CN112432665A - 基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理*** - Google Patents

Abstract

本发明公开基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，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，本发明通过对坝体进行区域划分及监测点布设，以获取各监测点的渗透压力和环境参数，以此统计各子区域的危险系数，并通过对水库水位及水流冲击力监测和坝顶的位移变形监测，得到监测结果，综合以上统计坝体的综合危险系数，实现了对水利工程大坝的安全监测，提高了监测准确度，并提高了监测效率，降低了大坝危险事故的发生，进而保障了大坝的安全。

Description

基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***

技术领域

本发明属于坝体安全监测技术领域，涉及到基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***。

背景技术

大坝作为独特的建筑物,其安全性质与房屋等建筑物完全不同，大坝出现安全问题时，将会引发大坝下游一定范围的人员和财产、环境损失,所以对大坝的安全性要求非常高，随着经济的发展和社会的进步,我国水利事业取得了较大的进步,这就促使我国的水利工程坝体逐渐增多,其引发的大坝安全问题开始引起越来越广泛的关注,因此对水利工程坝体安全监测显得尤为重要。

目前水利工程大坝的监测手段大多还处于原型监测，监测手段落后，导致监测准确度不高，且大多是人工监测，监测效率低，同时其监测的结果也只是反映该监测部位的安全情况，无法获知大坝的综合安全状况，所以目前水利工程大坝的监测手段无法满足对水利工程大坝的精确综合性监测需求。

发明内容

为了克服背景技术中的缺点，本发明提出基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，能够有效解决上述背景技术中涉及的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，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_w ⁱ(r_w ⁱ1,r_w ⁱ2,...,r_w ⁱj,...,r_w ⁱm)，r_w ⁱj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_d1 ⁱ(Δr_d1 ⁱ1,Δr_d1 ⁱ2,...,Δr_d1 ⁱj,...,Δr_d1 ⁱm)和监测点湿度对比集合ΔR_d2 ⁱ(Δr_d2 ⁱ1,Δr_d2 ⁱ2,...,Δr_d2 ⁱj,...,Δr_d2 ⁱm)，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。

作为本发明一种优选的技术方案，所述坝体区域划分模块将待监测的坝体区域按照坝体的高度划分为各子区域的具体划分方法包括以下两个步骤：

步骤H1：获取坝体从坝底到坝顶的高度距离，记为坝体高度；

步骤H2：将获取的坝体高度进行均匀等分为n段，每段坝体区域记为一个子区域。

作为本发明一种优选的技术方案，所述环境参数采集单元包括温度传感器、湿度传感器和风速风向仪，其中温度传感器用于检测各子区域各监测点的温度，湿度传感器用于检测各子区域各监测点的湿度，风速风向仪用于检测各子区域各监测点的风速和风向角度。

作为本发明一种优选的技术方案，所述坝体变形危险系数的计算公式为

Δl″a表示为第a个变形监测点的相对水平位移变形量，Δla第a个变形监测点的一次水平位移变形量，Δl′a表示为第a个变形监测点的二次水平位移变形量，la₀表示为第a个变形监测点的原始水平位移。

作为本发明一种优选的技术方案，所述坝体各子区域各监测点所受的横向风力计算公式为

式中Fⁱj表示为第i个子区域第j个监测点所受的横向风力，c表示为空气阻力系数，ρ_空表示为空气密度，标准情况下，可取1.293g/l，s表示为坝体侧面迎风面积，r_d3 ⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的风速，r_d4 ⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的风向角度。

作为本发明一种优选的技术方案，所述监测设备包括水位计和水流速传感器，其中水位计用于检测水库的水位高度，水流速传感器用于检测水流速度。

作为本发明一种优选的技术方案，所述水流冲击力的计算公式为f_水＝ρ_水*(H*L)*v²，ρ_水表示为水的密度，标准情况下，可取1g/ml，H表示为水位高度，L表示为坝体长度，v表示为水流速度。

作为本发明一种优选的技术方案，所述各子区域的危险系数的计算公式为

式中η_i表示为第i个子区域的危险系数，Δpⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的渗透压力与坝体安全渗透压力之间的差值，Δr_d1 ⁱj、Δr_d2 ⁱj分别表示为第i个子区域第j个监测点的温度、湿度与其对应的坝体安全温度和安全湿度之间的差值，ΔFⁱj表示为第i个子区域第j个监测点所受的横向风力与坝体能够承受的最小横向风向之间的差值，p₀、r_d10、r_d20、F₀分别表示为坝体安全渗透压力、坝体安全温度、安全湿度、坝体能够承受的最小横向风向，α_P、α_t、α_g、α_F分别表示为坝体渗透压力、温度、湿度、承受的横向风力影响系数。

