[发明专利]基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理系统

权利要求书

1.基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理系统，其特征在于：包括坝体区域划分模块、区域监测点布设模块、坝体参数数据库、渗透压力监测模块、环境参数采集模块、位移变形监测模块、水位及水流冲击力监测模块、参数处理中心、分析服务器、预警模块和显示终端；

所述坝体区域划分模块用于将待监测的坝体按照坝体的高度划分为各子区域，划分的各子区域根据其距离坝顶的高度由低到高的顺序进行编号，依次标记为1,2...i...n；

所述区域监测点布设模块用于对划分的各子区域按照坝体的长度均匀布设监测点，得到各子区域内布设的若干监测点，并将各子区域内布设的各监测点按照预设的顺序进行编号，分别标记为1,2...j...m；

所述渗透压力监测模块包括若干渗压计，其安装在各子区域内的各监测点位置处，用于对各子区域布设的若干监测点进行渗透压力监测，得到各子区域内各监测点的渗透压力，并将得到的各监测点的渗透压力构成监测点渗透压力集合Pⁱ(pⁱ1,pⁱ2,...,pⁱj,...,pⁱm)，pⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的渗透压力，渗透压力监测模块将监测点渗透压力集合发送至参数处理中心；

所述环境参数采集模块包括若干环境参数采集单元，其安装在各子区域内的各监测点位置处，用于对各子区域布设的若干监测点进行环境参数采集，其中采集的环境参数包括温度、湿度、风速和风向角度，采集得到的各子区域内各监测点的环境参数构成监测点环境参数集合R_wⁱ(r_wⁱ1,r_wⁱ2,...,r_wⁱj,...,r_wⁱm)，r_wⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的第w个环境参数对应的数值，w表示为环境参数，w＝d1,d2,d3,d4,d1,d2,d3,d4分别表示为温度、湿度、风速、风向角度，环境参数采集模块将监测点环境参数集合发送至参数处理中心；

所述坝体参数数据库用于存储各变形监测点的原始水平位移，存储坝体安全渗透压力，存储坝体安全温度和安全湿度，存储坝体能够承受的最小横向风力，存储各水位危险等级对应的水位高度，存储各水位危险等级E＝1,2,3对应的水位危险系数，并存储坝体渗透压力、温度、湿度、承受的横向风力影响系数；

所述位移变形监测模块包括若干三维激光扫描仪，用于对坝顶区域进行水平位移变形监测，其具体监测过程如下几个步骤：

步骤S1.变形监测点布设：获取从坝顶坝头到坝顶坝尾的距离长度，并将获取的距离长度均分为k段，各均分点作为坝顶的变形监测点，布设的各坝顶监测点沿着从坝顶坝头到坝顶坝尾的顺序进行编号，依次标记为1,2...a...k；

步骤S2.激光扫描仪安置：将各三维激光扫描仪分别安置在标记的各变形监测点位置，且各变形监测点的水平位移变形监测在统一的温度范围内和同一时间点进行；

步骤S3.一次水平位移变形监测：通过读取各变形监测点的三维激光扫描仪检测的数值，得到各变形监测点的水平位移，记为各变形监测点的一次水平位移，将得到的各变形监测点的一次水平位移构成变形监测点一次水平位移集合l(l1,l2,...,la,...,lk)，la表示为第a个变形监测点的一次水平位移，此时将变形监测点一次水平位移集合与坝体参数数据库中各变形监测点的原始水平位移进行对比，得到变形监测点一次水平位移变形量集合Δl(Δl1,Δl2,...,Δla,...,Δlk)，Δla表示为第a个变形监测点的一次水平位移与该监测点原始水平位移之间的差值，即为一次水平位移变形量：

步骤S4.二次水平位移变形监测：在固定时间间隔后重新按照步骤S2-S3的方法得到各变形监测点的水平位移，记为各变形监测点的二次水平位移，并构成变形监测点二次水平位移集合l′(l′1,l′2,...,l′a,...,l′k)，l′a表示为第a个变形监测点的二次水平位移，此时将变形监测点二次水平位移集合与坝体参数数据库中各变形监测点的原始水平位移进行对比，得到变形监测点二次水平位移变形量集合Δ′l(Δl′1,Δl′2,...,Δl′a,...,Δl′k)；

