何 燚

（五河淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233300）

數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得堤防的狀態(tài)監(jiān)測、風(fēng)險(xiǎn)評估、維護(hù)決策等環(huán)節(jié)可以更加全面、科學(xué)地進(jìn)行。例如，傳感器技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測堤防的裂縫、沉降、應(yīng)變等物理狀態(tài)參數(shù)，提供數(shù)據(jù)支持給堤防管理決策者。遙感技術(shù)如衛(wèi)星影像和無人機(jī)可以提供高分辨率的堤防巡查數(shù)據(jù)，幫助快速發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行預(yù)警處理。數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)可以利用大數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方法，對堤防狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測、故障檢測與維護(hù)決策的支持?？梢园l(fā)現(xiàn)，通過引入數(shù)字技術(shù)，我們可以實(shí)現(xiàn)堤防監(jiān)測與預(yù)警的即時(shí)化、精確化，維護(hù)決策的科學(xué)化、準(zhǔn)確化，從而提升堤防的安全性。

1 堤壩管理維護(hù)的重要性

堤壩是我國重要的防洪設(shè)施，其對于河流、湖泊等水體的調(diào)控和洪水防范都起著至關(guān)重要的作用。通過科學(xué)的管理維護(hù)，確保堤壩的完整性和穩(wěn)定性，減少洪水對周邊地區(qū)的破壞，從而保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，堤壩在農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水中也起著重要作用。通過科學(xué)管理，可確保堤壩的正常運(yùn)行和水資源的可持續(xù)利用，從而為農(nóng)田提供穩(wěn)定的灌溉水源，為城市居民提供安全供水。此外，堤壩管理維護(hù)不僅關(guān)乎人類利益，也關(guān)系到生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。其管理維護(hù)可減少水庫淤積現(xiàn)象，保持水質(zhì)清潔，維護(hù)水生態(tài)環(huán)境的生物多樣性，從而促進(jìn)水體的可持續(xù)發(fā)展。另外，堤壩是水電站等重要能源和交通基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。通過管理維護(hù)，可以確保水電站的正常發(fā)電和交通系統(tǒng)的暢通，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供可靠支持[1]。最后，堤壩管理維護(hù)涉及水利工程、土木工程、環(huán)境科學(xué)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用。通過實(shí)踐研究，可不斷改進(jìn)堤壩相關(guān)技術(shù)，為學(xué)科的發(fā)展提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。因此，合理有效地進(jìn)行堤壩管理維護(hù)，對于社會(huì)生產(chǎn)生活具有不可忽視的重要性。

2 傳統(tǒng)堤防管理維護(hù)常見問題

以筆者所在單位城關(guān)管理所為例，堤段位于淮河中下游淮河左岸五河境內(nèi)，管理堤防全長20.233km，上與五河頭鋪段相接，下與江蘇泗洪相連。由于堤防線長面廣，易受到自然的和人為活動(dòng)的影響及損壞，所以堤防的管理既有工程技術(shù)層面的管理，又有社會(huì)層面的管理，相對來講社會(huì)管理難度更大。因而在傳統(tǒng)堤防管理維護(hù)中有以下常見問題。

2.1 數(shù)據(jù)獲取困難

傳統(tǒng)堤防管理主要采用人工巡查和主觀判斷，數(shù)據(jù)收集不及時(shí)、不全面、不規(guī)范，導(dǎo)致人們無法全面了解堤防的實(shí)際狀況和風(fēng)險(xiǎn)情況。同時(shí)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式較為簡單，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析，導(dǎo)致數(shù)據(jù)被浪費(fèi)或被忽視，進(jìn)而導(dǎo)致管理決策和措施的不準(zhǔn)確和遲緩。一方面，傳統(tǒng)的堤防管理方式主要依賴人工巡查下的主觀判斷，這種方式容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集不及時(shí)、不全面和不規(guī)范，容易造成相關(guān)團(tuán)隊(duì)無法第一時(shí)間了解堤防的實(shí)際狀況和可能的風(fēng)險(xiǎn)因素。另一方面，傳統(tǒng)堤防管理對于數(shù)據(jù)處理的處理方式相對簡單，不能進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的深度挖掘。這就導(dǎo)致了大量的數(shù)據(jù)被忽視，無法發(fā)揮直觀表述潛藏著的堤防重要信息，很容易造成管理決策的遲緩。

