智能大坝建设与韧性提升发展路径研究
Development path and resilience reinforcement studies on intelligent dam construction
盛金保¹，²，李宏恩¹，²，王芳²
（1.水利部大坝安全管理中心，210029，南京；2.南京水利科学研究院，210029，南京）
摘要：近年来颠覆传统认知的极端降水事件频繁发生，对水库大坝安全度汛造成严重威胁，世界范围内洪水漫坝及漫顶溃坝事故时有发生，水库大坝应对极端事件的工程韧性亟待提升。移动互联网、大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代信息技术阶跃式发展为水库大坝安全管理数字化、网络化、智能化变革提供了重要契机。强化数字赋能，对传统水库大坝开展智能化改造，是提升水库大坝工程韧性、有效防范各类极端事件风险的重要路径。从提升水库大坝工程韧性角度出发，探讨了智能大坝定义及其内涵、特征，总结了智能大坝研究与建设现状及面临的问题与挑战，凝练了智能大坝建设需要攻关突破的关键科学问题与关键技术。从加强顶层设计、科学谋划智能大坝建设规划与实施路径，加快构建智能大坝建造与智能化改造理论体系，加强科技创新以组织开展智能大坝建设关键技术和装备攻关，支撑透彻感知体系以及智能诊断、智能预警、智慧运维、智慧决策系统平台构建，加强技术标准体系建设与示范引领并推进智能大坝建设与智能化改造先行先试等方面，提出智能大坝建设路径。
关键词：智能大坝；韧性提升；透彻感知；智能诊断；智能预警；智慧决策；自主馈控
作者简介： 盛金保，正高级工程师，主要从事大坝安全与风险评估工作。
基金项目： 国家重点研发计划（2022YFC3005400）；国家自然科学基金（U2443231）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（Y722003、Y723008）。
引言
水库大坝是国家重要战略性基础设施，承担着保障国家防洪安全、供水安全、粮食安全、能源安全、生态安全等重要任务。全国现有各类水库大坝9.5万多座，具有总量多、小型水库多、土石坝多、老旧坝多、病险库多、高坝大库多等特点。从坝型看，土石坝占91.8%；从建成年代看，20世纪50—70年代及之前修建的占87.1%，平均坝龄53年。
近年来，颠覆传统认知的极端暴雨事件频繁发生，对水库大坝安全度汛造成严重威胁，国内外洪水漫坝及漫顶溃坝事故时有发生。从国内看，2018年8月1日，新疆哈密地区射月沟小（1）型水库遭遇超标准洪水漫顶溃坝，该水库校核洪水标准为300年一遇，而实际发生洪水超1000年一遇，漫顶水深达5m。2021年汛期，我国多地出现连续强降雨天气，导致两座水库漫顶溃坝、多座水库出现漫坝险情；7月18日，内蒙古莫力达瓦旗12h累计降雨量232.1mm，导致一座小（1）型水库（永安水库）、一座中型水库（新发水库）漫顶溃坝，其中永安水库遭遇的500年一遇洪水的校核洪峰流量比原设计大204%，新发水库遭遇的300年一遇洪水的校核洪峰流量比原设计大225%；2021年河南郑州“7·20”特大暴雨小时最强点雨量201.9mm，突破我国大陆气象观测记录历史极值，导致郑州市143座水库中有84座出现不同程度险情，其中郭家嘴水库出现漫坝险情，严重威胁下游南水北调中线工程安全；8月11日，湖北襄阳地区普降特大暴雨，5座小（2）型水库出现漫坝险情。2023年“七下八上”防汛关键期，松花江流域部分支流发生超实测记录洪水，哈尔滨市磨盘山水库、龙凤山水库两座大型水库几近漫坝。2024年7月20日，黑龙江省绥化市明水县遭遇超100年一遇特大暴雨洪水袭击，永兴镇最大降雨总量281.9mm，前锋水库、宏胜水库两座小（2）型水库出现漫坝险情。从国际看，2018年7月23日，热带风暴“山神”（Son-Tinh）过境引起的持续强降雨导致老挝桑片-桑南内水电站副坝溃决。2020年5月1日，乌兹别克斯坦萨尔多巴（Sardoba）水库遭遇台风暴雨后溃坝，超过7.5万人被迫转移；5月19日，持续强降雨导致美国密歇根州伊登维尔（Edenville）大坝和桑福德（Sanford）大坝相继溃决，上万人被迫紧急撤离。2021年2月7日，印度北阿坎德邦在建的里希甘加（Rishiganga）水电站大坝上游冰川崩塌产生超标准洪水导致其漫顶溃决；3月8日，强降雨导致美国夏威夷毛伊岛考帕卡鲁亚（Kaupakalua）土坝漫顶溃坝。