CN103954318A - 一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统及方法，包括以下步骤：预警监测装置上电后首先进行系统初始化工作；初始化工作结束后，预警监测装置默认以实时高速在线采集模式运行，并与上位机建立实时数据链路，实时调度各种传感器进行数据采集，预警监测装置通过工业现场数据总线接口单元与上位机实现数据交互，上位机将多数据融合后导入三维动画引擎实时还原现场的橡胶的工作状态。这种监控方法直观、准确、快速，不仅大大加快了预警响应时间，而且大大提高了突发预警的准确度，降低了水利用户在汛期橡胶坝的使用风险。本监控终端整体采用免维护设计方案，工作稳定可靠，安装结构简单，施工方便，设备成本较低。

Description

一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统及方法

技术领域

本发明涉及一种橡胶坝的坝袋安全的远程实时在线监控系统及方法，尤其是能够实现远程对橡胶坝坝袋动态溢流水位、坝袋震动形变（包括振动频率、振动幅度、旋转角度）、坝袋内部水压、坝体渗流压力等多参数一体化安全监控系统及方法。

背景技术

随着我国水利建设事业的发展，橡胶坝作为一种新颖的坝型在营造滨水景观改善沿河小气候方面具有独特的优势，得到了越来越多的应用。但是橡胶坝的使用仍存在一定缺陷，比如坝袋的振动问题，橡胶坝壁薄性柔溢流时由于水流的不稳定性易诱发坝袋振动，它比一般结构的振动更为复杂，坝袋振动易导致其磨损甚至发生脱层撕裂，严重的还会破坏整个坝体。

橡胶坝溢流时由水流的不稳定性诱发的坝袋振动，按振动的性质可分为强迫振动和自激振动两类。比一般结构的振动更为复杂。橡胶坝的振动受多种因素影响，如坝顶溢流流量、下游水深、锚固形式、充胀高度及介质、水工布置、坝体跨度、内压比、浪载作用、水流流态、气候条件和坝袋本身的性能等。对于运行中的橡胶坝，坝袋振动主要受过坝流量、下游水位、坝体跨度、坝袋锚固和两岸连接形式、充胀介质及坝袋施工安装的影响。

虽然橡胶坝已经存在很多年，但对橡胶坝的安全运行及橡胶坝基安全监测技术一直没有实质性进展。因此监控其坝顶溢流水位高度、坝体振动幅度与振动频率，一旦发生险情及时联动调整坝高或塌坝过流。橡胶坝只有做到了安全运行，才能为城区的环境美化起到踊跃的增进作用。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统及方法，本发明通过对橡胶坝的振动频率、振动幅度、溢流水位高度、坝袋内压、渗流压力多个数据进行分析诊断，提前进行安全预警。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统，包括多个用于采集橡胶坝的各个运行参数的预警监测装置，所述预警监测装置采用工业现场数据总线接口单元实现与上位机的数据交互；所述上位机对预警监测装置采集的数据进行处理及分析，数据异常时上位机将产生预警信息；

所述预警监测装置包括低功耗MCU单元，所述低功耗MCU单元由低功耗远程供电模块供电，低功耗MCU单元由双晶振电路单元提供时钟，所述低功耗MCU单元还与RTC时钟看门狗芯片、F-RAM铁电存储器、工业现场数据总线接口单元、温湿度传感器单元、3轴MEMS陀螺仪传感器电路单元及3轴加速度传感器电路单元分别通信，所述低功耗MCU单元还与压力式水位采集单元及高精度水位采集单元相连。

所述3轴加速度传感器电路单元采集橡胶坝振动频率、振动幅度及瞬间水平倾斜角度；3轴MEMS陀螺仪传感器电路单元采集橡胶坝某位置的旋转角加速度；高精度水位采集单元采集橡胶坝坝袋溢流水位高度；压力式水位采集单元采集橡胶坝坝体的渗流压力；温湿度传感器单元监测预警监测装置内部是否有漏水或湿度过高，同时检测现场环境温度。

所述预警监测装置与上位机通信中断时，低功耗MCU单元控制F-RAM铁电存储器按照RTC时钟看门狗芯片提供的准确时间将各种采集数据记录下来，待通信正常时自动上传数据记录或人工进行数据读取。

