庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)感知體系構(gòu)建與實(shí)踐

Construction and practice of intelligent monitoring and perception system for safety of dams and reservoirs

高長(zhǎng)勝1，劉成棟12，李登華1，吳云星1

（1.水利部 交通運(yùn)輸部 國(guó)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：面對(duì)工程老化、自然災(zāi)害頻發(fā)等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)體系存在空間覆蓋不全、時(shí)間連續(xù)性差、智能化水平低等問題，導(dǎo)致安全預(yù)測(cè)預(yù)警能力不足、防控響應(yīng)不及時(shí)，難以有效應(yīng)對(duì)各類風(fēng)險(xiǎn)沖擊。構(gòu)建“天空地水工”一體化庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知體系，是推進(jìn)現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣、智能大壩建設(shè)的核心舉措，也是驅(qū)動(dòng)水利領(lǐng)域新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展、實(shí)現(xiàn)新時(shí)期水利高質(zhì)量發(fā)展的必然要求和必由之路。系統(tǒng)梳理我國(guó)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)發(fā)展歷程，將其劃分為常規(guī)觀測(cè)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)發(fā)展、信息化與網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展、庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知四個(gè)階段；闡述了庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)的探索與實(shí)踐，包括監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)研發(fā)、安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)和升級(jí)改造、庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知體系構(gòu)建；并以小浪底水利樞紐為例介紹了“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知體系的應(yīng)用實(shí)踐。同時(shí)分析了當(dāng)前庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)在感知技術(shù)體系、智能監(jiān)測(cè)儀器研發(fā)、智能數(shù)據(jù)治理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定等方面存在的問題與不足，提出完善庫(kù)壩安全透徹感知體系技術(shù)、研發(fā)庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)、建立多源多模態(tài)感知數(shù)據(jù)治理理論、健全庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系等發(fā)展路徑，為建設(shè)庫(kù)壩透徹智能監(jiān)測(cè)感知體系和實(shí)踐應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)測(cè)；透徹感知；數(shù)據(jù)治理；智能預(yù)警；智能饋控

作者簡(jiǎn)介：高長(zhǎng)勝，副院長(zhǎng)，正高級(jí)工程師，主要從事巖土工程、大壩安全與管理等方面研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2024YFC3210700）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U2443229）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（Y724011）；江蘇水利科技項(xiàng)目（2024031）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.012

研究背景

截至2024年年底，我國(guó)建有各類水庫(kù)大壩約9.5萬座，總庫(kù)容約1萬億m3，是水資源調(diào)控與防洪減災(zāi)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是保障下游區(qū)域人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要依托，安全運(yùn)行至關(guān)重要。水利部部長(zhǎng)李國(guó)英在國(guó)際大壩委員會(huì)第28屆大會(huì)暨第93屆年會(huì)上首倡構(gòu)建安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩的理念，并寫入大會(huì)《世界成都宣言》中，引起世界壩工領(lǐng)域普遍關(guān)注和高度贊譽(yù)。近年，全球氣候變化加劇，氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，《中國(guó)氣候變化藍(lán)皮書（2025）》數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)作為氣候變化敏感區(qū)域，增暖速率已超出全球平均水平，極端降水、強(qiáng)震等災(zāi)害的發(fā)生頻率與強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)，由此引發(fā)的氣象地質(zhì)災(zāi)害對(duì)庫(kù)壩工程安全運(yùn)行帶來嚴(yán)峻威脅。安全監(jiān)測(cè)是掌握庫(kù)壩安全運(yùn)行性態(tài)、及早發(fā)現(xiàn)安全隱患、科學(xué)指導(dǎo)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用與應(yīng)急決策不可或缺的重要手段，面對(duì)極端氣候與復(fù)雜地質(zhì)條件的耦合作用，傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)存在庫(kù)壩全覆蓋、全要素透徹感知體系不健全，監(jiān)測(cè)儀器智能化程度不高，安全風(fēng)險(xiǎn)早期精準(zhǔn)識(shí)別、自適應(yīng)診斷、智能預(yù)報(bào)預(yù)警能力不足等問題，難以有效應(yīng)對(duì)各類風(fēng)險(xiǎn)沖擊，亟待構(gòu)建庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)感知體系。

近年來，隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與數(shù)字孿生等前沿技術(shù)空前活躍，面對(duì)加快大壩自診斷技術(shù)和外檢測(cè)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)大壩全覆蓋、全要素、全天候、全周期監(jiān)測(cè)感知，推動(dòng)建立智能分析預(yù)測(cè)體系、前瞻決策支持體系等要求。水利部相繼部署推進(jìn)構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣、印發(fā)《數(shù)字孿生水利“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知夯基提能行動(dòng)方案（2024—2026年）》、開展智能大壩建設(shè)試點(diǎn)等系列工作，要求充分運(yùn)用新一代信息技術(shù)，加強(qiáng)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)和更新改造，構(gòu)建水庫(kù)大壩上下游、左右岸全覆蓋、全要素、全天候、全周期的立體化監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩全生命周期預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案能力全域覆蓋。在此背景下，傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測(cè)體系存在的庫(kù)壩感知不全、智能化程度不高、信息分析深度不足、智能預(yù)報(bào)預(yù)警程度較低等不足逐漸顯現(xiàn)出來，亟須構(gòu)建具備透徹監(jiān)測(cè)感知、安全分析診斷、智能預(yù)測(cè)饋控的庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)感知體系，進(jìn)一步提升庫(kù)壩安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力和水平，這是保障水庫(kù)大壩高水平安全的必然要求和必由之路。

水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)發(fā)展歷程

國(guó)外大壩安全監(jiān)測(cè)開始于19世紀(jì)末期，1891年德國(guó)的埃斯希巴赫重力壩進(jìn)行了變形觀測(cè)。20世紀(jì)初，澳大利亞的鮭溪拱壩和瑞士的孟薩溫斯拱壩進(jìn)行了撓度觀測(cè)，孟薩溫斯拱壩壩體內(nèi)還埋設(shè)了壓阻式儀器。我國(guó)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)工作起步于20世紀(jì)50年代初，經(jīng)過70余年的發(fā)展，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、系列化、型譜化，監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系基本建立，安全監(jiān)測(cè)設(shè)施逐步完善，數(shù)據(jù)采集與分析應(yīng)用漸趨規(guī)范，在保障水庫(kù)安全運(yùn)行與安全度汛中發(fā)揮了重要作用。

