CN114357912B - 一种河岸岸坡的稳定性分析系统 - Google Patents

一种河岸岸坡的稳定性分析系统 Download PDF

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CN114357912B CN202210026470.XA CN202210026470A CN114357912B CN 114357912 B CN114357912 B CN 114357912B CN 202210026470 A CN202210026470 A CN 202210026470A CN 114357912 B CN114357912 B CN 114357912B
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贺秋华
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Abstract

本发明提供了一种河岸岸坡的稳定性分析系统，其特征在于，包括输入模块、数据分类模块、单因子处理模块和综合分析模块，所述输入模块用于接收外部设备检测的各类数据，所述数据分类模块根据接收数据的格式发送至不同的单因子处理模块，所述单因子处理模块对不同的检测数据进行预处理，并将预处理后的结果发送至所述综合分析模块，所述综合处理模块根据所有单因子处理模块的预处理结果分析得到岸坡的稳定性结果；本系统通过采用不同的处理方式来计算不同位置的河岸岸坡的稳定性，使分析结果更加可靠。

Description

一种河岸岸坡的稳定性分析系统
技术领域
本公开大体上涉及河流安全领域，且更明确地说涉及一种河岸岸坡的稳定性分析系统。
背景技术
河岸岸堤是用于防洪的一种有效方式，岸坡的稳定性直接影响到防洪的结果，而河流中水流的冲刷会对岸坡的稳定性造成影响，如何通过对水流的监控实现对岸坡的稳定性进行分析，从而及时地作出防护措施，能够避免洪水印发决堤现象。
现在已经开发出了很多稳定性分析系统，经过我们大量的检索与参考，发现现有的授权系统有如公开号为KR100446815B1，KR101463719B1、CN110287571B和KR100449332B1所公开的系统，包括：步骤一：生成作为构建二维河道水/沙模型的数据集；步骤二、根据研究区域中河段参数，设置模型计算参数与定解条件，构建研究区域二维水/沙数值模拟模型；步骤三、根据不同洪水条件下的来沙情况设定多种工况，利用二维水/沙数值模型对研究区域河道水/沙输移及河床冲淤进行模拟，基于模拟结果对洪水前后险工河床进行分析，分别计算河流险工岸坡河床冲深距离和河侧向侵蚀距离；步骤四：构建险工岸坡渗流～稳定分析有限元模型，定量化研究各因素与岸坡稳定安全系数间关系。但该系统采用同一种方式来对整个河岸岸坡进行分析，没有有效地利用不同区域的特殊性，得到的稳定性结果不够准确。
发明内容
本发明的目的在于，针对所存在的不足，提出了一种河岸岸坡的稳定性分析系统，
本发明采用如下技术方案：
一种河岸岸坡的稳定性分析系统，包括输入模块、数据分类模块、单因子处理模块和综合分析模块，所述输入模块用于接收外部设备检测的各类数据，所述数据分类模块根据接收数据的格式发送至不同的单因子处理模块，所述单因子处理模块对不同的检测数据进行预处理，并将预处理后的结果发送至所述综合分析模块，所述综合处理模块根据所有单因子处理模块的预处理结果分析得到岸坡的稳定性结果；
所述单因子处理模块包括岸坡曲线处理单元和水流数据处理单元，所述岸坡曲线处理单元用于将整个河岸曲线分成普通的河岸曲线段和重点监测区域，所述水流数据处理单元将监测的水流数据分成平流包和冲流包，所述平流包中的水流数据对应普通的河岸曲线段，所述冲流包中的水流数据对应重点监测区域；
所述水流数据处理单元根据平流包中的水流数据处理得到冲刷指数Ed，根据冲流包中的水流数据处理得到冲击指数Ep；
所述综合分析模块从所述水流数据处理单元获取各河岸曲线段的冲刷指数Ed和重点监测点的冲击指数Ep，所述综合分析模块还直接从所述数据分类模块处获取河流中的含沙量P以及岸坡的预设抗击值Nd和Np，其中，Nd为普通岸坡的预设抗击值，Np为重点监测岸坡的预设抗击值，并分别计算普通岸坡的稳定性W1和重点监测岸坡的稳定性W2：
Figure BDA0003464130420000021
Figure BDA0003464130420000022
当W1或W2为负值时，说明对应的岸坡需进行加固；
进一步的，所述水流数据处理单元根据平流包的水流数据计算出该段河岸曲线内的平行流速
Figure BDA0003464130420000023
Figure BDA0003464130420000024
其中，n1为该平流包内的矢量速度个数，vi表示第i个矢量速度的标量值，θi表示第i个矢量速度方向与对应的河岸曲线方向的夹角；