所述预警监测装置采用IP68防护等级，封装在一个一端开口的橡胶盒内，所述橡胶盒固定在橡胶坝顶部。

一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析方法，包括以下步骤：

步骤一：预警监测装置上电后首先进行系统初始化工作；

步骤二：初始化工作结束后，预警监测装置默认以实时高速在线采集模式运行，并与上位机建立实时数据链路，实时调度各种传感器进行数据采集，预警监测装置通过工业现场数据总线接口单元与上位机实现数据交互；

步骤三：上位机下发配置信息到预警监测装置实现控制采集模式，预警监测装置按照设定的模式采集数据，上位机通过远程通信方式定时或实时接收采集数据；

步骤四：上位机对接收到的数据进行数据解析，对每一帧数据进行协议分析，对预警监测装置采集的参数数据进行数据融合和分析存储。

步骤五：上位机将多数据融合后导入三维动画引擎实时还原现场的橡胶的工作状态，一旦出现数据异常上位机将产生预警信息，同时将自动弹出视频监控画面与现场3D模拟画面供工作人员分析诊断橡胶坝的工作情况。

所述步骤一中，预警监测装置初始化工作具体包括：自动载入3轴陀螺仪与3轴加速度计的校正偏移量及各个传感器的报警阀值。

所述步骤二中，预警监测装置采集的数据包括橡胶坝的旋转角加速度、橡胶坝振动频率、坝顶溢水高度、坝内压力、坝体渗压、振动幅度及瞬间水平倾斜角度。

所述步骤三中，预警监测装置根据上位机下发配置指令更改运行模式，配置为离线低速模式时，预警监测装置控制各传感器采集数据，一旦发现数据异常，预警监测装置自动进入振幅唤醒模式；

预警监测装置内部有RTC实时时钟，按设定的周期自动定时唤醒，而且允许上位机通过现场工业总线进行上位唤醒，终端唤醒后进入实时高速采集模式，与上位机建立数据链路，实现与上位机的数据交互，数据传递完毕后执行数据链路断开，再次进入离线低速模式。

所述步骤五中上位机一旦产生预警信息，将第一时间以短信及电话方式通知相关责任负责人，同时通知本地值班人员做出相应处理。

所述上位机能够同时处理不同地点多个预警监测装置发来的监控数据。

本发明的有益效果：

本发明不仅实现了对橡胶坝常规视频监控的补充，而且提供一种全新的监控理念；通过3轴加速度计与3轴陀螺仪采集矢量振动频率、振动幅度和旋转角度，通过水位传感器采集坝顶溢水高度、坝袋内部水压及坝基渗水压力，将多数据融合后导入三维动画引擎实时还原现场的橡胶的工作状态，一旦出现数据异常上位机将产生预警信息，同时将自动弹出视频监控画面与现场3D模拟画面供工作人员分析诊断橡胶坝的工作情况。

通过本发明的实施，可以实现对橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析，橡胶坝的远程实时安全监控与安全预警。这种监控方法直观、准确、快速，不仅大大加快了预警响应时间，而且大大提高了突发预警的准确度，降低了水利用户在汛期橡胶坝的使用风险。本监控终端整体采用免维护设计方案，工作稳定可靠，安装结构简单，施工方便，设备成本较低，性价比高。

附图说明

图1是本发明预警监测装置组成示意图；

图2是本发明预警监测装置工作流程图；

图3是本发明上位机识别控制流程图；

图中，1.低功耗远程供电模块，2.双晶振电路单元，3.RTC时钟看门狗芯片，4.F-RAM铁电存储器，5.工业现场数据总线接口单元，6.低功耗MCU单元，7.压力式水位采集单元，8.高精度水位采集单元，9.温湿度传感器单元，10.3轴MEMS陀螺仪传感器电路单元，11.3轴加速度传感器电路单元，12.系统初始化，13.离线低速模式，14.实时高速在线采集模式，15.振幅唤醒模式，16.定时唤醒，17.上位唤醒，18.建立实时数据链路，19.与上位机数据交互，20.数据链路断开。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

预警监测装置供电采用低功耗远程供电模块1可以实现输入12～48V宽电压范围工作，适应太阳能电池或现场直流供电，对应不同的输入电压，可以根据预警监测装置的各部分电路单元的需求，输出稳定的工作电压。

