庫壩安全智能監(jiān)測感知體系構建與實踐

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

高長勝1，劉成棟12，李登華1，吳云星1

（1.水利部 交通運輸部 國家能源局南京水利科學研究院，210029，南京；2.水利部大壩安全管理中心，210029，南京）

摘要：面對工程老化、自然災害頻發(fā)等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)水庫大壩安全監(jiān)測體系存在空間覆蓋不全、時間連續(xù)性差、智能化水平低等問題，導致安全預測預警能力不足、防控響應不及時，難以有效應對各類風險沖擊。構建“天空地水工”一體化庫壩智能監(jiān)測感知體系，是推進現(xiàn)代化水庫運行管理矩陣、智能大壩建設的核心舉措，也是驅動水利領域新質生產力發(fā)展、實現(xiàn)新時期水利高質量發(fā)展的必然要求和必由之路。系統(tǒng)梳理我國水庫大壩安全監(jiān)測發(fā)展歷程，將其劃分為常規(guī)觀測監(jiān)測、自動化監(jiān)測發(fā)展、信息化與網絡化發(fā)展、庫壩智能監(jiān)測感知四個階段；闡述了庫壩安全智能監(jiān)測的探索與實踐，包括監(jiān)測儀器設備與技術研發(fā)、安全監(jiān)測設施建設和升級改造、庫壩智能監(jiān)測感知體系構建；并以小浪底水利樞紐為例介紹了“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系的應用實踐。同時分析了當前庫壩安全智能監(jiān)測在感知技術體系、智能監(jiān)測儀器研發(fā)、智能數(shù)據(jù)治理、技術標準制定等方面存在的問題與不足，提出完善庫壩安全透徹感知體系技術、研發(fā)庫壩智能監(jiān)測儀器設備與技術、建立多源多模態(tài)感知數(shù)據(jù)治理理論、健全庫壩安全智能監(jiān)測技術標準體系等發(fā)展路徑，為建設庫壩透徹智能監(jiān)測感知體系和實踐應用提供參考。

關鍵詞：智能監(jiān)測；透徹感知；數(shù)據(jù)治理；智能預警；智能饋控

作者簡介：高長勝，副院長，正高級工程師，主要從事巖土工程、大壩安全與管理等方面研究。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2024YFC3210700）；國家自然科學基金項目（U2443229）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目（Y724011）；江蘇水利科技項目（2024031）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.16.012

研究背景

截至2024年年底，我國建有各類水庫大壩約9.5萬座，總庫容約1萬億m3，是水資源調控與防洪減災的關鍵基礎設施，是保障下游區(qū)域人民生命財產安全的重要依托，安全運行至關重要。水利部部長李國英在國際大壩委員會第28屆大會暨第93屆年會上首倡構建安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩的理念，并寫入大會《世界成都宣言》中，引起世界壩工領域普遍關注和高度贊譽。近年，全球氣候變化加劇，氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定性顯著增強，《中國氣候變化藍皮書（2025）》數(shù)據(jù)顯示，我國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、強震等災害的發(fā)生頻率與強度均呈上升趨勢，由此引發(fā)的氣象地質災害對庫壩工程安全運行帶來嚴峻威脅。安全監(jiān)測是掌握庫壩安全運行性態(tài)、及早發(fā)現(xiàn)安全隱患、科學指導水庫調度運用與應急決策不可或缺的重要手段，面對極端氣候與復雜地質條件的耦合作用，傳統(tǒng)安全監(jiān)測存在庫壩全覆蓋、全要素透徹感知體系不健全，監(jiān)測儀器智能化程度不高，安全風險早期精準識別、自適應診斷、智能預報預警能力不足等問題，難以有效應對各類風險沖擊，亟待構建庫壩安全智能監(jiān)測感知體系。

近年來，隨著新一輪科技革命和產業(yè)變革深入發(fā)展，物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能與數(shù)字孿生等前沿技術空前活躍，面對加快大壩自診斷技術和外檢測技術研發(fā)應用，實現(xiàn)對水庫大壩全覆蓋、全要素、全天候、全周期監(jiān)測感知，推動建立智能分析預測體系、前瞻決策支持體系等要求。水利部相繼部署推進構建現(xiàn)代化水庫運行管理矩陣、印發(fā)《數(shù)字孿生水利“天空地水工”一體化監(jiān)測感知夯基提能行動方案（2024—2026年）》、開展智能大壩建設試點等系列工作，要求充分運用新一代信息技術，加強水庫大壩安全監(jiān)測設施建設和更新改造，構建水庫大壩上下游、左右岸全覆蓋、全要素、全天候、全周期的立體化監(jiān)測感知網絡，實現(xiàn)水庫大壩全生命周期預報、預警、預演、預案能力全域覆蓋。在此背景下，傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測體系存在的庫壩感知不全、智能化程度不高、信息分析深度不足、智能預報預警程度較低等不足逐漸顯現(xiàn)出來，亟須構建具備透徹監(jiān)測感知、安全分析診斷、智能預測饋控的庫壩安全智能監(jiān)測感知體系，進一步提升庫壩安全風險管控能力和水平，這是保障水庫大壩高水平安全的必然要求和必由之路。

