CN113152415A - 一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法 - Google Patents

一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法 Download PDF

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Abstract

一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，首先通过多个监测设备对尾矿库溢洪井进行监测，监测的数据实时传输至计算机内，由计算机对上述所有的监测数据进行融合计算，具体为：对上述各个检测指标设置不同的权重值，并按照不同权重值对上述所有监测指标的状态进行加权计算，进而得出溢洪井安全运行状态的最终安全系数；最后将获取的最终安全系数按不同的区间，根据运行状态分为低风险、中风险、高风险，并针对不同层次的情况做出不同的预警提示和处理。通过对监测方法进行优化，对多传感器传输的数据进行融合分析，并根据获得的评价溢洪井运行状态的参数进行预警，使溢洪井的监测在多种情况下得出更加全面和准确的结果，以确保尾矿库的安全运行。

Description

一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法
技术领域
本发明涉及尾矿库溢洪井安全运行监测技术领域，具体为一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法。
背景技术
为了预防和减少尾矿库生产安全事故，保障人民群众生命和财产安全，要求对尾矿库的建设、运行、回采、闭库进行严格的安全管理与监督工作。尾矿库在线监测系统是利用现代电子、信息、通信及计算机技术，实现对尾矿库监测指标数据实时、自动、连续采集、传输、管理及分析的监测技术。目前该系统通过对干滩、位移、浸润线、雨量等参数的实时监测，来判断尾矿库当前的运行状态。
虽然这些参数已经覆盖了尾矿库监测的众多方面，但是由于尾矿库大都采用上游法筑坝，这种坝体沉积密度偏低、浸润线高、渗流难控制、稳定性不足，导致许多尾矿库溃坝事故的发生。另外，近几年频频发生的溢洪井安全事故表明，很有必要对尾矿库内的溢洪井实时运行状态进行全方位的有效监测。
目前，溢洪井的监测方式主要采用：测斜仪或角度计测量井架倾斜；应变光纤光栅传感器监测井架变形；GPS或北斗监测溢洪井沉降；钢丝绳拉伸监测溢洪井变形。这些方式虽然可以在一定程度上监测溢洪井的运行状态，但是还存在以下几个方面的不足：大量的监测设备安装对溢洪井有一定损害；监测设备在溢洪井内长时间工作后易损坏；监测数据仍然不够全面，无法准确实时预测；设备调试困难，安装过程有一定危险。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，通过对监测方法进行优化，对多传感器传输的数据进行融合分析，并根据获得的评价溢洪井运行状态的参数进行预警，使溢洪井的监测在多种情况下得出更加全面和准确的结果，以确保尾矿库的安全运行。
本发明采用的技术方案是：一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，包括如下步骤：
S1、通过图像采集模块获取溢洪井内部的图像信息、通过定位模块获取溢洪井位移变化的数据信息、通过浑浊度监测传感器获取溢洪井内部水质浑浊度变化的数据信息、通过超声波物位计获取溢洪井架外围水面的水位高度的数据信息以及通过流速检测模块获取溢洪井排水通道下游的泄洪量流速数据信息，上述监测设备采集获得的信息实时传输至计算机内，备用；
S2、由计算机对上述各个监测设备单独设定阈值，实现控制单个监测指标进行阈值判断并单独报警；
S3、计算机对上述所有的监测数据进行融合计算，具体为：对上述各个检测指标设置不同的权重值，并按照不同权重值对上述所有监测指标的状态进行加权计算，进而得出溢洪井安全运行状态的最终安全系数；
