智能大壩建設(shè)要求和思路探討

Exploration on the construction requirements and design concepts of intelligent dams

景來(lái)紅，陶玉波

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，450003，鄭州）

摘要：在全球氣候變化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的雙重背景下，傳統(tǒng)大壩建設(shè)與管理面臨諸多挑戰(zhàn)，如傳統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字化程度較低、模擬分析能力不足、數(shù)據(jù)碎片化嚴(yán)重等，建設(shè)階段參建各方數(shù)字化水平參差不齊、協(xié)同平臺(tái)缺失、數(shù)據(jù)留存與移交不規(guī)范等，運(yùn)維階段還要面對(duì)極端氣候事件頻發(fā)、大壩安全風(fēng)險(xiǎn)加劇、生態(tài)環(huán)境壓力持續(xù)增大、水資源供需矛盾日益尖銳以及大壩逐步老化加大運(yùn)維管理難度等問(wèn)題。與此同時(shí)，智能大壩正逐漸成為壩工領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的新方向。通過(guò)智能化技術(shù)和管理手段，實(shí)現(xiàn)大壩設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行全生命周期的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，可大幅度提升大壩安全高效建設(shè)運(yùn)行水平，更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境挑戰(zhàn)。分析了智能大壩建設(shè)要求，并從設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行三個(gè)階段探討了智能大壩的實(shí)施路徑和方法，對(duì)當(dāng)前智能大壩建設(shè)在規(guī)劃布局、主體責(zé)任落實(shí)、技術(shù)銜接等方面存在的不足進(jìn)行提示，并提出相關(guān)對(duì)策建議，以期為推動(dòng)智能大壩建設(shè)和技術(shù)發(fā)展提供理論和技術(shù)參考，促進(jìn)水利水電行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能大壩；智能設(shè)計(jì)；智能建造；智能運(yùn)維

作者簡(jiǎn)介：景來(lái)紅，國(guó)家卓越工程師、全國(guó)工程勘察設(shè)計(jì)大師，正高級(jí)工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)、水利工程信息化等研發(fā)工作。

通信作者：陶玉波，正高級(jí)工程師，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生水利等研發(fā)工作。E-mail：155327026@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U2443231）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.004

水庫(kù)大壩是主動(dòng)調(diào)控江河洪水和水資源最為有效的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)保障防洪安全、供水安全、糧食安全、生態(tài)安全具有重要作用。當(dāng)前和未來(lái)一個(gè)時(shí)期，全球氣候變化影響加劇，大壩面臨的自然環(huán)境條件更加復(fù)雜。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，水庫(kù)大壩建設(shè)運(yùn)行管理面臨理念重塑、技術(shù)變革、模式再造的新形勢(shì)新任務(wù)新要求。

智能大壩理念在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái)，我國(guó)在智能大壩領(lǐng)域開(kāi)展了積極探索實(shí)踐，取得了豐碩成果。一批數(shù)字孿生大壩正在穩(wěn)步推進(jìn)，現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣正在加緊完善，大壩建設(shè)、運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控和精準(zhǔn)預(yù)警正逐步實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)和高校也在智能大壩關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了深入研究，在高精度監(jiān)測(cè)感知技術(shù)、智能預(yù)測(cè)模型、智慧分析決策及智能化施工技術(shù)等方面取得突破，推動(dòng)著我國(guó)大壩建設(shè)水平不斷提升。

智能大壩建設(shè)要求

智能大壩建設(shè)是傳統(tǒng)水利工程與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，其核心是通過(guò)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)提升大壩的全生命周期管理水平，包括設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行等各個(gè)階段，涵蓋技術(shù)、管理、安全等多個(gè)維度。

1.智能化監(jiān)測(cè)感知要求

監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)是構(gòu)建智能大壩的前提和基礎(chǔ)。充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感、星網(wǎng)、航空遙感、無(wú)人機(jī)（船）、測(cè)雨雷達(dá)、激光雷達(dá)、視頻、ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）、物聯(lián)網(wǎng)等“天空地水工”技術(shù)優(yōu)勢(shì)，綜合考慮常規(guī)與應(yīng)急監(jiān)測(cè)需求，統(tǒng)籌構(gòu)建集約化一體化立體監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)和數(shù)據(jù)歸集平臺(tái)。

利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與邊緣計(jì)算，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行快速識(shí)別。結(jié)合人工智能算法建立預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)異常自動(dòng)報(bào)警。

