CN110866974A - 一种基于三维展示的水工监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维展示的水工监测系统，包括电站控制系统、上位机、云服务器和终端设备，所述电站控制系统，包括电站数据接收管理模块，以及分别与电站数据接收管理模块进行通信的数据采集设备、水情监视模块、信息查询模块、报警模块和显示器，所述电站数据接收管理模块内设有BIM模型构建模块，用于加载该水工建筑物的BIM模型及各监测仪器的BIM模型，并重构水工建筑物的三维BIM模型；所述终端设备上运行有电站集群控制系统和平台管理系统；所述电站数据接收管理模块与上位机通信；所述上位机与云服务器通信，所述云服务器与终端设备通信。采用本发明的水工监测系统，可以形象化展示大坝、厂房等水工建筑物的安全状态。
Description
技术领域
本发明属于水工监测系统技术领域，是关于一种基于三维展示的水工监测系统。
背景技术
三维数据测量技术是计算机视觉领域的重要课题，在虚拟现实、文物保护、机械加工、影视特技制作、计算机仿真、服装设计等领域有着广泛的应用。目前，在水工监测领域中用之甚少。现有的水工监测系统不能形象化展示大坝、厂房等水工建筑物的安全状态。相对于非专业人员而言，难以快速获得直观的可视化仿真图，难以对水工建筑物的监测结果进行准确的判断。因此有必要开发一种基于三维展示的水工监测系统。
另外，目前对水工结构变形和应力监测数据的分析方法以统计学方法为主，其分析基础是统计模型——即将观测量(变形或应力)分解为水位分量、时间分量、温度分量等效应量，并假设观测量与效应因子(水位、时间、温度等)之间存在一定的函数关系，以此作为分析的基础。统计学方法的局限性在于，影响观测量的效应因子、以及观测量与效应因子之间的函数关系形式都是人为假设的，未必符合观测量发生变化的真实机理，往往出现历史数据拟合较好、预测精度偏低的现象。
发明内容
本发明从公司集群管理的角度出发，为了便于在统一的标准下开展新建电厂自动化在线监测和既有电厂自动化在线监测改造，便于与公司资产管理系统无缝衔接，以目前国际上应用最广泛的南方电网公司在资产管理中普遍采用的KKS电厂标识系统为基础，制定公司统一水工水情数据编码标准。在这基础上开发研究了一种基于三维展示的水工监测系统。另外，本发明针对水工安全监测数据(如变形、渗压、渗漏量、土压力等)及环境量(水位、温度、时间等)进行关联分析，挖掘安全监测数据与环境量、以及安全监测数据之间的内在关联，可以发现决定安全性态的关键指标的关键因素，从而更加合理的建立预测模型。
因此，本发明的目的是提供一种基于三维展示的水工监测系统，以解决现有的水工监测系统不能直观、形象化的展示水工建筑物的安全状态的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于三维展示的水工监测系统，包括电站控制系统、上位机、云服务器和终端设备，所述上位机与云服务器通信，所述云服务器与终端设备通信，
所述电站控制系统，设于各个独立的电站内，包括数据采集设备、水情监视模块、电站数据接收管理模块、信息查询模块、报警模块和显示器，
所述数据采集设备包括监测水工建筑物的变形监测仪器、渗流监测仪器、应力应变监测仪器、温度监测仪器和环境量监测仪器，所述数据采集设备与电站数据接收管理模块通信，
所述水情监视模块，用于监测时段的水位和雨量，
所述报警模块，包括录入模块和报警信息查询模块，分别用于录入重点水工建筑物的监控指标和报警阈值，以及用于查询当前的监控指标和报警阈值；
所述电站数据接收管理模块，所述电站数据接收管理模块为一PLC控制器，用于提供各类信息、数据录入、存储、备份、修改、打印功能，所述电站数据接收管理模块内设有BIM模型构建模块，用于从BIM模型信息数据库中加载该水工建筑物的BIM模型及各监测仪器的BIM模型，并重构水工建筑物的三维BIM模型；其中，BIM模型信息数据库是用于存储各种监测仪器的BIM模型及水工建筑物的BIM模型；
所述电站数据接收管理模块与水情监视模块通信，用于实时接收水位和雨量的数据，并进行接收处理；所述电站数据接收管理模块与显示器通信；所述电站数据接收管理模块与报警模块通信，用于将水位和雨量的处理信息与报警模块的信息进行对比，以实现重点测点的自动报警；所述电站数据接收管理模块与上位机通信，
所述终端设备上运行有电站集群控制系统和平台管理系统。
根据本发明，所述电站控制系统，还包括知识库模块，所述知识库模块，用于实时录入数据并统计历史监测数据构建历史信息数据集，所述知识库模块与电站数据接收管理模块通信，并进行处理。
根据本发明，所述显示器，分别用于接收报警消除按钮、查阅历史记录按钮、电站数据接收管理模块的输入信号，并用于显示水位、雨量、运行状态、建筑物三维模型、报警情况等，具体包括：
水位显示和雨量显示，用于显示水情监视模块监测的水位和雨量；