2023年9月10日，飓风“丹尼尔”带来极端强降雨，利比亚东部港口城市德尔纳河上游24h内产水量超过阿尔比拉德和阿布曼苏尔两座水库总库容的5倍，9月11日凌晨2时左右两座水库相继溃坝，溃坝洪水瞬间冲击历史名城德尔纳，全国超过10%的人口遭受洪灾影响；10月4日凌晨，中印边境锡金邦提斯塔河流域因持续降雨诱发南洛纳克冰川湖溃决，产生的毁灭性大洪水导致下游提斯塔Ⅲ级水电站溃坝，沿河15座桥梁及大量建筑、军事设施被冲毁。2024年5月2日，因遭遇极端暴雨洪水，巴西南里奥格兰德州（Rio Grande do Sul）七月十四（14 de Julho）水电站库水位超10000年一遇校核洪水位0.3m，碾压混凝土坝上部整体失稳溃决；7月26日，俄罗斯西南部车里雅宾斯克州基阿利姆（Kialimskoye）水库土石坝在持续强降雨冲击下因调度不当溃坝，所幸未造成人员伤亡。
2000年以来，我国水库年均溃坝率已降至0.5/10000以下，进入世界低溃坝率国家行列，但超标准洪水导致的溃坝占比呈明显增大趋势，这与当前极端天气事件频发和强人类活动影响有很大关系。未来要实现“确保现有水库安然无恙”防御目标，必须提升水库大坝应对超标准洪水等各类突发事件的工程韧性。
▲1954—2023年我国超标准洪水导致溃坝数量与比例统计
“工程韧性”概念最早由加拿大学者Holling提出，其定义为工程系统在受到洪水、地震等自然灾害及社会动荡、战争、恐怖袭击等强人类活动扰动后恢复平衡或稳定状态的能力。基于此定义，水库大坝工程韧性则是指库坝系统在受到暴雨洪水、突发地震、强人类活动等扰动，或出现漫顶、渗漏、滑坡、裂缝等工程险情后恢复工程基本功能与稳定运行状态的能力。中国工程院发布的《全球工程前沿2023》中将“结构与工程系统全寿命抗灾韧性”列为10项土木、水利与建筑工程领域工程研究前沿之一。国际上也对变化环境下水工程韧性提升给予了高度关注。2024年9月14日，在北京召开的第18届世界水资源大会“水工程韧性提升-应对极端事件”专场会议指出，近年来，在气候变化和强人类活动背景下，全球水系统遭遇的外界干扰频率、强度不断增强，高韧性水治理迫在眉睫。水库大坝等水工程在应对气候变化、实现高韧性水治理中发挥着越来越重要的作用。2024年5月23日，在印度尼西亚巴厘岛召开的第十届世界水论坛“气候变化下水利基础设施韧性提升”分会指出，提升水工程应对洪水、干旱、旱涝急转等极端事件的适应能力与工程韧性，具有重要的现实意义。
近年来，有关提升工程韧性的研究取得显著进展，特别是在提升城市基础设施和区域经济的韧性方面。学者们通过运用大数据、人工智能和机器学习等先进技术，对城市电力系统、交通网络和建筑结构进行风险评估和优化设计，以提高工程在面对自然灾害和人为干扰时的恢复力和适应力。
变化环境与强人类活动给水库大坝安全带来新的挑战，传统安全管理理念和模式已难以满足新阶段水库大坝高质量发展与高水平安全需求。物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术阶跃式发展为水库大坝安全管理数字化、网络化、智能化变革提供了重要契机，强化数字赋能，开展智能大坝建设或对传统水库大坝开展智能化改造，是提升水库大坝工程韧性、有效防范各类极端事件风险挑战的重要路径。面向发展水利新质生产力，智能大坝建设已成为坝工技术进步的制高点，也成为当下水利行业重点推进的工作和研究热点。王浩所在研究团队较早系统阐述了智慧水利的数字赋能体系框架；钟登华等探讨了大坝建设及运行管理过程中在数字化、智能化方面的关键需求；李庆斌等针对大坝智能建造提出了基于感知—分析—控制的闭环控制理论；盛金保等阐明了大坝安全智慧管理的内涵，并在水库大坝性能演化与灾变机理、大坝安全智能诊断决策理论与方法等方面取得研究进展。
本文从提升水库大坝工程韧性角度，探讨了智能大坝定义及其内涵、特征，总结了智能大坝研究与建设现状及面临的问题与挑战，凝练了智能大坝建设与智能化改造需要攻关突破的关键科学问题与关键技术，针对性提出了智能大坝建设发展路径。
智能大坝定义、内涵与特征
1.智能大坝定义
智能大坝是以大坝工程物理实体、赋存环境数字体为基础，通过移动互联网、大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代信息技术，以及传感器、卫星遥感、高效算法、信息融合、自动控制等前沿技术与水库大坝专业知识的深度融合，以透彻感知、自主分析、自主馈控为基本运行模式，以透彻感知、全面互联、深度融合、广泛共享、智能应用、泛在服务为重要特征，基于数据—机理—知识三元驱动，实现水库大坝全生命周期安全与风险的智能感知—融合—诊断—预警—决策—防控，显著提升水库大坝工程韧性。