2.數(shù)據(jù)底板要求

采用衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、激光雷達(dá)掃描建模、BIM等技術(shù)，細(xì)化數(shù)字高程模型、正射影像圖、傾斜攝影模型、水下地形圖、BIM模型等，構(gòu)建工程多時(shí)態(tài)、全要素地理空間數(shù)字化映射，地理空間數(shù)據(jù)精度和更新頻次應(yīng)滿足工程安全分析預(yù)警、防洪興利調(diào)度等模型分析計(jì)算需求。

構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，整合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)、共享與追溯，保障數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

3.智能設(shè)計(jì)要求

智能設(shè)計(jì)是智能大壩全生命周期智能化的起點(diǎn)和核心支撐，為智能大壩的“誕生”與“成長(zhǎng)”提供技術(shù)架構(gòu)和創(chuàng)新動(dòng)能。智能設(shè)計(jì)的核心優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)工作的全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能化分析、全過(guò)程協(xié)同，不僅僅是技術(shù)工具的升級(jí)，更將帶來(lái)設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)管理模式的重大變革，成為現(xiàn)代重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的“智慧基石”。

4.智能建造要求

智能建造是建設(shè)階段智能化的主要體現(xiàn)，是智能大壩的重要組成部分，對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量和后期智慧運(yùn)行水平具有重大影響。近年來(lái)水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等相繼發(fā)布了智能建造發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)和方案，對(duì)支撐水利工程安全運(yùn)行、水利工程建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題提出了新要求，推動(dòng)高壩建設(shè)向著“安全、高質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色”智能化方向發(fā)展。

5.智能決策與控制要求

智能大壩的智能決策體系是保障大壩安全高效運(yùn)行的核心。借助監(jiān)測(cè)感知多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建起龐大且精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，采用水利專業(yè)模型或機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)這些海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度計(jì)算、挖掘，從中識(shí)別出關(guān)鍵特征與潛在風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行智能決策。

在面對(duì)復(fù)雜多變的工況時(shí)，智能決策系統(tǒng)依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)結(jié)果，快速模擬多種應(yīng)對(duì)方案，選出最優(yōu)決策，實(shí)現(xiàn)大壩關(guān)鍵設(shè)施的自動(dòng)化控制。

智能設(shè)計(jì)思路探討

智能設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代工程領(lǐng)域的核心技術(shù)范式，將數(shù)字化、智能化工具與方法論深度融合，相較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式展現(xiàn)出多方面顯著優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)貫穿工程全生命周期，從前期規(guī)劃到后期運(yùn)維均能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。智能設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.設(shè)計(jì)手段智能化

在水利水電工程建設(shè)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)手段正經(jīng)歷著一系列變革與發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已逐漸被數(shù)字化、智能化技術(shù)所取代。謝遵黨等人提出了數(shù)字設(shè)計(jì)工廠的構(gòu)想，聚焦于提升工程設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵技術(shù)，研究采用與智慧水利、數(shù)字孿生建設(shè)相似的技術(shù)架構(gòu)，即與BIM、GIS、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)深度融合，以數(shù)據(jù)為核心，重構(gòu)設(shè)計(jì)流程，致力于突破工程設(shè)計(jì)模塊化、智能化、產(chǎn)品化的“最后一公里”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從專業(yè)設(shè)計(jì)為主體的特例性工程設(shè)計(jì)到多專業(yè)實(shí)時(shí)協(xié)同的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)的飛躍。

（1）正向協(xié)同智能化設(shè)計(jì)

①在項(xiàng)目設(shè)計(jì)策劃階段，著手解決規(guī)范性設(shè)計(jì)問(wèn)題。在項(xiàng)目開(kāi)始前開(kāi)展項(xiàng)目基本架構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足項(xiàng)目需求為核心，按照“骨架定位，先建筑物后專業(yè)，層級(jí)遞進(jìn)，專項(xiàng)分支”原則，開(kāi)展初步結(jié)構(gòu)搭建，各專業(yè)在各自結(jié)構(gòu)樹(shù)下工作，依托地理定位完成項(xiàng)目架構(gòu)的初步總裝。

②從技術(shù)角度對(duì)數(shù)據(jù)生產(chǎn)、復(fù)用的過(guò)程進(jìn)行規(guī)范，對(duì)成果的精細(xì)度進(jìn)行一致性規(guī)定。在設(shè)計(jì)協(xié)同過(guò)程中，充分利用短流程和模塊化思想，規(guī)范單建筑物、單專業(yè)級(jí)別的生產(chǎn)流程和質(zhì)量控制；通過(guò)長(zhǎng)流程和柔性裝配思想，規(guī)范項(xiàng)目級(jí)別的生產(chǎn)過(guò)程和總體質(zhì)量把控，從而實(shí)現(xiàn)各類作業(yè)文件可落地性。