低功耗MCU单元6为预警监测装置的核心控制单元，低功耗MCU单元6采用双晶振工作模式，与双晶振电路单元2连接，选择低频晶振实现低速工作模式，选择高频晶振实现高速工作模式，满足不同现场对功耗或数据带宽的考虑。

F-RAM铁电存储器4接受低功耗MCU单元6的控制，根据命令，保存需要保存的有效数据。

RTC时钟看门狗芯片3用来实现低功耗MCU单元6死机时的复位，已经给预警监控终端提供实时时钟，与上位机时间相对应。

预警监测装置根据功能需要可以采集如下的数据，可以实现对橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析，3轴加速度传感器电路单元11采集橡胶坝振动频率、振动幅度及瞬间水平倾斜角度；3轴MEMS陀螺仪传感器电路单元10采集橡胶坝某位置的旋转角加速度；高精度水位采集单元8采集橡胶坝坝袋溢流水位高度；压力式水位采集单元7采集橡胶坝坝体的渗流压力；温湿度传感器单元9监测预警监测装置内部是否有漏水或湿度过高，同时检测现场环境温度。

预警监测装置采用工业现场数据总线接口单元5，实现与上位的数据交互。预警监测装置与上位机通信中断时，低功耗MCU单元6控制F-RAM铁电存储器4按照RTC时钟看门狗芯片3提供的准确时间将各种采集数据记录下来，待通信正常时自动上传数据记录或人工进行数据读取。

预警监测装置整体防护设计采用IP68防护等级，被封装在一个一端开口的橡胶盒内。现场安装时，先通过胶将橡胶套固定在橡胶坝顶部的某一位置；橡胶套固定好后，只需将预警监控终端塞到橡胶套中，用一个不锈钢螺丝紧固，实现现场数据监控。

图2是预警监测装置实施方式的工作流程图。

预警监测装置端上电后首先进行系统初始化12工作，自动载入3轴陀螺仪与3轴加速度计的校正偏移量及各个传感器的报警阀值，为后续精确采集做准备；自动载入工作模式，系统默认以实时高速在线采集模式14运行，低功耗MCU单元6以高频晶振提供的时钟运行，并与上位机建立实时数据链路18，实时调度各种传感器进行数据采集，实现与上位机数据交互19。

根据实际运行的需要，上位机可以下发配置指令更改预警监测装置的运行模式，配置为离线低速模式13，在离线低速模式13下，预警监测装置依然可以控制各传感器采集数据，一旦发现数据异常，如3轴加速计发现振动幅度超限，预警监测装置自动进入振幅唤醒模式；终端内部有RTC实时时钟，可按设定的周期自动定时唤醒16；而且允许上位机通过现场工业总线进行上位唤醒17。终端唤醒后进入实时高速采集模式14，与上位机建立数据链路18，实现与上位机的数据交互19，数据传递完毕后执行数据链路断开20,再次进入离线低速模式13.

图3是上位机识别控制流程图。

上位机可以下发配置信息到预警监测装置实现控制采集模式，终端按照设定的模式采集数据，上位机通过远程通信方式定时或实时接收采集数据，上位机能够同时处理不同地点多个终端发来的监控数据；上位机对接收到的数据进行数据解析，对每一帧数据进行协议分析，提取3轴陀螺仪、3轴加速度计、坝顶溢水高度、坝内压力、坝体渗压等关键信息，供上位机进行数据融合和分析存储，上位机采用数据综合和处理技术,将传统水位监测和新技术MEMS的集成应用,采用信号处理、决策论、不确定性理论、估计理论、最优化技术、虚拟技术等先进技术进行数据融合，对现场信息的整合决策判定实现橡胶坝智能监控。上位机将多数据融合后导入三维动画引擎实时还原现场的橡胶的工作状态，一旦出现数据异常上位机将产生预警信息，同时将自动弹出视频监控画面与现场3D模拟画面供工作人员分析诊断橡胶坝的工作情况。预警通知和预警联动，上位机一旦产生橡胶坝安全报警，将第一时间以短信、电话等方式通知相关责任负责人，同时通知本地值班人员做出相应处理。最大程度的降低汛期对坝体安全威胁，发挥橡胶拦蓄坝安全运行的经济价值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统，其特征是，包括多个用于采集橡胶坝的各个运行参数的预警监测装置，所述预警监测装置采用工业现场数据总线接口单元实现与上位机的数据交互；所述上位机对预警监测装置采集的数据进行处理及分析，数据异常时上位机将产生预警信息；