2.2 以預(yù)防性維護(hù)為主

一方面，傳統(tǒng)的堤防管理采用的是以事后維護(hù)為主，即等到出現(xiàn)問題后才采取突擊性的修繕措施，這不僅增加了維修的成本，還會(huì)增加人員現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，事后維護(hù)方式無法提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)增加。例如，堤防存在泄漏、滲漏、沖刷等問題，如果事后才發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行修繕，這些問題已然導(dǎo)致了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[2]。

2.3 應(yīng)急響應(yīng)遲緩

傳統(tǒng)的堤防管理若遇到突然的災(zāi)難或變故，常常不能迅速響應(yīng)和支持災(zāi)后重建，人員安全保障也難以得到保障。例如，對于發(fā)生突發(fā)事件導(dǎo)致的水位上漲、洪水暴發(fā)等情況，傳統(tǒng)的堤防管理體系往往缺乏準(zhǔn)確預(yù)測和足夠靈活的應(yīng)急響應(yīng)方案，導(dǎo)致維修成本高昂，而且挽回?fù)p失的效果不佳。

3 堤防管理與維護(hù)應(yīng)用中的數(shù)字技術(shù)

為解決傳統(tǒng)堤防管理的不足，數(shù)字技術(shù)被廣泛應(yīng)用于堤防管理與維護(hù)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對堤防狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、科學(xué)管理、合理維護(hù)。具體而言，首先，傳感器技術(shù)可在堤防監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用。例如，裂縫監(jiān)測是堤防管理中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器可以安裝在堤防上，實(shí)時(shí)監(jiān)測裂縫的變化情況，通過數(shù)據(jù)記錄并加以分析，可提供裂縫發(fā)展趨勢，從而完成預(yù)警信息。同時(shí)，在堤壩管理中應(yīng)變監(jiān)測也是一個(gè)重要指標(biāo)，而通過安裝應(yīng)變傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測堤防的變形情況，可為堤防的安全性評估提供支持。其次，遙感技術(shù)，如衛(wèi)星影像和無人機(jī)技術(shù)可提供高分辨率的圖像數(shù)據(jù)，能夠迅速獲取大范圍的堤防信息。獲取到的這些數(shù)據(jù)可用于定期巡查、監(jiān)測變化、檢測潛在問題，并且在地理信息系統(tǒng)（GIS）的支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)堤防巡查的智能化、高效化，為堤防管理決策提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[3]。此外，數(shù)據(jù)分析、人工智能這類技術(shù)也可被廣泛應(yīng)用于堤防管理與維護(hù)當(dāng)中。例如，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可揭示堤防固有的問題，并為維護(hù)計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，數(shù)據(jù)分析還可幫助管理者及時(shí)識(shí)別突發(fā)事件，準(zhǔn)確捕捉變化動(dòng)態(tài)信息，從而最大限度地提高堤防管理效果。同時(shí)，將數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)結(jié)合材料科學(xué)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性評估，利用智能物聯(lián)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)堤防汛期安全運(yùn)行管理、重點(diǎn)部位安全實(shí)時(shí)預(yù)警等功能，從而提高堤防建設(shè)、維護(hù)和管理的科技化水平。

4 數(shù)字技術(shù)的堤防管理與維護(hù)應(yīng)用方向

堤防工程是防洪的屏障，堤防的安全與否直接關(guān)系到保護(hù)區(qū)內(nèi)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)。在新時(shí)期，只有通過數(shù)字技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、行政、法律等多種手段對堤防進(jìn)行管理工作，才能有效維護(hù)堤防工程完整，確保工程安全，充分發(fā)揮地方工程的防洪、排澇、抗風(fēng)浪和風(fēng)暴潮的作用，因而將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于堤防管理與維護(hù)中有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.1 基于數(shù)字技術(shù)的堤防管理系統(tǒng)