③依托大語(yǔ)言模型強(qiáng)大的信息理解與邏輯推理能力，構(gòu)建水利生成式智能設(shè)計(jì)體系。基于工程約束條件、設(shè)計(jì)目標(biāo)及歷史優(yōu)秀案例庫(kù)，大語(yǔ)言模型可驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)工具自動(dòng)探索海量設(shè)計(jì)的各種可能性，快速生成多種符合工程邏輯與規(guī)范要求的設(shè)計(jì)草案，并進(jìn)行初步的多目標(biāo)評(píng)估，形成兼具技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)選方案。同時(shí)，生成式設(shè)計(jì)支持設(shè)計(jì)人員通過(guò)自然語(yǔ)言交互實(shí)時(shí)提出修改建議，大模型快速響應(yīng)并生成迭代方案，有效提升復(fù)雜水利工程設(shè)計(jì)的效率與創(chuàng)新性。

（2）成果智能審查

①成果一致性審查。對(duì)于有依據(jù)一致性審查：當(dāng)用戶輸入工程特征參數(shù)表（如最大壩高、洪水標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵參數(shù)），系統(tǒng)調(diào)用大模型自動(dòng)核驗(yàn)報(bào)告中是否存在與工程特征參數(shù)表不一致的參數(shù)。對(duì)于無(wú)依據(jù)一致性檢測(cè)：采用上下文語(yǔ)義消歧技術(shù)，對(duì)未明確輸入?yún)?shù)的文檔進(jìn)行迭代式自洽分析，例如檢測(cè)同一章節(jié)中壩體高程數(shù)據(jù)的前后矛盾，或不同專業(yè)章節(jié)間的參數(shù)沖突。對(duì)于跨文檔校驗(yàn)：建立項(xiàng)目級(jí)文檔關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)可行性研究報(bào)告、初步設(shè)計(jì)文件、施工圖說(shuō)明等階段成果的縱向一致性審查。

②專業(yè)合規(guī)性審查。針對(duì)典型構(gòu)筑物的合規(guī)性審查需求，基于業(yè)務(wù)規(guī)則庫(kù)、專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)中專業(yè)合規(guī)性審查條文，將其分類處理為純文本型、公式推理計(jì)算型、多條文關(guān)聯(lián)型和程序計(jì)算型規(guī)則的審查要點(diǎn)，利用大語(yǔ)言模型、Graphrag等技術(shù)研發(fā)各類型的審查推理工具、報(bào)告章節(jié)模糊定位工具，輔助校審人員對(duì)報(bào)告進(jìn)行專業(yè)合規(guī)性審查。

2.數(shù)字化交付流程化

數(shù)字化交付是將與項(xiàng)目相關(guān)的設(shè)計(jì)文檔以數(shù)字化的形式進(jìn)行創(chuàng)建、收集、整理、存儲(chǔ)、傳輸和共享，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期各參與方的高效協(xié)同與數(shù)據(jù)貫通。然而，水利水電工程因其規(guī)模龐大、環(huán)境復(fù)雜、專業(yè)交叉性強(qiáng)等特殊性，在數(shù)字化交付實(shí)施過(guò)程中面臨多參建單位模型的標(biāo)準(zhǔn)、格式、編碼、深度等不統(tǒng)一問(wèn)題，本文主要針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行思路探討。

數(shù)字化交付技術(shù)線路

數(shù)字化交付實(shí)施包括5部分內(nèi)容：構(gòu)建公共BIM數(shù)據(jù)環(huán)境、建立統(tǒng)一BIM標(biāo)準(zhǔn)體系、提供可信的BIM數(shù)據(jù)服務(wù)、提供通用化的BIM服務(wù)組件、開(kāi)發(fā)應(yīng)用級(jí)的數(shù)字化交付成果管理功能。

（1）構(gòu)建公共BIM數(shù)據(jù)環(huán)境

水利水電工程會(huì)產(chǎn)生大量多源異構(gòu)BIM數(shù)據(jù)，不利于BIM數(shù)據(jù)的充分統(tǒng)一利用。數(shù)字化交付的基本目標(biāo)是要構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的公共數(shù)據(jù)環(huán)境，公共數(shù)據(jù)環(huán)境BIM數(shù)據(jù)應(yīng)具備可編輯性，通過(guò)編輯BIM數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)單位上傳設(shè)計(jì)BIM成果后，其他各參建方可按照權(quán)限進(jìn)行項(xiàng)目劃分或深化設(shè)計(jì)，這是數(shù)字化交付的核心功能。