水庫大壩安全監(jiān)測發(fā)展歷程

國外大壩安全監(jiān)測開始于19世紀末期，1891年德國的埃斯希巴赫重力壩進行了變形觀測。20世紀初，澳大利亞的鮭溪拱壩和瑞士的孟薩溫斯拱壩進行了撓度觀測，孟薩溫斯拱壩壩體內還埋設了壓阻式儀器。我國水庫大壩安全監(jiān)測工作起步于20世紀50年代初，經過70余年的發(fā)展，大壩安全監(jiān)測技術持續(xù)進步，監(jiān)測儀器設備實現(xiàn)國產化、系列化、型譜化，監(jiān)測技術標準體系基本建立，安全監(jiān)測設施逐步完善，數(shù)據(jù)采集與分析應用漸趨規(guī)范，在保障水庫安全運行與安全度汛中發(fā)揮了重要作用。

水庫大壩安全監(jiān)測最初主要是為了研究大壩設計計算方法，發(fā)展壩工技術，其后才逐漸發(fā)展成為大壩安全管理的手段。我國水庫大壩安全監(jiān)測的發(fā)展是一個伴隨科技進步和管理理念提升而不斷演進的過程，大致可劃分為四個階段。

1.常規(guī)觀測監(jiān)測階段（新中國成立—1979年）

20世紀50年代，我國大壩安全監(jiān)測最早在永定河官廳水庫和淮河南灣、薄山等大型水庫大壩上進行了水平位移、垂直沉降和浸潤線等項目觀測。隨后，在豐滿、佛子嶺、梅山水電站以及上猶江、流溪河等水庫大壩上安裝了溫度、應變等監(jiān)測儀器。60年代后期，我國在一些大型水庫大壩上開始對滲流、滲流量、滲水濁度、波浪、傾斜、撓度、揚壓力、接縫裂縫、應力應變以及水位、雨量等項目進行觀測，開始系統(tǒng)性地埋設和安裝專用監(jiān)測儀器，監(jiān)測項目更加系統(tǒng)化和定量化。此階段初步出現(xiàn)了成型的監(jiān)測儀器和觀測方法，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，開始采用三角測量法、視準線法、精密水準法觀測水平位移和垂直位移等。1965年，水利電力部頒布了《水工建筑物測壓管水位觀測試行技術規(guī)范》（SDJ/SG 751—65），這是新中國第一部關于大壩監(jiān)測的技術規(guī)范，為人工觀測提供了技術指導。這個時期我國水利建設剛剛起步，監(jiān)測技術和儀器設備極度匱乏，大壩安全監(jiān)測主要由人工使用簡單工具進行觀測，操作過程完全依賴人工完成數(shù)據(jù)的采集、記錄和計算，觀測頻率低，數(shù)據(jù)精度不高。該階段雖然技術手段有限，但為我國大壩安全監(jiān)測奠定了基礎，培養(yǎng)了一批專業(yè)監(jiān)測人員，積累了寶貴的實踐經驗，為后續(xù)監(jiān)測技術的發(fā)展提供了重要參考。

2.自動化監(jiān)測發(fā)展階段（1980—2000年）

隨著計算機技術、通信技術和自動控制技術的快速發(fā)展，這一階段我國大壩安全監(jiān)測不再局限于人工觀測和離線分析，大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理逐步實現(xiàn)自動化，并形成了性能穩(wěn)定、類型齊全的監(jiān)測儀器，監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性不斷增強，提高了安全監(jiān)測實時性和監(jiān)測工作效率。1980年四川龔嘴水電站第一套大壩安全監(jiān)測自動化采集裝置投入試運行，標志著我國開始了大壩運行安全監(jiān)測自動化的征程；1989年遼寧參窩水庫投入運行的我國第一套軟硬件齊全的DAMS-1型自動化大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，標志著我國大壩安全監(jiān)測自動化已進入實用階段。1989年，水利部、能源部頒布《混凝土大壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》（SDJ 336—89），標志著大壩監(jiān)測工作進入了規(guī)范化、系統(tǒng)化階段，這個時期各類法律法規(guī)、規(guī)范體系也逐步建立，但依然存在不同廠家儀器設備之間兼容性差、系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)共享困難、自動化監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性比較薄弱、自動化監(jiān)測系統(tǒng)的維護和升級成本較高等問題。這一階段積累的技術經驗和工程實踐，對推動我國大壩安全監(jiān)測技術向信息化和智能化方向進步和發(fā)展具有重要意義。

