CN114541400B - 提高大坝温湿度调控效率的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提高大坝温湿度调控效率的系统，包括包括多温度介质补偿源、可换向多联循环管网和控制机构；控制机构根据各个混凝土分区的温湿度调控的的介质温度需求，进行大坝湿度、温度、应力、应变分布的仿真分析，确定最优的介质补偿源的介质温度；决策机根据实时采集的温度、湿度、应力数据，推理分析得到控制决策结论，控制多温度介质补偿源、可换向多联循环管网和湿度节点调控单元运行。本发明实现了快速向大坝各混凝土分区快速提供温湿度调控所需的温度介质，对不同部位混凝土分区的主动、引导式、双向温度调控和不同部位混凝土分区内部的湿度调控，实现了对超大体积混凝土结构体的温湿度网格化、个性化、精准化、自动化控制。

Description

提高大坝温湿度调控效率的系统和方法

技术领域

本发明属于混凝土温湿度控制领域，具体涉及一种提高大坝温湿度调控效率的系统和方法。

背景技术

目前，由于混凝土材料卓越的性能，其在水利水电工程大坝建设中得到了广泛应用。并且在今后很长一段时间内，它仍然是水利工程结构中最重要的材料之一。但是随着混凝土及混凝土结构使用量的逐年增加，许多大坝的混凝土结构都发生了开裂，严重影响了其耐久性和服役寿命，增加了维护成本。特别是位于我国西北地区的工程，气候条件更加复杂，冬季寒冷干燥，昼夜温差大等环境特性，使得混凝土大坝的“无坝不裂”问题更加突显。

混凝土结构开裂主要是由应力和约束条件引起的。其中应力是主动因素，约束是被动因素。工程实践表明，引起大体积混凝土结构开裂的大多是由非荷载应力，即结构内温度及湿度变化引起的混凝土体积膨胀或收缩，约束条件下导致结构内拉应力达到一定的应力水平所致。

领域专家和技术人员进一步研究发现，大坝混凝土结构温度变化主要受内部水化热以及外界环境温度的影响。由于在浇筑初期水泥水化反应会产生大量的水化热使得坝体温度迅速上升，而在混凝土温度下降期间，由于混凝土的不良导热特性，使得坝体内外形成较大的温度梯度产生拉应力，而此时的混凝土抗拉强度较低，使得温度应力超过抗拉极限而产生裂缝。坝体温度的改变除了受其内部水化热影响外，还受外界环境温度及湿度的影响，在运行期的坝体温度主要受环境气温以及水库水温的影响。当外界气温急剧变化时，坝体内部的温度的延缓性而导致坝体内外形成较大的温度梯度，以至于产生温度裂缝。

大体积混凝土内部湿度分布受多种因素的影响，例如温度、龄期以及内部水分的迁移，根据相对湿度的定义，温度越高，相对湿度越低，测定混凝土内部的湿度必须要考虑温度的影响。混凝土水化反应过程中需要消耗水，随着水分的消耗，混凝土内部湿度逐渐降低。除了温度和龄期的影响外，混凝土内部湿度的分布及演化规律还受到水分迁移的影响，而内部水分迁移主要受浓度梯度、压力梯度、温度梯度等驱动。混凝土内部相对湿度不均匀性会引发混凝土结构体积收缩，进而引发收缩变形产生干缩裂缝。

因此需要寻求方法对大坝混凝土的温度和湿度进行有效控制。此外，混凝土大坝体积庞大、结构复杂，其建设时间往往需要几年甚至十几年时间才能全部完成，而且不论是在建设期还是运行期都需要对大坝混凝土进行温度和湿度调控，这使其温湿度调控需求随着时空分布不同还存在较大的差异性。主要体现在以下几个方面。

(1)对浇筑初期的混凝土需要对其进行降温：大坝混凝土浇筑初期，水泥在一段时间内持续发生水化作用产生大量的水化热，使得坝体温度迅速上升。如果不及时控制其温升，当水化作用结束后进入降温阶段时会因内外温差过大而产生较大的拉应力，进而产生开裂。

(2)对低温季节的混凝土需要对其进行升温：寒冷地区的水利工程大坝，低温季节环境温度可达零下40℃，且日气温波幅较大，这时大坝混凝土温度也会随之发生变化，从而使内外形成较大的温度梯度和温度应力，需要采取措施对其进行升温调控。

