CN113914266A - 一种孪生大坝系统 - Google Patents

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谭鹏
李萌
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Abstract

本发明提供了一种孪生大坝系统，包括：物理大坝，多传感器采集系统，虚拟大坝，计算分析系统，多源数据系统，关键技术知识图谱系统，可视化决策控制系统。本发明孪生大坝系统与物理大坝建设和运行过程同步执行，孪生大坝系统提前对施工进度、结构状态、大坝质量以及调控措施等进行预测分析，结合关键技术知识图谱进行高效决策，使大坝建设和运行满足进度、质量和安全要求，提高了大坝建设和运行的现有管控水平。利用虚拟空间中的孪生大坝自动跟踪整个工程建设和运行全过程，可以在节省大量人力物力的条件下及时监控到大坝工程不良状态，保障大坝安全。解决了信息共享不充分、展示效果不理想、决策实时性差的问题，提高了信息整合能力。

Description

一种孪生大坝系统
技术领域
本发明属于水利水电技术领域，具体涉及一种孪生大坝系统。
背景技术
水库大坝是国之重器，在防洪、供水、发电、通航、生态等诸多领域发挥着不可替代的作用，具有显著的社会经济效益，但一旦失事，将会带来灾难性后果，必须确保大坝工程建设质量和运行安全。大坝工程尤其是高坝工程具有规模庞大、结构复杂、建设和服役周期长、工作性态复杂的特点，目前通过数字化手段大大提高了建设和运行管控水平，如通过智能振捣和智能碾压提高混凝土施工质量，智能通水和智能温控提高大坝混凝土防裂能力，智能灌浆提高基础岩体灌浆质量，进度仿真提高大坝施工进度控制水平，性态仿真或仿真大坝主要提高施工期结构安全水平，监测资料统计回归分析和智能化分析提高运行期结构安全管控水平等，有效保障了大坝结构安全建设和运行，但依然存在如下突出问题：(1)大坝工程建设周期长、影响因素多、交叉施工，如大坝混凝土浇筑施工、已浇混凝土温控措施、基础灌浆施工、横缝灌浆施工以及孔口金属结构施工等，过程中结构、材料、工艺措施等调整和变化频繁，现有信息整合能力和管控能力不足；(2)大坝工程涉及领域众多，工作性态复杂，安全管控决策难度大，需要具有丰富经验的专家进行决策判断，导致时间延后，难以即时处理；(3)大坝运行过程中依赖建设期埋设的大量监测仪器进行监测，但资料融合分析程度低，整体和即时性差，难以有效支持实时评估和决策判断。在此情况下，亟需利用新的技术手段进一步提升大坝安全管控水平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种孪生大坝系统，旨在通过构建物理大坝在虚拟空间的数字孪生大坝，实现数字孪生体与物理实体之间信息交互和虚拟调控，提高大坝信息整合能力和管控能力，协助快速进行决策，提升行业智能化水平。
本发明提供了一种孪生大坝系统，包括：物理大坝，多传感器采集系统，虚拟大坝，计算分析系统，多源数据系统，关键技术知识图谱系统，可视化决策控制系统，其中：
所述物理大坝为孪生大坝系统的应用场景，包括大坝的实体结构和各种附属设施设备及周边物理环境，所述物理大坝与多传感器采集系统连接；
所述多传感器采集系统包括多种传感器和传输系统，多种传感器包括监测大坝实体结构状态信息和性态信息的传感器、检测大坝周边环境状态的传感器，所述多传感器采集系统用于采集物理大坝的状态信息、性态信息及周边环境信息；所述传输系统与所述多种传感器连接，用于将采集信息传输至所述多源数据系统；
所述虚拟大坝为物理大坝虚拟模型，与所述物理大坝形成一对一的映射，反映大坝结构特征、材料特征、建造过程特征、运行维护过程特征以及性态变化特征，用于计算分析并根据物理大坝变化进行即时更新；
