CN109238434A - 用于水利水电工程的拱坝智能监控系统 - Google Patents

用于水利水电工程的拱坝智能监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于水利水电工程的拱坝智能监控系统，包括数据采集装置、存储设备和计算机监测中心；所述的数据采集装置用于采集拱坝重要位置的振动数据；所述数据采集装置采集的振动数据传输到所述计算机监测中心和存储设备，所述存储设备被配置为存储所述振动数据；所述计算机监测中心对所述振动数据进行处理，得到不同位置处的振动位移曲线，通过对所述振动位移曲线的分析，实现对所述拱坝的监测。

Description

用于水利水电工程的拱坝智能监控系统
技术领域
本发明涉及水利水电智能监测领域，具体涉及用于水利水电工程的拱坝智能监控系统。
背景技术
相关技术中，对于拱坝的监测主要为变形监测、渗流渗压监测、应力应变监测、缝隙开合度监测和温度监测等。上述监测基本为静态或准静态监测，对于坝肩稳定性以及坝体的整体位移，静态方法还是适用的，但对于反映拱坝成拱条件的内部应力应变、缝隙开合度的情况，静态监测很难把握拱坝工作状态的瞬时变化和随时间的演变过程，而拱坝的瞬时成拱失效和裂缝累积效应造成的成拱失效会威胁拱坝的安全运行。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供用于水利水电工程的拱坝智能监控系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
用于水利水电工程的拱坝智能监控系统，包括数据采集装置、存储设备和计算机监测中心；所述的数据采集装置用于采集拱坝重要位置的振动数据；所述数据采集装置采集的振动数据传输到所述计算机监测中心和存储设备，所述存储设备被配置为存储所述振动数据；所述计算机监测中心对所述振动数据进行处理，得到不同位置处的振动位移曲线，通过对所述振动位移曲线的分析，实现对所述拱坝的监测。
本发明的有益效果为：通过设置数据采集装置、存储设备和计算机监测中心，及时发现拱坝可能产生的损伤，快速找出损伤位置，以便采用各种工程措施加以修复和加固，并且该系统具有形式简单、施工方便、易于维护、工程造价低、运行管理方便的特点，运行时可实现远程控制。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的应用场景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是本发明一个示例性实施例的用于水利水电工程的拱坝监控系统的结构示意图。
图2是本发明一个示例性实施例的计算机监测中心的模块连接示意图。
附图标记：
数据采集装置1、存储设备2、计算机监测中心3、数据预处理模块31、数据分析模块32、数据评估模块33、数据显示模块34。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1、图2，本发明实施例提供了用于水利水电工程的拱坝监控系统，包括数据采集装置1、存储设备2和计算机监测中心3；所述的数据采集装置1用于采集拱坝重要位置的振动数据；所述数据采集装置1采集的振动数据传输到存储设备2进行存储，以及发送至所述计算机监测中心3。
所述计算机监测中心3对所述振动数据进行处理，得到不同位置处的振动位移曲线，通过对所述振动位移曲线的分析，实现对所述拱坝的监测。
本发明的上述实施例通过设置数据采集装置1、存储设备2和计算机监测中心3，及时发现拱坝可能产生的损伤，快速找出损伤位置，以便采用各种工程措施加以修复和加固，并且该系统具有形式简单、施工方便、易于维护、工程造价低、运行管理方便的特点，运行时可实现远程控制。
本发明通过无线传感器网络采集振动数据，无需布线，且监测实时便捷。
优选的，所述重要位置包括拱坝坝段、施工横缝、表孔、中孔、顶拱、拱冠梁、1/4顶拱轴线位置梁和3/4顶拱轴线位置梁。进一步地，所述重要位置还包括在所述顶拱的1/8轴线位置、3/8轴线位置、5/8轴线位置和7/8轴线位置相应拱坝坝段中心点的下游坝面。
本优选实施例设定了需要监测的拱坝的重要位置，使监测更具有相对性。
优选的，所述计算机监测中心3包括依次连接的数据预处理模块31、数据分析模块32、数据评估模块33和数据显示模块34，所述数据预处理模块31用于对振动数据进行预处理；所述数据分析模块32用于对预处理后的振动数据进行分析和处理，以得到拱坝重要位置的振动位移曲线；所述数据评估模块33用于对所述振动位移曲线进行健康分析并判断拱坝重要位置的振动位移是否处于健康状态，输出拱坝重要位置健康状态结果；所述数据显示模块34用于显示所述拱坝重要位置健康状态结果。
本优选实施例构建了计算机监测中心3的模块架构。