信息查询模块，用于查询各种防汛水情、雨情信息及查询知识库模块构建的历史信息，用于查询实时的和历史的闸门启闭、闸门开度情况及相应的泄流量，以及通过图表形式查询、检索预报洪水信息、洪水调度演算结果，
水工建筑物三维模型显示，用于显示BIM模型构建模块构建的水工建筑物三维模型；形象化展示大坝、厂房等水工建筑物的安全状态。
根据本发明，所述终端设备包括但不限于电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、掌上电脑、手机中的一种或多种。
根据本发明，所述电站集群控制系统包括电站集群数据管理模块、多个电站详情模块、三维展示模块、项目信息模块、电站集群报警管理模块和水情信息模块；
所述电站集群数据管理模块，用于接收云服务器的数据，并用于对各个电站进行数据的导入/导出、数据编辑、数据查询以及仪器统计；
所述电站详情模块，与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并展示各电站的空间分布位置、各电站的实时监测数据以及各站点的实时运行状态；展示各电站的水工建筑物三维模型等；
所述三维展示模块，包括三维模型展示和漫游缩放拖动，所述三维模型展示，与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并用于展示各电站的水工建筑物三维模型，实现所有大坝、厂房等水工建筑物的形象化展示，从而形象化展示大坝、厂房等水工建筑物的安全状态；所述漫游缩放拖动，用于支持水工建筑物三维模型的拖动、缩放、漫游等操作；
项目信息模块，包括拓扑结构图、设备布置图和断面二维图，拓扑结构图用于显示各电站之间的层级关系，从而使得层级清晰，归属直观，方便用户操作；所述断面二维图用于显示水工建筑物的不同的断面信息，从而形象展示设备的布置情况；所述设备布置图包括若干选择节点；
所述水情信息模块，与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并用于显示各个电站各个时段的水位和雨量，以及用于显示各个电站的历史时段的水位和雨量；
所述电站集群报警管理模块，包括报警信息查询、报警信息处理和报警统计，均与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并且分别用于查询各电站的重点水工建筑物的监控指标和报警阈值，用于发生报警时系统按照报警推送配置方式即时对指定用户进行提示，以及用于统计各电站的报警数量和所有电站的报警总数量；
根据本发明，所述电站集群控制系统还包括报表管理模块，所述报表管理模块，与电站集群数据管理模块通信，包括日报报表、周报报表、月报报表、年报报表和自定义报表，所述报表管理模块与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并用于生成报表，从而直观显示各电站的报警情况、水情信息等数据。
根据本发明，所述电站集群控制系统还包括电站集群规范制度模块，所述电站集群规范制度模块，与电站集群数据管理模块通信，包括文档上传和查阅、下载，用于上传文档，下载文档、参阅文档等；所述电站集群规范制度模块与电站集群数据管理模块通信。
根据本发明，所述电站集群控制系统还包括定检信息模块，所述定检信息模块，与电站集群数据管理模块进行通信，包括定检数据上传和定检数据查询，用于上传和查询基本资料及大坝注册信息，用于上传和查询人员定检信息；用于上传和查询现场检查情况及其拍照记录等。
根据本发明，所述电站集群控制系统还包括高级分析模块，所述高级分析模块与电站集群数据管理模块进行通信，包括相型分析和相关分析，
相型分析，用于梳理分析安全监测数据和建立安全性态指标等级体系；
相关分析，用于对水工安全监测数据(如变形、渗压、渗漏量、土压力等)及环境量(水位、温度、时间等)进行关联分析，并建立预测模型。
进一步的，所述预测模型模型的构建，包括如下步骤：
步骤一、确定预报因子；
步骤二、依据预报因子整理数据集，对数据集中的预报因子数据进行归一化处理，按照训练|测试比8:2的比例划分训练集和测试集；
步骤三、采用PSO算法确定SVR模型中C、σ和ε的最优解，具体步骤如下：
(1)确定C、σ和ε三个参数的取值范围；
(2)初始化粒子群；
(3)确定适应度评估函数。并由适应度评估函数计算每个粒子的适应度值；
(4)确定每个粒子的个体最佳位置，具体为：将每个粒子当前位置的适应度值与其历史最佳位置pbest(即局部最优解)的适应度值作比较，如果当前位置适应度值大于pbest的适应度值，则将其作为当前的最佳位置pbest；
(5)确定整个粒子群的全局最佳位置，具体为：将每个粒子当前最佳位置的适应度值与整个群体的当前最佳位置gbest(即全局最优解)的适应度值作比较，如果当前最好位置适应度值大于gbest的适应度值，则将其作为当前的最佳位置gbest；