（2）建立統(tǒng)一BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

BIM標(biāo)準(zhǔn)體系是BIM技術(shù)從工具應(yīng)用走向全流程數(shù)字化管理的關(guān)鍵，其核心價(jià)值在于通過(guò)統(tǒng)一規(guī)則、規(guī)范信息、優(yōu)化協(xié)作，釋放BIM在提高效率、降低成本、保障質(zhì)量等方面的潛力，最終推動(dòng)行業(yè)從傳統(tǒng)粗放式管理向精細(xì)化、智能化管理轉(zhuǎn)型。

（3）提供可信的BIM數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)字化交付在統(tǒng)一的BIM數(shù)據(jù)環(huán)境基礎(chǔ)上配置權(quán)限，為建設(shè)管理平臺(tái)、數(shù)字孿生平臺(tái)等業(yè)務(wù)平臺(tái)提供經(jīng)過(guò)合標(biāo)性、合規(guī)性驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)切分編碼，帶有工程設(shè)計(jì)屬性，充分結(jié)構(gòu)化、語(yǔ)義化的BIM數(shù)據(jù)或服務(wù)。

（4）提供通用化的BIM服務(wù)組件

數(shù)字化交付應(yīng)具備以下基本服務(wù)組件：三維場(chǎng)景構(gòu)造及可視化組件、數(shù)據(jù)解析與集成組件、輕量化處理組件、二次開(kāi)發(fā)與集成組件、數(shù)據(jù)安全組件等。

（5）開(kāi)發(fā)應(yīng)用級(jí)的數(shù)字化交付成果管理功能

針對(duì)水利水電工程中設(shè)計(jì)交付、線上審查、屬性管理、供圖計(jì)劃管理、成果提交、施工深化、成果發(fā)布、數(shù)據(jù)資產(chǎn)交付等場(chǎng)景，在統(tǒng)一的BIM模型數(shù)據(jù)環(huán)境基礎(chǔ)上，融合圖紙、文檔等資料，針對(duì)各場(chǎng)景特點(diǎn)及相關(guān)方需要，面向具體應(yīng)用操作，開(kāi)發(fā)實(shí)際的交付成果管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)交付成果的全生命周期管理及應(yīng)用。

智能建設(shè)思路探討

在大壩智能建設(shè)理論方面，張國(guó)新等認(rèn)為全面實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程信息感知的自動(dòng)化與智能控制，可促進(jìn)數(shù)字大壩向智能大壩轉(zhuǎn)變；李慶斌等認(rèn)為大壩智能建設(shè)是在大壩數(shù)字化建設(shè)基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的通信與控制技術(shù)在大壩建設(shè)全生命周期過(guò)程中全面、實(shí)時(shí)感知信息，并對(duì)信息進(jìn)行自動(dòng)化分析的建設(shè)模式；鐘登華等將智慧大壩定義為在數(shù)字大壩的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入物聯(lián)網(wǎng)、智能技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，全面感知、實(shí)時(shí)傳送和智能處理大壩建設(shè)信息管理模式。

綜合考慮前述學(xué)者的理論實(shí)踐，可認(rèn)為智能大壩是將智慧工地、智能建管與智能建造有機(jī)融合形成的一個(gè)全方位、多層次的智能化建設(shè)體系。該智能化建設(shè)體系為工程建設(shè)的高質(zhì)量、高效率推進(jìn)提供了堅(jiān)實(shí)保障，也為水利水電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。

1.智慧工地

綜合運(yùn)用智能傳感、圖像識(shí)別、機(jī)器人、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等維度，實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、少人、高效的智慧工地建設(shè)。通過(guò)接入無(wú)人機(jī)、AI攝像機(jī)、電子周界、安全監(jiān)測(cè)、智能道閘、車輛、人員定位等監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，以及水情、雨情、氣象等區(qū)域環(huán)境因子，構(gòu)建全方位、全要素、全時(shí)段的施工現(xiàn)場(chǎng)智能感知體系。通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的匯集、治理、分析和應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的各種危險(xiǎn)違規(guī)行為，以及施工區(qū)施工進(jìn)展和安全態(tài)勢(shì)進(jìn)行全過(guò)程的監(jiān)控、分析、預(yù)警與處置，形成健康、安全、環(huán)境全維度閉環(huán)管理。

