澜沧江流域水电站大坝智慧管理实践与展望

马洪琪 ，卢 吉 ，陈 豪 ，2

（1.华能澜沧江水电股份有限公司，650214，昆明；2.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，210098，南京）

水电是重要的清洁能源。随着我国能源供给结构的调整和 “西电东送”战略的实施，我国西部地区各大流域上陆续建设了一批各类型高坝，诸如以小湾、锦屏I级、溪洛渡等为代表的特高混凝土拱坝，以糯扎渡、两河口、双江口等为代表的超高心墙堆石坝，以水布垭、猴子岩、古水等为代表的高面板堆石坝，以龙滩、光照、黄登等为代表的高碾压混凝土重力坝。全面有效地提升各类高坝的施工质量与运行管理水平，是保障国计民生和经济发展的根本需要。

2018年2月，水利部颁布了《加快推进新时代水利现代化的指导意见》，为全方位推进智慧水利建设指明了方向，提出围绕全要素动态感知、高速水利信息网络、水利分级基础云平台和高度集成大数据中心等开展智慧水利建设，依托现有水利信息化建设项目，优先推进大坝安全监测、河湖管理等智慧建设。新建工程把智慧化建设内容纳入设计方案，同步实施，同步发挥效益。已建工程加快智慧化升级改造，大幅度提升水利设施智慧化管理和服务水平。

近年以“数字大坝”施工实时控制关键技术的成功研发并在澜沧江糯扎渡、金沙江梨园、大渡河长河坝等多个重大水电工程建设投入使用为代表，我国大坝建设管理全面进入了数字化阶段。随着智慧城市、智慧水利等概念的推出和各行业智慧化规划与建设工作的开展，水电站大坝建设和运行也开始从数字化管理向智慧化管理探索迈进。各流域水电开发主体在大坝智慧管理方面，持续进行了积极探索和有益尝试。

中国长江三峡集团有限公司针对溪洛渡、白鹤滩等大坝建设，以大坝全景信息模型DIM和智能化建设协同平台iDam为核心，建设了一个集网络、硬件、软件、项目参建各方和专家团队为一体的综合性人机交互系统，从iDam对海量施工数据的实时采集与传输，到DIM的记录、分析，再到智能设备与软件的控制，形成了涵盖混凝土施工、温控、灌浆、金结、监测、仿真分析、预警预控等大坝工程建设的“感知—分析—控制”全过程闭环管理。此外，针对大坝运行，建设了覆盖金沙江流域已建、在建水电工程的安全监测集中共享统一数据平台，为监测数据的进一步分析、挖掘、利用和决策支持提供了准确、标准的数据支持。国电大渡河流域水电开发有限公司开展了双江口水电站智能大坝工程技术研究，基于施工进度智能控制、施工质量智能反馈及灌浆施工过程智能监控，集成了智能大坝系统，实现了双江口水电站大坝施工全过程的实时管控及智能反馈分析，确保了大坝筑坝质量处于受控状态，为打造智慧水电工程奠定了技术基础。雅砻江流域水电开发有限公司结合雅砻江公司水电开发的业务需求开展了深化研究与应用，建设了流域水电全生命周期数字管理平台，通过3DGIS与BIM在统一平台中的深度高效融合，形成了一套多层次、跨系统、面向流域水电建设和运行管理的应用与分析技术，实现了包括水电工程建设、大坝运行管理、电力生产、梯级调度、移民环保等水电开发核心业务的动态监管与集成展示。

一、水电站大坝智慧管理目标与基本特征

智慧，是一个相对概念和过程概念，其定义中包含感知、记忆、理解、知识、逻辑、辨别、计算、分析、判断、决定等多种能力。结合国家智慧水利建设指导意见和当前水电开发在大坝智慧管理方面取得的初步进展，本文对未来一段时间内水电站大坝智慧管理的实现目标与基本特征进行如下归纳。

1.目标

水电站大坝智慧管理是以实现大坝从建设到运行各阶段的数字化、网络化、信息化、标准化、集成化、智能化为目标，采用物联网、大数据、云计算、人工智能为支撑技术，形成一种具备数字感知与存储、信息互联与融合、智能诊断与预测、智慧决策与反馈等特征的大坝业务综合管控模式，全面提升大坝全周期管理的安全性、可靠性、前瞻性、时效性、灵活性。

2.基本特征

针对水电站大坝智慧管理目标，将其基本特征概括为数字感知、信息互联、智能诊断、智慧决策四个方面，各方面特征有机结合、紧密联系，都是水电站大坝智慧管理不可或缺的组成部分。