▲智能大坝内涵与基本运行模式
2.智能大坝内涵
从目标、维度、技术、功能与愿景5个角度对智能大坝内涵进行诠释。
（1）目标
智能大坝以实现大坝“物理空间可视化、安全监控智能化、物联网络图形化、运行管理协同化”为具体功能目标，建设“数字大坝、协同大坝、韧性大坝、绿色大坝、高效大坝、安全大坝”，显著提升水库大坝工程韧性，在更高水平上保障大坝安全运行和效益发挥。
（2）维度
智能大坝基于系统安全理念，跨越了空间、时间、用户、业务4个维度。空间维度包括水库大坝工程自身及上下游、左右岸影响区；时间维度跨越水库大坝规划设计、施工建设、蓄水运行、加固改造、降等报废等全生命周期；用户维度包括水行政主管部门、水库大坝主管部门和运行管理单位、水库功能受益对象等；业务维度包括工程安全运行、科学优化调度、业务高效管理、风险快速处置。
（3）技术
智能大坝建设涉及4大赋能体（系）与8项核心技术，即水库大坝工程体、赋存环境数字体、矩阵管理智慧体、技术标准体系，以及智能感知设备（传感器）、物联网、数字孪生、大数据、云计算、移动互联网、人工智能、网络信息安全技术。
（4）功能
智能大坝实现水库大坝全生命周期横向到边、纵向到底全方位要素信息透彻感知、智能融合、智能监管、智能调度、智慧运维；统筹上下游、左右岸，对大坝安全和灾变进行智能诊断和预警，对大坝运行风险态势进行智能辨识、决策与自主馈控。
（5）愿景
通过智能大坝建设与智能化改造，实现水库大坝建设与安全管理理念和技术从数据到信息、从信息到知识、从知识到智能、从智能到智慧的转变，使传统大坝具备物联感知、全要素表达、可视化呈现、数据融合供给、空间分析计算、模拟仿真推演、虚实交互，以及自我学习、自我优化、自主诊断、自主馈控等多种能力。
3.智能大坝特征
（1）物理实体大坝和数字孪生大坝是基础
物理实体大坝是水库发挥防洪、灌溉、发电等综合效益的物质基础，是工程建设和行业管理的具体对象，是现代化智能感知技术装备的物理载体；数字孪生大坝是物理实体大坝的数字化映射，通过BIM、GIS、VR等技术，将工程实体、机械设备、监测仪器等映射到三维数字化可视空间，实现水库大坝建管业务及信息交互从纸面到屏幕、从二维到三维、从抽象静态到形象动态的提升。
（2）全要素信息透彻感知与数据通信传输等物联网技术集成应用是关键
“天空地水工”全要素信息感知仪器设备是智能大坝的“感觉器官”和“信息终端”，实现大坝变形、应力、渗流、温度等监测量，以及水情、雨情、旱情、地震等环境监测量的全面实时感知。移动互联网等数据通信传输技术与网络基础设施为海量监测信息在智能大坝的“感知终端”和“大脑中枢”之间搭建高效互联互通的信息高速公路，实现人-机-物高速率、低时延互联。
（3）多源数据融合分析与大坝安全性态智能诊断及风险自适应预警和自主馈控是核心
大坝人工智能是人类为水库大坝开发的“大脑中枢”，利用计算机模拟大坝工程师的逻辑思维和推理决策过程，通过深度学习，对多源异构数据进行融合分析；利用监测数据、专业知识、技术标准、工程经验对大坝安全性态进行智能诊断；通过仿真模拟对大坝全生命周期可能场景或极端工况下风险演化进行数字化预演、自适应预警和自主馈控。
（4）建设和运行管理的精准化智慧化决策是标志
智能大坝能够在学习、推理、预演基础上，对大坝建设和运行管理进行智慧决策，建设期能够对混凝土振捣、土石料碾压、坝基灌浆、混凝土温控等重要过程及施工进度进行精准化监控；运行期对水库大坝安全性态进行透彻感知和智能诊断，对调度运用、维修养护、更新改造、功能提升、隐患治理、风险防控等作出科学判断和优化决策，并反馈给设备管理人员，通过合理权限分配，实现闸门自动控制、隐患智能处理、预警信息发布、预案迭代优化、风险自主防范等功能。
智能大坝建设进展及面临的挑战
1.建设进展
利用新一代信息技术改造升级传统水利基础设施，促进水利新质生产力发展，是国家和行业重点推进的工作任务，也是行业学者关注和研究的焦点。2023年5月，中共中央、国务院印发《国家水网建设规划纲要》，明确全面推动水网工程数字化智能化建设，提升调度管理智能化水平，打造全覆盖、高精度、多维度、保安全的水网监测体系。水利部也相继印发《水利部关于印发加快推进新时代水利现代化的指导意见的通知》（水规计〔2018〕39号）、《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》（水信息〔2021〕323号）、《水利部关于加快构建现代化水库运行管理矩阵的指导意见》（水运管〔2023〕248号）、《水利部印发〈关于推进水利工程建设数字孪生的指导意见〉的通知》（水建设〔2024〕93号）等系列文件，以提升水利工程建设全要素、全过程的数字化、网络化、智能化管理能力。智能大坝建设与智能化升级改造依赖于多种前沿技术创新突破和集成应用，近年来，通过积极推进水利信息化、智慧水利、数字孪生水利建设等相关工作，大坝智能建造、智能感知、智能预警、智能监控、技术标准等领域研究及应用取得明显进展。