(6)更新粒子速度V和位置X：
vi+1＝wvi+c1r1(pbest-xi)+c2r2(gbest-xi) (公式Ⅱ)
xi+1＝xi+vi+1 (公式Ⅲ)
式中：i表示迭代代数，xi表示第i次迭代时粒子所在位置，vi表示第i次迭代时粒子的速度，r1、r2为(0,1)之间的两个随机数，c1、c2表示的是增速因子，它们的取值均大于0，一般都取为2，w为权重因子，取值范围是(0,1)；
(7)判断算法是否满足结束条件，不满足则转到第③步；满足则输出最优结果，此时的全局最优解即是三个参数的最优值；
步骤四、将PSO算法得到的三个参数的最优解输入到SVR模型中；
步骤五、根据输入数据预测未来的安全性态指标，并以此确定安全性态等级。
步骤六、采用验证集验证模型的预测效果，并对模型进行评价。
根据本发明，所述平台管理系统包括系统管理模块、平台规范制度模块、电站管理模块、平台报表管理模块、平台报警管理模块、水情配置模块、结构管理模块、模型管理模块和平台数据管理模块，
所述平台数据管理模块，分别与云服务器和电站集群数据管理模块通信，用于接收云服务器的数据，并用于对各个电站进行数据的导入/导出、数据编辑、数据查询以及仪器统计；以及用于接收电站集群数据管理模块的数据，
所述系统管理模块，与平台数据管理模块通信，包括用户管理、权限管理、日志管理和系统配置；权限管理用于定义所有需要权限验证的功能的权限码，设计所有功能权限码；用户管理用于管理系统中用户信息，此功能包括对管理范围内的所有用户的添加/编辑/删除/禁用/配置角色，日志管理用于记录所有账号登录日志并展示登录日志，包括IP、用户名、登录时间等。
所述平台规范制度模块，包括文档分类管理和文档管理；用于设计文档分类要求和管理文档，包括对文档的添加/编辑/删除/禁用/上传、下载、参阅等的权限；所述平台规范制度模块与平台数据管理模块通信；
所述电站管理模块，与平台数据管理模块通信，包括电站列表、电站介绍和电站配置，用于设计电站列表模式、电站介绍、配置添加/编辑/删除等；
所述平台报表管理模块，包括报表分类管理和报表自定义，所述平台报表管理模块与平台数据管理模块通信，用于设置或自定义报表的种类，如日报报表、周报报表、月报报表、年报报表；
所述水情配置模块，与平台数据管理模块通信，并用于录入各个电站的流域配置情况；
所述平台报警管理模块，包括报警参数管理、报警方式管理和预警接收人管理，所述报警参数管理，用于设置重点水工建筑物的监控指标和报警阈值，从而实现多级预警设置功能，并实现重点测点的自动报警。
所述报警方式管理，用于设置报警声音、显示器显示的报警信号的类型等，所述预警接收人管理，用于设置接收人信息，发生报警时系统按照报警推送配置方式即时以站内消息或对指定用户进行提示，便于各站点或指定用户及时收到报警信息，以及时对报警信息进行处理及问题反馈。
所述结构管理模块，与平台数据管理模块通信，包括拓扑结构管理、部位管理、设备类型管理和设备管理，拓扑结构管理用于设置各电站层级关系的展示图样，部位管理用于设置各水工建筑物的部位对应的数据编码标准等，设备类型管理用于设置各类型的水工建筑物对应的数据编码标准等，设备管理用于设置各水工建筑物对应的数据编码标准等；
所述模型管理模块，与平台数据管理模块通信，包括三维模型管理、二维图管理和BIM管理，BIM管理用于与BIM软件数据接入，三维模型管理用于导入工程已有的BIM模型，必要时重构部分构筑物的三维BIM模型，二维图管理用于导入工程已有的二维图等；以实现大坝、厂房等水工建筑物的形象化展示。
本发明的基于三维展示的水工监测系统，其有益效果是：
1、BIM模型构建模块，可以重构水工建筑物的三维BIM模型；而且，该系统可在水工建筑物运行性态下，按照不同性态(属性)进行颜色标识，形象化展示大坝、厂房等水工建筑物的安全状态；
2、电站集群控制系统管理各电厂业务数据独立，系统根据电厂工程结构、部位、设备点位信息，生成工程结构拓扑图，层级清晰、归属关系直观，用户在结构中进行交互操作，根据选中的节点，可形象展示所选断面信息，以及断面设备布置情况，及设备数据信息；
3、本发明针对水工安全监测数据(如变形、渗压、渗漏量、土压力等)及环境量(水位、温度、时间等)进行关联分析，挖掘安全监测数据与环境量、以及安全监测数据之间的内在关联，可以发现决定安全性态的关键指标的关键因素，从而更加合理的建立预测模型，进而提高预测精度。
附图说明
图1为本发明的基于三维展示的水工监测系统的模块示意图。
图2为实施例2的PSO-SVR模型的构建步骤图。
具体实施方式
以下结合具体附图，对本发明的基于三维展示的水工监测系统作进一步详细说明。
如图1所示，为本发明的一种基于三维展示的水工监测系统，包括电站控制系统、上位机、云服务器和终端设备，所述上位机与云服务器通信，所述云服务器与终端设备通信。
