CN111090634A - 一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利安全监测技术领域，具体涉及一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统。数据采集层：用于实时获取大坝安全监测原始数据；数据转换层：用于将大坝安全监测原始数据上传至云服务平台；云服务平台：用于实现云端存储；业务应用层：用于进行数据管理、数据统计、监测资料分析、安全分析和系统管理；业务应用层包括监测资料分析模块，监测资料分析模块用于对安全监测原始数据进行数据检验、异常数据处理、时序分析、相关分析，并通过分析对粗大误差进行剔除，对整编后的数据结合时间序列进行变化过程分析。实现数据存储管理、数据误差修正、整理与计算，解决了水库管理单位表面变形观测的难题，提高了安全监测的效率、准确性。

Description

一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统

技术领域

本发明涉及水利安全监测技术领域，具体涉及一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统。

背景技术

据第一次水利普查统计，我国现有水库9.8万余座，随着水库建设期的完成，现阶段我国各级水库管理部门的主要任务已经由水库建设逐渐过渡到水库运行管理。大坝安全监测资料整编分析是水库运行管理的重要核心业务，规范要求水库管理单位必须定期进行安全监测资料整编。大坝安全监测资料整编分析主要是根据监测资料的定性、定量分析成果，对大坝当前的工作状态作出综合评价，并为进一步加强安全管理和监测和应采取的防范措施提出指导性意见，该部分工作综合性强、专业度高，对技术人员要求非常高，由于大部分水库管理单位未配备该类技术人员，也没有相关的业务系统支持，因此不能对大坝性态进行快速评估、准确判断，也不利于历史监测数据的长期分析。

随着以云计算为代表的新型信息技术的发展，借助信息化手段及时准确地掌握水库大坝安全监测信息，实时整编分析安全监测资料，对大坝运行状态进行分析评估成为一种可能。目前部分水库管理单位虽然建立了PC客户端的大坝安全监测资料整编评价系统，但是存在专业性强、操作不便、资料缺失、自动化程度低等等现实问题，仍然不能满足运行管理新模式需求。

云技术的发展促使以“云+端”应用为核心的新型资料搜集、资料整编分析模式快速形成，大坝安全监测采集设备在水库现场进行专项数据采集，将大坝运行原始信息在水库本地存储，再上传到位于云端的数据中心进行整理和初步清洗，再调用资料整编的专项服务对数据进行粗大误差的筛选，进行数据库管理、数据误差修正、整理与计算、整编分析和数据发布，为进一步的各类分析提供高质量的数据支撑。由于资料整编分析系统规避了水库管理单位在大坝安全监测专业上的技术瓶颈，为管理人员提供了简易可用、交互性好的专用业务服务，最终实现大坝安全分析，预测大坝变形趋势，预警报警，加强安全监管，弥补工程管理信息化短板。

基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统能够将专业技术通俗化、复杂问题简单化，易于操作便于使用，成本低效率高，打破了技术瓶颈，减轻了水库管理单位的工作压力，为水库大坝安全运行提供理论支撑。

公告号为CN 109145165 A的专利公开了一种基于服务调度的水文资料自动整编系统及方法，其包含数据资源层装置、服务支撑层装置、应用支撑层装置和应用层装置，其中数据资源层装置用于基于业务需求处理、存储水文资料数原始数据，服务支撑层装置用于基于对数据资源层装置的调度实现水文资料整编数据的管理和访问，应用支撑层装置用于基于对服务支撑层装置的调度实现服务注册、调度、数据流管理，应用层装置用于基于对应用支撑装置的调度实现与用户的交互。其能实现数据在线共享和整编方案在线共享，并保障数据的一致性。但其不能实现监测数据变化过程分析，其无法实现数据深入监测，且监测效率低下。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种能实现监测数据变化过程分析，实现数据深入监测，监测效率高的基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统。