所述预警监测装置包括低功耗MCU单元，所述低功耗MCU单元由低功耗远程供电模块供电，低功耗MCU单元由双晶振电路单元提供时钟，所述低功耗MCU单元还与RTC时钟看门狗芯片、F-RAM铁电存储器、工业现场数据总线接口单元、温湿度传感器单元、3轴MEMS陀螺仪传感器电路单元及3轴加速度传感器电路单元分别通信，所述低功耗MCU单元还与压力式水位采集单元及高精度水位采集单元相连。

2.如权利要求1所述的一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统，其特征是，所述3轴加速度传感器电路单元采集橡胶坝振动频率、振动幅度及瞬间水平倾斜角度；3轴MEMS陀螺仪传感器电路单元采集橡胶坝某位置的旋转角加速度；高精度水位采集单元采集橡胶坝坝袋溢流水位高度；压力式水位采集单元采集橡胶坝坝体的渗流压力；温湿度传感器单元监测预警监测装置内部是否有漏水或湿度过高，同时检测现场环境温度。

3.如权利要求1所述的一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统，其特征是，所述预警监测装置与上位机通信中断时，低功耗MCU单元控制F-RAM铁电存储器按照RTC时钟看门狗芯片提供的准确时间将各种采集数据记录下来，待通信正常时自动上传数据记录或人工进行数据读取。

4.如权利要求1所述的一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统，其特征是，所述预警监测装置采用IP68防护等级，封装在一个一端开口的橡胶盒内，所述橡胶盒固定在橡胶坝顶部。

5.如权利要求1所述一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析系统的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：预警监测装置上电后首先进行系统初始化工作；

步骤二：初始化工作结束后，预警监测装置默认以实时高速在线采集模式运行，并与上位机建立实时数据链路，实时调度各种传感器进行数据采集，预警监测装置通过工业现场数据总线接口单元与上位机实现数据交互；

步骤三：上位机下发配置信息到预警监测装置实现控制采集模式，预警监测装置按照设定的模式采集数据，上位机通过远程通信方式定时或实时接收采集数据；

步骤四：上位机对接收到的数据进行数据解析，对每一帧数据进行协议分析，对预警监测装置采集的参数数据进行数据融合和分析存储；

步骤五：上位机将多数据融合后导入三维动画引擎实时还原现场的橡胶的工作状态，一旦出现数据异常上位机将产生预警信息，同时将自动弹出视频监控画面与现场3D模拟画面供工作人员分析诊断橡胶坝的工作情况。

6.如权利要求5所述一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析方法，其特征是，所述步骤一中，预警监测装置初始化工作具体包括：自动载入3轴陀螺仪与3轴加速度计的校正偏移量及各个传感器的报警阀值。

7.如权利要求5所述一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析方法，其特征是，所述步骤二中，预警监测装置采集的数据包括橡胶坝的旋转角加速度、橡胶坝振动频率、坝顶溢水高度、坝内压力、坝体渗压、振动幅度及瞬间水平倾斜角度。

8.如权利要求5所述一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析方法，其特征是，所述步骤三中，预警监测装置根据上位机下发配置指令更改运行模式，配置为离线低速模式时，预警监测装置控制各传感器采集数据，一旦发现数据异常，预警监测装置自动进入振幅唤醒模式；

预警监测装置内部有RTC实时时钟，按设定的周期自动定时唤醒，而且允许上位机通过现场工业总线进行上位唤醒，终端唤醒后进入实时高速采集模式，与上位机建立数据链路，实现与上位机的数据交互，数据传递完毕后执行数据链路断开，再次进入离线低速模式。

9.如权利要求5所述一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析方法，其特征是，所述步骤五中上位机一旦产生预警信息，将第一时间以短信及电话方式通知相关责任负责人，同时通知本地值班人员做出相应处理。

10.如权利要求5所述一种橡胶坝震动形变及动态溢流水位监测分析方法，其特征是，所述上位机能够同时处理不同地点多个预警监测装置发来的监控数据。