3.信息化與網絡化發(fā)展階段（2001—2020年）

隨著信息技術和網絡技術的飛速發(fā)展，我國大壩安全監(jiān)測逐漸進入信息化與網絡化階段。這個階段，大壩安全監(jiān)測也快速發(fā)展為一項跨專業(yè)跨學科的綜合性系統(tǒng)工程，監(jiān)測手段更加多樣化，監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和分析處理實現(xiàn)了全流程信息化和網絡化，數(shù)據(jù)共享和業(yè)務協(xié)同能力增強，信息化管理水平顯著提升。在此階段，我國多座巨型水電站建成運行，監(jiān)測自動化系統(tǒng)也迎來了建設的高峰期，三峽、小浪底等一批大型水庫大壩遠程監(jiān)控中心建成，實現(xiàn)大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中接入、顯示和管理，系統(tǒng)集成更強大的數(shù)據(jù)處理模塊，提供在線繪圖、特征值統(tǒng)計、模型分析、超限報警等功能。通過集成現(xiàn)代通信技術、互聯(lián)網技術和大數(shù)據(jù)處理技術，2019年，水利部組織建成了全國大型水庫大壩安全監(jiān)測監(jiān)督平臺，實現(xiàn)了對大壩運行狀態(tài)的遠程實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，大大提升了預警能力。隨著網絡信息化程度的提高，數(shù)據(jù)安全和網絡安全風險也隨之增大，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，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)還不能充分轉化為實際決策依據(jù)。

4.庫壩智能監(jiān)測感知階段（2021年至今）

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網、智能感知等新興技術快速發(fā)展與融合應用，新一輪科技革命和產業(yè)變革深入發(fā)展，有力驅動水庫大壩安全監(jiān)測技術創(chuàng)新與實踐應用。近年，水利部部署推進現(xiàn)代化水庫運行管理矩陣構建、雨水情監(jiān)測預報“三道防線”建設、數(shù)字孿生水利“天空地水工”一體化監(jiān)測感知夯基提能、智能大壩建設試點，以及水庫大壩安全監(jiān)測設施建設和更新改造等重點工作，要求充分運用新一代信息技術，加快構建庫壩區(qū)域全覆蓋、運行全要素、監(jiān)控全天候、工程全周期的“天空地水工”一體化監(jiān)測感知網絡體系，從理念上實現(xiàn)從以往重點聚焦大壩工程本體安全監(jiān)測向構建庫壩系統(tǒng)透徹監(jiān)測感知體系跨越式轉變，水庫大壩安全監(jiān)測進入協(xié)同化、數(shù)智化、現(xiàn)代化進程，庫壩安全監(jiān)控和管理水平持續(xù)提升。

庫壩安全智能監(jiān)測探索與實踐

水庫大壩安全監(jiān)測發(fā)展歷程與技術演進的核心驅動力是技術進步和管理需求提升。隨著前沿技術深度滲透、新型感知技術持續(xù)創(chuàng)新以及監(jiān)測技術體系系統(tǒng)化構建和迭代升級，庫壩安全監(jiān)測正邁向多維協(xié)同、數(shù)字賦能、智能驅動的一體化透徹監(jiān)測感知新范式。

1.監(jiān)測儀器設備與技術研發(fā)

我國庫壩安全監(jiān)測技術經過多年發(fā)展，監(jiān)測儀器設備基本實現(xiàn)國產化、系列化、型譜化。從最初的土石壩采用測壓管觀測水位、混凝土壩采用經緯儀觀測表面變形，逐步形成了以智能巡檢及變形、滲流、應力應變、環(huán)境量自動監(jiān)測為主的技術體系，分布式光纖監(jiān)測、GNSS變形監(jiān)測、光纖傳感、CCD、大壩CT和滲流熱場監(jiān)測等新技術新手段得到廣泛應用。庫壩安全監(jiān)測儀器設備的研制及工藝技術水平也取得很大進展，振弦式、差阻式、電位器式、CCD式、步進電機式、電容式、磁致伸縮式、超聲波式、激光準直式、伺服加速度式、SAA光纖式等型式的各類監(jiān)測傳感器，適應各種壩型、各種工程物理量的監(jiān)測。

在大壩本體智能監(jiān)測方面，測量機器人、北斗衛(wèi)星、雙軸無線傾角儀、固定式測斜儀等融合物聯(lián)網、NB-IoT、MEMS等技術，可滿足大壩多場景變形監(jiān)測需求，實現(xiàn)從“物理采集”到“智能感知”的跨越。分布式光纖傳感技術發(fā)展迅速，單根光纖可覆蓋10km壩體，同時監(jiān)測溫度與應變，如同“神經末梢”般，靈敏感知裂縫變化，實現(xiàn)長距離、高精度滲漏定位監(jiān)測。新型鋼筋計、混凝土應變計、錨索測力計等，實現(xiàn)大壩應力應變精確感知，實時掌握大壩受力情況。

在大壩外部智能巡檢方面，無人機、無人船、水下機器人、機器狗等正逐步應用到工程巡視檢查、庫區(qū)管理、水下探測中。無人機機動性強，搭載高分辨率相機、熱成像儀等設備，可快速獲取大壩全景影像，并識別裂縫、滲漏等問題；機器狗集成多種傳感器與AI算法，適應復雜廊道靈活巡檢，能監(jiān)測結構安全與環(huán)境要素；無人船可用于水質監(jiān)測、岸線巡檢，搭載廣角攝像頭配合無人機，實現(xiàn)水域變化動態(tài)感知，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患；水下機器人能對庫底和水下設施進行掃描檢測，結合先進探測技術鏈，適用于深水滲漏和隱蔽缺陷定位。