本发明的技术方案为：一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，包括

数据采集层：用于实时获取大坝安全监测原始数据，并将所述大坝安全监测原始数据存储在指定数据库中；

数据转换层：用于将已存储的大坝安全监测原始数据上传至云服务平台；

云服务平台：用于实现大坝安全监测原始数据的云端存储；

业务应用层：用于调用云服务平台存储的大坝安全监测原始数据进行数据管理、数据统计、监测资料分析、安全分析和系统管理；

所述业务应用层包括监测资料分析模块，所述监测资料分析模块用于对安全监测原始数据进行数据检验、异常数据处理、时序分析、相关分析，并通过分析对粗大误差进行剔除，对整编后的数据结合时间序列进行变化过程分析。

较为优选的，所述业务应用层包括数据管理模块，所述数据管理模块用于查找大坝安全监测原始数据缺失问题，并针对缺失的数据进行人工补录，所述人工补录以时间为分析维度，所述人工补录以单个测点为分析对象进行数据分析。

较为优选的，所述业务应用层包括数据统计模块，所述数据统计模块用于将已上传的大坝安全监测信息按照监测类型进行原始数据查询，所述查询过程包括

选择单个测点和起止时间；

输入查询信号，根据查询条件从云服务平台获取大坝安全监测原始数据信息，并通过图表控件绘制相应时间段的原始测值变化过程线。

较为优选的，所述监测资料分析模块包括时序分析模块，所述时序分析模块用于按照建筑物、断面或相关性对多个监测点进行以时间为顺序及比例的折线绘制，分析所述折线获取单个监测量的变化周期性、特征值、趋势性，以及多个监测量之间的变化相关性。

较为优选的，所述监测资料分析模块包括异常数据处理模块，所述异常数据处理模块用于对采集的安全监测数据进行异常数据识别和编辑，剔除异常数据，保证分析样本的可用性。

较为优选的，所述监测资料分析模块包括相关性分析模块，所述相关性分析模块用于通过绘制相关图的方式对单个效应量与环境量、效应量与效应量之间进行相关分析，并通过所述相关分析判断效应量与环境量、效应量与效应量之间的相关性，以及判断效应量是否存在系统的趋势性变化和明显的异常迹象，所述相关图是指多次测值在二维坐标系中的多点聚合图。

较为优选的，所述业务应用层包括安全分析模块，所述安全分析模块用于以监测资料分析模块的结果为数据基础，通过专项分析得出更深入的分析结论，所述专项分析过程包括输入建筑物、监测断面和分析的时间段；

接收到查询信号后，以断面分布图为底图，显示最近一天断面上测压管平均水位并连接形成实测浸润线，以及显示包含当日所测管水位数值、时间、设计编号、监测量和测值信息的数据列表。

较为优选的，所述业务应用层包括系统管理模块，所述系统管理模块用于管理用户信息、角色信息和权限信息，以及建立用户、角色、权限之间的对应关系；

所述用户信息包括用户名、用户所在部门、用户角色、用户密码；

所述角色信息包括角色名称、角色所在部门、角色对应权限；

所述权限信息包括数据层的增删改查操作权限、业务功能和菜单可用权限。

较为优选的，所述数据采集层的监测类型包括环境量监测、变形监测、应力应变监测和渗流渗压监控。

本发明的有益效果为：本发明利用云计算技术，通过建立符合大坝安全监测信息存储利用的数据存储结构，提出了安全监测信息的集成和分析方法，研究了安全监测数据整编分析技术，实现数据存储管理、数据误差修正、整理与计算，在集成安全监测信息的基础上，研发了满足监测整编分析的业务系统，其：

①实现了安全监测数据智能化分析，将常规的数据处理及分析方法通过信息化手段进行实现，简单易用而具有专业性。

②通过监测模块的分析解决了水库管理单位表面变形观测的难题，提高了安全监测的效率、准确性。

③提高了工作效率，减轻了管理人员的工作强度，弥补了水库管理单位技术缺陷，规避了该领域的技术瓶颈。

④进一步推进了其大坝自动化、智能化管理，为水库管理单位提供了专业化的业务工具。

附图说明

图1为本发明一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统分为四个层级，包括数据采集层、数据转换层、云服务平台层和业务应用层。它是水库大坝安全监测资料整编分析业务的具体体现，它的主要用户是水库管理人员，在PC端通过浏览器进行访问和利用，通过调用发布在云服务平台上的专项服务接口实现的上传、清洗、粗大误差处理、分析等，从而实现水库大坝安全。具体功能包括数据统计、数据管理、监测资料分析、安全分析及系统管理。