水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)最初主要是為了研究大壩設(shè)計(jì)計(jì)算方法，發(fā)展壩工技術(shù)，其后才逐漸發(fā)展成為大壩安全管理的手段。我國(guó)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展是一個(gè)伴隨科技進(jìn)步和管理理念提升而不斷演進(jìn)的過程，大致可劃分為四個(gè)階段。

1.常規(guī)觀測(cè)監(jiān)測(cè)階段（新中國(guó)成立—1979年）

20世紀(jì)50年代，我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)最早在永定河官?gòu)d水庫(kù)和淮河南灣、薄山等大型水庫(kù)大壩上進(jìn)行了水平位移、垂直沉降和浸潤(rùn)線等項(xiàng)目觀測(cè)。隨后，在豐滿、佛子嶺、梅山水電站以及上猶江、流溪河等水庫(kù)大壩上安裝了溫度、應(yīng)變等監(jiān)測(cè)儀器。60年代后期，我國(guó)在一些大型水庫(kù)大壩上開始對(duì)滲流、滲流量、滲水濁度、波浪、傾斜、撓度、揚(yáng)壓力、接縫裂縫、應(yīng)力應(yīng)變以及水位、雨量等項(xiàng)目進(jìn)行觀測(cè)，開始系統(tǒng)性地埋設(shè)和安裝專用監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目更加系統(tǒng)化和定量化。此階段初步出現(xiàn)了成型的監(jiān)測(cè)儀器和觀測(cè)方法，比如弦式儀器和差阻式儀器相繼出現(xiàn)，垂線法被用于撓度觀測(cè)，開始采用三角測(cè)量法、視準(zhǔn)線法、精密水準(zhǔn)法觀測(cè)水平位移和垂直位移等。1965年，水利電力部頒布了《水工建筑物測(cè)壓管水位觀測(cè)試行技術(shù)規(guī)范》（SDJ/SG 751—65），這是新中國(guó)第一部關(guān)于大壩監(jiān)測(cè)的技術(shù)規(guī)范，為人工觀測(cè)提供了技術(shù)指導(dǎo)。這個(gè)時(shí)期我國(guó)水利建設(shè)剛剛起步，監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器設(shè)備極度匱乏，大壩安全監(jiān)測(cè)主要由人工使用簡(jiǎn)單工具進(jìn)行觀測(cè)，操作過程完全依賴人工完成數(shù)據(jù)的采集、記錄和計(jì)算，觀測(cè)頻率低，數(shù)據(jù)精度不高。該階段雖然技術(shù)手段有限，但為我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)，培養(yǎng)了一批專業(yè)監(jiān)測(cè)人員，積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。

2.自動(dòng)化監(jiān)測(cè)發(fā)展階段（1980—2000年）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，這一階段我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)不再局限于人工觀測(cè)和離線分析，大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并形成了性能穩(wěn)定、類型齊全的監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)，提高了安全監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性和監(jiān)測(cè)工作效率。1980年四川龔嘴水電站第一套大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化采集裝置投入試運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)開始了大壩運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的征程；1989年遼寧參窩水庫(kù)投入運(yùn)行的我國(guó)第一套軟硬件齊全的DAMS-1型自動(dòng)化大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，標(biāo)志著我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化已進(jìn)入實(shí)用階段。1989年，水利部、能源部頒布《混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SDJ 336—89），標(biāo)志著大壩監(jiān)測(cè)工作進(jìn)入了規(guī)范化、系統(tǒng)化階段，這個(gè)時(shí)期各類法律法規(guī)、規(guī)范體系也逐步建立，但依然存在不同廠家儀器設(shè)備之間兼容性差、系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)共享困難、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性比較薄弱、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)成本較高等問題。這一階段積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐，對(duì)推動(dòng)我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)向信息化和智能化方向進(jìn)步和發(fā)展具有重要意義。

3.信息化與網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展階段（2001—2020年）

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)逐漸進(jìn)入信息化與網(wǎng)絡(luò)化階段。這個(gè)階段，大壩安全監(jiān)測(cè)也快速發(fā)展為一項(xiàng)跨專業(yè)跨學(xué)科的綜合性系統(tǒng)工程，監(jiān)測(cè)手段更加多樣化，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)和分析處理實(shí)現(xiàn)了全流程信息化和網(wǎng)絡(luò)化，數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同能力增強(qiáng)，信息化管理水平顯著提升。在此階段，我國(guó)多座巨型水電站建成運(yùn)行，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)也迎來了建設(shè)的高峰期，三峽、小浪底等一批大型水庫(kù)大壩遠(yuǎn)程監(jiān)控中心建成，實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中接入、顯示和管理，系統(tǒng)集成更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理模塊，提供在線繪圖、特征值統(tǒng)計(jì)、模型分析、超限報(bào)警等功能。通過集成現(xiàn)代通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，2019年，水利部組織建成了全國(guó)大型水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)監(jiān)督平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，大大提升了預(yù)警能力。隨著網(wǎng)絡(luò)信息化程度的提高，數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大，不同部門和系統(tǒng)之間的信息孤島問題仍然存在，數(shù)據(jù)分析的深度和智能化水平仍需提升，未能構(gòu)建起完整的“感知-分析-決策”閉環(huán)，數(shù)據(jù)分析能力與決策支持功能未能與數(shù)據(jù)采集形成有效聯(lián)動(dòng)，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還不能充分轉(zhuǎn)化為實(shí)際決策依據(jù)。

