智能大壩本質(zhì)特征及功能目標(biāo)研究

Study on essential characteristics and functional objectives of intelligent dams

周秋景，趙運(yùn)天，聶鼎，柴福鑫

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)與水安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京）

摘要：智能大壩是壩工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)和要求。目前，智能大壩建設(shè)開(kāi)展了初步工程實(shí)踐，形成創(chuàng)新性理念，但尚未建立完整統(tǒng)一的理論體系。為有效推進(jìn)智能大壩建設(shè)，促進(jìn)工程安全管理和效益發(fā)揮水平提高，需要明確智能大壩的定位并深化其科學(xué)認(rèn)知。從智能大壩的宗旨目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全的良性互動(dòng)、功能作用是預(yù)測(cè)預(yù)判、實(shí)施途徑是數(shù)字孿生技術(shù)等3個(gè)方面深入探討智能大壩本質(zhì)特征；從大壩運(yùn)維智能化、水庫(kù)調(diào)度智能化、工程管理智能化3個(gè)方面明確了智能大壩的主要功能目標(biāo)；從信息透徹感知、數(shù)據(jù)傳輸治理、智能分析診斷、動(dòng)態(tài)決策防控、工程協(xié)同運(yùn)行、系統(tǒng)迭代優(yōu)化等6個(gè)方面闡述了智能大壩運(yùn)行機(jī)制，深化了對(duì)智能大壩的科學(xué)認(rèn)知，完善了智能大壩理論體系，為智能大壩的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用提供有益參考，為推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞：智能大壩；本質(zhì)特征；功能目標(biāo)；運(yùn)行機(jī)制；實(shí)施途徑

作者簡(jiǎn)介：周秋景，水電中心主任、結(jié)構(gòu)材料所所長(zhǎng)，正高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)技術(shù)研究工作。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.009

引言

中國(guó)是大壩建設(shè)大國(guó)，在工程建設(shè)和運(yùn)行管理上總體處于引領(lǐng)地位。在全球氣候變化不斷加劇、能源綠色低碳發(fā)展水平不斷提升的背景下，大壩工程作為國(guó)家水網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要結(jié)點(diǎn)，在保障防洪安全、供水安全、糧食安全、生態(tài)安全、能源安全上將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，傳統(tǒng)運(yùn)維管理模式難以適應(yīng)該要求，亟須創(chuàng)新突破，實(shí)現(xiàn)更安全運(yùn)行、更精準(zhǔn)調(diào)度、更高效管理。習(xí)近平總書(shū)記指出，我國(guó)經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，正處在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換增長(zhǎng)動(dòng)力的攻關(guān)期。因此，迫切需要新一代人工智能等重大創(chuàng)新技術(shù)添薪續(xù)力，積極推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，為高質(zhì)量發(fā)展提供新動(dòng)能。我國(guó)高度重視大壩工程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)，將智能化技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各個(gè)階段，打造數(shù)智設(shè)計(jì)、智能建造、智慧運(yùn)維體系。在國(guó)際大壩委員會(huì)第28屆大會(huì)“數(shù)智賦能水庫(kù)大壩建設(shè)和運(yùn)維”中國(guó)專場(chǎng)研討會(huì)上，水利部部長(zhǎng)李國(guó)英提出構(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，應(yīng)以智能大壩為引領(lǐng)，推動(dòng)大壩建設(shè)和運(yùn)維高質(zhì)量發(fā)展。本文旨在深入探討智能大壩的主要特征，深刻剖析功能目標(biāo)，厘清運(yùn)行機(jī)制，為智能大壩的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用提供有益參考，為推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

智能大壩本質(zhì)特征

智能是指學(xué)習(xí)及解釋、解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力，是人類長(zhǎng)期以來(lái)渴望采用機(jī)器等延伸、替代人類體力和腦力勞動(dòng)的手段。智能可以分為具身智能和體外智能，體外智能即人類釋放自身智能到體外成為離身智能，也就是通常的人工智能。智能大壩是大壩工程和人工智能的結(jié)合體，其以物理大壩為基礎(chǔ)，賦予感知、診斷、決策、控制等智能化能力，實(shí)現(xiàn)高水平安全、高質(zhì)量運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。智能大壩本質(zhì)特征可以從宗旨目標(biāo)、功能作用、實(shí)施途徑3個(gè)方面來(lái)理解。