所述计算分析系统包括进度分析子系统、结构分析子系统、质量分析子系统和调控措施分析子系统，用于为大坝安全保障和进度、质量、性态优化提供虚拟调试环境和软件，以实现大坝状态、周边环境、传感器和调控措施模拟分析；
所述多源数据系统包括硬件系统和数据库软件系统，是数据信息存放中心，与所述多传感器采集系统、虚拟大坝、计算分析系统以及关键技术知识图谱信息、决策控制信息均直接相连，上述相连系统得到的数据信息均存放至所述多源数据系统；
所述关键技术知识图谱系统用于基于已建大坝工程经验，针对常见工程进度、质量、安全和调控措施问题，构建用于识别问题、理解意图和反馈方案的知识图谱；
所述可视化决策控制系统包括显示终端系统和决策控制系统，与上述各系统以及物理大坝、虚拟大坝相连，其中，所述显示终端系统用于可视化显示，所述决策控制系统通过所述多传感器系统、计算分析系统、关键技术知识图谱实现决策，并反馈至物理大坝实现控制。
进一步地，所述多传感器采集系统通过坝内埋设、表面敷设、外部观测以及环境监测、性态检测进行自动化、半自动化或人工信息采集，并进行数据冗余和率定分析。
进一步地，所述虚拟大坝根据物理大坝实际情况采用三维建模方法进行构建，优选采用BIM技术进行构建，以反映大坝结构特征、材料特征、建造过程特征、运行维护过程特征、性态变化特征以及传感器情况。
进一步地，在三维建模基础上划分网格模型，优选划分为有限元网格模型，该网格模型根据大坝状态变化即时更新。
进一步地，所述进度分析子系统用于根据施工资源配置、多方协同和进度规划对大坝施工进度进行仿真分析；所述结构分析子系统用于采用数值模拟方法对大坝温度、变形、应力应变、渗流渗压进行仿真分析，优选的采用有限元仿真分析方法；所述质量分析子系统用于根据图像信息、检测信息和监测信息对大坝施工质量缺陷进行识别分析，优选的对大坝混凝土开裂缺陷进行分析；所述调控措施分析子系统用于围绕周边环境、防护措施进行分析，包括仓面气候调控措施、大坝保温防护措施。
进一步地，所述结构分析子系统的结构仿真分析采用高性能计算机和大规模并行分析软件，实现高效精确的即时分析。
进一步地，所述关键技术知识图谱系统梳理已建大坝建设和运行过程中的常见问题和现象、有关成因和原因、相关对策和解决方案，进行信息抽取和知识映射，建立分组索引，实现针对常见问题的对策和解决方案建议。
进一步地，所述显示终端系统与所述多源数据系统连接，基于虚拟大坝将传感器采集信息、分析结果数据进行成像显示，优选的采用增加现实技术进行三维成像显示。
进一步地，所述决策控制系统基于多传感器系统、计算分析系统、关键技术知识图谱系统进行风险预报、预警，并结合调控措施进行预演、预案，进行有关决策，并将决策信息反馈至所述物理大坝，通过措施调控对大坝进行控制。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
(1)孪生大坝系统与物理大坝建设和运行过程同步执行，孪生大坝系统提前对施工进度、结构状态、大坝质量以及调控措施等进行预测分析，结合关键技术知识图谱进行高效决策，使大坝建设和运行满足进度、质量和安全要求，提高了大坝建设和运行的现有管控水平。
(2)利用虚拟空间中的孪生大坝自动跟踪整个工程建设和运行全过程，可以在节省大量人力物力的条件下及时监控到大坝工程不良状态，保障大坝安全。
(3)通过孪生大坝系统，较大程度上解决了信息共享不充分、展示效果不理想、决策实时性差的问题，提高了信息整合能力，应用前景良好。
附图说明
图1是物理大坝示意图；
图2是本发明局部监测仪器(测缝计)布设示意图；
图3是本发明虚拟大坝示意图；
图4是本发明虚拟大坝网格模型及分仓示意图；
图5是本发明计算分析系统示意图；
图6是本发明浇筑进度仿真示意；
图7是本发明封拱进度仿真示意；
图8是本发明结构仿真温度过程线结果示意图；
图9是本发明结构仿真大坝应力状态示意图；
图10是本发明关键技术知识图谱示意图；
图11是本发明基于孪生大坝的决策控制流程；