S4、将步骤S3获取的最终安全系数按不同的区间，根据运行状态分为低风险、中风险、高风险三个层次，并针对不同层次的情况做出不同的预警提示和处理。
作为优选方案，在步骤S3中，计算机获取的监测指标为：溢洪井内部图像对比、溢洪井位移、溢洪井内部水质浑浊度、溢洪井外部水面高度以及泄洪量流速，其中溢洪井内部图像对比、溢洪井位移、溢洪井内部水质浑浊度设置为高权重，溢洪井外部水面高度和泄洪量流速设置为中低权重。
作为优选方案，在步骤S3的融合计算过程中：不同的权重对应对不同的加权系数，通过计算机将获取的单个监测数据所分析得到的结果值乘以与其对应的加权系数，并依次相加得出溢洪井安全运行状态的最终安全系数。
作为优选方案，还设有一用于安装上述监测设备的监测支架，所述监测支架包括一架设在溢洪井环形横梁上的横杆和设置在横杆两端用于卡紧环形横梁外沿的卡紧组件，通过卡紧组件将横梁固定在溢洪井顶部。
作为优选方案，所述图像采集模块通过一竖向连杆连接在所述横杆的下侧，在所述竖向连杆上设有用于调整图像采集模块的视角位置的升降组件和旋转组件。
作为优选方案，还设有用于控制升降组件和旋转组件动作的控制器，可通过外部的控制系统远程控制图像采集模块的升降高度和旋转角度。
作为优选方案，所述的竖向连杆上设有至少两个沿竖向间隔设置的图像采集模块。
作为优选方案，所述的竖向连杆上还设有用于给图像采集模块提供照明的光源模块。
作为优选方案，所述的定位模块由GPS/北斗定位单元和电子罗盘单元组成，GPS/北斗定位单元和电子罗盘单元设置在横杆的顶部。
作为优选方案，所述的超声波物位计设有两个，两个所述的超声波物位计对称设置在两侧的卡紧组件上。
本发明的有益效果是：
其一、本方案对对监测方法优化，可对多传感器传输的数据进行融合分析处理，并根据获得的评价溢洪井运行状态的参数进行预警，监测信息更加全面，不仅对各个参数进行单独监测，还能按照这些监测指标的重要程度进行加权组合，计算溢洪井整体安全程度，能更准确、客观地做出安全运行状态的判断，
其二、本方案中，通过计算机对上述所有的监测数据进行融合计算，具体为：对上述各个检测指标设置不同的权重值，并按照不同权重值对上述所有监测指标的状态进行加权计算，进而得出溢洪井安全运行状态的最终安全系数，监测算法更加科学，对溢洪井安全运行状态的判断更加细致，根据每个监测指标的重要程度，分别设置了加权系数，更加准确的反应了溢洪井的安全状态，为用户提供了更科学全面的信息。
其三、该监测方法中应用到了用于安装上述监测设备的监测支架，其中，横杆架设在溢洪井顶层的环形横梁上，所述卡紧组件设有两组，对称设置在悬挂横杆的两端并卡紧在环形横梁的外沿处将所述悬挂横杆固定，所述的图像采集传感器通过竖向支架设置在所述悬挂横杆的下侧，GPS/北斗定位单元和电子罗盘单元设置在悬挂横杆的顶部，两个超声波物位计设置在两侧的卡紧组件上；上述结构可以做到对溢洪井架的无损安装，最大限度降低对溢洪井的影响，大大降低恶劣的现场环境对监测设备的影响，增长设备使用寿命。
其四、该监测方法中：所述图像采集模块通过一竖向连杆连接在所述横杆的下侧面，在所述竖向连杆上设有用于调整图像采集模块的视角位置的升降组件和旋转组件，可通过外部的控制系统远程控制图像采集模块的升降高度和旋转角度，该方法降低了安装人员调试过程中的人身安全风险，大大提高了系统的实用性、安全性。
附图说明
图1是本发明在具体实施中使用的监测支架的结构示意图；
图2是图1中A处的局部放大示意图；
图3是监测支架使用状态下的安装示意图；
图4是本发明中对各个监测指标融合分析的原理示意图。
附图标记：1、横杆，11、凹孔，2、卡紧组件，21、调整板，22、锁紧螺钉，3、竖向连杆，31、升降组件，32、旋转组件，4、定位模块，41、GPS/北斗定位单元，42、电子罗盘单元，5、超声波物位计，6、图像采集模块，7、光源模块，8、环形横梁，9、竖杆，10、拱板。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。