步骤S5.相对水平位移变形量统计：将变形监测点一次水平位移变形量集合与变形监测点二次水平位移变形量集合进行对比，得到变形监测点相对水平位移变形量集合Δ″l(Δl″1,Δl″2,...,Δl″a,...,Δl″k)，进而位移变形监测模块根据变形监测点相对水平位移变形量集合、变形监测点一次水平位移变形量集合和变形监测点二次水平位移变形量集合统计坝体的变形危险系数，同时将统计的坝体变形危险系数发送至分析服务器；

所述参数处理中心接收渗透压力监测模块发送的监测点渗透压力集合，并提取坝体参数数据库中坝体安全渗透压力，将监测点渗透压力集合与坝体安全渗透压力进行对比，得到监测点渗透压力对比集合ΔPⁱ(Δpⁱ1,Δpⁱ2,...,Δpⁱj,...,Δpⁱm)，同时，参数处理中心接收环境参数采集模块发送的监测点环境参数集合，从监测点环境参数集合中提取各子区域各监测点的温度和湿度与坝体参数数据库中坝体安全温度和安全湿度进行对比，得到监测点温度对比集合ΔR_d1ⁱ(Δr_d1ⁱ1,Δr_d1ⁱ2,...,Δr_d1ⁱj,...,Δr_d1ⁱm)和监测点湿度对比集合ΔR_d2ⁱ(Δr_d2ⁱ1,Δr_d2ⁱ2,...,Δr_d2ⁱj,...,Δr_d2ⁱm)，并从监测点环境参数集合中提取各子区域各监测点的风速和风向，并获取坝体的长度和高度，计算坝体侧面迎风面积，记为s,s＝L*h，L表示为坝体的长度，h表示为坝体的高度，进而根据各子区域各监测点的风速和风向及坝体侧面迎风面积，统计坝体各子区域各监测点所受的横向风力，同时将统计的坝体各子区域各监测点所受的横向风力构成监测点横向风力集合Fⁱ(Fⁱ1,Fⁱ2,...,Fⁱj,...,Fⁱm)，Fⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的横向风力，此时将监测点横向风力集合与坝体参数数据库中坝体能够承受的最小横向风力进行对比，得到监测点横向风力对比集合ΔFⁱ(ΔFⁱ1,ΔFⁱ2,...,ΔFⁱj,...,ΔFⁱm)，通过以上参数处理中心根据得到的监测点渗透压力对比集合、监测点温度对比集合和监测点横向风力对比集合统计各子区域的危险系数，并发送至分析服务器；

所述水位及水流冲击力监测模块包括监测设备，用于对水库中的水位和水流速进行监测，得到水库的水位高度和水流速，并获取坝体的长度，根据坝体长度、水流速和水位高度，统计水流冲击力，同时将得到的水位高度和水流冲击力发送至分析服务器；

所述分析服务器接收水位及水流冲击力监测模块发送的水位高度和水流冲击力，接收位移变形监测模块发送的坝体变形危险系数，接收参数处理中心发送的各子区域的危险系数，并将接收的水位高度与坝体参数数据库中各水位危险等级对应的水位高度进行对比，筛选该水位高度对应的水位危险等级，并发送该等级的预警指令至预警模块，与此同时将筛选的水位危险等级与坝体参数数据库中各水位危险等级对应的水位危险系数进行对比，得到该水位危险等级对应的水位危险系数，进而分析服务器根据该水位危险等级对应的水位危险系数、水流冲击力、坝体变形危险系数和各子区域的危险系数统计坝体综合危险系数，并发送至显示终端；

所述预警模块接收分析服务器发送的对应等级的预警指令，并执行该等级预警；

所述显示终端接收分析服务器发送的坝体综合危险系数，并显示。