图12是本发明孪生大坝系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
参图1、图3、图4、图5、图10、图11、图12所示，本实施例提供了一种孪生大坝系统，包括：物理大坝，多传感器采集系统，虚拟大坝，计算分析系统，多源数据系统，关键技术知识图谱系统，可视化决策控制系统，其中：
所述物理大坝为孪生大坝系统的应用场景，包括大坝的实体结构和各种附属设施设备及周边物理环境，所述物理大坝与多传感器采集系统连接；
所述多传感器采集系统包括多种传感器和传输系统，多种传感器包括监测大坝实体结构状态信息和性态信息的传感器、检测大坝周边环境状态的传感器，所述多传感器采集系统用于采集物理大坝的状态信息、性态信息及周边环境信息；所述传输系统与所述多种传感器连接，用于将采集信息传输至所述多源数据系统；
所述虚拟大坝为物理大坝虚拟模型，与所述物理大坝形成一对一的映射，反映大坝结构特征、材料特征、建造过程特征、运行维护过程特征以及性态变化特征，用于计算分析并根据物理大坝变化进行即时更新；
所述计算分析系统包括进度分析子系统、结构分析子系统、质量分析子系统和调控措施分析子系统，用于为大坝安全保障和进度、质量、性态优化提供虚拟调试环境和软件，以实现大坝状态、周边环境、传感器和调控措施模拟分析；
所述多源数据系统包括硬件系统和数据库软件系统，是数据信息存放中心，与所述多传感器采集系统、虚拟大坝、计算分析系统以及关键技术知识图谱信息、决策控制信息均直接相连，上述相连系统得到的数据信息均存放至所述多源数据系统；
所述关键技术知识图谱系统用于基于已建大坝工程经验，针对常见工程进度、质量、安全和调控措施问题，构建用于识别问题、理解意图和反馈方案的知识图谱；
所述可视化决策控制系统包括显示终端系统和决策控制系统，与上述各系统以及物理大坝、虚拟大坝相连，其中，所述显示终端系统用于可视化显示，所述决策控制系统通过所述多传感器系统、计算分析系统、关键技术知识图谱实现决策，并反馈至物理大坝实现控制。
在本实施例中，所述多传感器采集系统通过坝内埋设、表面敷设、外部观测以及环境监测、性态检测进行自动化、半自动化或人工信息采集，并进行数据冗余和率定分析。
在本实施例中，所述虚拟大坝根据物理大坝实际情况采用三维建模方法进行构建，优选采用BIM技术进行构建，以反映大坝结构特征、材料特征、建造过程特征、运行维护过程特征、性态变化特征以及传感器情况。
在本实施例中，在三维建模基础上划分网格模型，优选划分为有限元网格模型，该网格模型根据大坝状态变化即时更新。
在本实施例中，所述进度分析子系统用于根据施工资源配置、多方协同和进度规划对大坝施工进度进行仿真分析；所述结构分析子系统用于采用数值模拟方法对大坝温度、变形、应力应变、渗流渗压进行仿真分析，优选的采用有限元仿真分析方法；所述质量分析子系统用于根据图像信息、检测信息和监测信息对大坝施工质量缺陷进行识别分析，优选的对大坝混凝土开裂缺陷进行分析；所述调控措施分析子系统用于围绕周边环境、防护措施进行分析，包括仓面气候调控措施、大坝保温防护措施。
在本实施例中，所述结构分析子系统的结构仿真分析采用高性能计算机和大规模并行分析软件，实现高效精确的即时分析。
在本实施例中，所述关键技术知识图谱系统梳理已建大坝建设和运行过程中的常见问题和现象、有关成因和原因、相关对策和解决方案，进行信息抽取和知识映射，建立分组索引，实现针对常见问题的对策和解决方案建议。
在本实施例中，所述显示终端系统与所述多源数据系统连接，基于虚拟大坝将传感器采集信息、分析结果数据进行成像显示，优选的采用增加现实技术进行三维成像显示。
在本实施例中，所述决策控制系统基于多传感器系统、计算分析系统、关键技术知识图谱系统进行风险预报、预警，并结合调控措施进行预演、预案，进行有关决策，并将决策信息反馈至所述物理大坝，通过措施调控对大坝进行控制。
实施例1：