需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他具有相同功能的元件或者物件。
本发明提供一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，主要对尾矿库溢洪井进行监测，对水面高度进行实时预测，同时对监测数据集中进行融合分析和处理，通过对数据处理的结果来对尾矿库溢洪井的安全性进行提前预警，确保下一步溢洪井的增高增强方案，有效防范和遏制重特大事故发生。
具体包括如下步骤：
步骤一、通过图像采集模块获取溢洪井内部的图像信息、通过定位模块获取溢洪井位移变化的数据信息、通过浑浊度监测传感器获取溢洪井内部水质浑浊度变化的数据信息、通过超声波物位计获取溢洪井架外围水面的水位高度的数据信息以及通过流速检测模块获取溢洪井排水通道下游的泄洪量流速数据信息，上述监测设备采集获得的信息实时传输至计算机内，备用；
步骤二、由计算机对上述各个监测设备单独设定阈值，实现控制单个监测指标进行阈值判断并单独报警；
步骤三、计算机对上述所有的监测数据进行融合计算，具体为：对上述各个检测指标设置不同的权重值，并按照不同权重值对上述所有监测指标的状态进行加权计算，进而得出溢洪井安全运行状态的最终安全系数；
步骤四、将步骤S3获取的最终安全系数按不同的区间，根据运行状态分为低风险、中风险、高风险三个层次，并针对不同层次的情况做出不同的预警提示和处理。
本方案中，在步骤S3的融合计算过程中：不同的权重对应对不同的加权系数，通过计算机将获取的单个监测数据所分析得到的结果值乘以与其对应的加权系数，并依次相加得出溢洪井安全运行状态的最终安全系数。
本方案中，还设有一用于安装上述监测设备的监测支架，所述监测支架包括一架设在溢洪井环形横梁上的横杆和设置在横杆两端用于卡紧环形横梁外沿的卡紧组件，通过卡紧组件将横梁固定在溢洪井顶部。
实施例1、
下面结合附图具体描述本方案详细的监测过程：
本方法在具体实施中使用到监测支架，并通过监测支架固定安装部分监测设备，具体为：如图1所示，包括一个架设在溢洪井顶层的环形横梁8上的横杆1，在横杆1的两侧对称设有两个卡紧组件2，通过卡紧组件2卡设在环形横梁8的外沿处并将所述横杆1固定，并将部分监测设备固定在上述监测支架上，具体为：定位模块4安装在在横杆1的顶部，超声波物位计5固定安装在卡紧组件2的外侧面上，所述的图像采集传感器6通过竖向连杆3设置在横杆1的下侧；本方法使用上述监测支架，在不损害溢洪井本体的前提下，实现了对溢洪井运行安全状态有效监测，进一步丰富了监测指标，提高了系统的使用寿命和实用性，具有很高的应用价值。
为了提高该监测支架的适用性，可以做如下优化：如图2所示，所述的卡紧组件2具有一插入至横板1侧面凹孔11内调整板21，并通过锁紧螺钉22锁定调整板21的位置，在需要调整监测支架时，可松开锁紧螺钉22，将卡紧组件的调整板21从凹孔11内拉出一段距离，即可实现检测支架的位置调整，该结构还可以适应多种型号溢洪井安装。
需要说明的是：由于溢洪井的建筑参数是根据具体的尾矿库以及在库内安装的位置而定，一般情况下，溢洪井的建筑位置是从库内低海拔处向高海拔处间隔一定的距离设置，溢洪井的高度为30米左右，直径在5米左右。如图3所示，溢洪井的初期采用砼浇筑多层框架结构，两层之间间隔2米左右，采用环形横梁8和多个竖杆9对两层进行连接。当监测到溢洪井外部水位高度超过阈值时，采用多条拱板10对溢洪井的框架进行填充至相应高度而成型。
本方法中所用的监测设备包括：图像采集模块、定位模块、浑浊度监测传感器、超声波物位计以及流速检测模块，上述监测设备采集获得的信息实时传输至计算机内；
