CN114298549A - 一种基于大数据的水利安全监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大数据的水利安全监测系统及方法，涉及水利安全技术领域，包括监测节点、监测中心、安全分析模块和威胁评估模块；监测节点用于监测水利工程各个区域具体位置渗流的水流信息，并发送至监测中心；监测中心用于对当前水流信息进行预处理，并将预处理后的水流信息传输至安全分析模块进行安全性分析，根据偏差系数确定各个位置渗流的安全状况，及时预警并分配对应的工程人员进行检修加固，提高水利工程安全性；威胁评估模块用于对数据库内存储的带有时间戳的渗流检修信息进行渗流威胁系数分析，并根据渗流威胁系数确定对应的信息采集指令，调整采集频率，以便对渗流威胁高的工程区域重点监测，提高水利安全监测效率。

Description

一种基于大数据的水利安全监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水利安全技术领域，具体是一种基于大数据的水利安全监测系统及方法。

背景技术

大坝，水建筑物挡水后因水位差发生渗流现象，使一部分水体渗入坝体和地基，在其地基中形成渗流场，导致发生流土、管涌或塌滑；资料显示，水利工程事故(特别是大坝事故)大部分是由渗流作用引起的，因此，对水利工程的渗流状态进行监测十分重要，而现有的水利安全监测系统无法智能识别出渗流威胁高的工程区域重点监测，提高水利安全监测效率；为此，我们提出一种基于大数据的水利安全监测系统及方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于大数据的水利安全监测系统及方法。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种基于大数据的水利安全监测系统，包括监测节点、监测中心、安全分析模块、数据库以及威胁评估模块；

所述监测节点用于监测水利工程各个区域具体位置渗流的水流信息，并将监测到的当前水流信息发送至监测中心；

所述监测中心用于对当前水流信息进行预处理，并将预处理后的水流信息传输至安全分析模块进行安全性分析，根据偏差系数PC确定各个位置渗流的安全状况；具体为：

获取水流信息对应的水利工程区域，根据该水利工程区域的渗流威胁系数WX确定对应的信息采集指令，所述信息采集指令包括采集频率阈值；

响应于对应的信息采集指令，采集水流信息；令最新采集的水流信息为XLn，若XLn≥水流阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；

若XLn＜水流阈值，将XLn与水流阈值的差值标记为C1，以当前时刻为标准，获取当前时刻前四组偏差值，得到差异比CX；利用公式PC＝(CX×g1)/(C1×g2)计算得到当前水流信息的偏差系数PC，其中g1、g2为系数因子；若PC大于偏差阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；

所述安全分析模块用于将预警信号上传至控制器，所述控制器接收到预警信号控制报警模块发出警报，并获取对应的区域位置生成渗流检修任务上传至监测中心，所述监测中心接收到渗流检修任务后分配对应的工程人员进行检修加固。

进一步地，所述偏差值的获取方法为：

若XLn＜水流阈值，取XLn及XLn前X1组水流信息的值，得到区间水流信息组，其中X1为预设值；按照标准差计算公式计算得到区间水流信息组的标准差μ；利用公式

计算得到水流信息的偏差值W；其中A1、A2为预设补偿系数；每获取一个新的实际水流信息数据时，自动计算新的偏差值W，得到偏差值组。

进一步地，所述差异比CX的计算方法为：求取四组偏差值中最大值和最小值之间的差值，并将该差值除以最小值，得到差异比CX。

进一步地，所述数据库存储有渗流威胁系数与采集频率阈值的映射关系表，其中每个采集频率阈值均对应一个预设渗流威胁系数范围。

进一步地，工程人员检修完成后，记录渗流检修信息并将渗流检修信息打上时间戳传输到数据库进行存储，其中渗流检修信息包括检修开始时刻、检修结束时刻、检修等级以及对应的工程区域，所述检修等级由工程人员根据检修加固过程中投入的人力物力资源进行评估。

