以智能大坝理念引领坝工技术发展

以智能大坝理念引领坝工技术发展

引言

大坝是人类顺应河流、治理河流和利用河流的伟大创举，是人类工程智慧的结晶，具有防洪、供水、发电、航运、生态等多种功能，发挥着巨大的综合效益。但随着全球气候变化不断加剧、人类活动影响不断增强、工程服役龄期不断增长，溃坝事件在世界各地时有发生，灾难性后果影响巨大；同时防洪、供水、发电、航运、生态等综合利用要求越来越高，可持续发展面临挑战。面对保障高质量发展和高水平安全时代需求，在新一代信息技术蓬勃发展背景下，应用智能技术赋能大坝工程已成为历史必然。

我国正在致力于推进智能大坝建设，不断提升水库大坝现代化建设运行管理能力。2025年5月21日，在四川成都举办的国际大坝委员会第28届大会上，水利部部长李国英作主旨报告，并为中国水利水电科学研究院编写的《智能大坝理念与实践》新书发布揭幕；李国英部长在报告中阐述了智能大坝的内涵、目标、实施路径和核心特征，明确指出“构建智能大坝是应对风险挑战、把握时代之变、塑造发展动能的关键之举”，提出的“以智能大坝为引领，推动全球坝工事业高质量发展”倡议获得国际社会广泛响应。

本文从保障高质量发展和高水平安全的需要出发，进一步阐释智能大坝的建设需求、基本概念和功能作用，探讨智能大坝的构成和技术体系，提出了智能大坝分级标准，对未来发展趋势进行了展望。

智能大坝的建设需求

1.保障高水平安全的迫切需要

我国大坝数量多、分布广，对于保障人民生命财产安全、促进经济社会发展至关重要。我国政府高度重视大坝安全，开展了大规模除险加固工作，实施了构筑雨水情监测预报“三道防线”、提升水库大坝安全监测能力、建设数字孪生工程、构建现代化水库运行管理矩阵等一系列工作，有效提升了大坝安全保障水平，2022年以来未发生溃坝事件。但我国大坝80%以上修建于20世纪50—70年代，存在设计标准低、设施不配套、工程老化劣化等问题。同时，近年全球极端天气事件呈现趋多趋频趋强态势，大坝面临极端暴雨、超标准洪水等非常规极端事件的威胁，全球已发生了多起影响巨大的溃坝事故。上述工程本体因素和外界环境因素都会增加溃坝风险，传统手段难以有效预判和防控，需要综合采用各种手段，尤其是智能化手段有效提升工程监测感知、安全分析、预警预判、应急处置和综合防控等安全管理能力，确保大坝安全稳定运行。

2.保障工程效益充分发挥的核心支撑

大坝工程在实际运行中需要统筹考虑防洪、供水、灌溉、发电、生态、航运等不同需求，因库容有限，难以全部满足，需要在保证大坝安全条件下进行多目标决策调度实现工程效益的“帕累托最优”。水库大坝的运行往往受上下游、左右岸的制约并对上下游、左右岸产生影响，尤其以大坝群模式运行时水库大坝之间需要精准调度、协同运行，才能更好地发挥工程效益。但受限于技术水平和方法，现有调度方案往往仅为局部最优，难以有效保证水库大坝综合效益充分发挥，急需采用智能化手段予以支撑。智能大坝可以通过智能化手段有效提升工程管控效率和运维水平，提升多目标决策的科学合理性，在实现单个大坝工程效益充分发挥的同时，加强水库坝群的互联互通和协同融合，强化梯级联合调度，实现水库大坝群效益的最大化发挥。

3.发展水利新质生产力的重要载体

大坝是技术密集的水利工程，在设计、建设、运行等各阶段涉及工程材料、工程结构、机电设备、自动控制等多个领域。实践中，大坝工程建设与智能技术的融合已有效催生了智能建造技术，如智能碾压、智能温控、智能灌浆等，促进了水利工程建设领域的转型升级，推动了新质生产力发展。智能大坝建设依赖于人工智能、传感器、遥感技术、高效算法、信息融合、自动控制等多种前沿技术的创新突破和集成应用，不仅能够实现大坝工程的进一步优化升级，也将实现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，进而发展水利新质生产力。