（1）智能建造方面
随着大坝工程建设规模与难度逐渐加大，数字化、信息化和智能化的工程建设管理需求日趋迫切。智能建造技术的引入，不仅提高了大坝建设的质量与效率，更在施工安全性、环境友好性等方面带来了显著提升。大坝智能建造技术的发展主要可以归纳为理论、技术、方法、设备4个方面。
理论层面，融合在线监测与仿真技术实现建造过程中大坝性态的实时分析和调控，成为提高大坝安全性和降低风险的有效手段，形成了基于感知—分析—控制闭环控制理念的智能建造理论。
技术层面，通过融合物联网、大数据等技术建立了智能监控系统，同时提出了材料生产、浇筑、振捣、压实、灌浆等质量评估系统；基于数字孪生技术与Unity可视化展示平台等实现了对大坝施工全过程的可视化动态展示；通过集成信息技术和工程管理理论提出了智能施工管理技术，实现施工过程的智能调度。
方法层面，结合智能监控系统获取的材料信息，提出基于多源信息融合驱动的坝料物理力学模型识别与参数综合反演技术，并研发了智能决策模块，为现场科学、高效的施工管理提供了有效手段。
设备层面，近年来发展较为成熟的智能施工机械通过配备各种传感系统、监测系统和集成智能算法的控制系统等，完成自动定位、现场环境感知、路径规划、自动施工动作执行等任务；研发了集成环境信息监测设备、控制参数计算的理论模型和反馈控制系统的喷雾、温控等装备系统，实现对控制参数的智能化动态控制，并在乌东德水电站和白鹤滩水电站等智能建造过程中成功应用。需要指出的是，智能建造的大坝并不一定是智能大坝，但可以为智能大坝建设奠定良好物理实体基础。
（2）智能感知方面
多源信息透彻智能感知是实现水库大坝数字化、网络化、智能化运行管理的基础，通过卫星遥感、人工智能等新技术，无人机、无人船、水下机器人等新装备新技术的应用，构建覆盖水库上下游、左右岸的“天空地水工”全天候动态监控体系，可为实现水库运行管理信息系统数据集成、全面提升水库工程全要素风险感知与防控能力提供重要技术支撑。在大尺度监测技术与装备方面，综合应用卫星遥感技术可实现对库区、下游河道等区域地表环境和时空变化的大范围、长时序动态监测；在中小尺度监测技术与装备方面，研发应用了一批新型监测技术与设备，包括智能感知终端、无人机、无人船等。通过加强窄带物联网（NB-IoT）、5G等新一代物联通信技术及智能感知、控制执行和精准计量等设备的应用，提升传统安全监测手段的自动化、智能化水平；在深水探测技术与装备方面，我国自主研发的大坝深水检测专用载人潜水器“禹龙号”成功突破了300m级深水环境大坝安全保障技术难题，重点解决了载人潜水器作业固定、水下定位、作业工具搭载、低能见度探测、安全防护、宽视野观察窗研制等技术难题；在全要素数据集成与数据底板构建方面，汇集工程基础数据、“天空地水工”全天候动态监测数据、地理空间数据、业务管理数据以及跨行业共享数据，构建水库全要素信息数据底板，实现工程多源信息的透彻感知。
（3）智能预警方面
通过实时监测水位、降雨量、渗流、应力、沉降等关键物理量，及时发现工程潜在风险和异常情况，进一步预测可能发生的险情，如洪水、滑坡和结构损坏等，并实现风险智能预警，为应急决策提供科学依据。
在雨水情监测预报“三道防线”构建方面，随着数字孪生技术的推广应用，在数字孪生场景中接入或叠加雨量和洪水预报成果展示功能不断完善。在智能诊断模型与动态预警体系构建方面，融合工程全生命周期内“天空地水工”全天候智能监控系统汇集的全要素信息，充分挖掘工程设计、建设、运行期信息特征并实现全生命周期数据互馈，基于数字孪生平台形成了大数据环境下大坝安全性态的数据-机理双驱动智能融合及诊断方法与模型。在仿真预演与系统研发方面，通过构建具备正反向推演功能的全过程、多情景模拟仿真预演体系对预报场景进行前瞻预演，为调度方案优选、应急预案制定提供科学依据。在应急预案迭代优化方面，数字化应急预案可为快速应急抢险调度提供决策支持，通过结构化、模块化应急预案基础要素，如组织机构、预警与预防机制等，融合水库防洪调度方案和风险人口及社会经济热力图分析成果等进行模拟仿真，快速生成匹配当前情景的应急指令群，作为进一步动态模拟和迭代优化的基础，实现应急预案的数字化、矢量化、结构化处理。