1.智能大壩宗旨目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全良性互動(dòng)

智能大壩作為一種新型基礎(chǔ)設(shè)施，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)安全、效益與可持續(xù)性的協(xié)同升級(jí)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全良性互動(dòng)，是對(duì)傳統(tǒng)大壩運(yùn)行模式的超越和創(chuàng)新。智能大壩基于“天空地水工”一體化感知體系，全覆蓋、全要素、全天候、全周期感知大壩和環(huán)境信息；采用“數(shù)據(jù)+知識(shí)”雙驅(qū)動(dòng)的智能化分析技術(shù)，全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地分析診斷大壩和環(huán)境的安全性、穩(wěn)定性、可靠性、聯(lián)動(dòng)性，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)及態(tài)勢(shì)進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別、預(yù)警、處置；借助“正向—逆向—正向”的動(dòng)態(tài)推演機(jī)制，統(tǒng)籌大壩工程安全和調(diào)度需求，智能化調(diào)整運(yùn)行策略方式，為實(shí)現(xiàn)防洪、供水、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)等效益的“帕累托最優(yōu)”提供精準(zhǔn)支持。

大渡河梯級(jí)電站群安全高效運(yùn)行面臨壩高庫(kù)大、壩型和機(jī)組多樣、水情氣象復(fù)雜、庫(kù)岸地災(zāi)頻發(fā)等挑戰(zhàn)。通過(guò)探索大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)與流域水電運(yùn)行的深度融合，在已建流域電站監(jiān)測(cè)設(shè)施基礎(chǔ)上，自主研發(fā)智能巡檢機(jī)器人、智能安全帽、三維變形智能測(cè)站、智能微芯傳感裝備等成套智能感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)大壩運(yùn)行數(shù)據(jù)的智能采集與多源異構(gòu)融合，構(gòu)建了流域氣象水情、水調(diào)電調(diào)、結(jié)構(gòu)和設(shè)備安全等多目標(biāo)集成的大渡河流域大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)警運(yùn)行模型，建成了智慧化運(yùn)行電站群，實(shí)現(xiàn)了安全和效益的良性互動(dòng)。利用基于自學(xué)習(xí)模式的流域氣象水文耦合徑流概率預(yù)報(bào)模型，顯著提升了流域雨量預(yù)報(bào)精度，有效預(yù)見(jiàn)期延長(zhǎng)3天；利用梯級(jí)水庫(kù)群水調(diào)電調(diào)智能一鍵調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大渡河梯級(jí)8站9庫(kù)泄洪閘門群智能聯(lián)合調(diào)控及多電站多機(jī)組智能協(xié)同一鍵調(diào)，洪水調(diào)度響應(yīng)能力由小時(shí)級(jí)提升為分鐘級(jí)，泄洪閘門操作次數(shù)由1.6萬(wàn)次/年減少到0.7萬(wàn)次/年，實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)防洪響應(yīng)及毫秒級(jí)負(fù)荷分配，保證水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度安全運(yùn)行；構(gòu)建了電站漏水、漏油等12類典型設(shè)備缺陷和違規(guī)操作、跌倒檢測(cè)等7類人員不安全行為模式識(shí)別知識(shí)庫(kù)，通過(guò)自學(xué)習(xí)10萬(wàn)多個(gè)訓(xùn)練和測(cè)試視頻集，提升模型驗(yàn)證及模式識(shí)別能力，實(shí)現(xiàn)了電站設(shè)備缺陷識(shí)別率由80%提升至94%，人工巡檢工作量下降90%，以及應(yīng)急搶險(xiǎn)、危險(xiǎn)場(chǎng)所隱患排查等特殊條件下的人工替代；采用以健康度曲線偏差為判據(jù)的設(shè)備健康趨勢(shì)預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障早期預(yù)警，等效可利用系數(shù)達(dá)到99.3%，提前24小時(shí)預(yù)警龔嘴水電站7號(hào)機(jī)導(dǎo)葉裂紋。