(3)对同一坝段内部和表层的混凝土需要进行差异化的升温或者降温：对于寒冷地区低温季节浇筑的混凝土，其内部会因水化热产生较高的温度，而表面受环境低温影响反而会降低到零度以下，这时既要控制内外温差在较小的范围，又要保证表层混凝土在合适的温度范围内进行养护以达到设计强度，就需要差异化的措施，在对大坝表层混凝土进行升温的同时对内部混凝土进行降温。

(4)对分仓分坝段浇筑的大坝混凝土不同仓(坝)段需要进行个性化的温度调控：水利工程大坝体积庞大，混凝土多采用分仓分坝段浇筑，由于浇筑时间的不同，左右相邻坝段混凝土的水化和凝固进程也不相同，造成它们的温度也不一样，这就需要对这些相邻坝段采取个性化的温度调控措施。

(5)对混凝土的湿度需要进行控制：大坝混凝土的相对湿度会受龄期、温度、水分迁移和环境湿度的影响而发生变化，当相对湿度不均匀分布时会引发混凝土结构体积收缩，进而引发收缩变形产生干缩裂缝。

(6)浇筑初期温湿度随强度和龄期增长而变化，需精准调控措施：行业专家开展的相关研究表明，浇筑初期混凝土中水泥水化热反应剧烈，中心和表面温度都随着龄期的增长呈快速升高达到最高值而后逐渐降低趋于稳定，且这种变化是非线性的。混凝土边界处相对湿度随着龄期的增长而呈逐渐下降趋势，而中心位置相对湿度缓慢降低使内外形成湿度差，且随着龄期的增长而逐渐增大。对于养护28天以后的混凝土，变化幅度随着龄期的增长而逐渐缩小，并逐渐趋于稳定。

为了解决上述温湿度控制难题，满足水利工程混凝土大坝尤其是寒冷地区混凝土大坝的防裂要求，针对内外影响因素的不同，国内外水利工程领域工作者采用了多种方式来控制混凝土的温度梯度和湿度梯度。从实施策略看可以分为传统调控和主动调控两种，传统的调控方式主要从以下三个方面进行。

(1)施工期降温控制：为了减少其内部水化热产生的较大温度梯度，主要包括预冷骨料、限制拌合温度、控制入仓温度、铺设冷却水管等。通过控制混凝土的最大温升，从而降低施工期大坝混凝土内外的温度梯度，来减小温度应力。

(2)施工期湿度控制：为了控制混凝土在自然蒸发条件下不断失水引起的体积收缩，传统的保湿措施通常是在浇筑期洒水保湿，对于寒冷地区的混凝土大坝表面的保温材料也具有一定的保湿作用。

(3)抵御环境温度影响：目前主要通过对坝体采取被动保温措施以减少坝体与外界的热交换，从而减小寒潮或寒冷地区周期性的外界气温变化导致的混凝土开裂。常见的保温措施有铺设保温板、保温被和喷涂保温材料等，这些措施能够使坝体在气温日变幅不大的环境里一定程度的抵御极端气温变化，例如寒潮等。

为了突破传统的温控技术，一些专家和学者进行了相关研究，产生了比较新颖的科研成果，主要体现在以下几个方面。

(1)优化冷却通水技术：如授权公告号CN 101701495A的发明中公开的“大体积混凝土温度控制的个性化通水方法”，其主要是对传统冷却水管进行优化，通过改变流量和变换冷却水或河水的方式对大坝混凝土内部进行降温处理。

(2)进行升温调控：授权公告号CN106522229B的发明中公开了“可永久调控混凝土大坝温度的方法及装置”，打破了传统对混凝土大坝温度的调控方法，从框架上对混凝土大坝的温度控制可行性提供了一种设想，但暂时只在实验室阶段进行简单验证，没有付诸工程实践，同时缺乏智能调控的手段。

(3)智能温控概念：授权公告号CN 102852145A的发明中公开的“在建大坝混凝土智能温度控制方法及系统”，设想了一种在建大坝的温度控制方法。授权公告号ZL201810950393.0中公开了“智能温控大坝和温度调控方法”，比较全面系统的对混凝土大坝温度智能调控进行了阐述。

(4)主动温控具体实施方法：申请号CN112177000A的发明中公开了“一种调控混凝土大坝温度的系统及方法”，设想了一种可对大坝混凝土进行分区精准化调控的设备和方法。