所述电站控制系统，设于各个独立的电站内，包括数据采集设备、水情监视模块、电站数据接收管理模块、信息查询模块、报警模块、知识库模块和显示器。
所述数据采集设备包括监测水工建筑物的变形监测仪器、渗流监测仪器、应力应变监测仪器、温度监测仪器和环境量监测仪器，所述数据采集设备与电站数据接收管理模块通信。
所述水情监视模块，用于监测时段的水位和雨量。
所述知识库模块，用于实时录入数据并统计历史监测数据构建历史信息数据集。
所述报警模块，包括录入模块和报警信息查询模块，分别用于录入重点水工建筑物的监控指标和报警阈值，以及用于查询当前的监控指标和报警阈值。
所述电站数据接收管理模块，所述电站数据接收管理模块为一PLC控制器，用于提供各类信息、数据录入、存储、备份、修改、打印功能，所述电站数据接收管理模块内设有BIM模型构建模块，用于从BIM模型信息数据库中加载该水工建筑物的BIM模型及各监测仪器的BIM模型，并重构水工建筑物的三维BIM模型；其中，BIM模型信息数据库是用于存储各种监测仪器的BIM模型及水工建筑物的BIM模型。
所述电站数据接收管理模块与水情监视模块通信，用于实时接收水位和雨量的数据，并进行接收处理；所述电站数据接收管理模块与知识库模块连接，并进行处理，所述电站数据接收管理模块与显示器通信；所述电站数据接收管理模块与报警模块通信，用于将水位和雨量的处理信息与报警模块的信息进行对比，以实现重点测点的自动报警；所述电站数据接收管理模块与上位机通信。
所述终端设备上运行有电站集群控制系统和平台管理系统。
根据本发明，所述显示器，分别用于接收报警消除按钮、查阅历史记录按钮、电站数据接收管理模块的输入信号，并用于显示水位、雨量、运行状态(例如：运行指示灯亮/灭)、建筑物三维模型、报警情况，具体包括：
水位显示和雨量显示，用于显示水情监视模块监测的水位和雨量。
信息查询模块，用于查询各种防汛水情、雨情信息及查询知识库模块构建的历史信息，用于查询实时的和历史的闸门启闭、闸门开度情况及相应的泄流量，以及通过图表形式查询、检索预报洪水信息、洪水调度演算结果。
水工建筑物三维模型显示，用于显示BIM模型构建模块构建的水工建筑物三维模型；形象化展示大坝、厂房等水工建筑物的安全状态。
所述终端设备包括但不限于电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、掌上电脑、手机中的一种或多种。
所述平台管理系统包括系统管理模块、平台规范制度模块、电站管理模块、平台报表管理模块、平台报警管理模块、水情配置模块、结构管理模块、模型管理模块和平台数据管理模块。
所述平台数据管理模块，分别与云服务器和电站集群数据管理模块通信，用于接收云服务器的数据，并用于对各个电站进行数据的导入/导出、数据编辑、数据查询以及仪器统计；(更具体的，包括对报警信息的统计，可以查询报警信息，以便于对报警信息进行处理及问题反馈)；以及用于接收电站集群数据管理模块的数据。
所述系统管理模块，与平台数据管理模块通信，包括用户管理、权限管理、日志管理和系统配置；权限管理用于定义所有需要权限验证的功能的权限码，设计所有功能权限码；用户管理用于管理系统中用户信息，此功能包括对管理范围内的所有用户的添加/编辑/删除/禁用/配置角色，日志管理用于记录所有账号登录日志并展示登录日志，包括IP、用户名、登录时间等。
所述平台规范制度模块，包括文档分类管理和文档管理；用于设计文档分类要求和管理文档，包括对文档的添加/编辑/删除/禁用/上传、下载、参阅等的权限；所述平台规范制度模块与平台数据管理模块通信。
所述电站管理模块，与平台数据管理模块通信，包括电站列表、电站介绍和电站配置，用于设计电站列表模式、电站介绍、配置添加/编辑/删除等。
所述平台报表管理模块，包括报表分类管理和报表自定义，所述平台报表管理模块与平台数据管理模块通信，用于设置或自定义报表的种类，如日报报表、周报报表、月报报表、年报报表。
所述水情配置模块，与平台数据管理模块通信，并用于录入各个电站的流域配置情况。
所述平台报警管理模块，包括报警参数管理、报警方式管理和预警接收人管理，所述报警参数管理，用于设置重点水工建筑物的监控指标和报警阈值(应当说明，各电站可以独立设置控指标和报警阈值，当平台管理员登录时，可结合既有监测资料分析和数据挖掘分析的成果，重新设置重点水工建筑物监控指标和报警阈值)，从而实现多级预警设置功能，并实现重点测点的自动报警；所述报警方式管理，用于设置报警声音、显示器显示的报警信号的类型等，所述预警接收人管理，用于设置接收人信息，发生报警时系统按照报警推送配置方式即时以站内消息或对指定用户进行提示，便于各站点或指定用户及时收到报警信息，以及时对报警信息进行处理及问题反馈。
所述结构管理模块，与平台数据管理模块通信，包括拓扑结构管理、部位管理、设备类型管理和设备管理，拓扑结构管理用于设置各电站层级关系的展示图样，部位管理用于设置各水工建筑物的部位对应的数据编码标准等，设备类型管理用于设置各类型的水工建筑物对应的数据编码标准等，设备管理用于设置各水工建筑物对应的数据编码标准等。