我国西南某高坝工程，大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高270m，坝体共分15个坝段，混凝土方量约273万m3。坝身布置5个表孔6个中孔，孔口尺寸12m×16m。中孔尺寸6m×7m。大坝于2017年3月16日开始浇筑，2020年5月3日，全线浇筑到顶。大坝共分872仓，29个灌区。物理大坝见图1。
大坝建设过程中布设了水位计、水温计、气候仪、坝体温度计、基岩变形计、测缝计、压应力计、钢筋计、应变计组、渗压计、正倒垂变形监测仪器、静力水准、视频监控仪器、谷幅变形监控仪器等多传感器系统，监控大坝结构、坝基和坝肩边坡性态及环境温度、水位等周边环境信息，局部监测仪器布设示意见图2。
基于上述物理大坝和多传感器系统，建立虚拟大坝，要求见附图3，该虚拟大坝与物理大坝形成一对一的映射，能够反映大坝结构特征、材料特征、建造过程特征、运行维护过程特征以及性态变化特征，可用于计算分析并根据物理大坝变化进行即时更新。该工程虚拟大坝中网格模型及分仓示意见附图4，共有单元2572830个，节点2526757个，其中单元普遍为六面体单位，个别部位采用金字塔形、棱柱形和四面体单元。
基于虚拟大坝并结合多传感器系统数据，进行进度、结构、质量和调控措施计算分析，计算分析系统见附图5。
进度分析根据大坝工程施工资源配置、多方协同和进度规划对大坝施工进度进行仿真分析，提出具体的仓块浇筑和封拱灌浆时间，附图6为部分仓块浇筑进度仿真结果，附图7为部分灌区封拱进度仿真结果，指导工程施工进度控制。
结构分析是采用数值模拟方法对大坝温度、变形、应力应变、渗流渗压等性态进行仿真分析，优选的采用有限元仿真分析方法，温度仿真结果与实测结果对比见附图8，大坝应力状态仿真结果见附图9，指导大坝工程建设期安全控制。
质量分析是根据图像信息、检测信息和监测信息对大坝施工质量缺陷进行识别分析，优选的对大坝混凝土开裂缺陷进行分析。
调控措施分析是调控措施分析是围绕周边环境、防护措施等进行分析，如仓面气候调控措施、大坝保温防护措施分析等。
上述所有信息数据存放于多源数据系统，该系统包括硬件系统和数据库软件系统，是数据信息存放中心，与多传感器采集系统、虚拟大坝、计算分析系统以及关键技术知识图谱信息、决策控制信息均直接相连，需要满足存储空间、上传下载速度和信息安全要求。
基于已建大坝工程经验，针对常见工程进度、质量、安全和调控措施问题，构建可以识别问题、理解意图和反馈方案的知识图谱，用于协助工程管控决策，关键技术知识图谱系统示意见附图10。
可视化决策控制系统包括显示终端系统和决策控制系统，与上述各系统以及物理大坝、虚拟大坝相连，显示终端系统用于可视化显示，决策控制系统通过多传感器系统、计算分析系统、关键技术知识图谱实现决策，并反馈至物理大坝实现控制，基于孪生大坝的决策控制流程见附图11。
上述子系统共同组成孪生大坝系统，见图12。
(1)孪生大坝系统与物理大坝建设和运行过程同步执行，孪生大坝系统提前对施工进度、结构状态、大坝质量以及调控措施等进行预测分析，结合关键技术知识图谱进行高效决策，使大坝建设和运行满足进度、质量和安全要求，提高了大坝建设和运行的现有管控水平。
(2)利用虚拟空间中的孪生大坝自动跟踪整个工程建设和运行全过程，可以在节省大量人力物力的条件下及时监控到大坝工程不良状态，保障大坝安全。
(3)通过孪生大坝系统，较大程度上解决了信息共享不充分、展示效果不理想、决策实时性差的问题，提高了信息整合能力，应用前景良好。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (9)

1.一种孪生大坝系统，其特征在于，包括：物理大坝，多传感器采集系统，虚拟大坝，计算分析系统，多源数据系统，关键技术知识图谱系统，可视化决策控制系统，其中：