（1）数字感知

数字感知是大坝智慧管理的基础。以快速获取高分辨、全序列、高时效的大坝全周期工况所有要素数据为目标，综合运用多元传感、控制测量、卫星定位、激光扫描、雷达监测、声波探测、视频图像采集等监测技术和5G、WiMAX、MSTP、卫星通信等技术，建立“天—空—陆—水”立体协同、物物联动的大坝工况、内外缺陷和潜在风险的监测体系，实现适应大坝建设和运行各阶段的全要素立体感知。

（2）信息互联

信息互联是大坝智慧管理的纽带。以深度融合大坝全要素感知数据和社会多源大数据为目标，通过数据清洗、数据同化、数据转化、数据组织和数据访问控制，进行多时空尺度下异构数据有效融合与协同处理结合的信息提取，实现大坝监控系统、数据中心、业务应用软件的互联互通，多源数据的高效融合与信息一体化协同。

（3）智能诊断

智能诊断是大坝智慧管理的支撑。以准确诊断大坝健康状态，精确预测风险趋势为目标，采用机器学习、模式识别、智能计算、自动推理等人工智能技术构建面向大坝管理主题要素的知识图谱，自动挖掘面向大坝主题信息中蕴含的关键要素、节点、工序、参数、边界和关系，建立数据驱动的大坝运行工况与健康状态的动态映射关系及业务精细化模型，评估大坝工作状态、推断结构和缺陷劣化趋势、预测风险演化进程，全面提升大坝建设与运行各类工况诊断的实时性、准确性和有效性。

（4）智慧决策

智慧决策是大坝智慧管理的核心。以建立状态诊断、风险预判、方案趋优、决策支持的全流程大坝建设和运行管理模式为目标，利用系统仿真、虚拟现实、三维BIM、空间分析等技术，在大坝工况精细模拟与风险演化精准预测的基础上，进行基于多要素的历史情境相似模式匹配，快速生成即时状态监测—场景模拟仿真—处置措施响应的耦合方案，并进行持续迭代与完善，构建基于主动服务的大坝多目标管控综合评估优化方案推荐，为大坝管理提供智慧决策支持。

紧密围绕大坝智慧管理四个特征开展持续研究，逐步实现大坝管理模式由事后故障处理到事前隐患预防的根本转变，全面强化大坝风险控制能力，有效提升大坝建设与运行的安全性、可靠性、预见性、时效性、灵活性。基于基本特征描述的大坝智慧管理总体架构如图1所示。

二、澜沧江流域水电站大坝智慧管理实践

华能澜沧江水电股份有限公司（以下简称澜沧江公司）主要以澜沧江流域水电开发为主，目前已在澜沧江干流建成了包括世界首座300 m级高拱坝、超高心墙堆石坝和高碾压混凝土重力坝等代表性坝型在内的11座大型水电站，公司总装机规模达到2044.38万kW。

澜沧江公司依托牵头承担的国家“十二五”科技支撑计划“重大水电开发工程关键技术与生态环境保护研究及集成示范”项目，分别以黄登水电站碾压混凝土重力坝和小湾水电站混凝土双曲拱坝为试点，在大坝建设与运行智慧管理方面开展了研究与探索。

1.大坝建设智慧管理实践

黄登水电站大坝是已建成的世界最高碾压混凝土重力坝，最大坝高203 m。澜沧江公司结合黄登大坝建设，研发了我国首套碾压混凝土重力坝施工智能控制及管理系统，向大坝建设智慧管理方向迈出了关键一步。

图1 水电站大坝智慧管理总体框架

图2 大坝施工智能控制及管理系统架构

（1）主要特点与系统架构

基于前述的水电站大坝智慧管理基本特征，黄登碾压混凝土重力坝施工控制及管理信息系统在数字感知方面，采用了卫星定位，振动、温度、流量、压力传感器，移动终端等各类感知手段，构建了从混凝土生产、碾压、坝体温控、基岩灌浆、工程信息管理等全流程覆盖的数字感知体系；在信息互联方面，在建成枢纽施工区WLAN全覆盖网络的基础上，以统一的数据标准和数据访问接口构建统一的数据中心，实现了大坝施工各类型多工种数据的集中存储与业务信息有效融合；在智能诊断方面，通过大坝施工过程实时评估，坝体智能温控，基岩灌浆实时控制等模型的研发，并与相应的施工过程质量管控系统形成联动机制，实现大坝建设关键环节与工序的即时分析、评价和控制。通过开展建设阶段大坝数字感知、信息互联、智能诊断方向的研究与实践工作，为今后突破大坝建设智慧决策技术奠定了坚实基础。黄登碾压混凝土重力坝施工控制及管理信息系统架构如图2所示。