现有的大坝温度控制技术在施工期采取一些温度控制措施，如当大坝混凝土内部温度过高时，采取给内部通冷却水和表面洒水的方式进行降温，消减内外温度差。但是到了运行期，通常情况下仅有大坝混凝土表面的一层保温层来进行被动的防护。通过进行有无保温层下的混凝土温度试验并对监测数据分析发现，混凝土外布置保温层在短期对外界环境温度的影响有一定保护作用，但是伴随受干扰时间增长，有保护和无保护的混凝土最终都会随着环境温度的变化而变化，缺乏一种主动的温度调控方法来对大坝运行期的混凝土进行有效长期保护。

经过实验室验证、工程实践和长期的运行，虽然上述传统温控和主动调控措施相对在某些时段降低了混凝土的温度梯度，消减了温度应力，也减少了混凝土裂缝的产生，但由于控制措施功能单一且自身存在的缺陷，使得无法全面满足大坝混凝土全周期防裂需求，大坝混凝土的裂缝和破坏仍无法避免。其主要问题如下：

(1)缺乏能够实时提供多种温度介质的设备：混凝土大坝体积庞大，受时空分布影响，不同部位或相同部位内外的调控需求可能不同，传统的温控方法为通水冷却，所通的水即为河水，河水温度变化幅度有限，其最高温度值一般也不会超过环境温度最高值，不能满足大坝混凝土的温控需求。这就需要一种设备既能够提供高温介质用以对高温混凝土进行引导式降温，又能够提供较低温度的介质满足其它部位混凝土的温控需求。

(2)未考虑对大坝表层混凝土和内部混凝土的差异化调控：现有温控技术只考虑了对大坝混凝土内部降温或者对外部升温调控。而对于寒冷地区的水利工程大坝而言，低温季节浇筑的混凝土同时面临两方面调控需求，即内部因为剧烈的水化作用温升较高需要进行降温；同时外部受低温环境影响温降较大需要进行升温调控，需要一种设备和调控方法来同时满足这两方面的需求。

(3)对于大坝混凝土浇筑期温度调控时段控制不够精准：大坝混凝土内部温度的急剧攀升主要集中在浇筑初期，现有技术对其进行温度调控也是以浇筑初期为重点。但是就混凝土浇筑初期而言，其内部水化热和温升状态也是不同的，并非简单的线性增长关系，笼统将浇筑初期混凝土温控标准和措施固定化是不够精准的。在浇筑初期不同时段，随着材料中水泥水化热反应的持续进行，混凝土强度也在不断增长，不同时段温控需求也有所不同，需要研究加以区分，并采取针对性的措施来进行温湿度调控。

(4)缺乏对混凝土内相对湿度进行长期有效的调控方法：目前的调控技术和理论对混凝土因湿度分布不均引起的开裂重视不够，也缺乏相应的精准化长期有效的调控措施，目前仅有在施工期通过对仓面喷雾和洒水养护，以及在表面覆盖保湿隔热材料的方法。

综合以上传统技术的不足，本发明结合大坝混凝土的温度控制、湿度控制需求，特别是以寒冷地区的水利工程混凝土大坝为研究对象，开展了多项理论研究和试验测试，对温度补偿设备、调控管道、控制方法进行深入研究，得到一种个性化的调控大坝混凝土温湿度的系统及方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种提高大坝温湿度调控效率的系统和方法，考虑大坝生命周期中不同时间阶段变化的温湿度调控需求，以解决大坝温度调控的现有技术和设备无法同时提供多种温度介质的难题，能实现输送至大坝温度调控管路的介质温度在高低温之间任意变化；又能够对大体积混凝土结构体表面和内部同时进行差异化的调控；还可以对湿度分布进行长期有效控制。实现对大体积混凝土结构体的个性化、精准化、自动化控制；通过差异化布置的调控管路对混凝土内部、表面同时进行调控。

本发明的技术方案是提高大坝温湿度调控效率的系统，包括多温度介质补偿源、可换向多联循环管网和控制机构。控制机构采用决策机，还包括与决策机连接的工控机，工控机与多温度介质补偿源的补偿源控制器通讯连接，网格传感器组与决策机的输入端连接；决策机根据网格传感器组实时采集的温度、湿度、应力数据，推理分析得到控制决策结论并输出到工控机，工控机根据控制决策结论分别控制多温度介质补偿源和可换向多联循环管网运行。