作为本发明一种优选的技术方案，所述坝体综合危险系数的计算公式为

式中U_E表示为第E个水位危险等级对应的水位危险系数，E＝1,2,3，ξ表示为坝体变形危险系数，f_水表示为水流冲击力。

本发明的有益效果如下：

1.本发明通过对坝体进行区域划分及监测点布设，进而获取各监测点的渗透压力和环境参数，以此统计各子区域的危险系数，并分别通过对水库水位及水流冲击力监测和坝顶的位移变形监测得到水库水位高度、水流冲击力和坝体变形危险系数，综合以上统计坝体的综合危险系数，实现了对水利工程大坝的安全监测，其采用自动化监测方法，提高了监测准确度，并提高了监测效率，克服了目前水利工程大坝监测手段的弊端，降低了大坝危险事故的发生，进而保障了大坝及大坝下游一定范围的人员和财产安全，同时***得到的坝体综合危险系数，综合了坝体的渗透压力、位移变形、环境参数、水位和水流冲击力多种影响因素，直观反映了坝体的综合危险情况，满足对水利工程大坝的精确综合性监测需求。

2.本发明通过对坝体进行区域划分得到各个子区域，并在各子区域布设若干监测点，以获取各个监测参数对应的多个数据，避免单个监测点或过少的监测点得到的监测数据过于单一，影响其数据的可靠性，为后期统计子区域的危险系数提供可靠的参考数据。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图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***，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，其中坝体区域划分模块与区域监测点布设模块连接，渗透压力监测模块和环境参数采集模块均与区域监测点布设模块和参数处理中心连接，分析服务器分别与位移变形监测模块、水位及水流冲击力监测模块、参数处理中心、预警模块和显示终端连接。

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具体划分方法包括以下两个步骤：

步骤H1：获取坝体从坝底到坝顶的高度距离，记为坝体高度；

步骤H2：将获取的坝体高度进行均匀等分为n段，每段坝体区域记为一个子区域，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。

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。

本优选实施例通过对坝体进行区域划分得到各个子区域，并在各子区域布设若干监测点，以获取各个监测参数对应的多个数据，避免单个监测点或过少的监测点得到的监测数据过于单一，影响其数据的可靠性，为后期统计子区域的危险系数提供可靠的参考数据。

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。

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，环境参数采集单元包括温度传感器、湿度传感器和风速风向仪，其中温度传感器用于检测各子区域各监测点的温度，湿度传感器用于检测各子区域各监测点的湿度，风速风向仪用于检测各子区域各监测点的风速和风向角度，这里所说的风向角度为风向与水平面之间的夹角，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_w ⁱ(r_w ⁱ1,r_w ⁱ2,...,r_w ⁱj,...,r_w ⁱm)，r_w ⁱj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。

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。

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

Δl″a表示为第a个变形监测点的相对水平位移变形量，Δla第a个变形监测点的一次水平位移变形量，Δl′a表示为第a个变形监测点的二次水平位移变形量，la₀表示为第a个变形监测点的原始水平位移，同时将统计的坝体变形危险系数发送至分析服务器。

本优选实施例通过对坝顶区域进行变形监测点布设，获取各变形监测点的一次水平位移变形量、二次水平位移变形量和相对水平位移变形量，进而统计坝体变形危险系数，且变形危险系数越大，表明坝体变形程度越严重，为后期统计坝体的综合危险系数提供变形的相关系数。

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_d1 ⁱ(Δr_d1 ⁱ1,Δr_d1 ⁱ2,...,Δr_d1 ⁱj,...,Δr_d1 ⁱm)和监测点湿度对比集合ΔR_d2 ⁱ(Δr_d2 ⁱ1,Δr_d2 ⁱ2,...,Δr_d2 ⁱj,...,Δr_d2 ⁱm)，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

式中Fⁱj表示为第i个子区域第j个监测点所受的横向风力，c表示为空气阻力系数，ρ_空表示为空气密度，标准情况下，可取1.293g/l，s表示为坝体侧面迎风面积，r_d3 ⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的风速，r_d4 ⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的风向角度，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

式中η_i表示为第i个子区域的危险系数，Δpⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的渗透压力与坝体安全渗透压力之间的差值，Δr_d1 ⁱj、Δr_d2 ⁱj分别表示为第i个子区域第j个监测点的温度、湿度与其对应的坝体安全温度和安全湿度之间的差值，ΔFⁱj表示为第i个子区域第j个监测点所受的横向风力与坝体能够承受的最小横向风向之间的差值，p₀、r_d10、r_d20、F₀分别表示为坝体安全渗透压力、坝体安全温度、安全湿度、坝体能够承受的最小横向风向，α_P、α_t、α_g、α_F分别表示为坝体渗透压力、温度、湿度、承受的横向风力影响系数，并将统计的各子区域的危险系数发送至分析服务器。

本优选实施例通过结合划分的各子区域各监测点的渗透压力和环境参数，统计子区域的危险系数，为后期统计坝体的综合危险系数提供子区域危险的相关系数。

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，监测设备包括水位计和水流速传感器，其中水位计用于检测水库的水位高度，水流速传感器用于检测水流速度，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f_水＝ρ_水*(H*L)*v²，ρ_水表示为水的密度，标准情况下，可取1g/ml，H表示为水位高度，L表示为坝体长度，v表示为水流速度，其统计的水流冲击力越大，坝体受到的危险程度就越大，同时将得到的水位高度和水流冲击力发送至分析服务器。