在通过下述公式计算出冲刷指数Ed：
Figure BDA0003464130420000025
其中，D为该段河岸曲线之间的宽度，Si为第i个矢量速度的检测点与河岸曲线的最小距离，λ为归化系数，值为2.9m/s2；
进一步的，所述水流数据处理单元获取冲流包对应的重点监测点衔接的两段河岸曲线的平行流速，其上游段河岸曲线的平行流速记作
Figure BDA0003464130420000026
其下游段河岸曲线的平行流速记作
Figure BDA0003464130420000027
并计算冲流包内的每一个矢量速度的上游相关性Rup和下游相关性Rud，分别得到集合{Rupi}和{Rudi}：
Figure BDA0003464130420000031
Figure BDA0003464130420000032
其中，vi表示冲流包中的第i个矢量速度的标量值，αi表示冲流包中第i个矢量速度方向与
Figure BDA0003464130420000033
方向之间的夹角，βi表示冲流包中第i个矢量速度方向与
Figure BDA00034641304200000313
方向之间的夹角；
进一步的，所述水流数据处理单元通过下式计算冲流包内所有矢量速度的混乱指数Ca：
Figure BDA0003464130420000034
其中，n2为该冲流包内的矢量速度的个数，
Figure BDA0003464130420000035
为所有矢量速度的上游相关性的平均值，
Figure BDA0003464130420000036
为所有矢量速度的下游相关性的平均值，
Figure BDA0003464130420000037
为所有矢量速度的上游相关性与下游相关性乘积的平均值；
进一步的，所述水流数据处理单元通过下式计算出该冲流包对应的重点监测点的冲击指数Ep：
Figure BDA0003464130420000038
其中，
Figure BDA0003464130420000039
为平行流速
Figure BDA00034641304200000310
的矢量，
Figure BDA00034641304200000311
为平行流速
Figure BDA00034641304200000312
的矢量。
本发明所取得的有益效果是：
本系统先通过图像处理方式将整个河岸分成若干段，每段河岸可看成是一段笔直的河段，衔接笔直河段的连接部分称为重点监测点，并将采集到的河流数据依据所属的位置分为不同的集合，对于重点监测点的河流数据和普通笔直河段的河流数据采用不同的计算方式进行处理，从而获得更加可靠的稳定性结果。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明整体结构框架示意图；
图2为本发明单因子处理模块框架示意图；
图3为本发明河岸曲线基点获取示意图；
图4为本发明河岸曲线分割基点示意图；
图5为本发明河岸曲线分段示意图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
实施例一。
本实施例提供了一种河岸岸坡的稳定性分析系统，结合图1，包括输入模块、数据分类模块、单因子处理模块和综合分析模块，所述输入模块用于接收外部设备检测的各类数据，所述数据分类模块根据接收数据的格式发送至不同的单因子处理模块，所述单因子处理模块对不同的检测数据进行预处理，并将预处理后的结果发送至所述综合分析模块，所述综合处理模块根据所有单因子处理模块的预处理结果分析得到岸坡的稳定性结果；
所述单因子处理模块包括岸坡曲线处理单元和水流数据处理单元，所述岸坡曲线处理单元用于将整个河岸曲线分成普通的河岸曲线段和重点监测区域，所述水流数据处理单元将监测的水流数据分成平流包和冲流包，所述平流包中的水流数据对应普通的河岸曲线段，所述冲流包中的水流数据对应重点监测区域；
所述水流数据处理单元根据平流包中的水流数据处理得到冲刷指数Ed，根据冲流包中的水流数据处理得到冲击指数Ep；
所述综合分析模块从所述水流数据处理单元获取各河岸曲线段的冲刷指数Ed和重点监测点的冲击指数Ep，所述综合分析模块还直接从所述数据分类模块处获取河流中的含沙量P以及岸坡的预设抗击值Nd和Np，其中，Nd为普通岸坡的预设抗击值，Np为重点监测岸坡的预设抗击值，并分别计算普通岸坡的稳定性W1和重点监测岸坡的稳定性W2：
Figure BDA0003464130420000041
Figure BDA0003464130420000051
当W1或W2为负值时，说明对应的岸坡需进行加固；
所述水流数据处理单元根据平流包的水流数据计算出该段河岸曲线内的平行流速
Figure BDA0003464130420000052
Figure BDA0003464130420000053
其中，n1为该平流包内的矢量速度个数，vi表示第i个矢量速度的标量值，θi表示第i个矢量速度方向与对应的河岸曲线方向的夹角；
