一、背景介绍
我国现已建成流量5m³/s及以上的水闸共计100321座。其中，大型水闸923座，中型水闸6,697座。按功能类型划分，分洪闸8193座，排（退）水闸17808座，挡潮闸4955座，引水闸13796座，节制闸55569座。这些水闸在防洪减灾、优化水资源配置、改善生态环境等方面发挥着巨大的经济社会效益。
然而，受限于建设时期的经济社会条件和技术水平，我国水闸普遍存在设计标准偏低、工程质量欠佳、配套设施不完善等问题。加之“重建轻管”思想影响，多数水闸建成后缺乏有效的运行管理和必要的维修养护。经过长期运行，目前安全隐患凸显，安全运行风险突出。
安全监测是及时掌握水闸工程运行性态、诊断工程异常、保障运行安全的关键手段。为全面掌握全国大中型水闸安全监测现状，水利部运行管理司于2022年4月29日下发《水利部运行管理司关于开展全国大中型水闸安全监测情况调查工作的函》（运管函〔2022〕3号），要求各省级水行政主管部门和各流域管理机构督促指导所辖大中型水闸管理单位据实填报安全监测情况。随后，于2024年11月12日下发《水利部运行管理司关于编制“十五五”重要堤防安全监测实施方案和大中型水闸安全监测实施方案的通知》（运管函〔2024〕22号），明确要求各相关单位着手编制“十五五”期间的大中型水闸安全监测实施方案。
针对当前我国大中型水闸安全监测工作现状及存在的问题，特别是许多水闸监测手段现代化技术应用不足，主要依赖人工观测，自动化程度较低，亟需进行系统性升级改造。
二、系统介绍
本系统依据《水闸运行管理办法》、《关于推进水利工程标准化管理的指导意见》及《水闸安全监测技术规范》，旨在规范水闸安全监测的规划设计、设施建设与保护、数据采集整编与分析工作。
系统积极融合物联网、大数据、自动化、卫星遥感、智能机器人等现代化监测手段，应用分布式、非接触式、网络化等成熟技术，实现对复杂环境下水闸运行状态的全天候、大范围、智能化监测，全面提升水闸管理现代化水平，保障国家水安全。
核心架构层级：
感知层：
部署水位计、流量计、GNSS、视频监控等传感设备。
实时精确采集水情、工情、环境及现场视频等全要素信息。
传输层：
利用5G/4G、有线网络、专用数据网（通过无线RTU、数据采集仪等）。
构建安全可靠的传输通道，连接感知设备与管理中心，支持远程监控。
管理层（数据中心）：
作为系统核心，集中存储与管理所有监测数据（工情、水情、视频、业务）。
构建统一的数据仓库，支撑上层应用。
应用层（智能平台）：
核心功能：综合管理、深度分析、智能预警、服务共享。
目标：实现平台智能化、管理扁平化、服务前置化。
提供标准接口，支持业务系统快速构建与集成。
核心功能系统：
系统包含自动化信息监测系统、智能巡检系统、监测资料分析预警系统三大核心功能模块。
三、建设实施方案
本方案依据相关技术标准与文件要求，针对已建大中型水闸，聚焦以下核心建设内容，全面提升安全监测能力：
1. 完善监测设施体系：
环境量监测： 集成雷达水位计（毫米波雷达测距原理）、雷达流量计（测距+多普勒测速原理）、翻斗雨量筒、一体式气象站（温湿度、风速风向、噪声、PM等），实时精准监测闸前闸后水位、过闸流量、降雨量及闸区气象，为调度与安全运行提供数据支撑。
变形监测： 采用“人工观测（全站仪等）+ GNSS自动化监测（GPS/北斗等）”相结合模式，实现高精度、全天候位移监测，实时掌握水闸结构形变。
渗流监测： 布设渗压计、扬压力计于闸墩、护坡等关键部位，重点监控扬压力、闸墩渗流及侧向绕渗，设定阈值自动报警，保障闸基与岸坡稳定。
应力应变与裂缝监测：应用振弦式表面应变计监测结构表面应变及温度；安装测缝计监控既有裂缝开合度，分析变化规律，确保结构完整。
闸门与启闭机状态监测：
（1）开度监测： 部署传感器实时监测闸门位置，及时发现卡阻、变形等异常，辅助应急调度，提升效率与安全性。
（2）电压电流监测： 实时监控启闭机电机电气参数（电压、电流），判断负载、预警过压/欠压/过流/不平衡等故障，预防设备损坏，延长寿命。
2. 融合先进技术应用：
构建“天空地水工”一体化感知网： 综合应用卫星遥感、GNSS（北斗）、无人机、地面传感器、水下/结构感知设备，实现水闸全要素、全天候、立体协同动态监测。
推广智能巡检：
（1）无人机自动化巡测： 部署自动机巢与无人机，搭载双光云台、AI算法（漂浮物识别、钓鱼识别等），实现无人值守、自动巡检、指点飞行应急响应，快速识别水位变化与潜在隐患。
（2）视频AI监控： 高清摄像机覆盖关键区域，智能识别异常行为，提供实时监控、安防震慑、事后取证，提升管理效率与安全性。
（3）强化数据分析预警：加强各类监测数据（环境量、变形、渗流、应力、状态、视频、无人机影像等）的交叉验证与联动分析，提升风险预警能力。
3. 建设智慧管理平台：
基础版系统：集成基础信息管理、运行管理（含闸门自动控制）、地理分析、运行分析、安全管理、养护管理、图像监控等功能，实现水情信息自动采集传输、闸门自动化控制、辅助监管调度。
智慧水闸三维可视化管理平台（数字孪生）：
核心：基于数字孪生技术，构建物理水闸的高保真虚拟模型。
功能：
（1）实时动态监测：汇聚融合多源感知数据，直观展示水闸全貌与运行状态。
（2）智能运行模拟与“四预”支撑：进行水流预测、调度模拟，为防洪减灾、水资源优化提供决策支持，支撑“预报、预警、预演、预案”。
（3）故障诊断与维护管理：基于数据分析进行异常诊断，辅助制定维护计划，实施水闸全生命周期在线管理。
（4）闸门启闭风险预警：结合状态监测与数据分析，强化启闭过程风险识别与预警。
（5）安防集成：整合视频监控画面，提升安全防范能力。
（7）数据共享与协同：支持多部门基于云平台进行数据共享与协同作业。
四、系统价值
本系统建设将显著提升水闸安全管理效能，创造核心价值：
赋能水资源智能管理：通过智能监测、运行模拟与决策支持，大幅提升水资源调配与利用的智能化水平，保障供水安全可靠。
筑牢城市防洪屏障：依托数字孪生技术实现水闸实时监测与动态模拟，显著提高运行效率和安全性，增强城市防洪减灾能力，最大限度降低洪涝灾害影响。
驱动水利科技创新：深度融合数字技术与水利工程，为水闸设计、建设、管理和维护提供全新范式与方法，推动水利工程技术的迭代升级。
综上所述， 数字孪生水闸工程是提升水资源管理智能化、增强城市防洪韧性、驱动水利技术创新的关键支撑，具有广阔的应用前景和重大实践价值。