所述模型管理模块，与平台数据管理模块通信，包括三维模型管理、二维图管理和BIM管理，BIM管理用于与BIM软件数据接入，三维模型管理用于导入工程已有的BIM模型，必要时重构部分构筑物的三维BIM模型，二维图管理用于导入工程已有的二维图等；以实现大坝、厂房等水工建筑物的形象化展示。
根据本发明，所述电站集群控制系统包括电站集群数据管理模块、多个电站详情模块、三维展示模块、项目信息模块、电站集群报警管理模块、报表管理模块、水情信息模块、电站集群规范制度模块和定检信息模块。
所述电站集群数据管理模块，用于接收云服务器的数据，并用于对各个电站进行数据的导入/导出、数据编辑、数据查询以及仪器统计；(更具体的，包括对报警信息的统计，可以查询报警信息，以便于对报警信息进行处理及问题反馈)。
所述电站详情模块，与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并展示各电站的空间分布位置、各电站的实时监测数据以及各站点的实时运行状态；展示各电站的水工建筑物三维模型等。
所述三维展示模块，包括三维模型展示和漫游缩放拖动，所述三维模型展示，与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并用于展示各电站的水工建筑物三维模型，实现所有大坝、厂房等水工建筑物的形象化展示，从而形象化展示大坝、厂房等水工建筑物的安全状态；所述漫游缩放拖动，用于支持水工建筑物三维模型的拖动、缩放、漫游等操作。
项目信息模块，包括拓扑结构图、设备布置图和断面二维图，拓扑结构图用于显示各电站之间的层级关系，从而使得层级清晰，归属直观，方便用户操作；所述断面二维图用于显示水工建筑物的不同的断面信息，从而形象展示设备的布置情况；所述设备布置图包括若干选择节点(例如，水工建筑物三维模型上的220断面、260断面、土石坝、混凝土坝、右岸土石坝等，这些均为选择节点，选中这些位置，会形象显示这些节点对应的断面信息)。
所述水情信息模块，与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并用于显示各个电站各个时段的水位和雨量，以及用于显示各个电站的历史时段的水位和雨量。
所述电站集群报警管理模块，包括报警信息查询、报警信息处理和报警统计，均与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并且分别用于查询各电站的重点水工建筑物的监控指标和报警阈值，用于发生报警时系统按照报警推送配置方式即时对指定用户进行提示，以及用于统计各电站的报警数量和所有电站的报警总数量。
所述报表管理模块，包括日报报表、周报报表、月报报表、年报报表和自定义报表，所述报表管理模块与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并用于生成报表，显示各电站的报警情况、水情信息等数据。
所述电站集群规范制度模块，包括文档上传和查阅、下载，用于上传文档，下载文档、参阅文档等；所述电站集群规范制度模块与电站集群数据管理模块通信。
所述定检信息模块，与电站集群数据管理模块通信，包括定检数据上传和定检数据查询，用于上传和查询基本资料及大坝注册信息，用于上传和查询人员定检信息；用于上传和查询现场检查情况及其拍照记录等。应当说明，对直接开展水工安全监测、关注水工安全监测原始数据的技术人员(如：定检人员)，报送所有的数据异常状况，包括监测仪器状态异常(未返回数值、数值异常突变或波动)和水工构筑物状态发生的异常的情况，并给出系统初判的结果(判断是监测设备异常还是水工构筑物存在安全风险，初步评估水工构筑物的安全风险)，以便技术人员及时进行复判和处置。
所述电站集群控制系统还包括高级分析模块，所述高级分析模块包括相型分析和相关分析，
相型分析，用于梳理分析安全监测数据和建立安全性态指标等级体系；
相关分析，用于对水工安全监测数据(如变形、渗压、渗漏量、土压力等)及环境量(水位、温度、时间等)进行关联分析，并建立预测模型，以对水工监测对象的安全状况进行快速评估、预警风险、修正预警指标，为电站运行调度和维护管理提供智能化的决策支持。
本实施例的预测模型模型的构建步骤如图2所示。具体步骤为：
步骤一、确定预报因子；
步骤二、依据预报因子整理数据集，对数据集中的预报因子数据进行归一化处理，按照训练|测试比8:2的比例划分训练集和测试集；
步骤三、采用PSO算法确定SVR模型中C、σ和ε的最优解，具体步骤如下：
(2)确定C、σ和ε三个参数的取值范围；
(2)初始化粒子群；
(3)确定适应度评估函数。并由适应度评估函数计算每个粒子的适应度值；