2.智能建管

圍繞水利水電工程建設(shè)進(jìn)度、質(zhì)量、安全、投資等核心業(yè)務(wù)需求，將BIM技術(shù)與項(xiàng)目管理系統(tǒng)相結(jié)合，以BIM+GIS數(shù)據(jù)為底座，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度、質(zhì)量、安全、合同、設(shè)計(jì)、物料設(shè)備等全要素、全方位、全過(guò)程的數(shù)字化、可視化實(shí)時(shí)管控，面向業(yè)主、監(jiān)理、檢測(cè)、設(shè)計(jì)、施工等用戶角色，建立跨區(qū)域、多標(biāo)段、多工區(qū)、多專業(yè)異地協(xié)同建設(shè)管理系統(tǒng)，響應(yīng)數(shù)字孿生水利工程建設(shè)期需求。實(shí)現(xiàn)施工圖供圖及審批、進(jìn)度糾偏、質(zhì)量控制、驗(yàn)收評(píng)定、檢查整改、危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)管控、合同變更等建設(shè)管理工作全流程管理，促進(jìn)管理內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、規(guī)范化，滿足各項(xiàng)管理流程的高效運(yùn)行以及流程間的高效銜接需求。

為確保智能建管系統(tǒng)項(xiàng)目文檔的合法性，保障各類工程文檔的真實(shí)性、完整性和強(qiáng)制性，需構(gòu)建電子簽章服務(wù)系統(tǒng)，提供全生命周期電子簽章管理功能，包含電子簽章的申請(qǐng)、制作、授權(quán)、發(fā)放、銷毀、用章審計(jì)等管理功能。

3.智能建造

智能建造是針對(duì)工程施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)設(shè)備創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新等提升施工質(zhì)量與效率。本文以碾壓混凝土壩為例，主要從智能建造最常用到的施工仿真、智能澆筑管控兩方面對(duì)智能大壩的支撐進(jìn)行探討。

（1）施工仿真

針對(duì)各類型大壩施工特點(diǎn)，結(jié)合BIM模型，綜合考慮壩體結(jié)構(gòu)、施工環(huán)境條件（氣象、水文、施工導(dǎo)流）、施工布置、施工質(zhì)量與施工安全等多種要素，大壩施工仿真模型應(yīng)包括以下模型。

①壩體三維精細(xì)化BIM模型與并倉(cāng)分析模型

針對(duì)大壩混凝土分區(qū)、施工方法等，形成碾壓混凝土、常態(tài)混凝土和變態(tài)混凝土等實(shí)體模型?？紤]混凝土壩澆筑過(guò)程按照分層分塊上升，壩體澆筑模型還需要與澆筑方案相結(jié)合，需要實(shí)現(xiàn)壩塊的合倉(cāng)并倉(cāng)和模型相關(guān)特征參數(shù)的輸出。

②入倉(cāng)施工機(jī)械設(shè)備澆筑模型

針對(duì)大壩澆筑涉及塔帶機(jī)、滿管溜槽、自卸汽車、門(mén)塔機(jī)等多種機(jī)械，需要結(jié)合不同類型澆筑機(jī)械設(shè)備澆筑施工特點(diǎn)，建立各不同設(shè)備澆筑施工模型，并考慮不同設(shè)備澆筑施工工藝流程。

③倉(cāng)面澆筑模型

結(jié)合大壩澆筑施工特點(diǎn)，重點(diǎn)針對(duì)平層鋪筑和斜層澆筑施工方法，構(gòu)建不同澆筑方法施工參數(shù)化模型和實(shí)施約束性條件，構(gòu)建壩體優(yōu)先澆筑順序模型，綜合考慮混凝土溫控、相鄰倉(cāng)面時(shí)間間隔、孔洞施工等要素，構(gòu)建可動(dòng)態(tài)、可多方案比較的壩體優(yōu)先上升規(guī)則模型。

④上升面貌控制模型

綜合考慮孔洞、溢流面、閘墩、電站引水系統(tǒng)等施工工藝，建立壩體上升面貌控制模型，精細(xì)化模擬特殊壩段施工工藝過(guò)程。

通過(guò)上述模型，采用動(dòng)態(tài)可視化和智能優(yōu)化算法，將“實(shí)體試錯(cuò)”轉(zhuǎn)化為“數(shù)字模擬”，提前發(fā)現(xiàn)資源不足、工序沖突、質(zhì)量隱患等施工瓶頸，降低成本與風(fēng)險(xiǎn)。

（2）智能澆筑管控平臺(tái)