在通过下述公式计算出冲刷指数Ed：
Figure BDA0003464130420000054
其中，D为该段河岸曲线之间的宽度，Si为第i个矢量速度的检测点与河岸曲线的最小距离，λ为归化系数，值为2.9m/s2，该取值是经过实验验证获得的最佳值；
所述水流数据处理单元获取冲流包对应的重点监测点衔接的两段河岸曲线的平行流速，其上游段河岸曲线的平行流速记作
Figure BDA0003464130420000055
其下游段河岸曲线的平行流速记作
Figure BDA0003464130420000056
并计算冲流包内的每一个矢量速度的上游相关性Rup和下游相关性Rud，分别得到集合{Rupi}和{Rudi}：
Figure BDA0003464130420000057
Figure BDA0003464130420000058
其中，vi表示冲流包中的第i个矢量速度的标量值，αi表示冲流包中第i个矢量速度方向与
Figure BDA0003464130420000059
方向之间的夹角，βi表示冲流包中第i个矢量速度方向与
Figure BDA00034641304200000510
方向之间的夹角；
所述水流数据处理单元通过下式计算冲流包内所有矢量速度的混乱指数Ca：
Figure BDA00034641304200000511
其中，n2为该冲流包内的矢量速度的个数，
Figure BDA0003464130420000061
为所有矢量速度的上游相关性的平均值，
Figure BDA0003464130420000062
为所有矢量速度的下游相关性的平均值，
Figure BDA0003464130420000063
为所有矢量速度的上游相关性与下游相关性乘积的平均值；
所述水流数据处理单元通过下式计算出该冲流包对应的重点监测点的冲击指数Ep：
Figure BDA0003464130420000064
其中，
Figure BDA0003464130420000065
为平行流速
Figure BDA0003464130420000066
的矢量，
Figure BDA0003464130420000067
为平行流速
Figure BDA0003464130420000068
的矢量。
实施例二。
本实施例包含了实施例一的全部内容，提供了一种河岸岸坡的稳定性分析系统，包括输入模块、数据分类模块、单因子处理模块、综合分析模块，所述输入模块用于接收外部设备检测的各类数据，所述数据分类模块根据接收数据的格式发送至不同的单因子处理模块，所述单因子处理模块对不同的检测数据进行预处理，并将预处理后的结果发送至所述综合分析模块，所述综合处理模块根据所有单因子处理模块的预处理结果分析得到岸坡的稳定性结果；
结合图2，所述单因子处理模块包括岸坡曲线处理单元和水流数据处理单元；
所述岸坡曲线处理单元接收的是河流的空中俯视图像，所述岸坡曲线处理单元采用边缘检测方法获取图像中的两条河岸曲线，并根据河岸曲线的直线特性将所述河岸曲线分成多段，每段河岸曲线能够看成一条笔直的河流段，相邻的两段河岸曲线的内凹连接点作为稳定性分析的重点监测点；
所述水流数据处理单元接收的是河流中各个点的水流速度以及检测点位置，该水流速度为矢量，包含方向因素，所述水流数据处理单元先根据检测点位置进行分类，将属于同一段河岸曲线内的水流速度分为一类，每段河岸曲线内的水流速度集合构成一个平流包，将位于重点监测点附近检测的水流速度分为一类，每个重点监测点区域的水流速度集合构成一个冲流包，所述水流数据处理单元以不同的方式对平流包和冲流包进行处理，需要注意的是，若一个水流速度被划分进一个冲流包内，则其不再划分进其所属河岸曲线的平流包内；
结合图3、图4和图5，所述岸坡曲线处理单元将河岸曲线分段的过程包括如下步骤：
S1、将两条河岸曲线放在一个坐标系中，其中一条曲线为L1，另一条曲线为L2；
S2、取L1上的一个端点作为第一基点，以所述第一基点为圆心作半径为r的圆，该圆与曲线L1的交点为第二基点，再以所述第二基点为圆心作半径为r的圆，该圆与曲线L1的另一个交点为第三基点，依次类推，在所述曲线L1上获得n个基点，第i基点的坐标用(xi，yi)表示；
S3、计算相邻两个基点之间的向量
Figure BDA0003464130420000076
Figure BDA0003464130420000071
S4、取指针j＝1，k＝2；
S5、计算向量
Figure BDA0003464130420000072
与
Figure BDA0003464130420000073
之间的夹角θ(j，k)：
Figure BDA0003464130420000074
S6、当k＝n-1时，进入步骤S7，但k<n-1时，若θ(j，k)小于阈值，令k＝k+1，重复步骤S5，若θ(j，k)大于阈值，将k计入分割数集合中，令j＝k，k＝j+1，重复步骤S5；