数据采集层部署在大坝现场，主要是实时获取大坝安全监测的数据，根据需要安装不同的仪器或设备获取水库大坝实时监测信息，监测类型包括环境量监测(水位、雨量、气象等)，变形监测(表面变形、内部变形等)，应力应变和渗流渗压，人工巡检信息通过系统可以进行填报。数据采集层获取的大坝安全监测原始数据存储在指定数据库中保存。

数据转换层用于将已存储的大坝安全监测原始数据通过通讯程序上传到位于云端的服务器平台，数据库管理系统采用Mysql数据库，通过固定的表结构进行存储，通讯程序安装在水库现场的服务器上，通过建立远程数据连接到云服务平台上的Web服务，通过TCP/IP协议将原始数据上传至云服务器中进行存储。

云服务平台是指建立在私有云、专有云等云服务平台上的业务服务系统，该系统按照安全监测标准表结构建立数据库，采用Springboot后端框架，前端采用Vue.js、html5和css3实现，按照分布式SOA技术架构，以面向服务的组件模式为管理单位提供在线的资料整编分析技术服务，用户可以通过浏览器访问服务的地址进行专项数据整编和分析利用。

业务应用层包括基本资料数据库、数据管理模块、数据统计模块、监测资料分析模块、安全分析模块和系统管理模块。

数据管理模块用于查找大坝安全监测原始数据缺失问题，有针对性的进行人工补录。安全监测原始数据的人工补录是以时间为分析维度，以单个测点为分析对象进行数据分析，仪器分类方式包括按工程结构分类、按监测类型分类、按MCU分类和按监测断面分类，选择单个测点和起止时间，点击“查询”按钮后通过图表控件画出相应时段的原始测值变化过程线，过程线横坐标为时间，监测量的原始数据绘制在图表中。图的下部是列表，列名分别为监测时间、监测仪器对应原始值、编辑操作按钮，点击过程线的某一个点可以与列表中的某一行关联，列表自动跳转到对应的行，并且将底色标记为黄色，双击该记录某一单元格可以修改单元格里的数值，也可以点击“插入”按钮人工补录安全监测记录，填写内容包括测量时间和原始值，还可以通过导入Excel文件批量添加数据记录。通过过程线可以查看测点数值变化过程，自动标注24小时无测值时间段，以橙色标记数据缺失部位。

数据统计模块包括数据统计。数据统计以图和表的形式进行数据展示，并且计算出对应的特征值。用户可以设置起止时间，时段长可以选择近一周、近一月和近一年，借助图表控件显示测值的变化过程线，过程线横坐标为时间，纵坐标为测值，纵坐标范围自动适配测值变化范围，表格包含两列，分别是时间和测值，表格最下方显示测值最大值、最大值对应时间、最小值和最小值对应时间。数据统计模块将已上传的大坝安全监测信息按照监测类型进行原始数据查询，监测类型包括渗流渗压、变形监测、应力应变、环境量监测及移动巡检。系统中数据统计的方式包括单个监测点的原始数据变化过程查询，仪器分类方式包括按工程结构分类、按监测类型分类、按MCU分类和按监测断面分类，选择单个测点后，默认显示近一年的监测数据，提供查询起止时间选择，点击“查询”按钮后，根据起止时间、仪器分类、测点信息等查询条件获取测量原始值信息，通过图表控件画出相应时段的原始测值变化过程线，过程线横坐标为时间，左边纵坐标显示为温度，右边纵坐标显示为监测结果值。下部显示过程线对应的数据列表，列名分别为监测时间、监测仪器对应原始值，以测压管内渗压计监测值为例，列名为监测时间、温度、频率、渗透压力(kpa)和管水位。

监测资料分析模块包括数据检测模块、时序分析模块、异常数据处理模块和相关分析模块。监测资料分析模块用于对监测历史数据进行数据检验、异常数据处理、时序分析、相关分析，通过分析对粗大误差进行剔除，得到符合分析要求的数据样本，进而采用时序分析和相关性分析等分析方法获取数据隐藏的内在关系，从而对大坝安全进行状态分析。