4.庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知階段（2021年至今）

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能感知等新興技術(shù)快速發(fā)展與融合應(yīng)用，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，有力驅(qū)動(dòng)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐應(yīng)用。近年，水利部部署推進(jìn)現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建、雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”建設(shè)、數(shù)字孿生水利“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知夯基提能、智能大壩建設(shè)試點(diǎn)，以及水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)和更新改造等重點(diǎn)工作，要求充分運(yùn)用新一代信息技術(shù)，加快構(gòu)建庫(kù)壩區(qū)域全覆蓋、運(yùn)行全要素、監(jiān)控全天候、工程全周期的“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)絡(luò)體系，從理念上實(shí)現(xiàn)從以往重點(diǎn)聚焦大壩工程本體安全監(jiān)測(cè)向構(gòu)建庫(kù)壩系統(tǒng)透徹監(jiān)測(cè)感知體系跨越式轉(zhuǎn)變，水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)進(jìn)入?yún)f(xié)同化、數(shù)智化、現(xiàn)代化進(jìn)程，庫(kù)壩安全監(jiān)控和管理水平持續(xù)提升。

庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)探索與實(shí)踐

水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)發(fā)展歷程與技術(shù)演進(jìn)的核心驅(qū)動(dòng)力是技術(shù)進(jìn)步和管理需求提升。隨著前沿技術(shù)深度滲透、新型感知技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新以及監(jiān)測(cè)技術(shù)體系系統(tǒng)化構(gòu)建和迭代升級(jí)，庫(kù)壩安全監(jiān)測(cè)正邁向多維協(xié)同、數(shù)字賦能、智能驅(qū)動(dòng)的一體化透徹監(jiān)測(cè)感知新范式。

1.監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)研發(fā)

我國(guó)庫(kù)壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、系列化、型譜化。從最初的土石壩采用測(cè)壓管觀測(cè)水位、混凝土壩采用經(jīng)緯儀觀測(cè)表面變形，逐步形成了以智能巡檢及變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、環(huán)境量自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主的技術(shù)體系，分布式光纖監(jiān)測(cè)、GNSS變形監(jiān)測(cè)、光纖傳感、CCD、大壩CT和滲流熱場(chǎng)監(jiān)測(cè)等新技術(shù)新手段得到廣泛應(yīng)用。庫(kù)壩安全監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的研制及工藝技術(shù)水平也取得很大進(jìn)展，振弦式、差阻式、電位器式、CCD式、步進(jìn)電機(jī)式、電容式、磁致伸縮式、超聲波式、激光準(zhǔn)直式、伺服加速度式、SAA光纖式等型式的各類監(jiān)測(cè)傳感器，適應(yīng)各種壩型、各種工程物理量的監(jiān)測(cè)。

在大壩本體智能監(jiān)測(cè)方面，測(cè)量機(jī)器人、北斗衛(wèi)星、雙軸無線傾角儀、固定式測(cè)斜儀等融合物聯(lián)網(wǎng)、NB-IoT、MEMS等技術(shù)，可滿足大壩多場(chǎng)景變形監(jiān)測(cè)需求，實(shí)現(xiàn)從“物理采集”到“智能感知”的跨越。分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，單根光纖可覆蓋10km壩體，同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度與應(yīng)變，如同“神經(jīng)末梢”般，靈敏感知裂縫變化，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高精度滲漏定位監(jiān)測(cè)。新型鋼筋計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)等，實(shí)現(xiàn)大壩應(yīng)力應(yīng)變精確感知，實(shí)時(shí)掌握大壩受力情況。

在大壩外部智能巡檢方面，無人機(jī)、無人船、水下機(jī)器人、機(jī)器狗等正逐步應(yīng)用到工程巡視檢查、庫(kù)區(qū)管理、水下探測(cè)中。無人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，搭載高分辨率相機(jī)、熱成像儀等設(shè)備，可快速獲取大壩全景影像，并識(shí)別裂縫、滲漏等問題；機(jī)器狗集成多種傳感器與AI算法，適應(yīng)復(fù)雜廊道靈活巡檢，能監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)安全與環(huán)境要素；無人船可用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、岸線巡檢，搭載廣角攝像頭配合無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)水域變化動(dòng)態(tài)感知，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患；水下機(jī)器人能對(duì)庫(kù)底和水下設(shè)施進(jìn)行掃描檢測(cè)，結(jié)合先進(jìn)探測(cè)技術(shù)鏈，適用于深水滲漏和隱蔽缺陷定位。

2.安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)和升級(jí)改造

“十四五”以來，我國(guó)完成425座大中型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)、5.1萬余座小型水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)改造以及5.7萬余座小型水庫(kù)雨水情測(cè)報(bào)設(shè)施建設(shè)，2024年水利部印發(fā)《水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)管理辦法》。通過對(duì)水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)和更新改造，我國(guó)水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)設(shè)施覆蓋率持續(xù)提升，監(jiān)測(cè)要素已從單一的大壩位移、變形、滲漏監(jiān)測(cè)為主，向大壩內(nèi)外、庫(kù)區(qū)左右岸和上下游全覆蓋、全要素監(jiān)測(cè)擴(kuò)展，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境量、物理量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯聚、在線采集、自動(dòng)分析、智能預(yù)警等，也推動(dòng)了衛(wèi)星遙感、北斗GNSS、無人機(jī)、分布式光纖等新技術(shù)的應(yīng)用，水庫(kù)大壩日常巡查檢查工作也逐步從傳統(tǒng)的人工巡查向無人機(jī)、機(jī)器人等智能巡查發(fā)展，有效提升了庫(kù)壩安全監(jiān)測(cè)信息化、智能化水平，支撐了“面廣量大”的水庫(kù)大壩安全運(yùn)行。

3.庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知體系構(gòu)建

庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)是傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（主要由監(jiān)測(cè)儀器及其輔助設(shè)施、監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成）的提升，通過將監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)和專業(yè)知識(shí)深度融合，構(gòu)建庫(kù)壩透徹智能監(jiān)測(cè)感知體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)壩安全性態(tài)的智能全面感知、分析預(yù)測(cè)和決策支撐。智能監(jiān)測(cè)感知方法、數(shù)據(jù)采集匯集、數(shù)據(jù)治理融合是支撐庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)感知體系的前提和基礎(chǔ)。