（2）研究成果

①大坝混凝土碾压实时监控。通过实时监控大坝仓面混凝土拌和生产、混凝土碾压机运行轨迹、行走速度、碾压遍数、摊铺厚度、激振力等施工数据，建立完善的“监测—分析—反馈—处理”施工控制模型，对违反标准工艺要求的工作环节和过程进行实时报警并及时修正，实现对碾压混凝土大坝施工全过程的有效监控，见图 3（a）。

②坝体混凝土层间结合精准控制。通过现场移动终端获取仓面碾压混凝土摊铺、碾压过程历时，结合设计施工技术标准，辅以可视化的在线分析手段，提供碾压混凝土暴露时间提示及预警功能，重点突出，环节紧扣，确保仓内各层混凝土均实现热升层结合。

③坝体混凝土温度动态控制。通过实时监控大坝混凝土骨料温度、太阳辐射热、仓面温湿度、风速、出机口温度、入仓温度、浇筑温度、坝区气温、表面温度、混凝土内部温度、通水水温、流量等环境数据，基于大体积混凝土防裂动态温控理论方法，建立高碾压混凝土坝智能监控与通水方案预测模型，配合温控冷却水流量、流向和水温的动态调度，实现对大坝坝体混凝土的降温速率、最高温度、温控时长的有效控制，见图3（b）。

④基岩灌浆质量自动监控。通过自动灌浆记录仪获取灌浆作业面的浆液浓度、灌浆压力、流量、历时等数据，结合设计标准要求和灌浆技术标准，在灌浆监控平台实时掌控现场灌浆作业的动态信息与真实情况，保障了灌浆质量，提升了管理效率。

（3）应用效果

以黄登水电站为试点开展的大坝建设智慧管理研究与实践工作，改变了管理过程粗放、施工质量难以保证等碾压混凝土坝建设现况，解决了混凝土施工碾压、层面结合质量，坝体混凝土温控和灌浆过程等碾压混凝土重力坝建设动态调整与精准控制难点问题，确保了大坝全过程高质量、高效率施工。黄登水电站于2018年8月17日首次成功蓄水至正常蓄水位，首台机组投产发电较工程可行性研究阶段计划节点提前6个月，各项监测成果表明，大坝工作性态正常，坝体未发现温度裂缝，蓄水期总渗流量为国内碾压混凝土坝最小值，低于10 L/s，大坝施工质量优良。

图3 大坝混凝土碾压质量实时监控与智能温控防裂

图4 拱坝运行安全分析与决策支持系统架构

2.大坝运行智慧管理实践

小湾水电站大坝是世界上首座建成的特高拱坝，最大坝高294.5 m。澜沧江公司结合小湾大坝建设，在300 m级拱坝运行安全分析与决策支持方向取得了原创性突破，开展了大坝运行智慧管理探索与实践。

（1）主要特点

基于水电站大坝智慧管理基本特征，小湾拱坝工程安全分析与决策支持系统在数字感知方面，采用了物联传感器、大地测量、卫星定位、移动终端、激光测量、物探检测等多种感知手段，构建了从变形、渗流渗压、应力应变、温度、强震效应、内外观缺陷、环境量等多层次的数字感知体系；在信息互联方面，采用统一的数据模型，建立了基于元数据资源目录，构建了安全监测数据资源的统一组织与管理方法，实现分布、异构数据集成与共享；在智能诊断方面，通过基于滑动窗口的单测点阈值分析、基于实测数据的大坝综合分级评判等模型的研发，并与大坝、监测仪器、主要缺陷等三维BIM场景模型联动，构建分级预警与可视化发布机制，实现大坝运行工况及相应监测系统的即时分析、状态评价、分级响应。通过开展运行阶段大坝数字感知、信息互联、智能诊断方向的研究与实践工作，为后续开展大坝运行智慧决策研究提供了有力支持。小湾拱坝运行安全分析与决策支持系统架构如图4所示。

（2）研究成果

①水工巡检信息一体化管理。通过移动终端快速获取现场水工图像、视频、文本等巡检信息，Server端自动整编水工缺陷数据台账，结合大坝工程部位和管理流程，巡检作业进行任务分组和流程定制，大幅度提升现场大坝巡检作业与缺陷信息内业提取的效率，满足了水工巡检与安全监测数据进一步匹配与融合的需求。