数据检验模块的数据检测方法包括阈值法、包络线法，通过工程结构、监测仪器类型、MCU和断面选择测点及仪器，选择起止时间、设置阈值上限、阈值下限后，点击“阈值法”按钮标记出历史数据过程线中在阈值范围内的所有测点，通过黄色加粗标记，点击黄色过程线部分定位到列表中的对应行。列表中点击“操作”可以对数据进行删除。用户选择某一测点后，可以通过阈值法设定监测数据的上限和下限，用于查找监测数据出现在该阈值范围内的时间段和测点分布，从而发现其变化特点。点击“包络线法”按钮，可以查看该测点最大值、最小值和平均值对应的变化过程线，用于判断特征值的变化过程，分析测点的变化特性。

时序分析模块用于按照建筑物、断面或相关性对多个监测点进行以时间为顺序及比例连接成折线。通过绘制监测多条效应量的过程线，主要了解单个监测量的变化周期性、特征值、趋势性，以及多个监测量之间的变化相关性。用户可以在“仪器搜索”中输入仪器编号快速定位测点信息，可以按照工程结构、监测仪器、监测断面进行仪器筛选，工程结构包括大坝、副坝、溢洪道、引水洞、排沙洞、泄洪洞等，监测仪器类型包括裂缝计、渗压计、温度计、正倒垂、温度计、量水堰计等，选择后出现监测仪器名称，单击仪器名称即选中仪器设备。

异常数据处理模块用于借助于离群测值分析法、置信区间计算法以及人工校核等方法对采集的安全监测数据进行异常数据识别和编辑，剔除异常数据，保证分析样本的可用性。用户选择测点、起止时间后其历史数据通过过程线和表格形式呈现，点击“尖峰识别法”和“三倍标准差法”按钮，系统自动计算过程线中的尖峰测值和不在置信区间内的测值，通过黄色标记异常数据时段，点击过程线的异常时段则在表格中显示其对应的行，从而根据需要进行记录删除。以裂缝计为例，过程线横坐标是时间，左侧纵坐标是温度，右侧纵坐标是裂缝宽度，单位为mm，列表中包含列名为序号、时间、温度、裂缝、操作类型。用户修改完成后点击“保存”按钮对数据进行存储。所述的离群测值分析法分为尖点型离群测值和台阶型离群测值两类，采用格鲁布斯(Grubbs)法对离群测值进行识别并标记。所述的置信区间计算法是以标准偏差为判断依据的一种测值可信度统计方法，当测值的极限误差在±3σ范围内时可以认为该测值是可信的。

相关分析模块用于单个效应量与环境量之间的相关关系分析和效应量与效应量之间的相关关系分析。通过绘制相关图来进行分析。相关图是指多次测值在二维坐标系中的多点聚合图，通过相关分析，大致可以判断效应量与环境量、效应量与效应量之间的相关性，判断效应量是否存在系统的趋势性变化，是否存在明显的异常迹象等。用户可以选择自变量对应测点和因变量测点，选择建筑物、监测项目、设计编号和监测物理量后获取自变量和因变量，选择分析起止时间后点击“分析”按钮，在下方的图形控件中画出多点聚合图，并且显示回归方程，相关系数等关键信息。

安全分析模块用于以监测资料分析的结果为数据基础，通过专项分析得出更加深入的分析结论。常用的安全分析方法包括坝体浸润分布图分析法、渗透坡降分析法等。所述的坝体浸润分布图分析法是通过实测方法获得典型断面各高程测压管水位值，连接各测压管管水位绘制出实际浸润线。大坝典型断面的理论浸润线是通过水力学计算法在对大坝渗流条件做某些简化假设的基础上计算出渗流场的平均渗流要素，理论浸润线和实际浸润线的对比可以分析坝体浸润情况变化，它是大坝渗漏量计算及坝坡抗滑、抗震、抗渗能力复核的主要依据。用户选择建筑物、监测断面和分析的时间段，点击查询后以断面分布图为底图，显示最近一天断面上测压管平均水位并连接形成实测浸润线，浸润线下方为蓝色浸润区域。日期列表中为查询时间对应的所有有测值的日期，选择日期后数据列表会显示当日所测管水位数值，列表列名包括时间、设计编号、监测量和测值。