2.安全監(jiān)測設施建設和升級改造

“十四五”以來，我國完成425座大中型水庫安全監(jiān)測設施建設、5.1萬余座小型水庫大壩安全監(jiān)測設施建設改造以及5.7萬余座小型水庫雨水情測報設施建設，2024年水利部印發(fā)《水庫大壩安全監(jiān)測管理辦法》。通過對水庫安全監(jiān)測設施建設和更新改造，我國水庫大壩監(jiān)測設施覆蓋率持續(xù)提升，監(jiān)測要素已從單一的大壩位移、變形、滲漏監(jiān)測為主，向大壩內外、庫區(qū)左右岸和上下游全覆蓋、全要素監(jiān)測擴展，不僅實現(xiàn)了對環(huán)境量、物理量監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時匯聚、在線采集、自動分析、智能預警等，也推動了衛(wèi)星遙感、北斗GNSS、無人機、分布式光纖等新技術的應用，水庫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、機器人等智能巡查發(fā)展，有效提升了庫壩安全監(jiān)測信息化、智能化水平，支撐了“面廣量大”的水庫大壩安全運行。

3.庫壩智能監(jiān)測感知體系構建

庫壩安全智能監(jiān)測是傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)（主要由監(jiān)測儀器及其輔助設施、監(jiān)測自動化系統(tǒng)構成）的提升，通過將監(jiān)測感知數(shù)據(jù)與物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等現(xiàn)代信息技術和專業(yè)知識深度融合，構建庫壩透徹智能監(jiān)測感知體系，實現(xiàn)對庫壩安全性態(tài)的智能全面感知、分析預測和決策支撐。智能監(jiān)測感知方法、數(shù)據(jù)采集匯集、數(shù)據(jù)治理融合是支撐庫壩安全智能監(jiān)測感知體系的前提和基礎。

庫壩透徹智能監(jiān)測感知體系總體架構

（1）智能監(jiān)測感知技術與方法

庫壩安全智能監(jiān)測是通過布設智能監(jiān)測、智能巡檢等儀器，形成“天空地水工”一體化庫壩智能監(jiān)測感知網，實現(xiàn)庫壩全域覆蓋和連續(xù)協(xié)同監(jiān)測。

“天空地水工”一體化庫壩智能監(jiān)測感知網

“天”——主要依托遙感（如“水利一號”“珞珈”系列衛(wèi)星等）、北斗衛(wèi)星等，實現(xiàn)對庫壩系統(tǒng)大尺度全局監(jiān)測感知。遙感衛(wèi)星，利用多光譜、光學成像及合成孔徑雷達干涉測量等技術對庫區(qū)地表形變、庫岸整體穩(wěn)定性及庫容變化進行宏觀監(jiān)測；北斗等GNSS系統(tǒng)通過實時厘米級至毫米級定位精度，監(jiān)測表面位移、沉降及裂縫變化，同時，北斗衛(wèi)星還能保障偏遠地區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠回傳，能在“三斷”（斷路、斷電、斷網）時實現(xiàn)應急通信。

“空”——主要利用近地大氣探測設備及低空平臺搭載多源傳感器開展監(jiān)測，可獲取庫區(qū)及壩體關鍵地表狀態(tài)信息與水文氣象參數(shù)，包括測雨雷達、無人機、激光雷達等設備。測雨雷達實現(xiàn)降水過程連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，獲取高時空分辨率的面雨量數(shù)據(jù)，用于水庫匯流計算、短時降雨預報和防汛調度；無人機搭載高分辨率正射相機、熱紅外成像儀、激光雷達等設備，實現(xiàn)表面變形、裂縫監(jiān)測、滲漏點定位、地質災害隱患識別、庫區(qū)地形與庫容變化監(jiān)測等功能。

“地”——主要圍繞庫壩環(huán)境量和表面狀態(tài)的智能化監(jiān)測，利用雨水情監(jiān)測站、AI攝像機、小型無人車（機器人、機器狗）等智能設備構建覆蓋全域與關鍵點位的多層次監(jiān)測系統(tǒng)。雨水情監(jiān)測站實現(xiàn)對庫區(qū)及周邊全域水文氣象監(jiān)測；基于機械視覺視頻的AI監(jiān)測技術對庫壩環(huán)境、壩面、邊坡及泄洪設施等進行視頻流智能分析，自動識別裂縫、滲水點等異常表觀并及時報警；小型無人車執(zhí)行壩區(qū)路面及附屬設施巡檢、緩坡地質災害排查、泄洪消能區(qū)空蝕坑與鋼筋裸露檢測；機器狗則對關鍵點位進行近距離高精度巡檢，包括壩體表面細微裂縫與結構缺陷，廊道等隱蔽部位滲漏、裂縫、結構缺陷等異常狀況識別。

