内容简介
《水利水电工程智能巡检机器人技术与应用》作者基于水利水电枢纽泄洪消能建筑物检测的共性需求与特种机器人技术，围绕“水工混凝土缺陷智能采集与分析评价”开展技术创新。《水利水电工程智能巡检机器人技术与应用》针对溢流坝、溢洪道、泄洪洞(引水隧洞)、消力池等典型场景，介绍在水体浑浊、附着淤积、密闭空间、弱光、无或弱GPS信号、局部可达困难等复杂环境下的机器人系留供能、远程控制、融合定位、协同作业、低时延通信、智能巡检、缺陷识别、安全评估等关键技术，以及坝面巡检无人机、隧洞巡检机器人、水下巡检机器人等典型工程应用。
精彩书摘
第1章绪论
我国是水利水电大国，发展水利水电是我国调整能源结构、应对气候变化、实现能源革命的战略选择。中华人民共和国成立以来，水利水电建设的成就举世瞩目，在水能开发利用、技术创新、运行管理等方面均实现了全方位的巨大飞跃，为我国经济社会发展和现代化建设做出了重要贡献。泄洪消能建筑物作为水利水电枢纽的重要构筑物，在防洪工程体系中发挥了重要作用，其安全可控是保障枢纽运行和电力生产的基础。
随着装备技术、通信技术、信息技术的快速发展，技术创新为水工混凝土建筑物的病害检测、评估提供了新的可能，有利于孕育与时俱进的新技术、新工艺、新理论。发挥特种机器人的性能优势，应用智能机器人系统开展大坝建筑物检查工作，辅助甚至逐步取代人工巡检，并基于巡检成果开展专业性、针对性的评估分析工作，可有效解决巡检难题。这不仅对保障水利水电枢纽的长期安全运行具有十分重要的意义，也是提升水电站大坝信息化和智能化管理水平的重要手段。
1.1研究背景及意义
截至2025年5月，我国有水库大坝约9.5万座、总库容约1万亿m3。2024年，全国水电累计装机容量4.36亿kW，年发电量14257亿kW h。大坝类型、大坝数量、高坝数量、水力发电装机规模均位居世界**[1]。但是，我国水库存量工程多修建于20世纪50～70年代，建设标准普遍偏低、工程质量较差。近年来新增的电站则面临技术难度加大、建设条件复杂等风险，尤其是已建或在建80余座电站主要集中在西部地区，这些地区普遍具有高海拔、高地震烈度、高边坡等特点，地质条件极为复杂。这些水利水电枢纽工程主要分布在金沙江、雅砻江、澜沧江、大渡河等河流水量充沛、水能资源富集的流域。大地下厂房、复杂洞室群、大流量泄洪、大机组发电、高速水流消能已成为常态，对水工建筑物的安全性、稳定性、耐久性要求非常高。水利水电枢纽工程安全问题已与生态问题并列成为制约水利水电健康发展的重要因素，需提升到能源风险防范的新高度，严谨设计、精心筑坝、安全运行，主动化解各种库坝安全风险与挑战。
泄洪消能建筑物作为水利水电枢纽的重要构筑物，在防洪工程体系中发挥着重要作用，其安全可控是保障枢纽运行和电力生产的基础。泄洪消能建筑物包括岸边式溢洪道、坝身泄洪建筑物、泄洪洞、消能及下游防护设施。消能形式除了常规应用的底流消能、挑流消能、面流消能，还包括因地制宜研发的各类“新型消能设施”。泄洪消能建筑物直接承担高流速过流或承受高水头水流冲击，由于受水工水力学与水工结构力学双重约束，各类荷载作用复杂，结构安全风险隐患大。《全国病险水库除险加固实施方案(2025—2027年)》预计共需实施200余座大中型水库和4800余座小型水库除险加固。2007～2010年实施的《全国病险水库除险加固专项规划》纳入1182座大中型病险水库，对这些病险水库的主要病害进行统计可知，以泄洪建筑物破坏导致病险的水库*多，达882座，占总数比例为74.6%[2]，如图1.1所示。泄洪消能建筑物的典型病害包括：溢洪道边墩裂缝较严重，闸室抗滑稳定不满足规范要求，上下游边墙抗倾不稳定，消力池消能防冲标准低，泄洪能力不足，护坦、海漫及泄槽毁坏严重等。
图1.1大中型病险水库主要病害原因分类统计[2]