（4）智能监管方面
智能大坝建设通过融合新一代信息化技术及专业知识实现大坝安全性态的透彻感知、自主分析、自主馈控及大坝全生命周期智能监控，建设大坝智能监管平台，集成实时监测、预警预报、智能决策及信息共享等功能，为应对突发事件中大坝风险智能防控提供技术支撑。
在智能监管模式方面，针对大坝监管信息异构性强的问题，建立了信息分类标准及模型，实现监管信息的标准化管理；建立了全国水库大坝安全信息采集上报与共享体系，实现数据共享、分析、应用和水库大坝安全管理的规范化、精细化、智能化；初步构建了“法规制度为依据、监管机制为保障、监管体制为支撑、监管措施为抓手”的智能监管模式与机制；建立了管理评估标准及分级预警指标体系、大坝安全技术手册质量智能评估方法及系统等。在动态智能监管方法与技术方面，在大坝安全智能监管模式框架下，基于监管异构信息标准化成果，采用关联、聚类等方法挖掘识别大坝安全监管潜在风险并实现定量化分析，为提出针对性监管措施提供依据，建立适用于不同阶段、不同风险等级的大坝智能动态监管方法。在智能监管平台建设方面，围绕管理监督、安全预警、应急决策三个环节，构建水库大坝安全信息共享与多维协同监管云服务架构，包括智能监管、智能预警及智能决策系统。
（5）技术标准方面
为充分发挥技术标准的引领性、基础性、保障性作用，以构建面向发展水利新质生产力的技术标准体系为目标，加强卫星遥感、智能巡检、无人机与水下机器人等新技术应用，水利部新修订的《水利技术标准体系表》中，将智能化施工技术作为功能序列“施工与安装”的重要内容，同时形成国家水网工程智能化设计标准、大坝安全智能监测技术导则等31项智能大坝建设相关标准制修订计划。但上述技术标准出台尚待时日，智能大坝建设与智能化改造技术标准体系建立依旧任重道远。
2.面临的问题与挑战
相较于智慧城市、智能电网、智能交通、智能医疗等领域的快速发展，智能大坝建设特别是传统大坝智能化升级改造，在理论方法、关键技术、仪器装备、标准规范等方面尚存以下突出问题与挑战。
（1）统筹全生命周期的智能大坝建设理念方法与技术体系尚待构建
智能大坝是蕴含新一代发展理念的大坝发展形态，而统筹规划、设计、建设、蓄水、运行、加固、改造、退役等全生命周期建设运行安全保障的智能建设尚处在理论探索阶段，特别是面广量大的已建水库大坝信息化基础设施薄弱，建设信息缺失，运行期监测数据匮乏，难以支撑大坝安全智能诊断与协同管理，智能化改造的理论、方法与技术缺少实践探索经验，统筹水库大坝全生命周期的智能大坝建设理念方法与技术体系亟待构建。
（2）智能大坝建设关键核心技术亟待攻关突破
在大坝透彻感知体系构建方面，涵盖监测、检测、探测等全要素的透彻感知体系尚未建立，相应的感知设备布设方法与技术标准不健全，多源感知要素数据治理融合度较低，无法实现关键要素时间连续和空间全面的透彻感知；在大坝安全性态智能诊断、预警与馈控方面，尚存在多源多模态数据相互融合技术缺乏，数据、机理及知识的相互协同性不强，面向结构性态演变、环境变化等复杂环境条件下的安全性态自诊断和自适应预警能力不足等问题。如何通过理论与方法创新，将传统坝工技术与新一代信息技术和前沿技术充分融合，全面感知水库大坝全天候、全要素、全周期多源信息，通过数据融合实现大坝安全与风险的智能诊断—预警—决策—防控关键技术仍需进一步深入研究。
（3）智能大坝建设管理全链条关键仪器装备亟待自主研发
智能大坝透彻感知体系是包括“天空地水工”监测、检测与探测等全要素感知信息深度融合的体系，可靠的仪器装备是透彻感知的关键，现有埋入式大坝安全监测仪器以弦式、差阻式、电容式等为主，长期稳定性、环境适应性、观测精度难以满足复杂运行环境下大坝安全风险早期精准识别的需求，一旦发生损坏，往往难以及时修复更新，无法保证监测数据的时空连续性。现地终端功能不足，数据缺失防控与仪器故障修复技术尚不健全，难以支撑智能大坝透彻感知体系建设。同时，适应复杂环境的大坝智能建造装备，以及大坝深水长距离检测与修补加固装备、深埋隐伏病害无损检测与处置装备还存在关键短板。如何通过自主研发全链条关键仪器装备，进一步提升水库大坝信息感知、性能仿真、智能诊断、智能维护等全覆盖业务领域智能化水平有待深入研究。
（4）支撑智能大坝建设和智能化改造的技术标准体系亟待加速建立