2.智能大壩功能作用是預(yù)測(cè)預(yù)判

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)，需要具備性態(tài)預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、安全預(yù)演、措施預(yù)案“四預(yù)”功能，其核心是預(yù)測(cè)預(yù)判。預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)，通過(guò)監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)和分析診斷技術(shù)，對(duì)影響大壩安全和效益發(fā)揮的各方面要素變化進(jìn)行短期預(yù)報(bào)、中期預(yù)測(cè)、長(zhǎng)期展望，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期和提高預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度的有效統(tǒng)一；預(yù)警是前哨，依托物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)和智能預(yù)報(bào)模型，科學(xué)設(shè)定多級(jí)風(fēng)險(xiǎn)閾值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)的動(dòng)態(tài)評(píng)估，編制并即時(shí)推送預(yù)警信息至一線管理人員或饋控終端；預(yù)演是關(guān)鍵，基于歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和多種預(yù)設(shè)情景，正向模擬、逆向推演風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)，預(yù)演大壩安全風(fēng)險(xiǎn)隱患處置過(guò)程和大壩調(diào)度運(yùn)行過(guò)程，評(píng)估預(yù)演結(jié)果，分析潛在隱患，提出興利調(diào)度目標(biāo)，驗(yàn)證預(yù)案可行性；預(yù)案是目的，基于預(yù)演推演結(jié)果，智能生成針對(duì)設(shè)備故障、超標(biāo)洪水、潰壩等不同場(chǎng)景的應(yīng)急預(yù)案，以及供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)和環(huán)境等興利方案，動(dòng)態(tài)調(diào)整響應(yīng)閾值、目標(biāo)和處置流程，持續(xù)驗(yàn)證預(yù)案可行性并進(jìn)行迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)大壩安全、高效、生態(tài)運(yùn)行和動(dòng)態(tài)改進(jìn)。

大汶河是黃河下游最大的一條支流，建有大中型水庫(kù)23座，洪水多發(fā)，防洪調(diào)度復(fù)雜。通過(guò)建設(shè)一套全極化多普勒X波段測(cè)雨雷達(dá)，采用基于譜分解變分光流臨近預(yù)報(bào)方法實(shí)現(xiàn)了局部強(qiáng)降雨等突發(fā)性暴雨洪水災(zāi)害5min頻次、0.1km分辨率、半徑120km實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，與共享的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)構(gòu)成“第一道防線”，實(shí)現(xiàn)了“空中雨”的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)；全流域建有1014個(gè)雨量站，實(shí)現(xiàn)了每10min自動(dòng)監(jiān)測(cè)推送，精準(zhǔn)捕捉流域暴雨時(shí)空分布和面平均降雨量，及時(shí)推算產(chǎn)匯流及洪水過(guò)程，進(jìn)行水庫(kù)實(shí)時(shí)降水預(yù)報(bào)，對(duì)洪水過(guò)程和趨勢(shì)進(jìn)行延伸推演，形成了“第二道防線”；流域內(nèi)建有50個(gè)河道測(cè)站，實(shí)現(xiàn)每小時(shí)信息更新和共享，建設(shè)了74座非接觸式視頻測(cè)流設(shè)備，覆蓋了流域內(nèi)23座大中型重點(diǎn)水庫(kù)，形成“第三道防線”?；谟晁楸O(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，大汶河流域降雨臨近預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期延長(zhǎng)了1～3h，洪水預(yù)警預(yù)見(jiàn)期由原來(lái)的24h延長(zhǎng)到3d以上。流域內(nèi)23座大中型水庫(kù)實(shí)現(xiàn)了“四預(yù)”功能，在2023年汛期和2024年汛期，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)演了4次洪水過(guò)程，為流域大壩工程安全和洪水精準(zhǔn)調(diào)度提供了基本保障。

3.智能大壩實(shí)施途徑是數(shù)字孿生技術(shù)