历史上出现过多件泄洪消能建筑物病害导致灾难的案例，例如，2017年2月7日，美国奥罗维尔水库主溢洪道泄槽局部发生破损，之后事态逐步升级，*终导致下游18.8万人紧急撤离。主溢洪道地质条件较差、结构较薄弱、混凝土材料强度偏低，加之日常检查维护工作不到位，导致了破损的发生和快速发展[3]。另外，高水头、大流量泄洪洞的空化空蚀是目前尚未解决的关键问题。一些工程掺气设施的下游发生了不同程度的空蚀破坏，如二滩水电站泄洪洞、胡佛拱坝泄洪洞的空蚀破坏，龙羊峡水电站底孔侧墙和底板的破坏，刘家峡水电站泄洪洞反弧段的空蚀破坏。特别是二滩水电站1号泄洪洞反弧末端掺气设施下游两侧发生空蚀破坏，使龙抬头反弧末端下游的混凝土边墙和底板遭受破坏，底板上形成多处深坑，*大冲坑深度达21.0m，破坏混凝土及岩石约达20000m3，严重影响了水电站的安全运行[4]。泄洪消能建筑物病害影响范围大，除险加固成本极高，后果非常严重。
病险水库一直是国家长期重点关注的问题，从20世纪80年代就开始加大对水库大坝安全管理工作的重视力度，1987年原水利电力部颁布并施行的《水电站大坝安全管理暂行办法》，是我国*部大坝安全管理的法规性文件；1988年原能源部颁发《水电站大坝安全检查施行细则》，使大坝安全检查和鉴定工作正规化、制度化；1991年国务院颁发《水库大坝安全管理条例》(国务院令第77号)，明确对坝高15m以上或者库容100万m3以上的水库大坝进行安全管理，要求大坝管理单位必须按照有关技术标准对大坝进行安全监测和检查，应当及时对监测资料进行整理分析，随时掌握大坝运行状况；2010年原国家电力监管委员会印发《水电站大坝除险加固管理办法》，
目录
目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 水利水电巡检机器人技术研究进展及趋势 4
1.2.1 水利水电枢纽高立面结构智能巡检研究进展 6
1.2.2 水利水电枢纽复杂水工隧洞智能巡检研究进展 7
1.2.3 水利水电枢纽水下建筑物智能巡检研究进展 8
1.2.4 水利水电智能巡检技术发展趋势 10
1.3 主要研究思路 11
参考文献 14
第2章 水下双模态智能巡检机器人技术 17
2.1 消力池、水垫塘的结构特点和检测需求 17
2.1.1 消力池的结构特点 17
2.1.2 水垫塘的结构特点 18
2.1.3 检测需求 20
2.2 水下双模态智能巡检机器人系统设计 20
2.3 水下双模态智能巡检机器人载体单元设计 22
2.3.1 浮游部分设计 22
2.3.2 爬行部分设计 25
2.4 水下双模态智能巡检机器人环境观测单元设计 31
2.4.1 清淤置换模块设计 31
2.4.2 清淤置换模块检测效率分析 33
2.4.3 点云采集模块设计 42
2.5 水下双模态智能巡检机器人控制单元设计 47
2.5.1 缆控部分设计 48
2.5.2 供电部分设计 49
2.5.3 定位部分设计 50
2.6 水下双模态智能巡检机器人通信网络技术 51
2.6.1 应用方案 51
2.6.2 5G通信组网 53
2.6.3 远程分析评估系统 54
参考文献 54
第3章 高水头溢流坝智能巡检机器人技术 56
3.1 高坝立面结构特点和巡检需求 56
3.1.1 溢流坝(溢洪道)的结构特点 56
3.1.2 巡检需求和重点 57
3.2 坝面无人机智能巡检系统和关键技术 58
3.2.1 坝面无人机智能巡检系统组成 58
3.2.2 坝面无人机结构与控制关键技术 59
3.2.3 复杂环境无人机融合定位方法 62
3.2.4 坝面无人机系留线缆供电与定位技术 64
参考文献 76
第4章 复杂隧洞智能巡检机器人技术 77
4.1 复杂过流水工隧洞结构特点和检测需求 77
4.2 引水隧洞主从式检测机器人结构设计 79
4.2.1 主机器人 79