技术标准是推动智能大坝建设与传统大坝智能化改造布局的重要支撑，是引导智能大坝规模化应用和技术产业生态集群建设的关键基础。尽管水利部新修订的《水利技术标准体系表》将国家水网工程智能化设计标准、大坝安全智能监测技术导则等31项智能大坝建设相关技术标准列入其中，但标准制修订需要相关研究基础与应用实践支撑，距离上述标准出台仍有相当长时间，科学、合理、可行的智能大坝建设与智能化改造技术标准体系亟待加速建立。
智能大坝建设的发展路径
智能大坝建设和传统大坝智能化改造应以提升工程韧性、支撑水库大坝高质量发展与高水平安全为统领，以推动数智赋能、应用至上为核心，锚定数字化、网络化、智能化发展主线，坚持目标导向、需求牵引，统筹谋划，整体推进。
1.加强顶层设计，明确发展阶段和实施路径
智能大坝的顶层设计是引领智能大坝的技术框架、建设目标、建设内容、推进模式及保障机制的基础，具体实施路径是保障智能大坝建设与智能化改造有序推进和持续发展的关键。一是遵循新阶段水利新质生产力、水利高质量发展和高水平安全基本要求，强化传统坝工技术与新一代信息技术和前沿技术的深度融合，开展多学科多技术联合科技攻关，破解智能大坝建设与智能化改造关键技术瓶颈与装备瓶颈；二是基于智能感知—融合—诊断—预警—决策—防控全链条技术路线，在全国范围有序推进“数字大坝、协同大坝、韧性大坝、绿色大坝、高效大坝、安全大坝”建设；三是统筹考虑功能需求与技术创新进展，分阶段稳步推进，在应用中不断迭代升级。
2.加快构建智能大坝建造与智能化改造理论体系
加快构建集“多维度信息感知、多目标智能决策、多要素实时控制”为一体的智能大坝建设与智能化改造理论方法体系，涵盖智能感知、智能仿真、智能诊断、智能预警、智能调度、智慧运维、自主馈控等全链条业务需求，为实现设计、施工、运行全过程中施工要素、材料性能、结构性态、风险演化等因素的综合智能调控，解决大坝结构服役状态调控、生命期安全性能评估、风险预测预警难题，实现“高质、高效、安全、绿色”智能建设目标提供理论基础。
3.加快推进大坝透彻感知体系建设
（1）提升大坝智能监（检）测技术装备自主研发能力
构建“天空地水工”一体化监测网，融合三维可视化技术，采用智能优化算法，实现大坝智能感知体系优化设计。融合高精度感知、抗电磁抗干扰技术以及精密制造工艺，加快大坝智能传感器研发，实现传感器与专用微型处理器的结合，研制高精度、抗干扰且集自诊断、自校准、功耗管理、数据处理等功能的一体化智能传感器，增加传统传感器不具备的自动校零、漂移补偿、传感单元过载防护、数采模式转换、数据存储、数据分析等功能。研发集成无线传感器网络技术，建立大坝综合监测数据传感网络体系，构建感知节点的数字孪生系统，实现智能传感器与数字孪生技术的多效结合。研发多源数据智能采集、冗余存储与多信道自适应通信和智能感知预警的现地终端装备。
（2）提升大坝风险智能感知与处置决策水平
研发基于大测深探地雷达、分布式电法等技术的大坝病害智能外检测技术装备；积极推动新一代人工智能在风险感知和智能诊断技术中的应用，开发智能算法，感知监测数据中的异常信息和风险特征，提升水库大坝潜在风险辨识与量化评估能力；开发极端情况下的智能预测与预警系统，提升数据处理自主分析能力和自动响应效率，提升风险处置智能决策技术能力。
4.加快推进智能大坝建设成套技术装备研发
（1）推进大坝智能建造与智能化改造技术革新
加快物联网、人工智能与绿色施工技术的融合，提升技术适应性与可靠性，提高施工全过程自动化技术集成率。构建大坝建设多源信息感知体系，实现大坝建造过程信息感知的精准性与实时性。研发新型加固材料，创新加固技术，优化改造方案，提高已建坝结构强度，强化服役性态。通过智能化改造，开展已建坝智能传感监测体系建设，推动传统已建坝信息化、数字化提档升级。
（2）加快大坝智能建造新技术新装备研发
发展适用于高寒高海拔地区深厚覆盖层和软岩地基的筑坝技术，以及严酷环境下耐久性混凝土、特大型堆积体利用、高陡边坡稳定控制、大型弃渣场利用与安全控制等关键技术。研发深埋长隧洞勘测、高机动性地球物理探测、高架大跨度渡槽震灾防控技术与装备，以及新型高效破岩与刀盘卡机快速脱困技术，高地热、高地应力、多断层破碎带等复杂地质条件下深埋长隧洞钻爆法、TBM法智能安全高效掘进技术与装备。
（3）迭代优化大坝智能建造可视化仿真平台
发展国产三维可视化图形设计软件，研究高效高精度的三维可视化技术。整合微观材料性能到宏观结构行为的多尺度仿真模型与仿真结果，利用数字孪生技术，实现大坝虚拟规划与场景预演、施工仿真模型的智能更新、施工方案的智能优化与反馈控制等技术更新，实现对大坝建设进度和质量的动态控制，解决由大坝建设过程中的随机性和不确定性造成的施工进度和质量控制难度大等问题。开发高效直观的人机交互界面，实现协作设计和决策的便捷性。