S7、根据所述分割数集合中的值得到对应的分割基点，例如，当分割数集合中有2时，第二基点为分割基点；
S8、根据曲线L1上的分割基点在曲线L2配对对应的分割点，所述曲线L2上离某一分割基点距离最近的点为对应的分割点；
S9、将每一对分割基点与分割点连线，将河岸曲线分割成若干段；
所述水流数据处理单元对平流包的处理过程包括如下步骤：
S21、计算平流包中的每一个矢量速度与对应河岸曲线方向的夹角，得到集合{θi}；
S22、计算平流包中的每一个矢量速度与最近的一条河岸曲线之间的距离，得到集合{Si}；
S23、计算出该段河岸曲线内的平行流速
Figure BDA0003464130420000075
Figure BDA0003464130420000081
其中，n1为该平流包内的矢量速度个数，vi表示第i个矢量速度的标量值；
S24、计算出该段河岸曲线内的冲刷指数Ed：
Figure BDA0003464130420000082
其中，D为该段河岸曲线之间的宽度；
所述水流数据处理单元对冲流包的处理包括如下步骤：
S31、获取该冲流包对应的重点监测点衔接的两段河岸曲线的平行流速，其上游段河岸曲线的平行流速记作
Figure BDA0003464130420000083
其下游段河岸曲线的平行流速记作
Figure BDA0003464130420000084
S32、计算冲流包内的每一个矢量速度的上游相关性Rup和下游相关性Rud，分别得到集合{Rupi}和{Rudi}：
Figure BDA0003464130420000085
Figure BDA0003464130420000086
其中，vi表示冲流包中的第i个矢量速度的标量值，αi表示冲流包中第i个矢量速度方向与
Figure BDA0003464130420000087
方向之间的夹角，βi表示冲流包中第i个矢量速度方向与
Figure BDA0003464130420000088
方向之间的夹角；
S33、计算冲流包内所有矢量速度的混乱指数Ca：
Figure BDA0003464130420000089
其中，n2为该冲流包内的矢量速度的个数，
Figure BDA00034641304200000810
为所有矢量速度的上游相关性的平均值，
Figure BDA00034641304200000811
为所有矢量速度的下游相关性的平均值，
Figure BDA00034641304200000812
为所有矢量速度的上游相关性与下游相关性乘积的平均值；
S34、计算出该冲流包对应的重点监测点的冲击指数Ep：
Figure BDA00034641304200000813
其中，
Figure BDA00034641304200000814
为平行流速
Figure BDA00034641304200000815
的矢量，
Figure BDA00034641304200000816
为平行流速
Figure BDA00034641304200000817
的矢量；
所述综合分析模块从所述水流数据处理单元获取各河岸曲线段的冲刷指数Ed和重点监测点的冲击指数Ep，所述综合分析模块还直接从所述数据分类模块处获取河流中的含沙量P以及岸坡的预设抗击值Nd和Np，其中，Nd为普通岸坡的预设抗击值，Np为重点监测岸坡的预设抗击值，并分别计算普通岸坡的稳定性W1和重点监测岸坡的稳定性W2：
Figure BDA0003464130420000091
Figure BDA0003464130420000092
当W1和W2为负值时，说明对应的岸坡需进行加固。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的保护范围内，此外，随着技术发展其中的元素可以更新的。

Claims (5)

1.一种河岸岸坡的稳定性分析系统，其特征在于，包括输入模块、数据分类模块、单因子处理模块和综合分析模块，所述输入模块用于接收外部设备检测的各类数据，所述数据分类模块根据接收数据的格式发送至不同的单因子处理模块，所述单因子处理模块对不同的检测数据进行预处理，并将预处理后的结果发送至所述综合分析模块，所述综合分析模块根据所有单因子处理模块的预处理结果分析得到岸坡的稳定性结果；
所述单因子处理模块包括岸坡曲线处理单元和水流数据处理单元，所述岸坡曲线处理单元用于将整个河岸曲线分成普通的河岸曲线段和重点监测区域，所述水流数据处理单元将监测的水流数据分成平流包和冲流包，所述平流包中的水流数据对应普通的河岸曲线段，所述冲流包中的水流数据对应重点监测区域；
所述水流数据处理单元根据平流包中的水流数据处理得到冲刷指数Ed，根据冲流包中的水流数据处理得到冲击指数Ep；