庫(kù)壩透徹智能監(jiān)測(cè)感知體系總體架構(gòu)

（1）智能監(jiān)測(cè)感知技術(shù)與方法

庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)是通過布設(shè)智能監(jiān)測(cè)、智能巡檢等儀器，形成“天空地水工”一體化庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)庫(kù)壩全域覆蓋和連續(xù)協(xié)同監(jiān)測(cè)。

“天空地水工”一體化庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)

“天”——主要依托遙感（如“水利一號(hào)”“珞珈”系列衛(wèi)星等）、北斗衛(wèi)星等，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)壩系統(tǒng)大尺度全局監(jiān)測(cè)感知。遙感衛(wèi)星，利用多光譜、光學(xué)成像及合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量等技術(shù)對(duì)庫(kù)區(qū)地表形變、庫(kù)岸整體穩(wěn)定性及庫(kù)容變化進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)；北斗等GNSS系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)厘米級(jí)至毫米級(jí)定位精度，監(jiān)測(cè)表面位移、沉降及裂縫變化，同時(shí)，北斗衛(wèi)星還能保障偏遠(yuǎn)地區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠回傳，能在“三斷”（斷路、斷電、斷網(wǎng)）時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信。

“空”——主要利用近地大氣探測(cè)設(shè)備及低空平臺(tái)搭載多源傳感器開展監(jiān)測(cè)，可獲取庫(kù)區(qū)及壩體關(guān)鍵地表狀態(tài)信息與水文氣象參數(shù)，包括測(cè)雨雷達(dá)、無人機(jī)、激光雷達(dá)等設(shè)備。測(cè)雨雷達(dá)實(shí)現(xiàn)降水過程連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取高時(shí)空分辨率的面雨量數(shù)據(jù)，用于水庫(kù)匯流計(jì)算、短時(shí)降雨預(yù)報(bào)和防汛調(diào)度；無人機(jī)搭載高分辨率正射相機(jī)、熱紅外成像儀、激光雷達(dá)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)表面變形、裂縫監(jiān)測(cè)、滲漏點(diǎn)定位、地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別、庫(kù)區(qū)地形與庫(kù)容變化監(jiān)測(cè)等功能。

“地”——主要圍繞庫(kù)壩環(huán)境量和表面狀態(tài)的智能化監(jiān)測(cè)，利用雨水情監(jiān)測(cè)站、AI攝像機(jī)、小型無人車（機(jī)器人、機(jī)器狗）等智能設(shè)備構(gòu)建覆蓋全域與關(guān)鍵點(diǎn)位的多層次監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雨水情監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)區(qū)及周邊全域水文氣象監(jiān)測(cè)；基于機(jī)械視覺視頻的AI監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)庫(kù)壩環(huán)境、壩面、邊坡及泄洪設(shè)施等進(jìn)行視頻流智能分析，自動(dòng)識(shí)別裂縫、滲水點(diǎn)等異常表觀并及時(shí)報(bào)警；小型無人車執(zhí)行壩區(qū)路面及附屬設(shè)施巡檢、緩坡地質(zhì)災(zāi)害排查、泄洪消能區(qū)空蝕坑與鋼筋裸露檢測(cè)；機(jī)器狗則對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行近距離高精度巡檢，包括壩體表面細(xì)微裂縫與結(jié)構(gòu)缺陷，廊道等隱蔽部位滲漏、裂縫、結(jié)構(gòu)缺陷等異常狀況識(shí)別。

“水”——主要聚焦庫(kù)壩水文環(huán)境監(jiān)測(cè)與水下工程結(jié)構(gòu)安全智能巡檢，包括雷達(dá)流量計(jì)、水位計(jì)、無人船、水下巡檢機(jī)器人、水下載人潛艇等設(shè)備。雷達(dá)流量計(jì)與水位計(jì)實(shí)現(xiàn)庫(kù)壩水文參數(shù)感知，其中雷達(dá)流量計(jì)測(cè)量出入庫(kù)及下游河道流量，而水位計(jì)記錄庫(kù)水位及關(guān)鍵斷面水位；無人船通過所搭載的高精度定位系統(tǒng)與多波束/側(cè)掃聲吶等傳感器實(shí)現(xiàn)壩前淤積、水下沖刷、庫(kù)容復(fù)核等智能工作；水下巡檢機(jī)器人及水下載人裝置（如“禹龍?zhí)枴贝髩紊钏畽z測(cè)載人潛水器）實(shí)現(xiàn)水下工程結(jié)構(gòu)病害識(shí)別診斷，前者通過搭載聲吶、激光掃描儀及高清攝像頭，結(jié)合定位系統(tǒng)，精準(zhǔn)識(shí)別水下結(jié)構(gòu)裂縫、滲流等病害，后者則支持工程師在深水區(qū)近場(chǎng)檢測(cè)、診斷結(jié)構(gòu)隱患，并完成附著物清理、滲漏點(diǎn)封堵等檢修任務(wù)。

“工”——主要實(shí)現(xiàn)庫(kù)壩工程及其關(guān)鍵附屬設(shè)施的狀態(tài)感知，包括地基雷達(dá)、機(jī)器視覺、分布式光纖、光纖光柵、MEMS等智能設(shè)備，以及使用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器配置智能采集模塊或智能變送器來實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)功能。地基雷達(dá)基于雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)壩表面位移、裂縫發(fā)展及潛在滑坡體變形；機(jī)器視覺則通過對(duì)水庫(kù)邊坡及壩體表面的非接觸式成像分析，有效識(shí)別裂縫、變形及滲漏等表觀異常；分布式光纖以分布式或準(zhǔn)分布式形式埋設(shè)于壩體、地基及隧洞襯砌內(nèi)部，憑借其超長(zhǎng)距離、高耐久性、強(qiáng)抗干擾及易組網(wǎng)等特性，實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、溫度、振動(dòng)等異常信號(hào)，實(shí)現(xiàn)隱蔽性風(fēng)險(xiǎn)的分布式感知；光纖光柵傳感器針對(duì)長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)耐袋c(diǎn)，結(jié)合自身抗干擾、可串聯(lián)的特點(diǎn)，特別適合長(zhǎng)距離引線的高壩大庫(kù)及輸水隧洞的高精度測(cè)量；以MEMS為代表的新一代智能傳感器體積小，功耗低，可數(shù)字化傳輸，為局部細(xì)微位移等關(guān)鍵監(jiān)測(cè)要素的精細(xì)化監(jiān)測(cè)提供了更優(yōu)的解決方案。