系统管理模块用于管理用户信息、角色信息和权限信息，建立用户、角色、权限之间的对应关系，所述用户信息包括用户名、用户所在部门、用户角色、用户密码等。角色信息包括角色名称、角色所在部门、角色对应权限等。权限信息包括数据层的增删改查操作权限、业务功能和菜单可用权限等。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，其特征在于，包括

数据采集层：用于实时获取大坝安全监测原始数据，并将所述大坝安全监测原始数据存储在指定数据库中；

数据转换层：用于将已存储的大坝安全监测原始数据上传至云服务平台；

云服务平台：用于实现大坝安全监测原始数据的云端存储；

业务应用层：用于调用云服务平台存储的大坝安全监测原始数据进行数据管理、数据统计、监测资料分析、安全分析和系统管理；

所述业务应用层包括监测资料分析模块，所述监测资料分析模块用于对安全监测原始数据进行数据检验、异常数据处理、时序分析、相关分析，并通过分析对粗大误差进行剔除，对整编后的数据结合时间序列进行变化过程分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，其特征在于：所述业务应用层包括数据管理模块，所述数据管理模块用于查找大坝安全监测原始数据缺失问题，并针对缺失的数据进行人工补录，所述人工补录以时间为分析维度，所述人工补录以单个测点为分析对象进行数据分析。

3.根据权利要求1所述的一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，其特征在于：所述业务应用层包括数据统计模块，所述数据统计模块用于将已上传的大坝安全监测信息按照监测类型进行原始数据查询，所述查询过程包括

选择单个测点和起止时间；

输入查询信号，根据查询条件从云服务平台获取大坝安全监测原始数据信息，并通过图表控件绘制相应时间段的原始测值变化过程线。

4.根据权利要求1所述的一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，其特征在于：所述监测资料分析模块包括时序分析模块，所述时序分析模块用于按照建筑物、断面或相关性对多个监测点进行以时间为顺序及比例的折线绘制，分析所述折线获取单个监测量的变化周期性、特征值、趋势性，以及多个监测量之间的变化相关性。

5.根据权利要求1所述的一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，其特征在于：所述监测资料分析模块包括异常数据处理模块，所述异常数据处理模块用于对采集的安全监测数据进行异常数据识别和编辑，剔除异常数据，保证分析样本的可用性。

6.根据权利要求1所述的一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，其特征在于：所述监测资料分析模块包括相关性分析模块，所述相关性分析模块用于通过绘制相关图的方式对单个效应量与环境量、效应量与效应量之间进行相关分析，并通过所述相关分析判断效应量与环境量、效应量与效应量之间的相关性，以及判断效应量是否存在系统的趋势性变化和明显的异常迹象，所述相关图是指多次测值在二维坐标系中的多点聚合图。

7.根据权利要求1所述的一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，其特征在于：所述业务应用层包括安全分析模块，所述安全分析模块用于以监测资料分析模块的结果为数据基础，通过专项分析得出更深入的分析结论，所述专项分析过程包括

输入建筑物、监测断面和分析的时间段；

接收到查询信号后，以断面分布图为底图，显示最近一天断面上测压管平均水位并连接形成实测浸润线，以及显示包含当日所测管水位数值、时间、设计编号、监测量和测值信息的数据列表。

8.根据权利要求1所述的一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，其特征在于：所述业务应用层包括系统管理模块，所述系统管理模块用于管理用户信息、角色信息和权限信息，以及建立用户、角色、权限之间的对应关系；

所述用户信息包括用户名、用户所在部门、用户角色、用户密码；

所述角色信息包括角色名称、角色所在部门、角色对应权限；

所述权限信息包括数据层的增删改查操作权限、业务功能和菜单可用权限。

9.根据权利要求1所述的一种基于云服务的安全监测资料智能整编分析系统，其特征在于：所述数据采集层的监测类型包括环境量监测、变形监测、应力应变监测和渗流渗压监控。

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