“水”——主要聚焦庫壩水文環(huán)境監(jiān)測與水下工程結構安全智能巡檢，包括雷達流量計、水位計、無人船、水下巡檢機器人、水下載人潛艇等設備。雷達流量計與水位計實現(xiàn)庫壩水文參數(shù)感知，其中雷達流量計測量出入庫及下游河道流量，而水位計記錄庫水位及關鍵斷面水位；無人船通過所搭載的高精度定位系統(tǒng)與多波束/側掃聲吶等傳感器實現(xiàn)壩前淤積、水下沖刷、庫容復核等智能工作；水下巡檢機器人及水下載人裝置（如“禹龍?zhí)枴贝髩紊钏畽z測載人潛水器）實現(xiàn)水下工程結構病害識別診斷，前者通過搭載聲吶、激光掃描儀及高清攝像頭，結合定位系統(tǒng)，精準識別水下結構裂縫、滲流等病害，后者則支持工程師在深水區(qū)近場檢測、診斷結構隱患，并完成附著物清理、滲漏點封堵等檢修任務。

“工”——主要實現(xiàn)庫壩工程及其關鍵附屬設施的狀態(tài)感知，包括地基雷達、機器視覺、分布式光纖、光纖光柵、MEMS等智能設備，以及使用傳統(tǒng)監(jiān)測儀器配置智能采集模塊或智能變送器來實現(xiàn)智能監(jiān)測功能。地基雷達基于雷達干涉測量技術，實時監(jiān)測庫壩表面位移、裂縫發(fā)展及潛在滑坡體變形；機器視覺則通過對水庫邊坡及壩體表面的非接觸式成像分析，有效識別裂縫、變形及滲漏等表觀異常；分布式光纖以分布式或準分布式形式埋設于壩體、地基及隧洞襯砌內部，憑借其超長距離、高耐久性、強抗干擾及易組網等特性，實時連續(xù)測量結構應力應變、溫度、振動等異常信號，實現(xiàn)隱蔽性風險的分布式感知；光纖光柵傳感器針對長距離信號傳輸?shù)耐袋c，結合自身抗干擾、可串聯(lián)的特點，特別適合長距離引線的高壩大庫及輸水隧洞的高精度測量；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，為局部細微位移等關鍵監(jiān)測要素的精細化監(jiān)測提供了更優(yōu)的解決方案。

（2）數(shù)據(jù)智能采集匯集

庫壩監(jiān)測感知數(shù)據(jù)具備“多源、異構、多尺度、海量”等特征，需要進行標準化處理并通過采集終端和傳輸網絡上傳至智能監(jiān)測應用平臺集中存儲，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的高效傳輸與整合，為后續(xù)分析預警奠定基礎。具體涵蓋：面向結構化與非結構化多源數(shù)據(jù)自動讀取、屬性對齊與自動入庫；數(shù)據(jù)的自動校驗，如空值處理、重復數(shù)據(jù)清洗與格式標準化轉換，兼具離線批量匯集與在線實時匯集兩種模式。

在數(shù)據(jù)采集方面，采集設備在保留傳統(tǒng)自動測報、遠程測控、本地存儲、一站多發(fā)、防雷及斷電保護功能的基礎上，新增邊緣計算、故障自診斷、異常自動判別、通信信道自適應切換等智能化功能，支持多類型監(jiān)測儀器接入（兼容不同信號類型、接口標準及通信協(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，具備智能斷點續(xù)傳和數(shù)據(jù)補錄功能，根據(jù)工程場景自適應選擇傳輸方式：①對于數(shù)據(jù)傳輸網絡，工程現(xiàn)場節(jié)點通信距離較近時，采用有線通信方式；②通信節(jié)點距離較遠，且滿足無線通信條件時，采用4G/5G、NB-IoT等無線通信方式；③無運營商信號覆蓋的工程現(xiàn)場，選用LoRa、WiFi等自主組建通信傳輸網；④現(xiàn)場電磁環(huán)境復雜，或沿途需要穿（跨）越多重不利于無線信號傳輸?shù)慕ㄖ飼r，采用光纖通信方式；⑤單獨一種通信方式不能滿足技術要求的復雜工程環(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，通過智能采集設備將巡檢數(shù)據(jù)與儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集至運維平臺，按數(shù)據(jù)類型差異化處理：①結構化數(shù)據(jù)包括智能監(jiān)測儀器設備獲取的數(shù)值，采用服務接口方式、文件交換方式、庫表訪問方式和消息隊列等匯集方式；②非結構化數(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)測數(shù)據(jù)治理融合包括數(shù)據(jù)異構轉換、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測預警提供支撐。

在異構數(shù)據(jù)轉換方面，對異構數(shù)據(jù)進行解析，輸出標準化監(jiān)測數(shù)據(jù)；進行格式、類型及單位轉換，確保數(shù)據(jù)統(tǒng)一性。

在數(shù)據(jù)清洗方面，采用統(tǒng)計分析、機器學習等方法開展多源異構數(shù)據(jù)的粗差、降噪、去重、缺失等處理，其中粗差處理對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行粗差探測與剔除，降噪處理對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行噪聲去除、平滑處理，去重處理對重復監(jiān)測數(shù)據(jù)進行刪除處理，缺失處理對監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失值進行補全處理。

在數(shù)據(jù)特征抽取方面，結構化數(shù)據(jù)按分析預警要求等進行分類，抽取監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢、離散程度、分布規(guī)律、極值特征等；非結構化數(shù)據(jù)按分析預警要求，主要抽取顏色、紋理、形狀等圖像特征，音頻波譜特征，關鍵片段、關鍵幀等視頻特征，關鍵詞、詞頻等文檔特征。