混凝土澆筑過(guò)程涉及混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、平倉(cāng)振搗、碾壓、溫控、養(yǎng)護(hù)、灌漿等過(guò)程，采用知識(shí)和模型驅(qū)動(dòng)，開(kāi)展施工全過(guò)程、全要素?cái)?shù)據(jù)接入、分析及預(yù)警機(jī)制研究，保證大壩施工過(guò)程全流程可追溯。智能澆筑管控平臺(tái)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

①混凝土拌和樓生產(chǎn)信息自動(dòng)采集與控制管理

對(duì)混凝土壩生產(chǎn)拌和基礎(chǔ)信息、拌和過(guò)程、拌和質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)制研究，依托混凝土配和比、溫度閾值、含水率指標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)應(yīng)用，確保混凝土生產(chǎn)質(zhì)量始終受控。

②混凝土運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控管理

開(kāi)展混凝土運(yùn)輸過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控、混凝土運(yùn)輸過(guò)程匹配分析、混凝土運(yùn)輸智能反饋控制與預(yù)警機(jī)制研究，通過(guò)對(duì)混凝土運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行匹配分析、轉(zhuǎn)運(yùn)數(shù)據(jù)匹配分析等，建立智能反饋控制與預(yù)警模型，確?；炷吝\(yùn)輸過(guò)程高效可控。

③振搗監(jiān)控管理

依托倉(cāng)面、設(shè)備狀態(tài)信息等振搗基礎(chǔ)信息管理與振搗頻率、振搗時(shí)間等倉(cāng)面配置管理，借助效果識(shí)別、動(dòng)態(tài)預(yù)警、質(zhì)量分析等模型，貫通振搗參數(shù)、振搗施工、振搗結(jié)果、驗(yàn)收管理等，構(gòu)建從參數(shù)配置、過(guò)程監(jiān)管到質(zhì)量驗(yàn)收的全流程管控，保障振搗施工精準(zhǔn)、高效。

④碾壓監(jiān)控管理

圍繞碾壓機(jī)械、機(jī)載設(shè)備、工作面參數(shù)、實(shí)時(shí)碾壓數(shù)據(jù)，結(jié)合定位報(bào)警，及時(shí)干預(yù)過(guò)程控制，借助碾壓監(jiān)控信息閾值、處置措施等知識(shí)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)碾壓歷史回放、試驗(yàn)管理、不合格問(wèn)題追溯等功能，構(gòu)建碾壓全流程數(shù)字化管控，助力大壩碾壓精準(zhǔn)可控。

⑤混凝土溫控及養(yǎng)護(hù)管理

碾壓混凝土壩溫度控制及養(yǎng)護(hù)管理以溫度數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，覆蓋原材料準(zhǔn)備到澆筑各環(huán)節(jié)的溫度；借助自動(dòng)通水冷卻、應(yīng)力仿真、養(yǎng)護(hù)分析等模型應(yīng)用以及溫控措施預(yù)案庫(kù)、混凝土開(kāi)裂處置預(yù)案庫(kù)、灑水養(yǎng)護(hù)預(yù)案庫(kù)等知識(shí)應(yīng)用，聯(lián)動(dòng)智能通水冷卻監(jiān)控和溫度監(jiān)控預(yù)警，配合混凝土保溫及養(yǎng)護(hù)管理，構(gòu)建全流程溫度管控與智能養(yǎng)護(hù)機(jī)制，保障壩體溫控質(zhì)量，預(yù)防溫度裂縫風(fēng)險(xiǎn)。

智能運(yùn)維思路探討

大壩智能運(yùn)維以物理大壩為基礎(chǔ)，通過(guò)集成人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自身透徹感知、自主分析診斷、自我學(xué)習(xí)饋控，提升大壩安全運(yùn)行和調(diào)度決策能力。

1.安全運(yùn)行及評(píng)價(jià)

（1）建立“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知體系

多源感知體系從空間上能夠?qū)崿F(xiàn)從整個(gè)庫(kù)區(qū)到工程主體到大壩具體病險(xiǎn)隱患的監(jiān)測(cè)，從時(shí)間上能夠?qū)崿F(xiàn)季度、月度和以天為單位的不同時(shí)間范圍內(nèi)的工程信息監(jiān)測(cè)，從不同維度實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩工程信息的時(shí)空關(guān)聯(lián)，能夠獲得更全面的大壩工程健康信息，建立大壩全要素信息的透徹感知體系。