进一步地，所述威胁评估模块用于对数据库内存储的带有时间戳的渗流检修信息进行渗流威胁系数分析，具体分析方法为：

在预设时间内，采集同一工程区域的渗流检修信息；统计对应工程区域的检修加固次数为G1；将每次检修的检修时长标记为T1，将对应的检修等级标记为D1，利用公式GX＝T1×d1+D1×d2计算得到检修值GX，其中d1、d2均为系数因子；

统计GX大于检修阈值的次数为P1；当GX大于检修阈值时，获取GX与检修阈值的差值并进行求和得到超检总值GZ；利用公式CJ＝P1×a3+GZ×a4计算得到超检系数CJ，其中a3、a4均为比例因子；

将最近一次检修结束时刻与系统当前时间进行时间差计算得到缓冲时长HT，利用公式WX＝(G1×d3+CJ×d4)×HT计算得到对应工程区域的渗流威胁系数WX，其中d3、d4为系数因子；

所述威胁评估模块用于将各个工程区域的渗流威胁系数WX打上时间戳并存储至存储模块。

进一步地，所述监测节点为带有水声传感器的ZigBee无线传感网络节点，在水利工程的各个区域呈阵列分布；其中预处理表现为剔除明显错误或无用的数据；水流信息包括水流量信息。

进一步地，一种基于大数据的水利安全监测方法，应用于水利安全监测系统，包括如下步骤：

步骤一：监测节点用于监测水利工程各个区域具体位置渗流的水流信息，并将监测到的当前水流信息发送至监测中心；

步骤二：监测中心用于对当前水流信息进行预处理，并将预处理后的水流信息传输至安全分析模块进行安全性分析，根据当前水流信息的偏差系数PC确定各个位置渗流的安全状况；

步骤三：若PC大于偏差阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；所述控制器接收到预警信号控制报警模块发出警报，并获取对应的区域位置生成渗流检修任务上传至监测中心；

步骤四：监测中心接收到渗流检修任务后分配对应的工程人员进行检修加固；工程人员检修完成后，记录渗流检修信息并将渗流检修信息打上时间戳传输到数据库进行存储；

步骤五：通过威胁评估模块对数据库内存储的带有时间戳的渗流检修信息进行渗流威胁系数分析，并将各个工程区域的渗流威胁系数WX上传至监测中心实时显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中安全分析模块用于对监测到的水流信息进行安全性分析，令最新采集的水流信息为XLn，若XLn≥水流阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；否则，将当前时刻的水流信息XLn与水流阈值的差值标记为C1，以当前时刻为标准，获取当前时刻前四组偏差值，得到差异比CX；利用公式PC＝(CX×g1)/(C1×g2)计算得到当前水流信息的偏差系数PC，若PC大于偏差阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；所述控制器接收到预警信号控制报警模块发出警报，并获取对应的区域位置生成渗流检修任务上传至监测中心，所述监测中心接收到渗流检修任务后分配对应的工程人员进行检修加固，有效避免水利工程事故，提高水利工程安全性；

2、本发明中所述威胁评估模块用于对数据库内存储的带有时间戳的渗流检修信息进行渗流威胁系数分析，在预设时间内，采集同一工程区域的渗流检修信息；统计对应工程区域的检修加固次数、超检系数以及缓冲时长，计算得到对应工程区域的渗流威胁系数WX；根据各个水利工程区域的渗流威胁系数WX确定对应的信息采集指令，调整采集频率，以便对渗流威胁高的工程区域重点监测，提高水利安全监测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于大数据的水利安全监测系统的系统框图。

图2为本发明一种基于大数据的水利安全监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图2所示，一种基于大数据的水利安全监测系统，包括监测节点、监测中心、安全分析模块、控制器、报警模块、存储模块、数据库以及威胁评估模块；

监测节点为带有水声传感器的ZigBee无线传感网络节点，在水利工程的各个区域呈阵列分布；监测节点与监测中心之间通过物联网节点进行分布式的连接；其中水声传感器均带有位置标识；