在數(shù)據(jù)融合方面，結構化數(shù)據(jù)根據(jù)時間序列特征及測點空間分布，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)一性或相似性拼接融合；非結構化數(shù)據(jù)通過深度學習算法對圖像、音頻、視頻、文檔等類型監(jiān)測特征，進行統(tǒng)一性或相似性整合關聯(lián)；結構化和非結構化數(shù)據(jù)根據(jù)時間、空間、位置，進行安全特征關聯(lián)性融合。

4.庫壩智能監(jiān)測感知網的實踐應用案例

小浪底水利樞紐作為水利部數(shù)字孿生水利工程建設、現(xiàn)代化水庫運行管理矩陣構建的首批試點水庫，近年來大力強化新質生產力賦能，開展監(jiān)測儀器自動化升級改造，并結合衛(wèi)星遙感、無人機、無人船、水下機器人、機器視覺、AI智能識別等多項智能監(jiān)測技術，初步構建“天空地水工”一體化庫壩智能監(jiān)測感知體系。

“天”——率先應用高分衛(wèi)星遙感技術對全庫區(qū)進行監(jiān)測，對比前后月0.5m級的高分辨率遙感影像加強庫區(qū)安全管理；應用北斗GNSS開展大壩和滑坡體位移變形監(jiān)測，全天候實時監(jiān)測相關數(shù)據(jù)。

“空”——建設部署3臺覆蓋庫區(qū)的水利測雨雷達監(jiān)測“空中雨”；建成投運搭載激光雷達的無人機自主巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)對水工建筑物、滑坡體等開展全自動精細化、智能巡檢；應用無人機開展樞紐區(qū)、庫區(qū)日常巡查，極大提高了巡查效率。

“地”——應用音視頻監(jiān)測、熱成像、閾值報警、設備異常圖像識別等技術升級可視化監(jiān)控系統(tǒng)，AI智能識別設施設備異常，設備運行維護管理進入可視化監(jiān)控“慧眼+”時代；建成投運具有AI識別功能的泄洪預警系統(tǒng)，有效監(jiān)測危險水域各角落。

“水”——利用振動法和密度法在線監(jiān)測孔洞過流含沙量，在進水塔前安裝2臺參量陣淺地層剖面儀在線監(jiān)測泥沙淤積高程，利用無人船搭載多波束測深系統(tǒng)測驗庫區(qū)水下地形；深度應用水下機器人檢查孔洞流道，輔助檢查水工建筑物。

“工”——對3201支工程監(jiān)測儀器進行升級改造，自動化率提升到88%；在255個關鍵測點建立監(jiān)控指標體系，重點部位實現(xiàn)高精度動態(tài)監(jiān)測；探索應用地基合成孔徑雷達（InSAR）監(jiān)測壩體形變，應用光電式泥沙監(jiān)測儀器測量泥沙含量；針對小浪底特有的高水頭、偏心鉸弧門探索開展金屬結構運行狀態(tài)監(jiān)測，提升設備分析診斷和健康度評估能力。

小浪底水利樞紐基于“天空地水工”一體化庫壩智能監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合機器學習與長序列數(shù)據(jù)建立了預報-預警-預演-預案全鏈條模型，并通過移動App實現(xiàn)智能巡檢與監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳。強化與數(shù)字孿生技術、專業(yè)模型等深度融合，融合BIM/GIS構建高精度三維模型與多物理場數(shù)值庫，建設數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺，全面動態(tài)掌握樞紐區(qū)、庫區(qū)、下游河道全要素信息，實現(xiàn)全要素全天候動態(tài)管控，全方位保障水庫大壩安全，顯著提升水庫防汛和聯(lián)合調度、工程安全性態(tài)研判、庫區(qū)管理等支持保障和運行管理能力與效率。

庫壩智能監(jiān)測存在問題與短板

經過多年的技術實踐，我國庫壩安全監(jiān)測技術取得了長足發(fā)展，但仍存在透徹感知體系協(xié)同不完善、儀器設備性能不足、多源數(shù)據(jù)治理融合不夠、技術標準體系不健全等局限，需要在實踐中不斷發(fā)展完善。

1.庫壩透徹監(jiān)測感知體系協(xié)同不完善

庫壩透徹監(jiān)測感知體系是包括“天空地水工”監(jiān)測、檢測與探測等多要素感知信息深度融合的體系，但是目前涵蓋監(jiān)測、檢測、探測等全要素的透徹感知體系尚未建立，相應的感知設備布設方法與技術標準不健全，無法實現(xiàn)關鍵要素時間連續(xù)和空間全面的透徹感知協(xié)調。當前庫壩安全監(jiān)測仍以點和斷面為主，覆蓋要素不全，且缺乏與安全隱患和病害的關聯(lián)性，監(jiān)測、檢測、探測多源海量異構監(jiān)測感知數(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與方法不明確，制約了庫壩安全性態(tài)及病害特征的全面透徹感知。

