jiān)測信息以及下游保護(hù)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(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估、風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警及決策等各項(xiàng)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(fēng)險(xiǎn)和影響后果風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)多因子識(shí)別。

按照基于風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮水庫大壩設(shè)計(jì)功能、安全性態(tài)、現(xiàn)階段需求、服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展未來需求、資金狀況、風(fēng)險(xiǎn)（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(fēng)險(xiǎn)的水庫大壩工程功能評估標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)水庫大壩安全風(fēng)險(xiǎn)多因子識(shí)別與動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估，并在全省水庫進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全省水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)評估“一張圖”，提升了水庫大壩智慧運(yùn)維能力。

水庫大壩安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)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(yùn)維逐步實(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)到知識(shí)驅(qū)動(dòng)的跨越，為國家水安全與高質(zhì)量發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)保障。未來，水庫大壩智慧運(yùn)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(yùn)維仍面臨多技術(shù)融合壁壘、動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控等挑戰(zhàn)，存在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與潛在風(fēng)險(xiǎn)匹配度不足、全生命周期動(dòng)態(tài)管理機(jī)制待完善等問題。需進(jìn)一步推動(dòng)“安全-生態(tài)-智能”協(xié)同優(yōu)化，加強(qiáng)跨領(lǐng)域技術(shù)融合與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，提升系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與自優(yōu)化能力，具體體現(xiàn)在：

①智慧運(yùn)維面臨數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、模型驗(yàn)證無依據(jù)、安全責(zé)任難界定、科學(xué)決策不足、處置措施時(shí)效性不強(qiáng)等問題。未來水庫大壩智慧運(yùn)維的發(fā)展，需以體系標(biāo)準(zhǔn)化破解數(shù)據(jù)壁壘，以全生命周期驗(yàn)證保障模型可靠，以權(quán)責(zé)清晰化強(qiáng)化管理協(xié)同，以智能決策系統(tǒng)提升科學(xué)性，以快速響應(yīng)體系增強(qiáng)時(shí)效性。通過技術(shù)創(chuàng)新與機(jī)制優(yōu)化的深度融合，最終實(shí)現(xiàn)“風(fēng)險(xiǎn)可知、決策可依、責(zé)任可溯、處置可控”的智慧化運(yùn)維。

②相較于人工被動(dòng)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(dòng)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(yùn)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(jī)器人的不斷發(fā)展，人形機(jī)器人如何更好地替代人類開展復(fù)雜的運(yùn)維作業(yè)將是未來研究的重點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合深度學(xué)習(xí)和具身智能（Embodied AI）等先進(jìn)技術(shù)，開展主動(dòng)行為引導(dǎo)的多模態(tài)精準(zhǔn)感知、作業(yè)行為驅(qū)動(dòng)的定位與動(dòng)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(xì)作業(yè)、感知與行為融合的自主進(jìn)化等理論與技術(shù)研究，最終構(gòu)建“主動(dòng)探索-持續(xù)學(xué)習(xí)-自主演進(jìn)”的智能運(yùn)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(yùn)維技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)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(zé)任公司

責(zé)編李盧祎

校對呂彩霞

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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