其中，由图像采集模块完成视觉监测，图像采集模块6可以采用现有的摄像头或者相机等，可通过竖向连杆3连接在横杆1的下侧，同时在竖向支架3上设有提供照明的光源模块7，控制图像采集模块在同一位置连续多次拍照，利用视觉检测技术分析对比照片中是否存在侧壁裂缝现象和漏水现象，根据检测结果进行报警；为了更好的实现远程控制，如图1所示，还可以在竖向连杆3上设有用于调整图像采集模块6的视角位置的升降组件31和旋转组件32，通过外部的控制系统远程控制图像采集模块的升降高度和旋转角度，实现溢洪井侧壁全方位拍照监测，此外，需要根据溢洪井的深度来合理确定图像采集模块设置的数量，以确保溢洪井内部所有侧壁均能被拍摄到；
由定位模块完成溢洪井位移监测，定位模块4包括GPS/北斗定位单元41和电子罗盘单元42，通过GPS/北斗定位单元实时输出定位信息，配合电子罗盘单元42监测的溢洪井的倾斜角度参数，实时监测溢洪井发生的位移，并根据倾斜角度计算出水平位移和垂直位移，并将监测结果与设定的三级位移阈值进行比较，位移结果超过阈值就进行报警，报警等级分为高、中、低三种等级；
由浑浊度监测传感器完成浑浊度监测，在溢洪井内部水下安装浑浊度监测传感器，监测井内水质浑浊度变化情况，辅助判断井内是否有险情；在泄洪渠下游安装泄洪量监测装置，辅助判断溢洪井运行状态；
由超声波物位计完成库水位高程监测，在实际安装中，超声波物位计5可设置两个，两个所述的超声波物位计对称设置在两侧的卡紧组件的外侧面，实时监测水位高程，当水位上升超过设定阈值时进行库水位高程报警，报警等级分为高、中、低三种等级；
由流速检测模块泄洪量流速监测，在溢洪井排水通道下游，实时监测泄洪量流速数据，当泄洪量流速超过设定阈值时进行泄洪量流速报警，报警等级分为高、中、低三种等级；
综合以上监测的几个指标中，图像对比、溢洪井位移、浑浊度是核心指标，溢洪井外部水位高度、泄洪量流速是辅助指标。对各项监测指标进行阈值判断并单独报警的同时，在监测算法中，又将这五项指标设置不同的权重，图像对比、溢洪井位移、浑浊度设置为高权重，溢洪井外部水位高度、泄洪量流速设置为中低权重。
其中，权重可以看成不同检测设备准确性和有效性的度量，必须提前对各个检测设备进行详细的分析，获取其权重，且权重的获取是重点和难点。由于针对于不同检测设备中的传感器在不同特征维度上的准确性也是不一样的，所以简单的平均加权虽然应用很广，但是并不是最优加权；
这里采用最优加权因子，由各检测设备中传感器的方差决定；具体根据各检测设备输出的测量值，依据如下算法求出：
假设其中两个检测设备i、j,其测量值分别为Yi、Yj,且分别对应互不相关的检测误差ni、nj，有如下关系：
Yi＝Y+ni,Yj＝Y+nj (1)
其中ni、nj均值为零，且与Y也不相关，则Yi、Yj的自相关系数Rii、Rjj，Yi,Yj的互相关系数Rij可依据检测设备在时间域的前期测量值和估计值做相关运算得出，分别表示为：
Rii＝E[Yi,Yi]＝E[Y2]+E[ni2] (2)
Rjj＝E[Yj,Yj]＝E[Y2]+E[nj2] (3)
Rij＝E[Yi,Yj]＝E[Y2] (4)
分别用式(2)和式(3)减去式(4)得到各检测设备的方差如下：
σi2＝Rii–Rij＝E[ni2] (5)
σj2＝Rjj–Rij＝E[nj2] (6)
由此得到两个检测设备i、j的权重：
Wi＝1/σi2,Wj＝1/σj2 (7)
以此类推多个检测设备的权重值计算。
并按照不同权重对五个监测指标的状态进行加权计算，得出溢洪井安全运行状态的最终安全系数，再将该系数按不同的区间，把运行状态分为低风险、中风险、高风险三个层次，针对不同层次的情况做出不同的预警提示和处理。
需要说明的是：如图4所示，溢洪井监测结果＝(图像对比分析结果×W1+位移分析结果×W2+浊度分析结果×W3)×W6+(水位高度分析结果×W4+流速分析结果×W5)×W7。
如果后续增加检测设备，可以综合表示成:
Yout＝ΣWi*Yi,i:1～n (8)
其中Yout为溢洪井监测结果，Yi为各个检测设备输出的分析结果，各检测设备的分析方法有所不同。其中，图像采集设备主要采用图像处理方法分析出当前溢洪井内壁的安全情况，另外几种检测设备主要将当前检测数据(位置坐标、浑浊度、高度、流速)和设定的安全值进行对比得出分析结果。Wi为加权系数，并且ΣWi＝1。