(4)确定每个粒子的个体最佳位置，具体为：将每个粒子当前位置的适应度值与其历史最佳位置pbest(即局部最优解)的适应度值作比较，如果当前位置适应度值大于pbest的适应度值，则将其作为当前的最佳位置pbest；
(5)确定整个粒子群的全局最佳位置，具体为：将每个粒子当前最佳位置的适应度值与整个群体的当前最佳位置gbest(即全局最优解)的适应度值作比较，如果当前最好位置适应度值大于gbest的适应度值，则将其作为当前的最佳位置gbest；
(6)更新粒子速度V和位置X：
vi+1＝wvi+c1r1(pbest-xi)+c2r2(gbest-xi) (公式Ⅱ)
xi+1＝xi+vi+1 (公式Ⅲ)
式中：i表示迭代代数，xi表示第i次迭代时粒子所在位置，vi表示第i次迭代时粒子的速度，r1、r2为(0,1)之间的两个随机数，c1、c2表示的是增速因子，它们的取值均大于0，一般都取为2，w为权重因子，取值范围是(0,1)；
(7)判断算法是否满足结束条件，不满足则转到第③步；满足则输出最优结果，此时的全局最优解即是三个参数的最优值；
步骤四、将PSO算法得到的三个参数的最优解输入到SVR模型中；
步骤五、根据输入数据预测未来的安全性态指标，并以此确定安全性态等级。
步骤六、采用验证集验证模型的预测效果，并对模型进行评价。
实施例1安全监测数据的关联分析
(1)安全监测数据梳理分析
针对大坝安全监测数据(如大坝形变、渗压力、渗漏量、土压力等)，开展分析前的预处理工作，主要是对数据进行清洗、校验，删除数据中的重复信息，纠正存在的错误，保证数据的一致性，去除空白数据域和知识背景下的白噪声。
依据工程需求，将预处理后的安全监测数据划分为不同数据分项，并对每个大类中的数据，按照监测数据的种类，划分监测数据分项，并对每个分项中的数据按时间序列由远到近的形式进行初步整理。
在进行初步整理后，对数据进行探测性数据分析(Exploratory Data Analysis，EDA)，采用汇总统计的形式分析数据的基本属性和分布情况。对于单一的监测数据分项，计算其频率、众数、百分位数，以及位置度量(均值、中位数)和散度分布(极差、方差)用于分析数据的基本属性。
此外，对关键数据进行趋势分析和突变分析。对于关键数据或记录时间较长的监测数据，针对其沿时间轴的变化情况，解析数据的变化情势和趋势，解析影响数据突变的相关因素。
(2)安全性态指标等级体系的建立
依据水工建筑物的安全运行标准，结合大量历史实际运行工况，统计整理历史情况下的安全事件，以此为基础划定安全性态等级上下限，对安全性态进行指标化定义。
基于监测数据分项的基本属性和分布情况，结合专家经验和历史运行情况，设定等级划分百分比，确定每个等级内监测数据值的上下限，为所有监测数据分项建立数据等级体系。
(3)水工安全监测数据的关联分析
以关联分析法挖掘水工建筑物监测数据与安全性态之间的相关性关系，基本步骤如下：
Step1-统计历史监测数据构建历史信息数据集；
Step2-依据监测数据等级体系，将历史信息数据集中的数据值转化为等级值；
Step3-确定电厂安全性态等级值；
Step4-统计整理监测数据等级信息集和电厂安全性态等级信息集，构建电厂安全性态事务；
Step5-使用FP-growth等算法挖掘电厂安全性态事务中的安全性态-监测数据相关性关系，基本步骤如下：
①计算事务上所有的k-项集和支持度计数；
②统计所有支持度计数，对候选项集进行剪枝，构建频繁项集；
③基于置信度对频繁项集进行剪枝，构建规则集；
Step6-统计整理挖掘得到的规则关系，分析安全性态等级与检测数据等级之间的相关性关系。
相关性系数的计算公式如下：
其中：ρi表示第i个监测数据项与安全性态指标的相关性系数，xn表示样本集上的第i项监测数据的第n个数据，x表示该项监测数据项在样本集上的平均值，yn表示样本集上的第n项安全性态指标，y表示安全性态指标在样本集上的均值，n为样本集中样本的数目。
(4)安全性态可预测性分析
以关联规则分析法挖掘得到的监测数据和安全性态的相关性关系为基础，选取与安全性态相关性高的监测数据分项，根据实际需要拟定3～5个备选预见期，分别计算各监测数据项在叠加预见期后的监测数据与SSI的相关性系数，确定最佳预见期。
实施例2基于SVR的大坝安全性态智能预测模型构建，如图2所示
(1)预测因子的选择
基于实施例1确定的最佳预见期，依据在此预见期上的各项监测数据项与安全性态指标的相关性系数，将相关性系数按从大到小的顺序排列，并两两分析监测数据项之间的相关性，去除互相关系数大于0.4的两者中的一个，将经过选择后的监测数据项作为终选预测因子。
(2)PSO-SVR模型的构建
采用粒子群优化算法搜索SVR的参数C、σ和ε的最优解，模型的构建步骤如所示。具体步骤为：
Step1-确定预报因子；
Step2-依据预报因子整理数据集，对数据集中的预报因子数据进行归一化处理，按照训练|测试比8:2的比例划分训练集和测试集；