在本实施例中，水声传感器是接收和探测在水中传播的声波的传感器，一般由电压传感器及相关的电子电路构成，封闭在一个防水密闭的容器中，可以安放在渗流的水流中；水声传感器漂流在渗流中，将渗流的水流信息经物联网节点传输至监测中心；水声传感器选用探测系列28kHz水声传感器，也就是水平无方向柱形水声传感器；

在本实施例中，采用无线传感器网络进行大型水利工程的渗流实时监测，省去敷设大量导线、节约成本、降低施工难度；并且无线传感器网络监测节点结构简单、体积小、成本低，无需人员定期巡回检查渗流，节约大量人力成本；

监测节点用于监测水利工程各个区域具体位置渗流的水流信息，并将监测到的当前水流信息发送至监测中心；监测中心用于对当前水流信息进行预处理，并将预处理后的水流信息传输至安全分析模块进行安全性分析，确定各个位置渗流的安全状况；其中预处理表现为剔除明显错误或无用的数据；水流信息包括水流量信息；

安全分析模块的具体分析步骤如下：

获取水流信息对应的水利工程区域，根据该水利工程区域的渗流威胁系数确定对应的信息采集指令，信息采集指令包括采集频率阈值；具体为：数据库存储有渗流威胁系数与采集频率阈值的映射关系表，其中每个采集频率阈值均对应一个预设渗流威胁系数范围；其中渗流威胁系数越大，则采集频率阈值越高；

响应于对应的信息采集指令，采集水流信息；令最新采集的水流信息为XLn，若XLn≥水流阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；

若XLn＜水流阈值，取XLn及XLn前X1组水流信息的值，得到区间水流信息组，其中X1为预设值；按照标准差计算公式计算得到区间水流信息组的标准差μ；

根据标准差μ和区间水流信息组，求取水流信息的偏差值W，具体计算方法为：

当n≤X1时；此时自动对X1的值进行重置，令X1＝n-1；

当n＞X1时，利用公式

计算得到水流信息的偏差值W；其中A1、A2为预设补偿系数；每获取一个新的实际水流信息数据时，自动计算新的偏差值W，得到偏差值组；

将当前时刻的水流信息XLn与水流阈值的差值标记为C1，其中C1取正值；以当前时刻为标准，获取当前时刻前四组偏差值，求取四组偏差值中最大值和最小值之间的差值，并将该差值除以最小值，得到差异比CX；

利用公式PC＝(CX×g1)/(C1×g2)计算得到当前水流信息的偏差系数PC，其中g1、g2为系数因子；

将偏差系数PC与偏差阈值相比较，若PC大于偏差阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；

安全分析模块用于将预警信号上传至控制器，控制器接收到预警信号控制报警模块发出警报，并获取对应的区域位置生成渗流检修任务上传至监测中心，监测中心接收到渗流检修任务后分配对应的工程人员进行检修加固；

本发明通过对采集的水流信息进行递进分析，根据水利工程区域的渗流威胁系数确定对应的信息采集指令，调整采集频率，以便对渗流威胁高的工程区域重点监测，及时预警，有效避免水利工程事故，提高水利工程安全性；

工程人员检修完成后，记录渗流检修信息并将渗流检修信息打上时间戳传输到数据库进行存储，其中渗流检修信息包括检修开始时刻、检修结束时刻、检修等级以及对应的工程区域，检修等级由工程人员根据检修加固过程中投入的人力物力资源进行评估；其中投入的人力物力资源越多，则检修等级越高；

威胁评估模块用于对数据库内存储的带有时间戳的渗流检修信息进行渗流威胁系数分析，具体分析方法为：

在预设时间内，采集同一工程区域的渗流检修信息；统计对应工程区域的检修加固次数为G1；将每次检修的检修时长标记为T1，将对应的检修等级标记为D1，利用公式GX＝T1×d1+D1×d2计算得到检修值GX，其中d1、d2均为系数因子；

将检修值GX与检修阈值相比较，统计GX大于检修阈值的次数为P1；当GX大于检修阈值时，获取GX与检修阈值的差值并进行求和得到超检总值GZ；利用公式CJ＝P1×a3+GZ×a4计算得到超检系数CJ，其中a3、a4均为比例因子；