（2）數(shù)據(jù)智能采集匯集

庫(kù)壩監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)具備“多源、異構(gòu)、多尺度、海量”等特征，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并通過采集終端和傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳至智能監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)集中存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的高效傳輸與整合，為后續(xù)分析預(yù)警奠定基礎(chǔ)。具體涵蓋：面向結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化多源數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取、屬性對(duì)齊與自動(dòng)入庫(kù)；數(shù)據(jù)的自動(dòng)校驗(yàn)，如空值處理、重復(fù)數(shù)據(jù)清洗與格式標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，兼具離線批量匯集與在線實(shí)時(shí)匯集兩種模式。

在數(shù)據(jù)采集方面，采集設(shè)備在保留傳統(tǒng)自動(dòng)測(cè)報(bào)、遠(yuǎn)程測(cè)控、本地存儲(chǔ)、一站多發(fā)、防雷及斷電保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，新增邊緣計(jì)算、故障自診斷、異常自動(dòng)判別、通信信道自適應(yīng)切換等智能化功能，支持多類型監(jiān)測(cè)儀器接入（兼容不同信號(hào)類型、接口標(biāo)準(zhǔn)及通信協(xié)議），并具備現(xiàn)地觸摸屏、鍵盤、語音交互能力。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，支持一站多發(fā)、多中心傳輸，具備智能斷點(diǎn)續(xù)傳和數(shù)據(jù)補(bǔ)錄功能，根據(jù)工程場(chǎng)景自適應(yīng)選擇傳輸方式：①對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，工程現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)通信距離較近時(shí)，采用有線通信方式；②通信節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，且滿足無線通信條件時(shí)，采用4G/5G、NB-IoT等無線通信方式；③無運(yùn)營(yíng)商信號(hào)覆蓋的工程現(xiàn)場(chǎng)，選用LoRa、WiFi等自主組建通信傳輸網(wǎng)；④現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，或沿途需要穿（跨）越多重不利于無線信號(hào)傳輸?shù)慕ㄖ飼r(shí)，采用光纖通信方式；⑤單獨(dú)一種通信方式不能滿足技術(shù)要求的復(fù)雜工程環(huán)境，綜合采用有線與無線組合的通信方式。

在數(shù)據(jù)匯集方面，通過智能采集設(shè)備將巡檢數(shù)據(jù)與儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集至運(yùn)維平臺(tái)，按數(shù)據(jù)類型差異化處理：①結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括智能監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備獲取的數(shù)值，采用服務(wù)接口方式、文件交換方式、庫(kù)表訪問方式和消息隊(duì)列等匯集方式；②非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括音頻、視頻、圖像及文檔等，其中音頻、視頻數(shù)據(jù)采用流媒體協(xié)議RTP/RTCP等方式匯集。

（3）數(shù)據(jù)智能治理融合

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)治理融合包括數(shù)據(jù)異構(gòu)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗、特征抽取、數(shù)據(jù)融合等，為后續(xù)大壩安全智能分析診斷和預(yù)測(cè)預(yù)警提供支撐。

在異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面，對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，輸出標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；進(jìn)行格式、類型及單位轉(zhuǎn)換，確保數(shù)據(jù)統(tǒng)一性。

在數(shù)據(jù)清洗方面，采用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法開展多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的粗差、降噪、去重、缺失等處理，其中粗差處理對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差探測(cè)與剔除，降噪處理對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲去除、平滑處理，去重處理對(duì)重復(fù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除處理，缺失處理對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失值進(jìn)行補(bǔ)全處理。

在數(shù)據(jù)特征抽取方面，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)按分析預(yù)警要求等進(jìn)行分類，抽取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)、離散程度、分布規(guī)律、極值特征等；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)按分析預(yù)警要求，主要抽取顏色、紋理、形狀等圖像特征，音頻波譜特征，關(guān)鍵片段、關(guān)鍵幀等視頻特征，關(guān)鍵詞、詞頻等文檔特征。

在數(shù)據(jù)融合方面，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間序列特征及測(cè)點(diǎn)空間分布，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一性或相似性拼接融合；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過深度學(xué)習(xí)算法對(duì)圖像、音頻、視頻、文檔等類型監(jiān)測(cè)特征，進(jìn)行統(tǒng)一性或相似性整合關(guān)聯(lián)；結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間、空間、位置，進(jìn)行安全特征關(guān)聯(lián)性融合。

4.庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)的實(shí)踐應(yīng)用案例

小浪底水利樞紐作為水利部數(shù)字孿生水利工程建設(shè)、現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建的首批試點(diǎn)水庫(kù)，近年來大力強(qiáng)化新質(zhì)生產(chǎn)力賦能，開展監(jiān)測(cè)儀器自動(dòng)化升級(jí)改造，并結(jié)合衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、無人船、水下機(jī)器人、機(jī)器視覺、AI智能識(shí)別等多項(xiàng)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，初步構(gòu)建“天空地水工”一體化庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知體系。

“天”——率先應(yīng)用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)全庫(kù)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比前后月0.5m級(jí)的高分辨率遙感影像加強(qiáng)庫(kù)區(qū)安全管理；應(yīng)用北斗GNSS開展大壩和滑坡體位移變形監(jiān)測(cè)，全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)。