所述综合分析模块从所述水流数据处理单元获取各河岸曲线段的冲刷指数Ed和重点监测点的冲击指数Ep，所述综合分析模块还直接从所述数据分类模块处获取河流中的含沙量P以及岸坡的预设抗击值Nd和Np，其中，Nd为普通岸坡的预设抗击值，Np为重点监测岸坡的预设抗击值，并分别计算普通岸坡的稳定性W1和重点监测岸坡的稳定性W2：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 924048DEST_PATH_IMAGE002
；
当W1或W2为负值时，说明对应的岸坡需进行加固。
2.如权利要求1所述的一种河岸岸坡的稳定性分析系统，其特征在于，所述水流数据处理单元根据平流包的水流数据计算出该段河岸曲线内的平行流速
Figure DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 687736DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，n1为该平流包内的矢量速度个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示平流包中第i个矢量速度的标量值，
Figure 101400DEST_PATH_IMAGE006
表示第i个矢量速度方向与对应的河岸曲线方向的夹角；
在通过下述公式计算出冲刷指数Ed：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，D为该段河岸曲线之间的宽度，
Figure 765468DEST_PATH_IMAGE008
为第i个矢量速度的检测点与河岸曲线的最小距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为归化系数，值为2.9m/s2。
3.如权利要求2所述的一种河岸岸坡的稳定性分析系统，其特征在于，所述水流数据处理单元获取冲流包对应的重点监测点衔接的两段河岸曲线的平行流速，其上游段河岸曲线的平行流速记作
Figure 380120DEST_PATH_IMAGE010
，其下游段河岸曲线的平行流速记作
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，并计算冲流包内的每一个矢量速度的上游相关性
Figure 614793DEST_PATH_IMAGE012
和下游相关性
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，分别得到集合{
Figure 349924DEST_PATH_IMAGE014
}和{
Figure DEST_PATH_IMAGE015
}：
Figure 619231DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
其中，
Figure 545730DEST_PATH_IMAGE018
表示冲流包中的第i个矢量速度的标量值，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示冲流包中第i个矢量速度方向与
Figure 267698DEST_PATH_IMAGE020
方向之间的夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示冲流包中第i个矢量速度方向与
Figure 662645DEST_PATH_IMAGE022
方向之间的夹角。
4.如权利要求3所述的一种河岸岸坡的稳定性分析系统，其特征在于，所述水流数据处理单元通过下式计算冲流包内所有矢量速度的混乱指数Ca：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
其中，n2为该冲流包内的矢量速度的个数，
Figure 537192DEST_PATH_IMAGE024
为所有矢量速度的上游相关性的平均值，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为所有矢量速度的下游相关性的平均值，
Figure 618280DEST_PATH_IMAGE026
为所有矢量速度的上游相关性与下游相关性乘积的平均值。
5.如权利要求4所述的一种河岸岸坡的稳定性分析系统，其特征在于，所述水流数据处理单元通过下式计算出该冲流包对应的重点监测点的冲击指数Ep：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；
其中，
Figure 79742DEST_PATH_IMAGE028
为平行流速
Figure DEST_PATH_IMAGE029
的矢量，
Figure 904478DEST_PATH_IMAGE030
为平行流速
Figure DEST_PATH_IMAGE031
的矢量。
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