智能大壩通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，耦合物理大壩和數(shù)字大壩，構(gòu)建同步仿真運(yùn)行平臺(tái)，虛實(shí)交互，耦合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)判功能，以及高質(zhì)量發(fā)展、高水平安全的目標(biāo)。感知是基礎(chǔ)，通過(guò)自診斷技術(shù)和外監(jiān)測(cè)技術(shù)，全面獲取大壩位移變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變、溫控參數(shù)等數(shù)據(jù)；通過(guò)氣象衛(wèi)星和測(cè)雨雷達(dá)網(wǎng)、雨量站網(wǎng)、水文站網(wǎng)“三道防線”耦合貫通的現(xiàn)代化雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)體系，以及新一代信息技術(shù)構(gòu)建的“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知體系，實(shí)時(shí)獲取大壩上下游水文氣象、地貌、人類活動(dòng)等數(shù)據(jù)，為大壩運(yùn)行調(diào)度提供情報(bào)支持。模型是關(guān)鍵，通過(guò)構(gòu)建基于機(jī)理揭示和規(guī)律把握、基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的數(shù)學(xué)模型，集成耦合多維多時(shí)空尺度的水利專業(yè)模型、智能分析模型、仿真可視化模型，結(jié)合涵蓋法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、方案預(yù)案、調(diào)度規(guī)則、歷史案例等內(nèi)容的知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)變化環(huán)境下水庫(kù)大壩運(yùn)行管理的高保真模擬。平臺(tái)是核心，平臺(tái)定義智能大壩，是管理的大腦中樞，承接著感知數(shù)據(jù)、模型體系與大壩應(yīng)用的深度融合，通過(guò)實(shí)時(shí)匯聚“天空地水工”監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展多尺度專業(yè)模型運(yùn)算，同步銜接運(yùn)維、調(diào)度應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、模型協(xié)同與應(yīng)用響應(yīng)的無(wú)縫對(duì)接。

當(dāng)前三峽、小浪底、大藤峽、萬(wàn)家寨、烏東德、白鶴灘等已開(kāi)展數(shù)字孿生大壩工程建設(shè)，進(jìn)行了智能大壩的初步實(shí)踐。數(shù)字孿生小浪底以BIM+GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建全要素?cái)?shù)據(jù)底板，以水利專業(yè)模型庫(kù)和人工智能模型庫(kù)為支撐，建成賦能N項(xiàng)智能應(yīng)用的數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)防洪調(diào)度、工程安全、庫(kù)區(qū)管理、發(fā)電運(yùn)行等核心重點(diǎn)業(yè)務(wù)的“四預(yù)”能力賦能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化、業(yè)務(wù)精細(xì)化、決策精準(zhǔn)化的多重增效。2024年“七下八上”防汛關(guān)鍵期，受降雨影響，黃河中下游、渭河共形成3次洪水過(guò)程，數(shù)字孿生小浪底有效支撐了小浪底及西霞院水庫(kù)3次調(diào)水調(diào)沙過(guò)程，并支撐了其9月5日—21日與黃河中上游重點(diǎn)水庫(kù)聯(lián)合實(shí)施的排沙調(diào)度。除此以外，在樞紐防洪、調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用等水庫(kù)高水位或水位快速下降期間，數(shù)字孿生小浪底調(diào)用防汛調(diào)度、大壩安全等模型滾動(dòng)推演計(jì)算，形成未來(lái)3d預(yù)報(bào)成果，有效支撐工程安全分析研判和會(huì)商決策。烏東德、白鶴灘數(shù)字孿生工程聚焦大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)和安全，基于BIM和CAE技術(shù)，以及施工信息、監(jiān)測(cè)信息，采用機(jī)理模型、智能模型，建成結(jié)構(gòu)性態(tài)數(shù)字孿生大壩，實(shí)現(xiàn)施工、蓄水、初期運(yùn)行全過(guò)程的“四預(yù)”應(yīng)用，支撐了工程高質(zhì)量建設(shè)和安全蓄水運(yùn)行。

智能大壩功能目標(biāo)