其中，所述数据采集装置1包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的拱坝监控区域的中心位置，四个中继节点设置于拱坝监控区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于各拱坝重要位置；将拱坝监控区域划分m个虚拟网格区域，且使得各中继节点在不同的虚拟网格区域内；网络初始化时，在中继节点所在的虚拟网格区域中选取中继节点作为簇头，并从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，各传感器节点选择距离最近的簇头加入簇；传感器节点负责采集所在位置的振动数据，并将采集的振动数据发送至对应的簇头，非中继节点的簇头所接收的振动数据最终发送至其中一个中继节点；中继节点与汇聚节点直接通信，以将接收的振动数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚接收的振动数据并发送至存储设备2和计算机监测中心3。
在一种优选实施例中，从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，包括：计算虚拟网格区域的重心位置，计算虚拟网格区域内各传感器节点的权值，并选取权值最大的传感器节点作为该虚拟网格区域的簇头；
其中，设置重心位置的计算公式为：
式中，Wv表示虚拟网格区域v的重心位置，x(e)表示所述虚拟网格区域v中第e个传感器节点所在位置的x向坐标，y(e)为所述第e个传感器节点所在位置的y向坐标，z(e)为所述第e个传感器节点所在位置的z向坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，nv为所述虚拟网格区域v具有的传感器节点个数；
其中，设置所述权值的计算公式为：
式中，Bva为虚拟网格区域v中第e个传感器节点的权重，为所述第e个传感器节点与重心位置Wv的距离，为虚拟网格区域v中第a个传感器节点与重心位置Wv的距离；Se,o为所述第e个传感器节点与汇聚节点的距离，Sa,o为所述第a个传感器节点与汇聚节点的距离，nv为虚拟网格区域v中传感器节点个数，d1、d2为设定的权重系数。
本实施例提出了虚拟网格区域内各传感器节点权重的计算公式，该计算公式中，距离所在虚拟网格区域重心位置以及汇聚节点更近的传感器节点具有更大的概率担任该虚拟网格区域的簇头。
在另一种优选实施例中，从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个当前剩余能量最大的传感器节点作为簇头。
本实施例从每个虚拟网格区域中选择概率最大的传感器节点作为簇头，一方面能够保证簇头尽量均匀地分布在整个监测区域内，另一方面能够提升分簇结果的全局最优性能，节省簇头收集和传输振动数据的能量消耗，提高簇头进行振动数据收集工作的稳定性。
在一个实施例中，所述中继节点可移动，设与中继节点直接通信的簇头集合为Q，中继节点定期对集合Q中的簇头进行能量监测，计算集合Q中的簇头的能量势力；若集合Q中存在能量势力大于0的簇头，汇聚节点在能量势力大于0的簇头中，选择最大能量势力、次大能量势力的传感器节点作为目标节点，设该两个目标节点的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，则中继节点向点的方向移动移动设定的距离；其中中继节点移动的总距离不能超过预设的距离上限；
其中，按照下列公式计算能量势力：
式中，Rf为集合Q中的簇头f的能量势力，Uf为簇头f的当前剩余能量，Uf4为簇头f对应簇内第h个传感器节点的当前剩余能量，mf为簇头f对应簇内的传感器节点数量，Pf为簇头f的通信距离，Ul为集合Q中的第l个簇头的当前剩余能量，PO为中继节点的通信距离。
靠近中继节点的簇头不仅需要接收和转发其簇内的振动数据，还需要中继转发其他簇头的振动数据，因此相对于其他簇头，需要消耗更多的能量，所以无线传感器网络在中继节点附近容易产生能量空洞。
基于此问题，本实施例设置中继节点可移动，并创新性地定义了能量势力的计算公式，本实施例在中继节点的附近簇头的能量势力大于0时，使中继节点向能量势力较大的簇头确定的基准点方向移动设定的距离，从而促使能量较低的簇头由于与移动后的中继节点过远而不再承担中继转发的任务。本实施例有益于平衡各簇头的能量，减少能量空洞现象，进而有效延长网络生存时间，提高振动数据收集的稳定性。
在一个实施例中，非中继节点的簇头定期设置通信距离阈值，当非中继节点的簇头到距离最近的中继节点的距离未超过所设置的通信距离阈值时，其直接将接收的振动数据发送至该距离最近的中继节点；当非中继节点的簇头到距离最近的中继节点的距离超过所设置的通信距离阈值时，其在更靠近该距离最近的中继节点的其余簇头中选择一个最近的作为下一跳节点，将接收的振动数据发送至该下一跳节点；
所述通信距离阈值的设定公式为：