2.監(jiān)測儀器智能化等性能仍存在短板

智能監(jiān)測傳感技術研發(fā)不足，尤其是多要素參數(shù)智能監(jiān)測儀器處于研發(fā)起步階段。傳統(tǒng)埋入式大壩安全監(jiān)測儀器多不具備自動校零、漂移補償、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析等智能化功能，傳感器數(shù)據(jù)異常判別預警等智能化程度不高，長期穩(wěn)定性、觀測精度難以滿足復雜運行環(huán)境下大壩安全風險早期精準識別的需求，一旦損壞難以及時修復更新，無法保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空連續(xù)性。自動化數(shù)據(jù)采集單元（MCU）智能化程度不高，對不同原理傳感器類型存在數(shù)據(jù)采集、解譯標準不一致問題，對測量誤差的自動識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技術尚不健全。監(jiān)測儀器計量檢定裝備和檢定方法缺乏，智能化檢驗檢測能力和水平低。

3.多源監(jiān)測感知數(shù)據(jù)治理融合程度低

庫壩監(jiān)測感知多源數(shù)據(jù)模態(tài)差異特征明顯，多源多模態(tài)數(shù)據(jù)治理融合技術與方法尚不成熟，多源海量異構數(shù)據(jù)干擾信息多、解析效率低，數(shù)據(jù)準確識別治理能力較低。監(jiān)測數(shù)據(jù)質量存在顯著差異，多源異構數(shù)據(jù)標準尚未統(tǒng)一，未能有效實現(xiàn)與專業(yè)仿真模型的動態(tài)耦合，以監(jiān)測感知數(shù)據(jù)和機理分析為主的庫壩安全風險評價理論對復雜環(huán)境條件下安全性態(tài)轉異的不確定性識別不強，難以滿足庫壩風險早期診斷和安全性態(tài)智能精準管控的需要。多源監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、時效性與安全性等存在不足，尤其在極端天氣條件下，會導致數(shù)據(jù)質量存在顯著差異，制約大數(shù)據(jù)驅動下的庫壩智能診斷與預測預警能力。

4.“天空地水工”監(jiān)測感知新技術有待強化應用

大壩表面變形監(jiān)測、巡視檢查、近壩區(qū)邊坡監(jiān)測等庫壩信息智能監(jiān)測感知新技術有待深化落地應用。基于北斗、衛(wèi)星遙感等高精度位移測量技術的大壩表面變形監(jiān)測自動化技術，采用無人機、機器狗、軌道機器人、機器視覺等設備的大壩巡視檢查技術，具有良好的應用場景，有待進一步加大推廣應用?；谠贫瞬渴鹎疫m用于不同類型庫壩（群）安全監(jiān)測數(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)融合的庫壩安全監(jiān)測分析預警智能在線監(jiān)管平臺還需加快研發(fā)和實踐應用。

5.智能監(jiān)測技術標準體系尚不健全

我國現(xiàn)行40余部大壩安全監(jiān)測相關技術標準多適配傳統(tǒng)安全監(jiān)測，智能監(jiān)測感知覆蓋不夠，還存在標準要素不全，技術指標更新滯后、引領性不足，以及跨行業(yè)銜接不夠等問題。已建成的近9.5萬座水庫大壩智能化改造，以及智能監(jiān)測感知儀器設備，監(jiān)測感知數(shù)據(jù)傳輸、匯集、治理、融合、共享等缺乏統(tǒng)一技術標準，智能監(jiān)測感知閾值確定、預警發(fā)布及處置技術標準尚未建立。智能監(jiān)測儀器設備技術性能要求、計量檢定方法等技術規(guī)范缺乏，制約規(guī)模化推廣應用?；诖髩伟踩O(jiān)測數(shù)據(jù)融合專業(yè)數(shù)值模擬方法，實現(xiàn)大壩安全狀態(tài)量化診斷評判與預警饋控等，尚未建立統(tǒng)一的技術標準。

庫壩安全智能監(jiān)測感知發(fā)展路徑

1.完善庫壩安全透徹監(jiān)測感知體系技術與方法

構建庫壩典型病害特征基礎數(shù)據(jù)庫及知識圖譜，建立衛(wèi)星遙感、北斗GNSS、無人機（船）、三維激光掃描、紅外熱成像、機器視覺、無損探測等監(jiān)測感知效應量與大壩病害特征的映射關系，以及多源感知信息的時空連續(xù)關聯(lián)準則，提出庫壩病害特征驅動的大壩感知儀器優(yōu)化布置方法，形成庫壩安全透徹監(jiān)測感知協(xié)同優(yōu)化技術與方法。研究監(jiān)測感知要素可靠性以及要素之間的互補互證關系，建立多源感知信息時空關聯(lián)準則，提出庫壩時空連續(xù)、全要素安全信息透徹感知技術與方法。采用智能優(yōu)化算法，融合三維可視化技術，完善庫壩透徹監(jiān)測感知體系優(yōu)化設計，加大庫壩自診斷和外檢測新技術應用，結合北斗、InSAR、無人機等監(jiān)測感知新技術，構建“天空地水工”一體化庫壩智能監(jiān)測感知體系，實現(xiàn)對庫壩全覆蓋、全要素、全天候、全周期精準監(jiān)測感知。