4.2.2 从机器人 80
4.2.3 定位系统模块 81
4.2.4 缆线盘 85
4.3 引水隧洞主从式检测机器人系统研发 86
4.3.1 缺陷检测模块 86
4.3.2 机器人通信系统 87
4.3.3 电源模块 89
4.3.4 机器人控制系统 91
参考文献 97
第5章 水利水电工程结构损伤智能识别与量化技术 99
5.1 基于迁移学习的坝面表观缺陷智能检测方法 99
5.1.1 图像预处理 101
5.1.2 迁移学习模型 104
5.1.3 测试结果与分析 106
5.2 基于动态特征蒸馏的水工隧洞缺陷识别方法 107
5.2.1 引水隧洞缺陷特征 108
5.2.2 知识蒸馏模型构建 111
5.2.3 引水隧洞缺陷检测模型设计 113
5.2.4 测试结果与分析 119
5.3 基于多维度注意力机制的磨蚀露骨料识别方法 121
5.3.1 视觉注意力机理 122
5.3.2 多维度注意力门控模型 124
5.3.3 注意力的生成方法 125
5.3.4 多维度注意力机制的语义分割模型 127
5.3.5 测试结果与分析 128
参考文献 130
第6章 基于智能巡检数据的结构安全分析技术 133
6.1 消力池安全评价方法与决策分析研究 133
6.1.1 基于信息物元的消力池安全评价系统 133
6.1.2 消力池安全评价方法 135
6.2 引水隧洞结构安全评价 140
6.2.1 引水隧洞结构安全评价指标和等级 140
6.2.2 引水隧洞结构安全评价方法 143
参考文献 147
第7章 水利水电智能巡检机器人工程应用案例 150
7.1 嘉陵江某水利水电枢纽溢流坝面智能巡检与分析 150
7.1.1 嘉陵江某水利水电枢纽工程概况 150
7.1.2 巡检方案与流程 151
7.1.3 巡检数据分析与评价 152
7.2 金沙江某拱坝高边坡智能巡检与分析 156
7.2.1 金沙江某拱坝高边坡工程概况 156
7.2.2 巡检方案与流程 158
7.2.3 巡检数据分析与评价 160
7.3 大渡河某水电站引水隧洞智能巡检与分析 165
7.3.1 大渡河某水电站引水隧洞工程概况 165
7.3.2 巡检方案与流程 166
7.3.3 巡检数据分析与评价 167
7.4 嘉陵江某水利水电枢纽消力池智能巡检与分析 179
7.4.1 嘉陵江某水利水电枢纽消力池工程概况 179
7.4.2 消力池水动力特性模拟 179
7.4.3 巡检方案与流程 183
7.4.4 巡检数据分析与评价 184
7.5 金沙江某特大型水垫塘智能巡检与分析 192
7.5.1 金沙江某特大型水垫塘工程概况 192
7.5.2 巡检方案与流程 193
7.5.3 巡检数据分析与评价 193
参考文献 200
试读
第1章绪论
我国是水利水电大国，发展水利水电是我国调整能源结构、应对气候变化、实现能源革命的战略选择。中华人民共和国成立以来，水利水电建设的成就举世瞩目，在水能开发利用、技术创新、运行管理等方面均实现了全方位的巨大飞跃，为我国经济社会发展和现代化建设做出了重要贡献。泄洪消能建筑物作为水利水电枢纽的重要构筑物，在防洪工程体系中发挥了重要作用，其安全可控是保障枢纽运行和电力生产的基础。
随着装备技术、通信技术、信息技术的快速发展，技术创新为水工混凝土建筑物的病害检测、评估提供了新的可能，有利于孕育与时俱进的新技术、新工艺、新理论。发挥特种机器人的性能优势，应用智能机器人系统开展大坝建筑物检查工作，辅助甚至逐步取代人工巡检，并基于巡检成果开展专业性、针对性的评估分析工作，可有效解决巡检难题。这不仅对保障水利水电枢纽的长期安全运行具有十分重要的意义，也是提升水电站大坝信息化和智能化管理水平的重要手段。
1.1研究背景及意义