“空”——建設(shè)部署3臺(tái)覆蓋庫(kù)區(qū)的水利測(cè)雨雷達(dá)監(jiān)測(cè)“空中雨”；建成投運(yùn)搭載激光雷達(dá)的無人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水工建筑物、滑坡體等開展全自動(dòng)精細(xì)化、智能巡檢；應(yīng)用無人機(jī)開展樞紐區(qū)、庫(kù)區(qū)日常巡查，極大提高了巡查效率。

“地”——應(yīng)用音視頻監(jiān)測(cè)、熱成像、閾值報(bào)警、設(shè)備異常圖像識(shí)別等技術(shù)升級(jí)可視化監(jiān)控系統(tǒng)，AI智能識(shí)別設(shè)施設(shè)備異常，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理進(jìn)入可視化監(jiān)控“慧眼+”時(shí)代；建成投運(yùn)具有AI識(shí)別功能的泄洪預(yù)警系統(tǒng)，有效監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)水域各角落。

“水”——利用振動(dòng)法和密度法在線監(jiān)測(cè)孔洞過流含沙量，在進(jìn)水塔前安裝2臺(tái)參量陣淺地層剖面儀在線監(jiān)測(cè)泥沙淤積高程，利用無人船搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)驗(yàn)庫(kù)區(qū)水下地形；深度應(yīng)用水下機(jī)器人檢查孔洞流道，輔助檢查水工建筑物。

“工”——對(duì)3201支工程監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行升級(jí)改造，自動(dòng)化率提升到88%；在255個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)建立監(jiān)控指標(biāo)體系，重點(diǎn)部位實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；探索應(yīng)用地基合成孔徑雷達(dá)（InSAR）監(jiān)測(cè)壩體形變，應(yīng)用光電式泥沙監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量泥沙含量；針對(duì)小浪底特有的高水頭、偏心鉸弧門探索開展金屬結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提升設(shè)備分析診斷和健康度評(píng)估能力。

小浪底水利樞紐基于“天空地水工”一體化庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)建立了預(yù)報(bào)-預(yù)警-預(yù)演-預(yù)案全鏈條模型，并通過移動(dòng)App實(shí)現(xiàn)智能巡檢與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回傳。強(qiáng)化與數(shù)字孿生技術(shù)、專業(yè)模型等深度融合，融合BIM/GIS構(gòu)建高精度三維模型與多物理場(chǎng)數(shù)值庫(kù)，建設(shè)數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)，全面動(dòng)態(tài)掌握樞紐區(qū)、庫(kù)區(qū)、下游河道全要素信息，實(shí)現(xiàn)全要素全天候動(dòng)態(tài)管控，全方位保障水庫(kù)大壩安全，顯著提升水庫(kù)防汛和聯(lián)合調(diào)度、工程安全性態(tài)研判、庫(kù)區(qū)管理等支持保障和運(yùn)行管理能力與效率。

庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)存在問題與短板

經(jīng)過多年的技術(shù)實(shí)踐，我國(guó)庫(kù)壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但仍存在透徹感知體系協(xié)同不完善、儀器設(shè)備性能不足、多源數(shù)據(jù)治理融合不夠、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全等局限，需要在實(shí)踐中不斷發(fā)展完善。

1.庫(kù)壩透徹監(jiān)測(cè)感知體系協(xié)同不完善

庫(kù)壩透徹監(jiān)測(cè)感知體系是包括“天空地水工”監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與探測(cè)等多要素感知信息深度融合的體系，但是目前涵蓋監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、探測(cè)等全要素的透徹感知體系尚未建立，相應(yīng)的感知設(shè)備布設(shè)方法與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不健全，無法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵要素時(shí)間連續(xù)和空間全面的透徹感知協(xié)調(diào)。當(dāng)前庫(kù)壩安全監(jiān)測(cè)仍以點(diǎn)和斷面為主，覆蓋要素不全，且缺乏與安全隱患和病害的關(guān)聯(lián)性，監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、探測(cè)多源海量異構(gòu)監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)干擾信息多，解析效率低，協(xié)同融合程度不高，新建與已建大壩安全信息透徹感知技術(shù)與方法不明確，制約了庫(kù)壩安全性態(tài)及病害特征的全面透徹感知。

2.監(jiān)測(cè)儀器智能化等性能仍存在短板

智能監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)研發(fā)不足，尤其是多要素參數(shù)智能監(jiān)測(cè)儀器處于研發(fā)起步階段。傳統(tǒng)埋入式大壩安全監(jiān)測(cè)儀器多不具備自動(dòng)校零、漂移補(bǔ)償、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析等智能化功能，傳感器數(shù)據(jù)異常判別預(yù)警等智能化程度不高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性、觀測(cè)精度難以滿足復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下大壩安全風(fēng)險(xiǎn)早期精準(zhǔn)識(shí)別的需求，一旦損壞難以及時(shí)修復(fù)更新，無法保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空連續(xù)性。自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元（MCU）智能化程度不高，對(duì)不同原理傳感器類型存在數(shù)據(jù)采集、解譯標(biāo)準(zhǔn)不一致問題，對(duì)測(cè)量誤差的自動(dòng)識(shí)別和智能處理能力不夠?，F(xiàn)地終端功能不足，數(shù)據(jù)缺失防控與儀器故障修復(fù)技術(shù)尚不健全。監(jiān)測(cè)儀器計(jì)量檢定裝備和檢定方法缺乏，智能化檢驗(yàn)檢測(cè)能力和水平低。

3.多源監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)治理融合程度低

庫(kù)壩監(jiān)測(cè)感知多源數(shù)據(jù)模態(tài)差異特征明顯，多源多模態(tài)數(shù)據(jù)治理融合技術(shù)與方法尚不成熟，多源海量異構(gòu)數(shù)據(jù)干擾信息多、解析效率低，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確識(shí)別治理能力較低。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量存在顯著差異，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，未能有效實(shí)現(xiàn)與專業(yè)仿真模型的動(dòng)態(tài)耦合，以監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)和機(jī)理分析為主的庫(kù)壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件下安全性態(tài)轉(zhuǎn)異的不確定性識(shí)別不強(qiáng)，難以滿足庫(kù)壩風(fēng)險(xiǎn)早期診斷和安全性態(tài)智能精準(zhǔn)管控的需要。多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、時(shí)效性與安全性等存在不足，尤其在極端天氣條件下，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量存在顯著差異，制約大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的庫(kù)壩智能診斷與預(yù)測(cè)預(yù)警能力。