大壩具有擋水、泄水、輸水、過(guò)壩等功能，支撐實(shí)現(xiàn)防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等目標(biāo)。智能大壩作為融合智能技術(shù)和大壩工程的新型設(shè)施，在既有功能和目標(biāo)的基礎(chǔ)上，被賦予了新的功能目標(biāo)，即大壩運(yùn)維智能化、水庫(kù)調(diào)度智能化、工程管理智能化。

1.大壩運(yùn)維智能化

智能大壩從大壩本體及附屬設(shè)施狀態(tài)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)控、隱患智能分析診斷、設(shè)備故障預(yù)測(cè)性維護(hù)、修復(fù)處置智能化等方面實(shí)現(xiàn)大壩運(yùn)行維護(hù)智能化的功能目標(biāo)。通過(guò)構(gòu)建覆蓋大壩本體建筑物及其附屬設(shè)施的多源感知網(wǎng)絡(luò)與智能化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性態(tài)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、全域監(jiān)控，涵蓋位移變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變以及水位、溫度、振動(dòng)等關(guān)鍵指標(biāo)。依托人工智能等技術(shù)，對(duì)采集信息進(jìn)行異常模式識(shí)別與智能診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在結(jié)構(gòu)隱患和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。白鶴灘水電站大壩布設(shè)了1萬(wàn)多支傳感器，用于感知和監(jiān)控大壩外部變形和內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變、滲流等情況，可精準(zhǔn)感知毫米級(jí)變形，通過(guò)智能診斷，將結(jié)果推送至現(xiàn)場(chǎng)管理人員，通過(guò)及時(shí)采取適當(dāng)措施，保證異常情況能在第一時(shí)間得到妥善處理。設(shè)備層面，引入預(yù)測(cè)性維護(hù)策略，通過(guò)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型，對(duì)大壩關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行趨勢(shì)分析和壽命評(píng)估，實(shí)現(xiàn)多工況下故障提前預(yù)判與維護(hù)計(jì)劃優(yōu)化。大藤峽水利樞紐依托仿真預(yù)測(cè)技術(shù)，對(duì)船閘、機(jī)組、大壩結(jié)構(gòu)等進(jìn)行一體化管理，并實(shí)現(xiàn)AI預(yù)測(cè)水位及對(duì)應(yīng)水位下設(shè)備健康診斷，2024年汛期在順利應(yīng)對(duì)近15年來(lái)最大洪水的同時(shí)保障了船閘通航。

2.水庫(kù)調(diào)度智能化

智能大壩通過(guò)對(duì)水文氣象、流域數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)并協(xié)調(diào)優(yōu)化各項(xiàng)功能，有效提升水資源的利用效率，充分發(fā)揮水資源的綜合效益，同時(shí)精準(zhǔn)防控風(fēng)險(xiǎn)，確保水庫(kù)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。調(diào)度智能化在梯級(jí)電站中開(kāi)展了有益嘗試。金沙江下游溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩等多個(gè)梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)庫(kù)容達(dá)295.9億m3，防洪庫(kù)容約277億m3，是長(zhǎng)江上游流域治理的核心樞紐。在流域雨水情監(jiān)測(cè)設(shè)施基礎(chǔ)上，結(jié)合長(zhǎng)周期（7d以上）水文預(yù)報(bào)與高精度（預(yù)報(bào)合格率超98%）短期預(yù)測(cè)，支撐流域梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合智能調(diào)度，2020年順利應(yīng)對(duì)7.5萬(wàn)m3/s洪峰，避免了中下游荊江分洪區(qū)人口轉(zhuǎn)移與淹沒(méi)受災(zāi)。大渡河中游長(zhǎng)河壩、黃金坪、瀘定等多個(gè)梯級(jí)水電站實(shí)現(xiàn)流域級(jí)精細(xì)化調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)多工程單元一鍵調(diào)，滿足站間—站內(nèi)負(fù)荷分配和決策一體化目標(biāo)。2022年6月，在流域極端干旱天氣下，面對(duì)龍頭水庫(kù)瀑布溝水電站水位控制，以及深溪溝、枕頭壩水電站出庫(kù)流量限制等多重約束，推薦方案將閘門操作、機(jī)組啟停次數(shù)分別有效減少56%和29%，在保障流域安全、提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，減輕了調(diào)度人員的工作壓力，提高了調(diào)度決策科學(xué)化水平。