2.研發(fā)智能監(jiān)測感知儀器設備與技術

融合高精度感知、抗電磁抗干擾技術以及精密制造工藝，研發(fā)具有多參數(shù)、無線一體化、高精度、實時傳輸，且具備自診斷、自校準、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)測感知技術創(chuàng)新與發(fā)展，研發(fā)升級圖像識別、機器視覺、光纖、MEMS等新型監(jiān)測感知技術與裝備。開展基于邊緣計算的智能型采集設備與采集終端研發(fā)，提升現(xiàn)場監(jiān)測反饋能力和效率。研發(fā)儀器故障智能識別模型、儀器性能劣化模型、儀器服役壽命智能預測模型，提出儀器健康特征指標及評估方法，形成埋入式監(jiān)測儀器故障智能診斷、修復成套技術。研發(fā)智能監(jiān)測感知儀器設備計量檢定設備，建立儀器設備量值準確性、穩(wěn)定性等性能指標體系。

3.建立多源多模態(tài)監(jiān)測感知數(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、數(shù)據(jù)整合等數(shù)據(jù)智能治理技術研究。挖掘庫壩多源多模態(tài)監(jiān)測感知數(shù)據(jù)特征信息，建立傳感器型、文本型、視覺型等多源異構監(jiān)測感知數(shù)據(jù)的分類準則，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。針對多源監(jiān)測感知數(shù)據(jù)干擾信息多、可靠性低等問題，研究構建強干擾背景下多源視覺型數(shù)據(jù)治理技術。研究同模態(tài)異構數(shù)據(jù)特征提取與可靠度提升治理方法，提出多模態(tài)異構數(shù)據(jù)的互證治理方法，形成多源異構數(shù)據(jù)智能識別方法。研究傳感器時序數(shù)據(jù)主趨勢線和跳動特征識別方法，建立基于卷積神經網絡的異常值治理方法。研究多源信息分解、消噪和表征模式，構建多維數(shù)據(jù)融合標準模型，實現(xiàn)多源異構監(jiān)測感知數(shù)據(jù)融合。

4.加強智能監(jiān)測感知新技術與設備工程應用

推進北斗GNSS、測量機器人、合成孔徑雷達、光纖類傳感器、微震監(jiān)測等監(jiān)測感知新技術與設備的研發(fā)應用，以及無人機、圖像識別監(jiān)測等廣域大尺度非接觸式監(jiān)測技術的工程應用，支撐構建現(xiàn)代化水庫運行管理矩陣、智能大壩建設等。推廣北斗短報文、衛(wèi)星電話、高通量衛(wèi)星、散射通信等通信技術，建立應急情況通信通道，保障監(jiān)測感知數(shù)據(jù)全天候傳輸。強化差阻式、振弦式等埋入式儀器在采集與數(shù)據(jù)處理端實現(xiàn)智能監(jiān)測感知，提高監(jiān)測自動化水平，減少儀器使用故障。組織以數(shù)字孿生和人工智能為基礎的安全監(jiān)測饋控決策平臺化研發(fā)應用，實現(xiàn)對庫壩安全運行性態(tài)進行智能分析診斷、預測預報和決策支持。

5.健全庫壩智能監(jiān)測技術標準體系

圍繞加快發(fā)展新質生產力、支撐水利高質量發(fā)展，立足數(shù)字孿生水利工程、現(xiàn)代化水庫運行管理矩陣、智能大壩等建設要求，健全庫壩安全監(jiān)測感知技術標準體系。推進庫壩安全智能監(jiān)測、已建大壩智能化改造，以及監(jiān)測感知數(shù)據(jù)傳輸匯集、治理融合等全鏈條技術標準研究編制。研究編制監(jiān)測感知儀器設備產品技術標準、計量檢定方法標準，規(guī)范監(jiān)測感知儀器設備設計、開發(fā)、生產、應用和維護等各環(huán)節(jié)工作。

結語與展望

水庫大壩安全監(jiān)測的發(fā)展歷程，是從人工到自動化，再到信息化、網絡化，最終邁向智能化、智慧化的過程，其核心驅動力是技術進步和管理需求提升。傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測模式在保障水庫大壩運行中發(fā)揮了重要作用，但面對日益復雜的風險挑戰(zhàn)，以及新一代信息技術的廣泛應用，構建“天空地水工”一體化庫壩智能監(jiān)測感知體系，正重塑水庫大壩安全監(jiān)測和運行管理新范式。

未來，庫壩安全智能監(jiān)測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、顛覆性技術，監(jiān)測體系向全域化、智慧化、協(xié)同化方向深度演進，儀器設備向芯片級、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、長壽命、智能化方向迭代。人工智能將深度滲透融合和驅動海量監(jiān)測感知信息高效挖掘與風險超前精準預判，必將加快支撐構建更加智慧的庫壩透徹感知、分析診斷、預測預警、決策饋控等全鏈條的安全監(jiān)控與運維體系，為提升國家水安全保障能力提供堅實支撐。

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：

高長勝，劉成棟，李登華，.庫壩安全智能監(jiān)測感知體系構建與實踐[J].中國水利，2025（16）：72-80+90.

封面攝影馬貴安

責編王慧

校對楊文杰

審核楊軼

監(jiān)制李坤

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