智能大坝的发展历程和发展现状

1.发展历程

大坝工程历史悠久，但大坝工程的数字化、智能化发展探索主要在近20年。下图为以智能、大坝为主题词的历年论文发文量情况。

▲以智能、大坝为主题词的历年论文发文量

2005年之前，大坝工程智能化概念主要针对安全监测监控，个别文献涉及智能材料、智能装备。

2005—2020年，数字大坝理念逐渐形成。初期，数字大坝主要指在安全监测仪器监控之外增加数字监控并适当扩充用于大坝管理的系统；后期，数字大坝扩展用于大坝工程建设信息的收集、存储和管理，一批数字大坝工程管理系统建成，包括糯扎渡、梨园、长河坝、鲁地拉等水电站数字大坝。同时，在施工仿真、温度仿真等基础上，逐渐形成智能碾压、智能温控等智能建造技术。基于数字大坝和智能建造，智能大坝的概念逐步形成，但这一阶段的智能大坝主要聚焦于大坝坝体自身的监测仿真、施工管理和预警控制，实现对施工人员、工程质量、工程安全的智能管控，实质上可以理解为大坝工程的智能建造，而大坝工程的智能运维和效益发挥涉及较少。

2020年后，数字孪生概念在大坝工程中逐渐应用并推广，目的是实现水利工程运行管理的全过程监管和控制。2022年，水利部印发《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》，明确了数字孪生水利工程建设内容和建设方法。基于该技术导则并结合工程实际，三峡、小浪底、大藤峡、万家寨等工程开展了数字孪生大坝工程建设，显著提高了工程运维和调度的智能化水平，取得了良好成效，为智能大坝理念提升提供了基础。

2025年，《智能大坝理念与实践》在国际大坝委员会第28届大会暨第93届年会上正式发布，比较系统地阐述了智能大坝的理念。钟登华、周创兵等从不同角度对大坝工程智能化或智能大坝进行了解析，提出了发展建议。钟登华等也提出了智慧大坝的概念，即以数字大坝为基础框架，以物联网、智能技术、云计算与大数据等新一代信息技术为基本手段，建立动态精细化的可感知、可分析、可控制的智能化大坝建设与运行管理体系，该体系具有整体性、协同性、融合可拓展性、自主性和鲁棒性特点，与智能大坝概念基本一致。《中国水利》杂志推出的《大坝建设运行管理的中国实践》专辑，对智能大坝的建设意义、内涵、要求、思路、设计、建造、标准、实践等进行了专题探讨，进一步完善了智能大坝的理念体系。

2.发展现状

智能大坝因智能化要求和特点，在设计、建造、运行管理方面都与传统大坝存在显著差异，近年的发展现状如下。

设计方面，一是提出并发展了数字孪生大坝的设计原则和要求，包括数字孪生平台、信息化基础设施、业务应用等方面，为智能大坝建设奠定了基础；二是研发了基于BIM技术的设计施工一体化管理技术和平台，保证了大坝工程几何特性、材料性能、监测设备等基础信息的完整可靠；三是提出并持续完善“天空地水工”一体化监测感知体系，助力工程透彻感知。

建造方面，一是研发了智能碾压、智能温控、智能灌浆等成套技术装备，保障了大坝工程本体高质量建设；二是研发了施工进度仿真、工程性态仿真等技术及软件，实时分析评估并优化调控大坝工程设计和施工进度；三是研发了数字大坝管理系统，实现全环节、全要素信息化集成管控，为智能大坝建设奠定数据基础。

运行管理方面，一是初步建立了监测检测、信息传输和融合分析的感知技术体系，实现水库-大坝-河道信息的透彻感知和实时分析；二是持续发展数据-机理-知识多元驱动的智能分析方法，研发了基于神经网络、有限元仿真、垂直领域大模型等的工程分析评估和诊断决策模型；三是研发了针对大坝破损渗漏、白蚁等害堤动物的智能处置技术装备和材料，开展智能化修复处置；四是研发了数字孪生大坝或智能大坝系统平台，集成感知、分析、处置技术及装备，在三峡、小浪底、大藤峡、万家寨等工程中应用。

上述几方面的研究探索有力推动了行业技术发展，也为智能大坝建设提供了良好支撑。

智能大坝的含义

目前，围绕智能大坝的建设意义、内涵、要求、思路、特征、目标、标准体系、发展阶段等已有一些初步探讨，取得了一定进展，但智能大坝的基本概念、架构体系、功能作用需要进一步明确。