多温度介质补偿源包括低温介质箱、高温介质箱、适温介质箱、制冷机、第一换热器、第二换热器、外置介质加热器和补偿源控制器，低温介质箱经第一降温循环管路与第一换热器的低温介质管路连接，第一换热器的制冷剂管路与制冷机连接。第一换热器的低温介质管路的输出端经电磁阀与适温介质箱中的第二换热器的输入端连接，第二换热器的输出端与低温介质箱连接。适温介质箱与外置介质加热器的适温介质加热管路连接；适温介质箱经介质传输管路与高温介质箱连接。高温介质箱与外置介质加热器的高温介质加热管路连接；高温介质箱的外侧设有风冷散热器，高温介质箱与风冷散热器的介质散热管路连接。

可换向多联循环管网包括多个布设在分区混凝土体中的温度调控管路，温度调控管路的输入端分别经第一两位两通电磁阀、第二两位两通电磁阀与多温度介质补偿源的介质输出口、介质回收口连接，温度调控管路的输出端分别经第一两位两通电磁阀、第二两位两通电磁阀与多温度介质补偿源的介质回收口、介质输出口连接；可根据温度调控需要，控制第二两位两通电磁阀导通，第一两位两通电磁阀关断，温度调控管路中调控介质从输出端向输入端流动，即实现温度调控管路的输入端、输出端的互换。

进一步地，网格传感器组包括与控制机构电连接的布设在混凝土网格内以及网格节点处的湿度传感器、温度传感器和应力传感器。

进一步地，所述多温度介质补偿源还包括与适温介质箱连接的外置水冷降温管路，外置水冷降温管路布置在河水中或者开放式水池中。

优选地，所述外置介质加热器采用太阳能工程机。

优选地，所述提高大坝温湿度调控效率的系统还包括多个混凝土强度监测装置，所述混凝土强度监测装置包括成对布置在混凝土体中的信号发射器、信号接收器，信号接收器接收信号发射器的信号，根据接收信号的强弱变化来监测随混凝土龄期增长的混凝土强度变化。

控制机构根据各个混凝土分区的温度、湿度调控的的介质温度需求，进行大坝湿度、温度、应力、应变分布的仿真分析，确定最优的介质补偿源的介质温度，包括低温介质箱的介质温度、适温介质箱的介质温度和高温介质箱的介质温度。

各个混凝土分区的可换向多联循环管网的输入端分别经比例阀与多温度介质补偿源的低温介质箱、适温介质箱、高温介质箱的输出端连接，控制机构根据多温度介质补偿源连接的各个混凝土分区的温度调控需求和多温度介质补偿源的低温介质、适温介质、高温介质的不同供应能力，分别确定输入各个可换向多联循环管网的高温介质、适温介质、低温介质的流量比例。

所述控制机构包括决策机、知识库、数据库，知识库中存储用于推理、决策的规则，规则包括规则前件即前提条件和规则后件即结论；决策机与数据处理器连接，决策机根据实时采集的各个网格的传感器数据的数值区间，结合知识库的规则进行正向推理，找到与传感器数据最匹配的规则前件，将对应的规则后件作为决策结果并输出到用于大坝温湿度调控的工控机，工控机与多温度介质补偿源的控制器通讯连接。

所述控制机构利用仿真系统进行大坝湿度、温度、应力、应变分布的仿真分析，从仿真结果中提取用于推理、决策的规则；仿真系统基于模型库中的混凝土湿度场、温度场、应力场的数学模型和实时采集的混凝土网格的湿度、温度、应力数据，利用蒙特卡洛方法对混凝土分区相关的不确定性变量进行模拟计算，得到不同控制策略下的混凝土分区混凝土湿度、温度的控制效果数据，从混凝土分区温湿度控制的效果数据以及对应的混凝土的状态变量、环境变量和控制变量数据中，提取出关联规则，并将规则存入知识库。