該堤防管理系統(tǒng)是針對堤防管理與維護(hù)而開發(fā)的一種智能化系統(tǒng)，通過運(yùn)用傳感器技術(shù)、遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)對堤防狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、維護(hù)決策的科學(xué)支持以及故障的預(yù)測與檢測。管理系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)部分組成：

1.數(shù)據(jù)單元：負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)并處理來自不同傳感器和數(shù)據(jù)源的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過使用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的信息供管理者使用。

2.智能模型：系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)，對堤防的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測、維護(hù)和平衡分析。大量監(jiān)測數(shù)據(jù)可以幫助建立數(shù)據(jù)模型，并利用機(jī)器和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，提供精確的堤防健康狀況預(yù)測、故障檢測與預(yù)防性維護(hù)等決策服務(wù)。

3.可視化交互：系統(tǒng)提供了堤防狀態(tài)的可視化與交互工具，讓管理者能夠快速、直觀地了解堤防狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的決策。常用的可視化工具包括GIS 技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和3D 建模等。

其運(yùn)行流程是系統(tǒng)采用云計(jì)算技術(shù)，支持高效、大規(guī)模、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理(例如數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換和融合)，并運(yùn)用數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)進(jìn)行堤防狀態(tài)的預(yù)測和預(yù)警。此外，堤防管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化與分析工具就是用于解決決策者利用數(shù)據(jù)進(jìn)行決策的嚴(yán)重問題。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助管理者進(jìn)行行動(dòng)方案的演示和風(fēng)險(xiǎn)評估，3D 建模技術(shù)則可以幫助決策者更好地理解堤防狀態(tài)。

4.2 基于數(shù)字技術(shù)的堤防維護(hù)方案

堤防維護(hù)方案是通過運(yùn)用傳感器技術(shù)、遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)問題預(yù)測、主動(dòng)維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)等策略實(shí)施的計(jì)劃。在制定堤防維護(hù)方案時(shí)需要重點(diǎn)注意以下幾個(gè)方面：

1.數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性：方案需實(shí)時(shí)分析來自堤防監(jiān)測傳感器、遙感設(shè)備以及其他數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，以檢測堤防的健康狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)堤防問題的科學(xué)預(yù)測。

2.維護(hù)決策支持：方案需要合理運(yùn)用數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)，為堤防管理者提供精準(zhǔn)的維護(hù)支持決策，從而降低維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)和成本。

3.主動(dòng)維護(hù)與預(yù)防性維護(hù)并行：針對可能出現(xiàn)的問題，方案應(yīng)明確主動(dòng)維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)的具體策略，搶先解決潛在的問題，從而避免更高的維護(hù)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

該方案是利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，將傳感器數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)源的信息集成和處理，為決策者提供全面的決策支持。其中的預(yù)測模型負(fù)責(zé)堤防健康狀況預(yù)測，并結(jié)合GIS 技術(shù)，提供地理位置的數(shù)據(jù)可視化分析，以更好地幫助決策者理解復(fù)雜的堤防狀況。

4.3 基于數(shù)字技術(shù)的堤防風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處理

堤防風(fēng)險(xiǎn)評估與應(yīng)急響應(yīng)是利用傳感器技術(shù)、遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)模型等數(shù)字技術(shù)手段，對堤防可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并采取相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)措施來及時(shí)應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)的一種技術(shù)。在堤防風(fēng)險(xiǎn)評估中，通過監(jiān)測傳感器收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對堤防的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)，利用這些監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，推斷出堤防的變形、水位異常等潛在的風(fēng)險(xiǎn)。并結(jié)合數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用，量化出風(fēng)險(xiǎn)程度，評估可能出現(xiàn)的影響，進(jìn)而幫助決策者以科學(xué)的方式制定風(fēng)險(xiǎn)管控措施。其次，采用智能預(yù)警技術(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型預(yù)測結(jié)果，及時(shí)發(fā)出堤防的告警信號，提醒相關(guān)人員采取行動(dòng)。此外，基于傳感器數(shù)據(jù)和模型分析，幫助決策者確定緊急修復(fù)方案。例如，通過檢測到的變形數(shù)據(jù)，可確定受損的部位第一時(shí)間進(jìn)行修復(fù)，從而降低堤防安全風(fēng)險(xiǎn)。最后，數(shù)字化維護(hù)記錄和維護(hù)工具也可以提供更高效、準(zhǔn)確和可追溯的維護(hù)過程。