1.基本概念

智能大坝以物理大坝为基础、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对水库大坝性态全要素和运行管理全过程进行数字化映射、智能化模拟，实现大坝建设运行全生命周期透彻监测感知、智能分析预测、前瞻决策支持，保障大坝安全高效可持续运行。

时间维度上，智能大坝主要面向工程运行期，服务于工程运维和调度，实现安全保障水平和效益发挥水平双提升。在大坝设计和建造期，智能大坝是建造物理实体的手段，尤其是数智设计和智能建造可以有效提高物理实体的建设质量和效率，提升物理大坝的本质安全水平，同时提供大坝材料、结构、质量、性态、设备仪器等基础信息。

空间维度上，智能大坝是个广义的概念，除大坝工程本身外，还包括其上下游、左右岸，其中上游主要指影响大坝工程使用的水库，下游主要指受工程调度影响程度较大的河道，左右岸的近坝岸坡也属于智能大坝覆盖范畴。

物理维度上，智能大坝涵盖工程物理本体及附属的设备设施等硬件，同时包括电力、通信以及各种算法、模型、系统平台等软件。其中硬件尤其是设备设施应适应智能化运行需求，软件是大坝工程智能化运维和调度的关键。

目标维度上，与传统大坝工程相比，智能大坝要实现高质量发展和高水平安全的良性互动，支撑安全大坝和生态大坝建设。一是在日常运行过程中，有效发现并及时消除工程风险隐患，确保大坝功能正常发挥和长期耐久运行；二是在保证大坝安全的前提下，最大程度提升大坝工程的效益发挥能力，支撑高质量发展；三是通过充分发挥综合效益和利用生态调控手段，助力维护生态平衡，实现可持续发展。

特征维度上，一是智能大坝主要通过数字孪生的方式来实现，具有交互性、实时性和预测预判性等特征；二是智能大坝具有自主性，这是区别于传统大坝的具体体现，当前自主性程度存在差别，涵盖局部简单运维任务到复杂的联合决策控制等，需要持续改进、调整和完善，逐步实现整体的智能化。

层级维度上，智能大坝客观上存在不同的智能化程度，应按照智能化程度进行分级，便于政府行业管理、企业产品开发和工程运维管理。

2.架构体系

智能大坝由工程物理体系、工程感知体系、分析诊断体系、决策控制体系、信息网络体系组成，构成自洽循环的具身智能体，架构组成见下图。

▲智能大坝架构体系

逻辑关系上，工程物理体系是载体和前提；工程感知体系和信息网络体系是基础，部署于工程物理体系中；分析诊断体系和决策控制体系是核心，依赖于工程物理体系、工程感知体系和信息网络体系。五大体系通过信息流与控制流的实时交互，形成“感知—分析—决策—控制—反馈”持续优化闭环。

工程物理体系是智能大坝的载体，是智能化手段的赋能对象，主要包括大坝工程相关的挡水、泄水、输水、供水、航运、发电等建（构）筑物，闸门、启闭机、机组、通信、监测等附属设备设施，以及上游水库、下游河道、工程边坡等。

工程感知体系是智能大坝的“五官”，主要是“天空地水工”一体化全要素全天候动态监控体系，包括工程本体的监测体系、工程相关环境信息的感知系统，还涉及一些外部信息或共享信息，支撑实现对大坝及相关建（构）筑物性态、设备设施运行状态、周边环境和人类活动情况等信息的透彻感知。其所采集的原始数据通过信息网络体系实时上传，为分析诊断提供源头输入，同时执行决策控制系统下达的感知指令。

分析诊断体系是智能大坝的“大脑”，主要包括机理驱动模型、数据驱动模型等分析系统，以及相应的评估诊断指标等诊断系统。分析系统中，物理模型涉及理论方法以及数值分析方法；数据模型涉及统计模型、智能模型等。分析系统结合诊断系统中的相应评估诊断指标，用于实现评估、诊断和预测性分析。该体系的高效运行依赖于信息网络体系提供的低延时、高带宽通信与强大算力支持，确保能够对大坝性态及环境变化进行在线实时仿真与快速预测，满足控制决策的时效性要求。