Step3-采用PSO算法确定SVR模型中C、σ和ε的最优解，具体步骤如下：
①确定C、σ和ε三个参数的取值范围(粒子群的位置和速度都与三个参数的取值范围有关)；
②初始化粒子群。即设置粒子群规模、迭代代数、随机位置和速度等；
③确定适应度评估函数。并由适应度评估函数计算每个粒子的适应度值；
④确定每个粒子的个体最佳位置。将每个粒子当前位置的适应度值与其历史最佳位置pbest(即局部最优解)的适应度值作比较，如果当前位置适应度值大于pbest的适应度值，则将其作为当前的最佳位置pbest；
⑤确定整个粒子群的全局最佳位置。将每个粒子当前最佳位置的适应度值与整个群体的当前最佳位置gbest(即全局最优解)的适应度值作比较，如果当前最好位置适应度值大于gbest的适应度值，则将其作为当前的最佳位置gbest；
⑥更新粒子速度V和位置X：
vi+1＝wvi+c1r1(pbest-xi)+c2r2(gbest-xi) (公式Ⅱ)
xi+1＝xi+vi+1 (公式Ⅲ)
式中：i表示迭代代数，xi表示第i次迭代时粒子所在位置，vi表示第i次迭代时粒子的速度，r1、r2为(0,1)之间的两个随机数，c1、c2表示的是增速因子，它们的取值均大于0，一般都取为2，w为权重因子，取值范围是(0,1)；
⑦判断算法是否满足结束条件，不满足则转到第③步；满足则输出最优结果，此时的全局最优解即是三个参数的最优值；
Step4-将PSO算法得到的三个参数的最优解输入到SVR模型中；
Step5-根据输入数据预测未来的安全性态指标，并以此确定安全性态等级。
Step6-采用验证集验证模型的预测效果，并对模型进行评价。
(3)模型的验证与评价
应用交叉验证法(Cross-Validation)，对模型有效性开展验证与评价。交叉验证法的基本思想为，将数据集D划分为k个大小相似的互斥子集。每次用其中k-1个子集的并集作为训练集，余下的那个子集作为测试集，从而可获得k组训练集/测试集，从而可进行k次训练和测试。交叉验证法评估结果的稳定性和保真性往往与k的取值有关，为强调这一点，通常也将交叉验证成为“k折交叉验证”(k-Fold Cross-Validation)，其中最常用的为10折交叉验证。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，包括电站控制系统、上位机、云服务器和终端设备，所述上位机与云服务器通信，所述云服务器与终端设备通信，
所述电站控制系统，包括数据采集设备、水情监视模块、电站数据接收管理模块、信息查询模块、报警模块和显示器，
所述数据采集设备包括监测水工建筑物的变形监测仪器、渗流监测仪器、应力应变监测仪器、温度监测仪器和环境量监测仪器，所述数据采集设备与电站数据接收管理模块通信；
所述水情监视模块，用于监测时段的水位和雨量，所述水情监视模块与电站数据接收管理模块通信；
所述报警模块，包括录入模块，用于录入重点水工建筑物的监控指标和报警阈值，所述报警模块与电站数据接收管理模块通信；
所述电站数据接收管理模块，为一PLC控制器，用于提供各类信息、数据录入、存储、备份、修改、打印功能，所述电站数据接收管理模块内设有BIM模型构建模块，用于从BIM模型信息数据库中加载该水工建筑物的BIM模型及各监测仪器的BIM模型，并重构水工建筑物的三维BIM模型；其中，BIM模型信息数据库是用于存储各种监测仪器的BIM模型及水工建筑物的BIM模型；
所述电站数据接收管理模块与显示器通信；所述电站数据接收管理模块与上位机通信；
所述终端设备上运行有电站集群控制系统和平台管理系统。
2.如权利要求1所述的基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，所述电站控制系统，还包括知识库模块，所述知识库模块，用于实时录入数据并统计历史监测数据构建历史信息数据集，所述知识库模块与电站数据接收管理模块通信。
3.如权利要求1所述的基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，所述显示器包括：
水位显示和雨量显示，用于显示水情监视模块监测的水位和雨量；
信息查询模块，用于查询各种防汛水情、雨情信息及查询知识库模块构建的历史信息，用于查询实时的和历史的闸门启闭、闸门开度情况及相应的泄流量，以及通过图表形式查询、检索预报洪水信息、洪水调度演算结果，
水工建筑物三维模型显示，用于显示BIM模型构建模块构建的水工建筑物三维模型；形象化展示大坝、厂房水工建筑物的安全状态。
4.如权利要求1所述的基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，所述终端设备包括但不限于电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、掌上电脑、手机中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，所述电站集群控制系统包括电站集群数据管理模块、多个电站详情模块、三维展示模块、项目信息模块、和水情信息模块；