3.工程管理智能化

除運(yùn)維智能化和調(diào)度智能化以外，智能大壩通過(guò)智能巡查、視頻監(jiān)控、AI識(shí)別、智能警報(bào)、自動(dòng)化處置等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)、壩區(qū)的日常管理智能化，確保工程、設(shè)施及人員的安全。如三峽大壩構(gòu)建了壩區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，包括視頻監(jiān)控、入侵報(bào)警等，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)壩區(qū)情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，并及時(shí)進(jìn)行處置。小浪底水庫(kù)引入了無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)，配備高清攝像頭和傳感器，進(jìn)行大壩和庫(kù)區(qū)的自動(dòng)化巡檢，對(duì)壩體、排水設(shè)施、堤壩等關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的異常情況。工程管理智能化可以有效提高管理效率，增強(qiáng)大壩應(yīng)對(duì)復(fù)雜條件的能力，確保大壩的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

智能大壩運(yùn)行機(jī)制

智能大壩有效運(yùn)行并發(fā)揮作用依賴于科學(xué)合理的運(yùn)行機(jī)制，該機(jī)制可以理解為信息透徹感知—數(shù)據(jù)傳輸治理—智能分析診斷—?jiǎng)討B(tài)決策防控—工程協(xié)同運(yùn)行—系統(tǒng)迭代優(yōu)化的閉環(huán)流程，支撐功能發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)宗旨目標(biāo)。

1.信息透徹感知

通過(guò)構(gòu)建“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能大壩工程本體、環(huán)境要素及運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)、全面感知；通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備的智能化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的初步處理和篩選，確保可靠性；通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，確保不同種類數(shù)據(jù)能夠兼容和互通；通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器的自診斷和溯源能力，自動(dòng)判斷傳感器的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)質(zhì)量，保障感知數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.數(shù)據(jù)傳輸治理

高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸與標(biāo)準(zhǔn)化治理是保障智能分析診斷準(zhǔn)確性的前提。通過(guò)采用有線、無(wú)線等高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定傳輸；通過(guò)數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)噪聲、異常狀況的自動(dòng)識(shí)別和處理，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，整合來(lái)自不同傳感器、不同系統(tǒng)的多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的互補(bǔ)和增強(qiáng)；通過(guò)構(gòu)建具有大存儲(chǔ)、強(qiáng)計(jì)算、富冗余、高備災(zāi)能力的數(shù)據(jù)中心，支撐實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效安全存儲(chǔ)、處理和分析。

3.智能分析診斷

通過(guò)物理模型、統(tǒng)計(jì)模型和智能模型的建設(shè)和融合，支撐大壩工程安全和管理的相關(guān)場(chǎng)景分析診斷，并保障結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性?；谛畔?shù)據(jù)和分析模型，對(duì)大壩工作性態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)合科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)大壩的安全狀況進(jìn)行診斷。及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩及設(shè)備設(shè)施運(yùn)行中的異常情況，準(zhǔn)確判斷位置和原因，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患的精準(zhǔn)識(shí)別和定位?；跁r(shí)間序列、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，預(yù)測(cè)水庫(kù)洪水、大壩變形、滲流等變化趨勢(shì)，結(jié)合多級(jí)預(yù)警指標(biāo)，根據(jù)嚴(yán)重程度發(fā)出不同級(jí)別的預(yù)警信號(hào)，提醒管理人員及時(shí)采取措施。

4.動(dòng)態(tài)決策防控

建立自適應(yīng)智能化控制機(jī)制，根據(jù)大壩運(yùn)行狀態(tài)和外部環(huán)境變化，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)和控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩的精準(zhǔn)控制。建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，綜合考慮防洪、供水、發(fā)電、生態(tài)等多目標(biāo)，基于運(yùn)籌學(xué)等，制定最優(yōu)的調(diào)度方案。集成應(yīng)急預(yù)案、資源信息、模擬模型等，建立應(yīng)急決策支持系統(tǒng)，對(duì)突發(fā)事件的影響進(jìn)行快速評(píng)估，提供應(yīng)急處置方案并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。建立控制效果評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法，客觀評(píng)估控制策略的實(shí)施效果，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)和控制策略，實(shí)現(xiàn)控制的持續(xù)優(yōu)化。