所述控制机构利用仿真系统进行多温度介质补偿源运行控制的仿真分析，针对大坝生命周期不同时间阶段不同部位的混凝土分区的差异化的介质温度需求，将多温度介质补偿源的低温、适温和高温介质3种温度介质分别以不同的混合比例混合得到温湿度调控介质，将得到的温度介质输入至混凝土分区的可换向多联循环管网，对混凝土分区进行温湿度调控，并对混凝土分区的温湿度调控效果进行仿真，根据凝土分区温湿度控制的效果数据，提取各种混凝土分区温湿度调控情形下多温度介质补偿源利用3种温度介质快速得到混凝土分区温湿度调控所需温度介质的规则，以便于大坝温湿度调控时，控制机构根据提取的规则以及混凝土分区的温湿度调控的实际情形，确定得到低温、适温和高温介质3种温度介质的最佳混合比例。

对大坝温湿度调控进行整体仿真计算，综合大坝不同部位的混凝土分区的温湿度调控数据，得到大坝整体的温湿度调控效果和调控效率，根据仿真分析得到的效果数据，提取大坝整体的温湿度调控需求下多温度介质补偿源的低温介质箱、适温介质箱和高温介质箱的容量控制以及相应的介质温度控制的规则，以便于大坝温湿度调控时，控制机构根据提取的规则和大坝整体的温湿度调控需求，确定得到最优的介质补偿源的介质温度和介质容量。

所述提高大坝温湿度调控效率的系统还包括布设在混凝土网格节点上的湿度节点调控单元，湿度节点调控单元包括气化器、电控阀、湿度扩散瓦、透气膜、保护网和节点控制器，湿度节点调控单元经节点介质供应管路与多温度介质补偿源的介质输出端连接。

所述湿度节点调控单元包括8片沿球面均匀分布的湿度扩散瓦，8片湿度扩散瓦的扩散面的中垂线分别指向与湿度节点调控单元相邻的8个混凝土网格的中心点。

所述节点介质供应管路采用多分支的树状结构，节点介质供应管路的根部与多温度介质补偿源的介质输出端连接；节点介质供应管路的支路末端连接湿度节点调控单元。

上述提高大坝温湿度调控效率的系统的的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用有限元计算大坝的湿度分布场、温度分布场、应力分布场；

步骤2：根据温度分布场的温度梯度以及混凝土分区的混凝土强度，确定各个混凝土分区的调控目标温度；

步骤3：根据各个混凝土分区的调控目标温度，确定用于混凝土分区温度调控的可换向多联循环管网的介质温度；

步骤4：控制多温度介质补偿源运行；

步骤5：控制多温度介质补偿源向各混凝土分区的可换向多联循环管网输出需求温度的介质，进行多混凝土分区的可换向多联循环管网中介质的快速高效循环；

步骤6：对各个混凝土分区的可换向多联循环管网的介质进行二次温度调节，并控制介质流量，对混凝土分区进行温度调控；

步骤7：实施各混凝土分区的混凝土网格的湿度调控；

步骤8：实时计算混凝土体的温度分布场、湿度分布场以及应力分布场，将采集的数据输入决策机，根据决策机的决策结果，对混凝土分区温度控制和混凝土网格的湿度控制进行实时调整，减小混凝土体的温度梯度和湿度梯度，减小混凝土体的湿度梯度和温度梯度，控制湿度应变增量、温度应变增量以及湿度、温度引起的应力增量，防止混凝土体出现裂纹。

相比现有技术，本发明的有益效果包括：

(1)本发明根据大坝各个混凝土分区温湿度调控的差异化的介质温度需求，计算得到最优的介质补偿源的介质温度，包括低温介质箱的介质温度、适温介质箱的介质温度和高温介质箱的介质温度，通过调节低温、适温和高温介质3种温度介质的混合比例，以最佳混合比例快速得到各个混凝土分区温湿度调控所需温度的介质，提高了大坝各个混凝土分区温湿度调控的效率，温度补偿源以最优效率运行，使温度补偿源的介质携带的热量根据大坝温湿度调控需求合理地转移、重新分布，减少了热能损失，不仅提高了大坝温湿度调控效率，而且使大坝温湿度调控过程更节能环保。

(2)本发明将混凝土结构体不同部位混凝土分区划分为混凝土网格，其中设置网格传感器组，在网格节点上设置湿度节点调控单元，不同混凝土分区分别布设可换向多联循环管网，通过多湿度介质补偿源提供不同温度的温度调控介质和湿度调控介质，实现了对不同部位混凝土分区的主动、引导式、双向温度调控和不同部位混凝土分区内部的湿度调控，可满足不同部位的混凝土分区的温度调控、湿度调控的差异性需求，实现了对超大体积混凝土结构体的温湿度个性化、网格化、精准化、智能化控制。