决策控制体系是智能大坝的“四肢”，主要包括决策系统和执行系统。其中，决策系统主要依据分析诊断结果，利用知识库、规则库与优化算法等决策模型生成调控方案或处置策略；执行系统基于决策方案，驱动闸门、启闭机、机组等可控设备设施进行精准操作与自动调控。该体系形成的控制指令通过信息网络体系可靠下达至执行单元，同时，通过工程感知体系实时捕获执行效果与设备状态等反馈信息，并将其再次汇入分析诊断体系，进行效果评估与策略优化，从而实现“决策—控制—反馈”的闭环控制，确保智能大坝行为的自适应与持续改进。

信息网络体系是智能大坝的“神经”，包括存储系统、传输系统、计算系统、网络安全系统等，用于支撑智能大坝的数据存储、传输、计算和网络安全。该体系通过高速通信技术保障感知数据与控制指令的实时、可靠传输；通过云边端协同计算架构为分析诊断与决策控制提供分级算力支撑（如边缘计算节点处理本地实时控制任务，云计算中心承载复杂模型训练与大数据分析）；通过统一的数据总线与服务平台，实现五大体系间数据与信息的无缝交互与共享，是构建自洽循环智能体的关键纽带。

3.功能作用

智能大坝功能作用是指在传统大坝功能作用基础上因智能化提升而形成的功能和作用。

智能大坝主要具有透彻感知、智能分析、自主馈控、自主学习功能，用于支撑工程的现状评估、未来预测、决策优化以及未来的自主维护、自主控制。①透彻感知是智能大坝的基础功能，是利用监测技术、检测技术、外部信息共享及数字孪生平台的数据集成等，对大坝工程、上游库区、下游河道等的工程建（构）筑物、附属设施设备、环境和人类活动等进行全范围、全过程、全要素的感知。其中全范围、全过程、全要素的透彻感知是一个相对概念，与智能大坝发展程度或阶段直接相关，也与对大坝工程的认知程度直接相关，范围、过程、要素需要不断的动态调整和完善。②智能分析是智能大坝的关键功能，是基于数字孪生平台，利用机理驱动模型、数据驱动模型和相应的评估诊断指标，对大坝结构安全性态、设备设施运行状态、工程效益发挥情况等进行自主“正向—逆向—正向”推演分析和诊断，实现大坝工程运行状况和效益发挥情况的智能化评估、预测、预警。③自主馈控是智能大坝的核心功能，涉及工程性态调控、设备状况调整、工程调度优化、危险或隐患处置等。在透彻感知和智能分析的基础上，基于决策模型形成控制方案，推送至智能控制系统或运维机器人、智能化设备设施等，驱动执行，并能够根据环境变化或预设条件自动调整操作，以确保安全、优化性能或提高效率。④自主学习是智能大坝的远期功能，即智能大坝在长期运行过程中不断升级智能化系统，具备自我训练和优化能力，决策控制效率、精度、可靠度等持续提升。

智能大坝的作用主要体现在进一步提高大坝安全保障水平和综合效益发挥水平。①在进一步提高大坝安全保障水平方面，一是日常运行中准确诊断和优化调整大坝工程结构性态和安全状态，及时处置工程风险隐患和缺陷；二是及时预警并处置设备设施故障，提前更换不良设备或部件，持续优化调整运行方式；三是面临洪水、泥石流、地震、爆炸等极端情况以及人为破坏时，智能判别响应级别并启动应急预案，实现大坝工程智能化协同控制。②在进一步提高综合效益发挥水平方面，综合考虑大坝防洪、供水、灌溉、航运、发电、生态、环境等部分或全部要求，基于大坝工程调度系统目标、约束条件、边界条件等，持续优化调度方案并执行，既能保证大坝及上下游防洪安全，又能保证大坝工程的综合效益最大化，实现综合智能调度。

综上，智能大坝利用工程物理体系、工程感知体系、分析诊断体系、决策控制体系、信息网络体系五大体系，形成透彻感知、智能分析、自主馈控、自主学习的新型功能，综合考虑大坝安全和调度目标、约束条件、边界条件等，在保证大坝及上下游防洪安全的前提下，实现工程综合效益最大化。