5.工程協(xié)同運(yùn)行

智能大壩通過(guò)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、接口規(guī)范、業(yè)務(wù)流程，有機(jī)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，形成無(wú)縫對(duì)接和協(xié)同工作的饋控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同?；诩s束條件和功能目標(biāo)，采用智能化優(yōu)化和防控策略，尋求工程安全條件下的綜合效益最大化，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同。通過(guò)建立水利、電力、交通、航運(yùn)、生態(tài)、氣象、安全等部門協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)信息共享、工作協(xié)同和決策協(xié)調(diào)。

6.系統(tǒng)迭代優(yōu)化

智能大壩建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期工程，通過(guò)工程感知系統(tǒng)升級(jí)、算法模型迭代研發(fā)、決策控制策略提升、管理機(jī)制優(yōu)化等，持續(xù)提升智能化程度，形成系統(tǒng)建設(shè)、工程應(yīng)用、迭代升級(jí)的迭代優(yōu)化模式，推動(dòng)功能進(jìn)步。

結(jié)語(yǔ)

推進(jìn)智能大壩建設(shè)是進(jìn)一步提升安全保障能力、效益發(fā)揮能力、運(yùn)行管理能力，催生水利新質(zhì)生產(chǎn)力和引領(lǐng)壩工技術(shù)發(fā)展的重要舉措。目前，智能大壩開(kāi)展了初步的工程實(shí)踐，形成了創(chuàng)新性理念，但尚未形成完整統(tǒng)一的理論體系?；诖?，本文從宗旨目標(biāo)、功能作用、實(shí)施路徑三方面研究探討了智能大壩的本質(zhì)特征，提出了運(yùn)維智能化、調(diào)度智能化、管理智能化的功能目標(biāo)，建構(gòu)了適應(yīng)于功能特征的智能大壩透徹感知、智能分析、自主饋控運(yùn)行模式，深化了智能大壩科學(xué)認(rèn)知，完善了智能大壩理論體系，為智能大壩的建設(shè)提供了理論依據(jù)和參考。后續(xù)將結(jié)合具體大壩工程，深入研究不同應(yīng)用場(chǎng)景下的目標(biāo)要求和運(yùn)行模式，加快推進(jìn)智能大壩建設(shè)落地實(shí)施。

Abstract: Intelligent dams are an inevitable trend and requirement in the technical development of dam engineering. At present, preliminary engineering practices have been carried out in the construction of intelligent dams, forming innovative concepts, but a complete and unified theoretical system has not yet been established. To effectively promote the construction of intelligent dams and improve the level of engineering safety management and benefit exertion, it is necessary to clarify the positioning of intelligent dams and deepen their scientific cognition. This paper deeply discusses the essential characteristics of intelligent dams from three aspects: the purpose and goal of intelligent dams is to realize the positive interaction between high-quality development and high-level safety; their functional role is prediction and pre-judgment; and their implementation approach is digital twin technology. It clarifies the main functional objectives of intelligent dams from three aspects: intelligent operation and maintenance of dams, intelligent reservoir dispatching, and intelligent engineering management. It expounds the operation mechanism of intelligent dams from six aspects: thorough information perception, data transmission and governance, intelligent analysis and diagnosis, dynamic decision-making and prevention, engineering collaborative operation, and system iterative optimization. This deepens the scientific cognition of intelligent dams, improves the theoretical system of intelligent dams, provides useful references for the theoretical research and practical application of intelligent dams, and contributes to promoting high-quality development of water conservancy.

Keywordsintelligent dam; essential characteristic; functional objective; operation mechanism; implementation approach

本文引用格式：

周秋景，趙運(yùn)天，聶鼎，等.智能大壩本質(zhì)特征及功能目標(biāo)研究[J].中國(guó)水利，2025（16）：53-57.

封面供圖安徽省佛子嶺水庫(kù)管理處

責(zé)編董林玥

校對(duì)楊文杰

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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