4.“天空地水工”監(jiān)測(cè)感知新技術(shù)有待強(qiáng)化應(yīng)用

大壩表面變形監(jiān)測(cè)、巡視檢查、近壩區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)等庫(kù)壩信息智能監(jiān)測(cè)感知新技術(shù)有待深化落地應(yīng)用?；诒倍贰⑿l(wèi)星遙感等高精度位移測(cè)量技術(shù)的大壩表面變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)，采用無人機(jī)、機(jī)器狗、軌道機(jī)器人、機(jī)器視覺等設(shè)備的大壩巡視檢查技術(shù)，具有良好的應(yīng)用場(chǎng)景，有待進(jìn)一步加大推廣應(yīng)用?；谠贫瞬渴鹎疫m用于不同類型庫(kù)壩（群）安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、管理、分析挖掘，以及基于專業(yè)模型和多源數(shù)據(jù)融合的庫(kù)壩安全監(jiān)測(cè)分析預(yù)警智能在線監(jiān)管平臺(tái)還需加快研發(fā)和實(shí)踐應(yīng)用。

5.智能監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系尚不健全

我國(guó)現(xiàn)行40余部大壩安全監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多適配傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)，智能監(jiān)測(cè)感知覆蓋不夠，還存在標(biāo)準(zhǔn)要素不全，技術(shù)指標(biāo)更新滯后、引領(lǐng)性不足，以及跨行業(yè)銜接不夠等問題。已建成的近9.5萬座水庫(kù)大壩智能化改造，以及智能監(jiān)測(cè)感知儀器設(shè)備，監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)傳輸、匯集、治理、融合、共享等缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，智能監(jiān)測(cè)感知閾值確定、預(yù)警發(fā)布及處置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。智能監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備技術(shù)性能要求、計(jì)量檢定方法等技術(shù)規(guī)范缺乏，制約規(guī)模化推廣應(yīng)用?；诖髩伟踩O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合專業(yè)數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)大壩安全狀態(tài)量化診斷評(píng)判與預(yù)警饋控等，尚未建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)感知發(fā)展路徑

1.完善庫(kù)壩安全透徹監(jiān)測(cè)感知體系技術(shù)與方法

構(gòu)建庫(kù)壩典型病害特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)及知識(shí)圖譜，建立衛(wèi)星遙感、北斗GNSS、無人機(jī)（船）、三維激光掃描、紅外熱成像、機(jī)器視覺、無損探測(cè)等監(jiān)測(cè)感知效應(yīng)量與大壩病害特征的映射關(guān)系，以及多源感知信息的時(shí)空連續(xù)關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，提出庫(kù)壩病害特征驅(qū)動(dòng)的大壩感知儀器優(yōu)化布置方法，形成庫(kù)壩安全透徹監(jiān)測(cè)感知協(xié)同優(yōu)化技術(shù)與方法。研究監(jiān)測(cè)感知要素可靠性以及要素之間的互補(bǔ)互證關(guān)系，建立多源感知信息時(shí)空關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，提出庫(kù)壩時(shí)空連續(xù)、全要素安全信息透徹感知技術(shù)與方法。采用智能優(yōu)化算法，融合三維可視化技術(shù)，完善庫(kù)壩透徹監(jiān)測(cè)感知體系優(yōu)化設(shè)計(jì)，加大庫(kù)壩自診斷和外檢測(cè)新技術(shù)應(yīng)用，結(jié)合北斗、InSAR、無人機(jī)等監(jiān)測(cè)感知新技術(shù)，構(gòu)建“天空地水工”一體化庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)壩全覆蓋、全要素、全天候、全周期精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)感知。

2.研發(fā)智能監(jiān)測(cè)感知儀器設(shè)備與技術(shù)

融合高精度感知、抗電磁抗干擾技術(shù)以及精密制造工藝，研發(fā)具有多參數(shù)、無線一體化、高精度、實(shí)時(shí)傳輸，且具備自診斷、自校準(zhǔn)、功耗管理、數(shù)據(jù)處理等功能的一體化智能傳感器。加快智能監(jiān)測(cè)感知技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展，研發(fā)升級(jí)圖像識(shí)別、機(jī)器視覺、光纖、MEMS等新型監(jiān)測(cè)感知技術(shù)與裝備。開展基于邊緣計(jì)算的智能型采集設(shè)備與采集終端研發(fā)，提升現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)反饋能力和效率。研發(fā)儀器故障智能識(shí)別模型、儀器性能劣化模型、儀器服役壽命智能預(yù)測(cè)模型，提出儀器健康特征指標(biāo)及評(píng)估方法，形成埋入式監(jiān)測(cè)儀器故障智能診斷、修復(fù)成套技術(shù)。研發(fā)智能監(jiān)測(cè)感知儀器設(shè)備計(jì)量檢定設(shè)備，建立儀器設(shè)備量值準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)體系。

3.建立多源多模態(tài)監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)治理理論與方法

開展數(shù)據(jù)去噪、缺失值處理、粗差辨識(shí)、數(shù)據(jù)整合等數(shù)據(jù)智能治理技術(shù)研究。挖掘庫(kù)壩多源多模態(tài)監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)特征信息，建立傳感器型、文本型、視覺型等多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)的分類準(zhǔn)則，以及聲光電磁熱等視覺型數(shù)據(jù)的特征提取與分類方法。針對(duì)多源監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)干擾信息多、可靠性低等問題，研究構(gòu)建強(qiáng)干擾背景下多源視覺型數(shù)據(jù)治理技術(shù)。研究同模態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)特征提取與可靠度提升治理方法，提出多模態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)的互證治理方法，形成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)智能識(shí)別方法。研究傳感器時(shí)序數(shù)據(jù)主趨勢(shì)線和跳動(dòng)特征識(shí)別方法，建立基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常值治理方法。研究多源信息分解、消噪和表征模式，構(gòu)建多維數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)模型，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)融合。