（4）加强筑坝材料科技创新
研发适用于广泛环境条件的高耐久、高强度、优异抗渗性和抗裂性的新型混凝土材料和其他筑坝材料。开展生态环境友好型材料研究，提高工业副产品和废料的利用率，利用现代纳米和生物技术手段，改善传统建筑材料的力学性能和耐久性。促进材料科学、环境科学、信息技术等多学科交叉，建立和完善新型材料性能评估和检测体系。
5.加快构建大坝智能诊断与智慧运维技术体系
（1）建立大坝运维期智能化预测算法
基于大数据分析与机器学习等智能算法，开发基于大量监测数据的深度分析模型，实时评估大坝结构健康状态，实现复杂外荷载作用下水库大坝力学响应与灾变过程仿真。开发基于物理模型和历史数据的大坝老化与寿命预测模型，构建大坝渗流与裂缝发展预测模型，对潜在安全隐患进行早期识别，提升水库大坝风险智能预警和自主馈控水平。
（2）发展大坝安全智能诊断预警模拟方法
开发基于物理模型和数据驱动模型的预测工具，结合大坝的历史监测数据和实时数据，对大坝的运行状态进行智能预测。利用灾变模拟结果进行水库大坝风险评估，分析可能的损害模式和失效机制，为智慧决策提供科学依据。基于监测风险阈值，建立自动预警系统，实现自动触发预警和启动应急响应程序。
（3）建立大坝智慧运维技术体系
研发“天空地水工”智能监测数据融合与治理技术，开发基于大数据及机器学习的监测数据异常识别技术、多源多时空监测数据融合治理模型，开发水库大坝智慧运维管理平台，实现实时数据、预警信息、操作日志、维护记录、安全检查报告智能处理，利用监测与预测分析结果提供操作建议、维护措施和风险处置策略。
（4）研发大坝运行风险态势智能感知与智能馈控平台
研究大坝风险全天候感知信息传输、存储、融合方法，构建大坝空间数字化映射场景，明晰风险馈控协同模式，建立大坝运行风险态势的智能感知与智能馈控协同平台，实现大坝全生命周期安全与风险智能感知—融合—诊断—预警—决策—防控闭环管理。
6.加强技术标准体系建设与示范引领，推进智能大坝建设与智能化改造先行先试
选取建设条件充分、建设需求明确、功能发挥显著的工程开展先行先试工作，包括新建智能大坝和在役大坝的智能化升级改造，探索与技术相适应的工程建设运维管理体系，加强试点项目建设成效的考核与总结，提炼可复制、可推广的成功模式和技术成果，为后续的迭代改进提供依据，引导其他大坝工程向智能大坝发展。
围绕智能大坝建设目标与建设原则，在总结先行先试建设经验基础上，面向智能大坝设计、施工、改造、加固、评价、水文、监测、检测、信息化等全生命周期、全业务流程技术标准要求，强化新一代信息技术、前沿技术与坝工知识的深度融合，创建能够有效支撑智能大坝建设和智能化改造的法规制度技术标准体系，分类、分等、分层、分级构建智能大坝建设与更新改造技术标准与管理规范体系，涵盖工程建设方法、数据采集与感知、数据处理与分析、智能控制系统、安全防护与监测等方面，满足建设质量、软硬件开放兼容需要，支撑智能大坝技术的全面推广实施和不断迭代优化。加强政府引导与业务相关学（协）会制定标准之间的统筹推进和协同发展，构建政府主导建设、业务相关方（市场）自主培育的标准体系，鼓励产学研用各方依托社会组织制定团体标准，推动智能大坝建设技术在设计建造运维全过程全局一体化、规范化应用。
结语
在变化环境和强人类活动背景下，提升水库大坝工程韧性以应对极端事件影响，对在更高水平上保障大坝安全运行和效益发挥至关重要。智能大坝作为实现库坝系统规划设计、施工建设、蓄水运行、加固改造等全生命周期的立体化感知、网络化传输、智能化决策及协同化管理的重要载体，是提升水库大坝工程韧性、促进水利新质生产力发展的关键手段。
智能大坝建设与水库大坝智能化改造依赖于新一代信息技术和前沿技术的创新突破与集成应用，不仅能够实现大坝建设、运行、改造过程的优化升级，也将促进相关产业链条的重构升级，形成新的产业生态，实现生产要素创新性配置，进而催生新质生产力。本文从提升水库大坝工程韧性角度出发提出了智能大坝的概念内涵，归纳了智能大坝的主要特征；从智能建造、感知、预警、监管、技术标准等方面总结了智能大坝建设与研究现状，以及面临的问题与挑战。此外，从几方面提出了智能大坝建设发展路径：加强顶层设计，科学谋划智能大坝建设规划与实施路径；加快构建智能大坝建造与智能化改造理论体系；加强科技创新，组织开展智能大坝建设关键技术和装备攻关，支撑透彻感知体系以及智能诊断、智能预警、智慧运维、智慧决策系统平台构建；加强技术标准体系建设与示范引领，推进智能大坝建设与智能化改造先行先试等。