所述电站集群数据管理模块，用于接收云服务器的数据，并用于对各个电站进行数据的导入/导出、数据编辑、数据查询以及仪器统计；
所述电站详情模块，与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并展示各电站的空间分布位置、各电站的实时监测数据以及各站点的实时运行状态；展示各电站的水工建筑物三维模型；
所述三维展示模块，包括三维模型展示和漫游缩放拖动，所述三维模型展示，与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并用于展示各电站的水工建筑物三维模型，实现所有大坝、厂房水工建筑物的形象化展示，从而形象化展示大坝、厂房水工建筑物的安全状态；所述漫游缩放拖动，用于支持水工建筑物三维模型的拖动、缩放、漫游操作；
项目信息模块，包括拓扑结构图、设备布置图和/或断面二维图，拓扑结构图用于显示各电站之间的层级关系，从而使得层级清晰，归属直观，方便用户操作；所述断面二维图用于显示水工建筑物的不同的断面信息，从而形象展示设备的布置情况；所述设备布置图包括若干选择节点；
所述水情信息模块，与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并用于显示各个电站各个时段的水位和雨量，以及用于显示各个电站的历史时段的水位和雨量。
6.如权利要求5所述的基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，所述电站集群控制系统还包括电站集群报警管理模块，所述电站集群报警管理模块，包括报警信息查询、报警信息处理和报警统计，均与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并且分别用于查询各电站的重点水工建筑物的监控指标和报警阈值，用于发生报警时系统按照报警推送配置方式即时对指定用户进行提示，以及用于统计各电站的报警数量和所有电站的报警总数量。
7.如权利要求5所述的基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，所述电站集群控制系统还包括报表管理模块和定检信息模块，所述报表管理模块，与电站集群数据管理模块通信，包括日报报表、周报报表、月报报表、年报报表和自定义报表，所述报表管理模块与电站集群数据管理模块通信，用于接收电站集群数据管理模块的数据，并用于生成报表；
所述定检信息模块，与电站集群数据管理模块进行通信，包括定检数据上传和定检数据查询，用于上传和查询基本资料及大坝注册信息，用于上传和查询人员定检信息；用于上传和查询现场检查情况及其拍照记录。
8.如权利要求5所述的基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，所述电站集群控制系统还包括高级分析模块，所述高级分析模块与电站集群数据管理模块进行通信，包括相型分析和相关分析，
相型分析，用于梳理分析安全监测数据和建立安全性态指标等级体系；
相关分析，用于对水工安全监测数据及环境量进行关联分析，并建立预测模型。
9.如权利要求1所述的基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，所述平台管理系统包括系统管理模块、平台规范制度模块、电站管理模块、平台报表管理模块、平台报警管理模块、水情配置模块、结构管理模块、模型管理模块和平台数据管理模块，所述统管理模块、平台规范制度模块、电站管理模块、平台报表管理模块、平台报警管理模块、水情配置模块、结构管理模块、模型管理模块分别与平台数据管理模块进行通信，且平台数据管理模块分别与电站集群数据管理模块、云服务器进行通信。
10.如权利要求9所述的基于三维展示的水工监测系统，其特征在于，
所述结构管理模块，包括拓扑结构管理、部位管理、设备类型管理和设备管理，拓扑结构管理用于设置各电站层级关系的展示图样，部位管理用于设置各水工建筑物的部位对应的数据编码标准，设备类型管理用于设置各类型的水工建筑物对应的数据编码标准，设备管理用于设置各水工建筑物对应的数据编码标准；
所述模型管理模块，包括三维模型管理、二维图管理和BIM管理，BIM管理用于与BIM软件数据接入，三维模型管理用于导入工程已有的BIM模型，必要时重构部分构筑物的三维BIM模型，二维图管理用于导入工程已有的二维图；以实现大坝、厂房水工建筑物的形象化展示。
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