（2）構(gòu)建大壩安全自診斷體系

基于透徹感知數(shù)據(jù)，結(jié)合大壩歷史監(jiān)測(cè)和病害特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，基于語(yǔ)義機(jī)器自動(dòng)識(shí)別等深度學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建專題知識(shí)庫(kù)和知識(shí)圖譜，支撐大壩病害在線實(shí)時(shí)診斷。

大壩安全監(jiān)測(cè)知識(shí)圖譜構(gòu)建框架

（3）優(yōu)化大壩感知設(shè)備布設(shè)

將病害特征、影響因子、監(jiān)測(cè)參數(shù)和空間位置抽象為知識(shí)圖譜的節(jié)點(diǎn)實(shí)體，構(gòu)建起多層次、多尺度的病害-監(jiān)測(cè)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型，自動(dòng)識(shí)別不同病害模式下的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)需求和敏感測(cè)點(diǎn)位置，優(yōu)先在病害易發(fā)區(qū)域和傳播路徑上配置高精度監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)均勻化布置向病害導(dǎo)向精準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)變，提升早期預(yù)警能力和監(jiān)測(cè)資源配置效率。

基于語(yǔ)義約束的大壩監(jiān)測(cè)內(nèi)容與儀器布置

（4）大壩智能感知時(shí)空協(xié)同優(yōu)化模式

建立設(shè)備狀態(tài)評(píng)估模型和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，在常規(guī)監(jiān)測(cè)期間使非關(guān)鍵區(qū)域的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，檢測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)，智能喚醒機(jī)制會(huì)自動(dòng)激活相關(guān)區(qū)域的全部監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)資源的優(yōu)化配置和系統(tǒng)運(yùn)行效率的顯著提升。

（5）大壩安全綜合評(píng)價(jià)

綜合壩體及壩基、泄洪建筑物、近壩邊坡、金屬結(jié)構(gòu)運(yùn)行性態(tài)，針對(duì)漫壩、潰壩、主體結(jié)構(gòu)破壞、工程邊坡失穩(wěn)、閘門(mén)及啟閉設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞等重大事故開(kāi)展危險(xiǎn)源辨識(shí)，對(duì)影響危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)水平的要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)、檢查，基于機(jī)器推理、粗糙集等人工智能技術(shù)，建立危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估模型，對(duì)大壩整體運(yùn)行性態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，給出日常運(yùn)行、防洪調(diào)度、設(shè)備檢修等工況的大壩安全整體健康度評(píng)價(jià)，支撐監(jiān)測(cè)、巡檢等決策。

（6）開(kāi)展安全狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)

開(kāi)展各類設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)不利工況下的結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算和安全分析預(yù)測(cè)，正向預(yù)測(cè)蓄水位升高到某一數(shù)值時(shí)大壩安全參數(shù)變化情況及安全風(fēng)險(xiǎn)研判，反向計(jì)算保證水庫(kù)大壩安全的水位范圍，充分發(fā)揮水庫(kù)功能，同時(shí)保證大壩自身安全。

（7）預(yù)案匹配賦能決策支持

根據(jù)預(yù)演仿真及風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估分析成果，制定管控措施，編制預(yù)案，構(gòu)建大壩安全知識(shí)庫(kù)，支撐決策，推薦效益最優(yōu)的安全運(yùn)行管理方案，為大壩運(yùn)行提供決策支持。

2.調(diào)度及決策

（1）防洪調(diào)度

構(gòu)建降雨徑流模型、河道洪水演進(jìn)模型等常用洪水預(yù)報(bào)模型，融合氣象雷達(dá)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用、水文大數(shù)據(jù)分析等相關(guān)的預(yù)報(bào)技術(shù)，提升雨水情預(yù)報(bào)水平和智能化監(jiān)控水平，設(shè)定預(yù)警指標(biāo)，利用數(shù)字孿生模型對(duì)不同量級(jí)洪水進(jìn)行防洪預(yù)演，模擬洪水演進(jìn)過(guò)程，分析大壩及周邊區(qū)域在洪水作用下的安全性，評(píng)估防洪工程設(shè)施的運(yùn)行效果，制定和完善防洪預(yù)案，為防洪決策提供科學(xué)依據(jù)。

（2）多目標(biāo)優(yōu)化興利調(diào)度

通過(guò)數(shù)據(jù)-機(jī)理雙驅(qū)動(dòng)調(diào)度模型，構(gòu)建融合機(jī)理模型與機(jī)器學(xué)習(xí)人工智能算法的調(diào)度模型，快速根據(jù)服務(wù)區(qū)的各項(xiàng)需求反饋制定最優(yōu)調(diào)度方案；流域內(nèi)有串并聯(lián)的水庫(kù)群系統(tǒng)時(shí)，建立流域水庫(kù)群調(diào)度動(dòng)態(tài)反饋模型，引入聚合庫(kù)容等手段，從大系統(tǒng)的角度考慮各水庫(kù)在時(shí)間、空間尺度上的調(diào)度耦合，以實(shí)現(xiàn)泄水、蓄水時(shí)機(jī)的最優(yōu)化決策。