②多源异构监测数据集成。通过自动同步各类大坝安全监测系统测值数据库，将当期监测成果数据实时迁移至成果数据库，并同时整合历史人工监测数据、实时水雨情、工程档案、三维设计模型等数据资源，构建大坝多源异构监测数据集成平台，合理存储和管理各种数据源，为大坝运行期工况评估与分级响应提供综合数据服务。

③大坝工况综合分级评判。通过综合结构计算、统计模型、动态特征值、多点时空分布、规范限值、工程类比等多种方法手段，建立适用于各类监测项目和监测仪器类型的测点安全阈值；按照监测测点、监测项目、大坝分部至整体进行层次分析并赋予分级权重，结合巡检缺陷与物探检测成果，建立大坝监测安全分级综合评价模型，实现对测点测值异常的快速甄别、跟踪复核、动态评判和对大坝运行工况的状态评价与趋势预测，见图5（a）。

④基于全过程可视化的大坝诊断信息分级发布。通过关联运行数据、过程和资源的大坝、监测仪器和巡检成果等三维精细化BIM模型，综合运用空间GIS、智能图表等技术手段，构建针对大坝等业务处理及决策过程的可视化技术框架，结合电站大坝安全管控业务流程和分级报送机制，实现了大坝运行分析过程实时跟踪，见图5（b）。

（3）实施效果

通过在小湾水电站开展的大坝运行智慧管理的研究与实践工作，进一步深化了大坝运行管控模式，为以采集存储、计算整编为主的运行数据信息管理提升至以高效汇集、实时甄别、动态分析、综合评判的工程分析与决策支持，在大坝及相应监测系统的运维保障能力上大幅度提升，在数据实时处理和动态分析功能上有所强化，在大坝运行工况综合评判和水电站安全管理决策支持方面迈进一步，确保了大坝在每年70余m大水位变幅和荷载变动过程中长期处于正常工作状态，大坝工程安全综合评判计算时间减少到5 min内，在2016年、2017年电站两次泄洪中，快速分析诊断能力保障了大坝安全，满足了特殊工况条件下大坝安全评价的时效性要求。

三、总结与展望

本文在对当前智慧水利建设规划、各大流域水电工程大坝智慧管理进展进行总结的基础上，从数字感知、信息互联、智能诊断、智慧决策四个方面，归纳了水电站大坝智慧管理目标、基本特征和总体架构；以流域水电开发背景下的代表性大坝建设与运行为例，介绍了澜沧江水电站建设运行在大坝智慧管理的数字感知、信息互联、智能诊断三个特征方面取得的突破与实践应用，采用多种感知手段，构建了覆盖大坝施工全流程和大坝监测多层次的数字感知体系；通过统一组织与管理方法，实现了大坝施工与运行数据的集中存储与业务信息有效融合；建立与对应管控流程形成联动机制的各类数据驱动模型，实现大坝建设运行工况的即时分析、评价和响应；澜沧江从流域水电开发实际需求出发，结合前文提到的大坝智慧管理四个基本特征，稳步推进水电站大坝建设运行智慧管理实践工作，为后续大坝管理模式在智慧决策方面的整体突破奠定了坚实基础。

大坝智慧管理是未来大坝建设运行全周期管理的主流发展方向，因此后续还应持续对大坝智慧管理的基础理论、关键技术以及应用实践开展重点研究。在基础理论方面，亟需进一步研究完善大坝智慧管理的概念定义、组成要素、主要特征、整体架构、遵循的基本原则，以及各要素、各层级对应的数学描述，逐步形成完备的大坝智慧管理理论体系；在关键技术方面，发展与研究非接触式立体监测、物联网、云计算、大数据、人工智能等技术在大坝领域的应用，重点开展由点及面的监控信息泛在感知，深度互联的物联网数据共享，主动服务的大坝工况智能诊断，分级响应的大坝风险管控决策等方面关键技术的研究与突破，构建高度融合、无缝连接的大坝智慧管理技术体系；在应用实践方面，结合大坝建设运行管理的实际需求，以主要需求重点攻关、成熟技术先试先行的原则，推动大坝建管流程与信息技术深入融合，积极创新大坝建设与运行管理模式，对水电工程组织结构进行调整与改革，稳步推进大坝管理向智慧管理整体迈进。