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

式中U_E表示为第E个水位危险等级对应的水位危险系数，E＝1,2,3，ξ表示为坝体变形危险系数，f_水表示为水流冲击力，并将坝体综合危险系数发送至显示终端。

本优选实施例通过综合坝体的变形危险系数、子区域危险系数、水位危险系数和水流冲击力统计坝体的综合危险系数，其综合危险系数实现了坝体综合危险情况的量化展示，弥补了目前水利工程大坝监测手段无法获知大坝的综合安全状况的弊端，满足了对水利工程大坝的综合性监测需求。

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。

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，便于相关水利工程大坝管理人员直观了解坝体所处的危险状况，进而根据坝体综合危险系数采取相应的防护措施，以降低大坝危险事故的发生，进而保障大坝及大坝下游一定范围的人员和财产安全。

本发明在总体实施过程中采用了自动化监测方式，提高了监测准确度，进而提高了监测效率，减少了监测人员的工作量，满足了水利工程大坝的精确性监测需求。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

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***，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_w ⁱ(r_w ⁱ1,r_w ⁱ2,...,r_w ⁱj,...,r_w ⁱm)，r_w ⁱj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_d1 ⁱ(Δr_d1 ⁱ1,Δr_d1 ⁱ2,...,Δr_d1 ⁱj,...,Δr_d1 ⁱm)和监测点湿度对比集合ΔR_d2 ⁱ(Δr_d2 ⁱ1,Δr_d2 ⁱ2,...,Δr_d2 ⁱj,...,Δr_d2 ⁱm)，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。

2.根据权利要求1所述的基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，其特征在于：所述坝体区域划分模块将待监测的坝体区域按照坝体的高度划分为各子区域的具体划分方法包括以下两个步骤：

步骤H1：获取坝体从坝底到坝顶的高度距离，记为坝体高度；

步骤H2：将获取的坝体高度进行均匀等分为n段，每段坝体区域记为一个子区域。

3.根据权利要求1所述的基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，其特征在于：所述环境参数采集单元包括温度传感器、湿度传感器和风速风向仪，其中温度传感器用于检测各子区域各监测点的温度，湿度传感器用于检测各子区域各监测点的湿度，风速风向仪用于检测各子区域各监测点的风速和风向角度。

4.根据权利要求1所述的基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，其特征在于：所述坝体变形危险系数的计算公式为

Δl″a表示为第a个变形监测点的相对水平位移变形量，Δla第a个变形监测点的一次水平位移变形量，Δl′a表示为第a个变形监测点的二次水平位移变形量，la₀表示为第a个变形监测点的原始水平位移。

5.根据权利要求1所述的基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，其特征在于：所述坝体各子区域各监测点所受的横向风力计算公式为

式中Fⁱj表示为第i个子区域第j个监测点所受的横向风力，c表示为空气阻力系数，ρ_空表示为空气密度，标准情况下，可取1.293g/l，s表示为坝体侧面迎风面积，r_d3 ⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的风速，r_d4 ⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的风向角度。

6.根据权利要求1所述的基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，其特征在于：所述监测设备包括水位计和水流速传感器，其中水位计用于检测水库的水位高度，水流速传感器用于检测水流速度。

7.根据权利要求1所述的基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，其特征在于：所述水流冲击力的计算公式为f_水＝ρ_水*(H*L)*v²，ρ_水表示为水的密度，标准情况下，可取1g/ml，H表示为水位高度，L表示为坝体长度，v表示为水流速度。

8.根据权利要求1所述的基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，其特征在于：所述各子区域的危险系数的计算公式为

式中η_i表示为第i个子区域的危险系数，Δpⁱj表示为第i个子区域第j个监测点的渗透压力与坝体安全渗透压力之间的差值，Δr_d1 ⁱj、Δr_d2 ⁱj分别表示为第i个子区域第j个监测点的温度、湿度与其对应的坝体安全温度和安全湿度之间的差值，ΔFⁱj表示为第i个子区域第j个监测点所受的横向风力与坝体能够承受的最小横向风向之间的差值，p₀、r_d10、r_d20、F₀分别表示为坝体安全渗透压力、坝体安全温度、安全湿度、坝体能够承受的最小横向风向，α_P、α_t、α_g、α_F分别表示为坝体渗透压力、温度、湿度、承受的横向风力影响系数。

9.根据权利要求1所述的基于大数据分析的水利工程坝体安全实时监测预警管理***，其特征在于：所述坝体综合危险系数的计算公式为

式中U_E表示为第E个水位危险等级对应的水位危险系数，E＝1,2,3，ξ表示为坝体变形危险系数，f_水表示为水流冲击力。

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