4.加強(qiáng)智能監(jiān)測(cè)感知新技術(shù)與設(shè)備工程應(yīng)用

推進(jìn)北斗GNSS、測(cè)量機(jī)器人、合成孔徑雷達(dá)、光纖類傳感器、微震監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)感知新技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用，以及無人機(jī)、圖像識(shí)別監(jiān)測(cè)等廣域大尺度非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)的工程應(yīng)用，支撐構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣、智能大壩建設(shè)等。推廣北斗短報(bào)文、衛(wèi)星電話、高通量衛(wèi)星、散射通信等通信技術(shù)，建立應(yīng)急情況通信通道，保障監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)全天候傳輸。強(qiáng)化差阻式、振弦式等埋入式儀器在采集與數(shù)據(jù)處理端實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)感知，提高監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平，減少儀器使用故障。組織以數(shù)字孿生和人工智能為基礎(chǔ)的安全監(jiān)測(cè)饋控決策平臺(tái)化研發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)壩安全運(yùn)行性態(tài)進(jìn)行智能分析診斷、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和決策支持。

5.健全庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

圍繞加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力、支撐水利高質(zhì)量發(fā)展，立足數(shù)字孿生水利工程、現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣、智能大壩等建設(shè)要求，健全庫(kù)壩安全監(jiān)測(cè)感知技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。推進(jìn)庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)、已建大壩智能化改造，以及監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)傳輸匯集、治理融合等全鏈條技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究編制。研究編制監(jiān)測(cè)感知儀器設(shè)備產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量檢定方法標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范監(jiān)測(cè)感知儀器設(shè)備設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用和維護(hù)等各環(huán)節(jié)工作。

結(jié)語與展望

水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展歷程，是從人工到自動(dòng)化，再到信息化、網(wǎng)絡(luò)化，最終邁向智能化、智慧化的過程，其核心驅(qū)動(dòng)力是技術(shù)進(jìn)步和管理需求提升。傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測(cè)模式在保障水庫(kù)大壩運(yùn)行中發(fā)揮了重要作用，但面對(duì)日益復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，以及新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，構(gòu)建“天空地水工”一體化庫(kù)壩智能監(jiān)測(cè)感知體系，正重塑水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)和運(yùn)行管理新范式。

未來，庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)感知將深度融合人工智能、大數(shù)據(jù)、6G、量子通信等前沿新技術(shù)、顛覆性技術(shù)，監(jiān)測(cè)體系向全域化、智慧化、協(xié)同化方向深度演進(jìn)，儀器設(shè)備向芯片級(jí)、多參數(shù)傳感器集成，向高精度多維感知協(xié)同，向高靈敏度、長(zhǎng)壽命、智能化方向迭代。人工智能將深度滲透融合和驅(qū)動(dòng)海量監(jiān)測(cè)感知信息高效挖掘與風(fēng)險(xiǎn)超前精準(zhǔn)預(yù)判，必將加快支撐構(gòu)建更加智慧的庫(kù)壩透徹感知、分析診斷、預(yù)測(cè)預(yù)警、決策饋控等全鏈條的安全監(jiān)控與運(yùn)維體系，為提升國(guó)家水安全保障能力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

Abstract: Intelligent monitoring and perception serve as the prerequisite and foundation for building smart dams and comprehensively enhancing the safety monitoring capabilities of reservoirs and dams. Faced with adverse factors such as aging projects and frequent natural disasters, the traditional safety monitoring system for reservoirs and dams still has problems including incomplete spatial coverage, poor temporal continuity, and low intelligence level, leading to insufficient safety prediction and early warning capabilities, delayed prevention and control responses, and difficulty in effectively coping with various risk impacts. Constructing an integrated “space-air-ground-hydraulic-structure” intelligent monitoring and perception system for reservoir and dam safety is a core measure to promote the modern reservoir operation and management matrix and the construction of smart dams, and it is also an inevitable requirement and necessary path to drive the development of new productive forces in the water conservancy field and realize high-quality development of water conservancy in the new era. This paper systematically sorts out the development history of safety monitoring for reservoirs and dams in China and the exploration and practice of intelligent safety monitoring for reservoirs and dams. From the perspective of achieving thorough monitoring and perception of reservoir and dam safety, it proposes a “space-air-ground-hydraulic-structure” intelligent monitoring and perception system for reservoir and dam safety covering dimensions such as intelligent monitoring and perception, data collection and fusion, and diagnostic analysis and early warning, and analyzes the practical application of the reservoir and dam safety monitoring system in the Xiaolangdi Water Conservancy Project. It also discusses the existing problems and deficiencies in current intelligent safety monitoring of reservoirs and dams in aspects such as perception technology system, research and development of intelligent monitoring instruments, intelligent data governance, and formulation of technical standards, and puts forward development paths from aspects including improving the technology of the thorough perception system for reservoir and dam safety, researching and developing intelligent monitoring instruments and technologies for reservoirs and dams, establishing a theory of multi-source and multi-modal perception data governance, and improving the technical standard system for intelligent safety monitoring of reservoirs and dams, which can provide references for the construction and practical application of the thorough intelligent monitoring and perception system for reservoirs and dams.

Keywords intelligent monitoring; thorough perception; data governance; intelligent early warning; intelligent feedback control

本文引用格式：

高長(zhǎng)勝，劉成棟，李登華，.庫(kù)壩安全智能監(jiān)測(cè)感知體系構(gòu)建與實(shí)踐[J].中國(guó)水利，2025（16）：72-80+90.

封面攝影馬貴安

責(zé)編王慧

校對(duì)楊文杰

審核楊軼

監(jiān)制李坤

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