智能大坝分级

受限于技术、政策、资金、认识等制约和挑战，智能大坝建设需要分阶段逐步推进，并持续改进提升。为更好地指导和支撑工程建设，依据监测感知体系的完备性、分析诊断方法的实时和交互性、决策控制和调控的自主性，将智能大坝划分为初级、中级和高级三个发展阶段，较好地支撑了智能大坝的发展，但缺乏可执行的智能大坝智能化程度分级标准。参照智能驾驶、AI智能体、智能网联道路系统等的分级标准，将智能大坝分为5个级别，分别定义为L0无智能化、L1单一功能智能化、L2多项功能智能化、L3限制条件下智能化、L4全功能智能化，具体见下表，可为智能大坝规范编制和技术要求制定提供框架和参考。

▲智能大坝分级

需要说明的是，上述分级标准是一个通用性框架，在将其应用于土石坝、混凝土坝、拱坝等不同坝型，以及大型、中型、小型等不同规模的工程时，其技术内涵和建设路径需结合具体工程特点进行适应性调整。

对于不同坝型，工程结构和安全核心关切不同，智能化的侧重点因此也存在差异。例如，土石坝的智能化感知与分析需重点关注漫顶风险、渗流、变形等大坝性态指标的长期演变，其感知体系的部署密度与分析诊断模型的选择需与此相适应；混凝土重力坝和拱坝则更侧重对应力应变、扬压力及坝体与基岩联合作用的精确模拟和实时反馈，其分析诊断体系对模型的机理性和计算精度要求更高。因此，在应用智能大坝分级标准时，同一级别下不同坝型所要求的具体感知要素、诊断模型精度与控制策略会因其内在机理差异而有所不同。

对于不同规模的工程，其智能化路径的选择受投资效益、技术复杂度和管理需求的综合影响。大型水利枢纽工程通常功能重要、结构复杂、社会影响巨大，其智能化建设往往追求更高的级别（如L3或L4），并倾向于采用更全面、更先进的技术方案，以实现综合效益最大化与风险精准防控。中小型工程则更注重实用性与经济性，可采取分步实施的策略，优先在安全监控、汛期调度等关键环节实现智能化（如L1或L2），而非追求全面的高级别智能。因此，分级标准在实际应用中应具备一定弹性，允许不同规模工程在满足基本安全要求的前提下，根据自身条件选择差异化的智能化发展路径与升级节奏。

结语

随着科学技术的进步，大坝建设和运维经历了人工化、机械化、自动化和数字化的发展阶段。当前，新一代信息技术蓬勃发展，传统产业和新兴技术的融合越来越深入，催生了智能交通、智能航运、智能农业、智慧城市等一系列新业态、新模式，大坝工程智能化是技术发展的必然趋势，也是社会发展的必然要求，智能大坝是大坝工程智能化发展的必然结果。智能大坝建设涉及工程规划设计、建造、运行各环节，依赖于传感技术、检测技术、智能算法、自动控制、智能材料、机器人等多种前沿技术和产品的创新突破，需要基于大坝工程现实条件和特点，分类分阶段推进建设，并在应用中持续迭代升级，最终实现安全大坝、生态大坝、智能大坝的目标。

Abstract: China is a major country in dam engineering construction. Under the background of intensified global climate change and increasing human activities, ensuring the long-term safety and sustainable and efficient operation of dams has become a major challenge. Building smart dams is a key initiative to address risks, adapt to the changing times, and foster new development momentum. The rapid advancement of new-generation information technologies provides both opportunities and conditions for the innovation and development of concepts, methods, and technologies for smart dams. This paper elaborates on the needs for constructing smart dams from three perspectives: ensuring high-level safety, maximizing benefit performance, and developing new quality productive forces in water conservancy. The definition of smart dams is explained across six dimensions: time, space, physics, objectives, characteristics, and hierarchy. A framework system comprising five subsystems is constructed: the engineering physical system, engineering perception system, analysis and diagnosis system, decision-making and control system, and information network system. The main functions of smart dams are identified as comprehensive perception, intelligent analysis, autonomous feedback and control, and self-learning, all of which contribute to further improving dam safety and enhancing overall benefits. Based on development stages and according to the levels of perception, analysis, and control, a five-level classification standard is proposed, providing conceptual and technical support for smart dam construction

Keywordssmart dam; system framework; engineering safety; efficient operation; classification standard; intelligence; new quality productive forces

本文引用格式：

刘毅，周秋景，赵运天.以智能大坝理念引领坝工技术发展[J].中国水利，2025（20）：29-36.

封面供图广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司

责编王慧

校对｜董林玥

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监制李坤

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