所述物理大坝为孪生大坝系统的应用场景，包括大坝的实体结构和各种附属设施设备及周边物理环境，所述物理大坝与多传感器采集系统连接；
所述多传感器采集系统包括多种传感器和传输系统，多种传感器包括监测大坝实体结构状态信息和性态信息的传感器、检测大坝周边环境状态的传感器，所述多传感器采集系统用于采集物理大坝的状态信息、性态信息及周边环境信息；所述传输系统与所述多种传感器连接，用于将采集信息传输至所述多源数据系统；
所述虚拟大坝为物理大坝虚拟模型，与所述物理大坝形成一对一的映射，反映大坝结构特征、材料特征、建造过程特征、运行维护过程特征以及性态变化特征，用于计算分析并根据物理大坝变化进行即时更新；
所述计算分析系统包括进度分析子系统、结构分析子系统、质量分析子系统和调控措施分析子系统，用于为大坝安全保障和进度、质量、性态优化提供虚拟调试环境和软件，以实现大坝状态、周边环境、传感器和调控措施模拟分析；
所述多源数据系统包括硬件系统和数据库软件系统，是数据信息存放中心，与所述多传感器采集系统、虚拟大坝、计算分析系统以及关键技术知识图谱信息、决策控制信息均直接相连，上述相连系统得到的数据信息均存放至所述多源数据系统；
所述关键技术知识图谱系统用于基于已建大坝工程经验，针对常见工程进度、质量、安全和调控措施问题，构建用于识别问题、理解意图和反馈方案的知识图谱；
所述可视化决策控制系统包括显示终端系统和决策控制系统，与上述各系统以及物理大坝、虚拟大坝相连，其中，所述显示终端系统用于可视化显示，所述决策控制系统通过所述多传感器系统、计算分析系统、关键技术知识图谱实现决策，并反馈至物理大坝实现控制。
2.根据权利要求1所述的孪生大坝系统，其特征在于，所述多传感器采集系统通过坝内埋设、表面敷设、外部观测以及环境监测、性态检测进行自动化、半自动化或人工信息采集，并进行数据冗余和率定分析。
3.根据权利要求2所述的孪生大坝系统，其特征在于，所述虚拟大坝根据物理大坝实际情况采用三维建模方法进行构建，优选采用BIM技术进行构建，以反映大坝结构特征、材料特征、建造过程特征、运行维护过程特征、性态变化特征以及传感器情况。
4.根据权利要求3所述的孪生大坝系统，其特征在于，在三维建模基础上划分网格模型，优选划分为有限元网格模型，该网格模型根据大坝状态变化即时更新。
5.根据权利要求4所述的孪生大坝系统，其特征在于，所述进度分析子系统用于根据施工资源配置、多方协同和进度规划对大坝施工进度进行仿真分析；所述结构分析子系统用于采用数值模拟方法对大坝温度、变形、应力应变、渗流渗压进行仿真分析，优选的采用有限元仿真分析方法；所述质量分析子系统用于根据图像信息、检测信息和监测信息对大坝施工质量缺陷进行识别分析，优选的对大坝混凝土开裂缺陷进行分析；所述调控措施分析子系统用于围绕周边环境、防护措施进行分析，包括仓面气候调控措施、大坝保温防护措施。
6.根据权利要求5所述的孪生大坝系统，其特征在于，所述结构分析子系统的结构仿真分析采用高性能计算机和大规模并行分析软件，实现高效精确的即时分析。
7.根据权利要求6所述的孪生大坝系统，其特征在于，所述关键技术知识图谱系统梳理已建大坝建设和运行过程中的常见问题和现象、有关成因和原因、相关对策和解决方案，进行信息抽取和知识映射，建立分组索引，实现针对常见问题的对策和解决方案建议。
8.根据权利要求7所述的孪生大坝系统，其特征在于，所述显示终端系统与所述多源数据系统连接，基于虚拟大坝将传感器采集信息、分析结果数据进行成像显示，优选的采用增加现实技术进行三维成像显示。
9.根据权利要求8所述的孪生大坝系统，其特征在于，所述决策控制系统基于多传感器系统、计算分析系统、关键技术知识图谱系统进行风险预报、预警，并结合调控措施进行预演、预案，进行有关决策，并将决策信息反馈至所述物理大坝，通过措施调控对大坝进行控制。
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