式中，Pi(t)为簇头i在第t个周期设定的通信距离阈值，为簇头i可调节的最大通信距离，为簇头i可调节的最小通信距离，Ui为簇头i的当前剩余能量，Ui0为簇头i的初始能量，Umin为预设的最小能量值，C为预设的调节因子，C的取值范围为[0.6,0.8[。
本实施例中，非中继节点的簇头设置通信距离阈值，将其与距离最近的中继节点的距离和该通信距离阈值进行比较，以根据比较结果选择合适的路由形式将振动数据发送至该距离最近的中继节点，有利于较优化地节省簇头向中继节点传输振动数据的能量成本。其中，本实施例根据簇头的当前剩余能量设定了距离阈值的公式，通过该公式计算出的距离阈值来调节簇头的路由方式，有利于降低簇头能量消耗的速率，避免簇头快速失效，有效地延长了簇头的工作周期，进而在整体上提高了振动数据传输的可靠性。
最后应当说明的是，以上应用场景仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳应用场景对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.用于水利水电工程的拱坝智能监控系统，其特征是，包括数据采集装置、存储设备和计算机监测中心；所述的数据采集装置用于采集拱坝重要位置的振动数据；所述数据采集装置采集的振动数据传输到所述计算机监测中心和存储设备，所述存储设备被配置为存储所述振动数据；所述计算机监测中心对所述振动数据进行处理，得到不同位置处的振动位移曲线，通过对所述振动位移曲线的分析，实现对所述拱坝的监测。
2.根据权利要求1所述的用于水利水电工程的拱坝智能监控系统，其特征是，所述重要位置包括拱坝坝段、施工横缝、表孔、中孔、顶拱、拱冠梁、1/4顶拱轴线位置梁和3/4顶拱轴线位置梁。
3.根据权利要求2所述的用于水利水电工程的拱坝智能监控系统，其特征是，所述重要位置还包括在所述顶拱的1/8轴线位置、3/8轴线位置、5/8轴线位置和7/8轴线位置相应拱坝坝段中心点的下游坝面。
4.根据权利要求1所述的用于水利水电工程的拱坝智能监控系统，其特征是，所述计算机监测中心包括依次连接的数据预处理模块、数据分析模块、数据评估模块和数据显示模块，所述数据预处理模块用于对振动数据进行预处理；所述数据分析模块用于对预处理后的振动数据进行分析和处理，以得到拱坝重要位置的振动位移曲线；所述数据评估模块用于对所述振动位移曲线进行健康分析并判断拱坝重要位置的振动位移是否处于健康状态，输出拱坝重要位置健康状态结果；所述数据显示模块用于显示所述拱坝重要位置健康状态结果。
5.根据权利要求1所述的用于水利水电工程的拱坝智能监控系统，其特征是，从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，包括：计算虚拟网格区域的重心位置，计算虚拟网格区域内各传感器节点的权值，并选取权值最大的传感器节点作为该虚拟网格区域的簇头；
其中，设置重心位置的计算公式为：
式中，Wv表示虚拟网格区域v的重心位置，x(e)表示所述虚拟网格区域v中第e个传感器节点所在位置的x向坐标，y(e)为所述第e个传感器节点所在位置的y向坐标，z(e)为所述第e个传感器节点所在位置的z向坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，nv为所述虚拟网格区域v具有的传感器节点个数；
其中，设置所述权值的计算公式为：
式中，Bva为虚拟网格区域v中第e个传感器节点的权重，为所述第e个传感器节点与重心位置Wv的距离，为虚拟网格区域v中第a个传感器节点与重心位置Wv的距离；Se,o为所述第e个传感器节点与汇聚节点的距离，Sa,o为所述第a个传感器节点与汇聚节点的距离，nv为虚拟网格区域v中传感器节点个数，d1、d2为设定的权重系数。
6.根据权利要求1所述的用于水利水电工程的拱坝智能监控系统，其特征是，所述中继节点可移动，设与中继节点直接通信的簇头集合为Q，中继节点定期对集合Q中的簇头进行能量监测，计算集合Q中的簇头的能量势力；若集合Q中存在能量势力大于0的簇头，汇聚节点在能量势力大于0的簇头中，选择最大能量势力、次大能量势力的传感器节点作为目标节点，设该两个目标节点的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，则中继节点向点的方向移动移动设定的距离；其中中继节点移动的总距离不能超过预设的距离上限；
其中，按照下列公式计算能量势力：
式中，Rf为集合Q中的簇头f的能量势力，Uf为簇头f的当前剩余能量，Ufh为簇头f对应簇内第h个传感器节点的当前剩余能量，mf为簇头f对应簇内的传感器节点数量，Pf为簇头f的通信距离，Ul为集合Q中的第l个簇头的当前剩余能量，PO为中继节点的通信距离。
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