5 案例研究

5.1 應(yīng)用案例

近年來，基于數(shù)字技術(shù)的堤防管理與維護(hù)方案已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，以下是幾個(gè)成功案例：

1.蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程：該工程為富春江水庫庫區(qū)回水堤防，其引入新一代的物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、決策分析優(yōu)化、無線寬帶等信息技術(shù)。依托這些新技術(shù)，通過感知化、互聯(lián)化、智能化的方式，將河道堤防資源中的物理基礎(chǔ)設(shè)施、信息基礎(chǔ)設(shè)施、社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等連接起來，從而提高河道堤防管理水平與服務(wù)效率，使之成為可以指揮決策、實(shí)時(shí)反應(yīng)、協(xié)調(diào)運(yùn)作的“智慧化系統(tǒng)”[4]。

2.荷蘭萊茵河堤防智能監(jiān)測系統(tǒng)：荷蘭萊茵河是重要的區(qū)域性維護(hù)工程，為了保證堤防安全，該工程利用傳感器和遙感設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測堤防狀況。監(jiān)測數(shù)據(jù)收集后，運(yùn)用人工智能技術(shù)分析，以預(yù)測可能出現(xiàn)的問題。

3.陸家嘴金融城高水位防控系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用了傳感器、在線監(jiān)測設(shè)備和遙感設(shè)備等技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測堤防健康狀態(tài)。同時(shí)，該系統(tǒng)還采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，以及模擬預(yù)測未來的水位情況。

5.2 成功經(jīng)驗(yàn)分析

前述案例中，都展示了數(shù)字技術(shù)的重要作用。其核心要點(diǎn)是使用變形傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等多種傳感器，監(jiān)測和評估堤防的狀態(tài)。并利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性。其次，通過云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使得管理者能夠及時(shí)分析堤防狀態(tài)。此外，還建設(shè)智能訓(xùn)練算法，使系統(tǒng)可自動(dòng)優(yōu)化模型，從而進(jìn)一步提高預(yù)測的智能化。

5.3 實(shí)際應(yīng)用挑戰(zhàn)分析

在實(shí)踐中，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用過程中也存在一些問題值得關(guān)注。如，堤防監(jiān)測系統(tǒng)過于依賴傳感器數(shù)據(jù)。因此，就要在實(shí)際應(yīng)有過程中定期對傳感器進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，傳感器有一定的壽命限制。因此，在堤防管理系統(tǒng)中，應(yīng)建立傳感器的壽命評估模型，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更換和維修。此外，堤防管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用階段，都需要進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，包括需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集方案等[5]。同時(shí)，還需要對各種技術(shù)進(jìn)行選型集成。此外，在系統(tǒng)運(yùn)營階段，相關(guān)單位應(yīng)建立管理規(guī)范流程，明確責(zé)任、權(quán)限。同時(shí)，還需要制定相關(guān)政策，提供必要的人力、資金支持，從而推動(dòng)堤防管理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用?？傊?，只有在各個(gè)層面的配合下，才能實(shí)現(xiàn)堤防管理和維護(hù)的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，數(shù)字技術(shù)在堤防領(lǐng)域應(yīng)用中可實(shí)時(shí)監(jiān)測各種堤防參數(shù)，提供實(shí)時(shí)預(yù)警。特別是通過數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠預(yù)測損害模式，從而及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免損害。而未來，隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算技術(shù)等數(shù)字技術(shù)的不斷進(jìn)步，將會(huì)推動(dòng)堤防管理與維護(hù)的進(jìn)一步發(fā)展。