截至2025年5月，我国有水库大坝约9.5万座、总库容约1万亿m3。2024年，全国水电累计装机容量4.36亿kW，年发电量14257亿kW h。大坝类型、大坝数量、高坝数量、水力发电装机规模均位居世界**[1]。但是，我国水库存量工程多修建于20世纪50～70年代，建设标准普遍偏低、工程质量较差。近年来新增的电站则面临技术难度加大、建设条件复杂等风险，尤其是已建或在建80余座电站主要集中在西部地区，这些地区普遍具有高海拔、高地震烈度、高边坡等特点，地质条件极为复杂。这些水利水电枢纽工程主要分布在金沙江、雅砻江、澜沧江、大渡河等河流水量充沛、水能资源富集的流域。大地下厂房、复杂洞室群、大流量泄洪、大机组发电、高速水流消能已成为常态，对水工建筑物的安全性、稳定性、耐久性要求非常高。水利水电枢纽工程安全问题已与生态问题并列成为制约水利水电健康发展的重要因素，需提升到能源风险防范的新高度，严谨设计、精心筑坝、安全运行，主动化解各种库坝安全风险与挑战。
泄洪消能建筑物作为水利水电枢纽的重要构筑物，在防洪工程体系中发挥着重要作用，其安全可控是保障枢纽运行和电力生产的基础。泄洪消能建筑物包括岸边式溢洪道、坝身泄洪建筑物、泄洪洞、消能及下游防护设施。消能形式除了常规应用的底流消能、挑流消能、面流消能，还包括因地制宜研发的各类“新型消能设施”。泄洪消能建筑物直接承担高流速过流或承受高水头水流冲击，由于受水工水力学与水工结构力学双重约束，各类荷载作用复杂，结构安全风险隐患大。《全国病险水库除险加固实施方案(2025—2027年)》预计共需实施200余座大中型水库和4800余座小型水库除险加固。2007～2010年实施的《全国病险水库除险加固专项规划》纳入1182座大中型病险水库，对这些病险水库的主要病害进行统计可知，以泄洪建筑物破坏导致病险的水库*多，达882座，占总数比例为74.6%[2]，如图1.1所示。泄洪消能建筑物的典型病害包括：溢洪道边墩裂缝较严重，闸室抗滑稳定不满足规范要求，上下游边墙抗倾不稳定，消力池消能防冲标准低，泄洪能力不足，护坦、海漫及泄槽毁坏严重等。
图1.1大中型病险水库主要病害原因分类统计[2]
历史上出现过多件泄洪消能建筑物病害导致灾难的案例，例如，2017年2月7日，美国奥罗维尔水库主溢洪道泄槽局部发生破损，之后事态逐步升级，*终导致下游18.8万人紧急撤离。主溢洪道地质条件较差、结构较薄弱、混凝土材料强度偏低，加之日常检查维护工作不到位，导致了破损的发生和快速发展[3]。另外，高水头、大流量泄洪洞的空化空蚀是目前尚未解决的关键问题。一些工程掺气设施的下游发生了不同程度的空蚀破坏，如二滩水电站泄洪洞、胡佛拱坝泄洪洞的空蚀破坏，龙羊峡水电站底孔侧墙和底板的破坏，刘家峡水电站泄洪洞反弧段的空蚀破坏。特别是二滩水电站1号泄洪洞反弧末端掺气设施下游两侧发生空蚀破坏，使龙抬头反弧末端下游的混凝土边墙和底板遭受破坏，底板上形成多处深坑，*大冲坑深度达21.0m，破坏混凝土及岩石约达20000m3，严重影响了水电站的安全运行[4]。泄洪消能建筑物病害影响范围大，除险加固成本极高，后果非常严重。
病险水库一直是国家长期重点关注的问题，从20世纪80年代就开始加大对水库大坝安全管理工作的重视力度，1987年原水利电力部颁布并施行的《水电站大坝安全管理暂行办法》，是我国*部大坝安全管理的法规性文件；1988年原能源部颁发《水电站大坝安全检查施行细则》，使大坝安全检查和鉴定工作正规化、制度化；1991年国务院颁发《水库大坝安全管理条例》(国务院令第77号)，明确对坝高15m以上或者库容100万m3以上的水库大坝进行安全管理，要求大坝管理单位必须按照有关技术标准对大坝进行安全监测和检查，应当及时对监测资料进行整理分析，随时掌握大坝运行状况；2010年原国家电力监管委员会印发《水电站大坝除险加固管理办法》，