将最近一次检修结束时刻与系统当前时间进行时间差计算得到缓冲时长HT，将检修加固次数、超检系数以及缓冲时长进行归一化处理并取其数值，利用公式WX＝(G1×d3+CJ×d4)×HT计算得到对应工程区域的渗流威胁系数WX，其中d3、d4为系数因子；

威胁评估模块用于将各个工程区域的渗流威胁系数WX打上时间戳并存储至存储模块。

一种基于大数据的水利安全监测方法，应用于上述水利安全监测系统，包括如下步骤：

步骤一：监测节点用于监测水利工程各个区域具体位置渗流的水流信息，并将监测到的当前水流信息发送至监测中心；

步骤二：监测中心用于对当前水流信息进行预处理，并将预处理后的水流信息传输至安全分析模块进行安全性分析，根据当前水流信息的偏差系数PC确定各个位置渗流的安全状况；

步骤三：若PC大于偏差阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；控制器接收到预警信号控制报警模块发出警报，并获取对应的区域位置生成渗流检修任务上传至监测中心；

步骤四：监测中心接收到渗流检修任务后分配对应的工程人员进行检修加固，工程人员检修完成后，记录渗流检修信息并将渗流检修信息打上时间戳传输到数据库进行存储；

步骤五：通过威胁评估模块对数据库内存储的带有时间戳的渗流检修信息进行渗流威胁系数分析，并将各个工程区域的渗流威胁系数WX上传至监测中心实时显示。

上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：

一种基于大数据的水利安全监测系统及方法，在工作时，监测节点用于监测水利工程各个区域具体位置渗流的水流信息；监测中心用于对当前水流信息进行预处理，并将预处理后的水流信息传输至安全分析模块进行安全性分析，将当前时刻的水流信息XLn与水流阈值的差值标记为C1；以当前时刻为标准，获取当前时刻前四组偏差值，得到差异比CX；利用公式PC＝(CX×g1)/(C1×g2)计算得到当前水流信息的偏差系数PC，若PC大于偏差阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；控制器接收到预警信号控制报警模块发出警报，并获取对应的区域位置生成渗流检修任务上传至监测中心，监测中心接收到渗流检修任务后分配对应的工程人员进行检修加固；

工程人员检修完成后，记录渗流检修信息并将渗流检修信息打上时间戳传输到数据库进行存储；威胁评估模块用于对数据库内存储的带有时间戳的渗流检修信息进行渗流威胁系数分析，在预设时间内，采集同一工程区域的渗流检修信息；统计对应工程区域的检修加固次数、超检系数以及缓冲时长，计算得到对应工程区域的渗流威胁系数WX，并将各个工程区域的渗流威胁系数WX打上时间戳并存储至存储模块，以便智能识别出渗流威胁高的工程区域重点监测，提高水利安全监测效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种基于大数据的水利安全监测系统，其特征在于，包括监测节点、监测中心、安全分析模块、数据库以及威胁评估模块；

所述监测节点用于监测水利工程各个区域具体位置渗流的水流信息，并将监测到的当前水流信息发送至监测中心；

所述监测中心用于对当前水流信息进行预处理，并将预处理后的水流信息传输至安全分析模块进行安全性分析，根据偏差系数PC确定各个位置渗流的安全状况；具体为：

获取水流信息对应的水利工程区域，根据该水利工程区域的渗流威胁系数WX确定对应的信息采集指令，所述信息采集指令包括采集频率阈值；

响应于对应的信息采集指令，采集水流信息；令最新采集的水流信息为XLn，若XLn≥水流阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；

若XLn＜水流阈值，将XLn与水流阈值的差值标记为C1，以当前时刻为标准，获取当前时刻前四组偏差值，得到差异比CX；利用公式PC＝(CX×g1)/(C1×g2)计算得到当前水流信息的偏差系数PC，其中g1、g2为系数因子；若PC大于偏差阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；