最后再将监测结果分为高中低三个等级，设置相应等级的阈值，根据实时数据和阈值的比较进行判断和预警。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、通过图像采集模块获取溢洪井内部的图像信息、通过定位模块获取溢洪井位移变化的数据信息、通过浑浊度监测传感器获取溢洪井内部水质浑浊度变化的数据信息、通过超声波物位计获取溢洪井架外围水面的水位高度的数据信息以及通过流速检测模块获取溢洪井排水通道下游的泄洪量流速数据信息，上述监测设备采集获得的信息实时传输至计算机内，备用；
S2、由计算机对上述各个监测设备单独设定阈值，实现控制单个监测指标进行阈值判断并单独报警；
S3、计算机对上述所有的监测数据进行融合计算，具体为：对上述各个检测指标设置不同的权重值，并按照不同权重值对上述所有监测指标的状态进行加权计算，进而得出溢洪井安全运行状态的最终安全系数；
S4、将步骤S3获取的最终安全系数按不同的区间，根据运行状态分为低风险、中风险、高风险三个层次，并针对不同层次的情况做出不同的预警提示和处理。
2.根据权利要求1所述的一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：在步骤S3中，计算机获取的监测指标为：溢洪井内部图像对比、溢洪井位移、溢洪井内部水质浑浊度、溢洪井外部水面高度以及泄洪量流速，其中溢洪井内部图像对比、溢洪井位移、溢洪井内部水质浑浊度设置为高权重，溢洪井外部水面高度和泄洪量流速设置为中低权重。
3.根据权利要求2所述的一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：
在步骤S3的融合计算过程中：不同的权重对应对不同的加权系数，通过计算机将获取的单个监测数据所分析得到的结果值乘以与其对应的加权系数，并依次相加得出溢洪井安全运行状态的最终安全系数。
4.根据权利要求1所述的一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：还设有一用于安装上述监测设备的监测支架，所述监测支架包括一架设在溢洪井环形横梁上的横杆和设置在横杆两端用于卡紧环形横梁外沿的卡紧组件，通过卡紧组件将横梁固定在溢洪井顶部。
5.根据权利要求4所述的一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：所述图像采集模块通过一竖向连杆连接在所述横杆的下侧，在所述竖向连杆上设有用于调整图像采集模块的视角位置的升降组件和旋转组件。
6.根据权利要求5所述的一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：还设有用于控制升降组件和旋转组件动作的控制器，可通过外部的控制系统远程控制图像采集模块的升降高度和旋转角度。
7.根据权利要求5所述的一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：所述的竖向连杆上设有至少两个沿竖向间隔设置的图像采集模块。
8.根据权利要求5所述的一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：所述的竖向连杆上还设有用于给图像采集模块提供照明的光源模块。
9.根据权利要求4所述的一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：所述的定位模块由GPS/北斗定位单元和电子罗盘单元组成，GPS/北斗定位单元和电子罗盘单元设置在横杆的顶部。
10.根据权利要求9所述的一种多传感器融合的尾矿库溢洪井监测方法，其特征在于：所述的超声波物位计设有两个，两个所述的超声波物位计对称设置在两侧的卡紧组件上。
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