（3）應(yīng)急處置決策

在超標(biāo)準(zhǔn)洪水泄洪、地震誘發(fā)庫(kù)區(qū)滑坡涌浪、上游堰塞壩潰壩等應(yīng)急場(chǎng)景中，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)演仿真結(jié)果，通過(guò)構(gòu)建相應(yīng)模型或仿真推演的方式，分析工程大壩應(yīng)力變形、邊坡穩(wěn)定系數(shù)等安全狀態(tài)及下游區(qū)域洪水演進(jìn)、淹沒(méi)范圍等影響，并依據(jù)數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案，確定泄流量、閘門(mén)啟閉方式、庫(kù)水位降幅或潰壩調(diào)度方案等應(yīng)急處置措施最優(yōu)解，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策。

相關(guān)建議

本文分別從設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行三個(gè)階段探討了智能大壩的實(shí)施路徑和方法。但由于當(dāng)前智能大壩建設(shè)尚缺少統(tǒng)一規(guī)劃、參建方主體責(zé)任落實(shí)不到位、不同階段技術(shù)銜接不到位等因素，完全實(shí)現(xiàn)全生命周期的智能大壩建設(shè)與管理還需要開(kāi)展很多工作。

①?gòu)?qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，凝聚統(tǒng)一思想。明確智能大壩全生命周期管理的核心目標(biāo)，結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)際需求，制定統(tǒng)一的戰(zhàn)略規(guī)劃和實(shí)施綱要。

②明確主體責(zé)任，構(gòu)建協(xié)同機(jī)制。確定全生命周期管理的牽頭單位，明確其在設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行各階段的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)職責(zé)，避免出現(xiàn)責(zé)任真空。

③加強(qiáng)技術(shù)支撐與人才培養(yǎng)。加大對(duì)智能大壩相關(guān)技術(shù)的研發(fā)投入，重點(diǎn)突破數(shù)據(jù)融合、人工智能、安全防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，為全生命周期管理提供技術(shù)保障。

④完善政策支持與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。加快出臺(tái)支持智能大壩全生命周期管理的政策措施，在資金、政策等方面給予扶持。加快制定智能大壩全生命周期管理的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提高智能大壩建設(shè)與管理的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化水平。

Abstract: In the dual context of global climate change and digital transformation, traditional dam construction and management face many challenges, such as low digitalization of traditional design, insufficient simulation and analysis capabilities, severe data fragmentation, uneven digitalization levels of all parties involved in the construction phase, lack of collaborative platforms, and non-standard data retention and transfer. During the operation and maintenance phase, there are frequent extreme weather events, intensified dam safety risks, continuous increase in ecological environment pressure, increasingly acute water resource supply and demand contradictions, and increasing difficulty in operation and maintenance management due to the gradual aging of dams. At the same time, a new round of technological revolution and industrial transformation is rapidly advancing, and cutting-edge technological innovation has entered an unprecedented period of intensive activity, providing new opportunities for the digital and intelligent transformation and upgrading of dams. Intelligent dams, as a new type of infrastructure that integrates advanced information technology and engineering construction concepts, are gradually becoming a new direction for technological development in the field of dam engineering. Through intelligent technology and management methods, the digitization, networking, and intelligence of the entire life cycle of dam design, construction, and operation can be achieved, which can significantly improve the level of safe and efficient construction and operation of dams, and better respond to complex and changing environmental challenges. This study analyzes the construction requirements of intelligent dams, explores the implementation paths and methods from the three stages of design, construction, and operation, points out the deficiencies in current intelligent dam construction in terms of planning and layout, implementation of main responsibilities, and technical connection, and puts forward relevant countermeasures and suggestions. It is expected to provide theoretical and technical references for promoting the construction and technological development of intelligent dams and boosting the high-quality development of the water conservancy and hydropower industry.

Keywordsintelligent dam; intelligent design; intelligent construction; intelligent operation and maintenance

本文引用格式：

景來(lái)紅，陶玉波.智能大壩建設(shè)要求和思路探討[J].中國(guó)水利，2025（16）：15-22.

封面攝影曾婉婷

責(zé)編劉磊寧

校對(duì)董林玥

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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