所述安全分析模块用于将预警信号上传至控制器，所述控制器接收到预警信号控制报警模块发出警报，并获取对应的区域位置生成渗流检修任务上传至监测中心，所述监测中心接收到渗流检修任务后分配对应的工程人员进行检修加固。

2.根据权利要求1所述的一种基于大数据的水利安全监测系统，其特征在于，所述偏差值的获取方法为：

若XLn＜水流阈值，取XLn及XLn前X1组水流信息的值，得到区间水流信息组，其中X1为预设值；按照标准差计算公式计算得到区间水流信息组的标准差μ；利用公式

计算得到水流信息的偏差值W；其中A1、A2为预设补偿系数；每获取一个新的实际水流信息数据时，自动计算新的偏差值W，得到偏差值组。

3.根据权利要求1所述的一种基于大数据的水利安全监测系统，其特征在于，所述差异比CX的计算方法为：求取四组偏差值中最大值和最小值之间的差值，并将该差值除以最小值，得到差异比CX。

4.根据权利要求1所述的一种基于大数据的水利安全监测系统，其特征在于，所述数据库存储有渗流威胁系数与采集频率阈值的映射关系表，其中每个采集频率阈值均对应一个预设渗流威胁系数范围。

5.根据权利要求1所述的一种基于大数据的水利安全监测系统，其特征在于，工程人员检修完成后，记录渗流检修信息并将渗流检修信息打上时间戳传输到数据库进行存储，其中渗流检修信息包括检修开始时刻、检修结束时刻、检修等级以及对应的工程区域，所述检修等级由工程人员根据检修加固过程中投入的人力物力资源进行评估。

6.根据权利要求5所述的一种基于大数据的水利安全监测系统，其特征在于，所述威胁评估模块用于对数据库内存储的带有时间戳的渗流检修信息进行渗流威胁系数分析，具体分析方法为：

在预设时间内，采集同一工程区域的渗流检修信息；统计对应工程区域的检修加固次数为G1；将每次检修的检修时长标记为T1，将对应的检修等级标记为D1，利用公式GX＝T1×d1+D1×d2计算得到检修值GX，其中d1、d2均为系数因子；统计GX大于检修阈值的次数为P1；

当GX大于检修阈值时，获取GX与检修阈值的差值并进行求和得到超检总值GZ；利用公式CJ＝P1×a3+GZ×a4计算得到超检系数CJ，其中a3、a4均为比例因子；将最近一次检修结束时刻与系统当前时间进行时间差计算得到缓冲时长HT，利用公式WX＝(G1×d3+CJ×d4)×HT计算得到对应工程区域的渗流威胁系数WX，其中d3、d4为系数因子；所述威胁评估模块用于将各个工程区域的渗流威胁系数WX打上时间戳并存储至存储模块。

7.根据权利要求1所述的一种基于大数据的水利安全监测系统，其特征在于，所述监测节点为带有水声传感器的ZigBee无线传感网络节点，在水利工程的各个区域呈阵列分布；其中预处理表现为剔除明显错误或无用的数据；水流信息包括水流量信息。

8.一种基于大数据的水利安全监测方法，应用于如权利要求1-7任一所述的一种基于大数据的水利安全监测系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：监测节点用于监测水利工程各个区域具体位置渗流的水流信息，并将监测到的当前水流信息发送至监测中心；

步骤二：监测中心用于对当前水流信息进行预处理，并将预处理后的水流信息传输至安全分析模块进行安全性分析，根据当前水流信息的偏差系数PC确定各个位置渗流的安全状况；

步骤三：若PC大于偏差阈值，则判定存在渗流威胁，生成预警信号；所述控制器接收到预警信号控制报警模块发出警报，并获取对应的区域位置生成渗流检修任务上传至监测中心；

步骤四：监测中心接收到渗流检修任务后分配对应的工程人员进行检修加固；工程人员检修完成后，记录渗流检修信息并将渗流检修信息打上时间戳传输到数据库进行存储；

步骤五：通过威胁评估模块对数据库内存储的带有时间戳的渗流检修信息进行渗流威胁系数分析，并将各个工程区域的渗流威胁系数WX上传至监测中心实时显示。

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