Abstract: In recent years, extreme precipitation events occurred frequently that have overturned traditional knowledge, posing a serious threat to the safety of reservoir and dam in flood season. The happening of floods and dam failures worldwide require higher resilience. The leap forward development of new information technology, such as mobile Internet, big data, cloud computing, Internet of Things and artificial intelligence, provides an opportunity for reform of dam safety management with digital, networked and intelligent systems. Application of these technologies to modernize reservoir and dam shall provide a solution for building resilience and risk reduction. From the perspective of enhancing reservoir and dam resilience, introductions are made on definition, connotation, and characteristics of intelligent dam, current research and construction status, problems and challenges, as well as key issues need to be addressed in the construction of intelligent dams. Firstly, we need to strengthen top-level design, planning and implementation path, and accelerates establishment of a theoretical system for intelligent dam construction. Secondly, we need to boost technological innovation in the development of technology and research, create a clear perception system, as well as intelligent diagnosis, intelligent warning, intelligent operation and maintenance, and intelligent decision-making system platform. Thirdly, we need to form technical standard system, take lead with pilot and rehabilitation projects, and provide a path for intelligent dam construction.
Keywords: intelligent dam; resilience reinforcement; clear perception; intelligent diagnosis; intelligent warning; smart decision-making; independent feedback control
本文引用格式：
盛金保，李宏恩，王芳.智能大坝建设与韧性提升发展路径研究[J].中国水利，2024（24）：68-77.
封面摄影｜段万卿
责编｜ 李卢祎
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