(3)本发明的多温度介质补偿源，打破了现有技术中压缩机无法直接对高温介质进行降温的局限，可提供5℃-80℃内任意温度的调控介质。超过50℃的高温调控介质需要降温时，压缩机可长时间正常工作，根据调控需求快速降低对外输出的调控介质的温度，实现外输出介质的高低温随时快速可调。

(4)本发明改变了现有技术缺乏长期有效手段对混凝土湿度进行控制的现状，通过湿度节点调控单元可实现对混凝土不同部位湿度的调控，湿度节点调控单元外部的多个湿度扩散瓦的扩散面分别朝向相邻的混凝土网格的中心，实现了沿混凝土网格体积单元8个角点向网格中心点方向的湿度扩散，可对混凝土结构体各个区域进行全方位的湿度调控，满足不同龄期的混凝土的主动湿度调控需求下湿度扩散的强度和时效性，消除混凝土湿度梯度，减小混凝土湿度应力增量，可有效预防混凝土出现裂纹。

(5)本发明利用所述强度监测装置对各个分区的混凝土强度进行监测，计算不同强度、不同温度条件、不同湿度条件下混凝土的温湿度调控需求，根据调控需求对不同强度下混凝土的温度调控、湿度调控调控方案进行智能决策，以混凝土自身调控需求进行精准调控。

(6)本发明的控制机构采用决策机和知识库、模型库、数据库，采用仿真系统利用模型库的数学模型模拟计算各种不确定情形下不同控制策略的混凝土结构体湿度场、温度场、应力场和应变场的控制效果数据并从中挖掘出关联规则存入知识库，利用决策机结合实时采集的网格湿度、温度、应力、应变数据，进行正向推理，得到控制策略，输出到工控机、湿度节点调控单元，实现了混凝土结构体的智能调控，控制机构具备学习、自优化功能。

(7)本发明改变了传统湿度调控技术只能从混凝土表面进行湿度调控，通过本发明的湿度调控管路和湿度节点调控单元，实现了对混凝土内部进行湿度调控。

(8)本发明对混凝土结构体进行温湿度联合控制，通过提前埋设在混凝土结构体内的各类传感器组实时采集数据，计算混凝土大坝温度场、湿度场、应力分布场，确定温度调控、湿度调控的调控方案，再将温度调控、湿度调控调控效果传输至智能决策机进行效果评价，减小混凝土体的湿度梯度和温度梯度，减小湿度应变增量、温度应变增量以及湿度、温度引起的应力，可有效防止混凝土体出现裂纹。

(9)本发明温度补偿源使用了太阳能工程机对调控介质进行辅助加热，提高了温控效率，节能环保。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例的多温度介质补偿源的结构示意图。

图2为本发明实施例的可换向多联循环管网的结构示意图。

图3为本发明实施例布设在坝体中的湿度节点调控单元、节点介质供应管路的示意图。

图4a为本发明实施例的湿度节点调控单元的结构示意图。

图4b为本发明实施例的湿度节点调控单元的剖面图。

图5a为本发明实施例的混凝土强度监测装置的示意图。

图5b为本发明实施例的混凝土强度监测装置的信号接收器的结构示意图。

图6为本发明实施例的控制机构的示意图。

图7为本发明实施例分别沿水平、竖直方向布设的的温度调控管路的示意图。

图8a为本发明实施例的混凝土温度控制效果与温度调控管路埋设深度的关系曲线图。

图8b为本发明实施例的混凝土温度控制效果与温度调控管路间隔距离的关系曲线图。

图9为本发明实施例的简化为低温、高温介质箱的多温度介质补偿源的示意图。

具体实施方式

实施例中，本发明的系统布设在水利枢纽工程拦河坝坝体中，用于混凝土分区网格化温湿度控制。实施例的大坝处于西部高海拔地区，属大陆性北温带及寒温带气候。气候干燥，春秋季短，冬夏季长。夏季较凉爽，冬季多严寒，气温年较差悬殊。工程所在地地理纬度高，太阳辐射量小。水利枢纽工程拦河坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高240m，坝址多年平均气温为2.8℃；极端最高气温36.6℃；极端最低气温-45℃；多年平均降水量为203.8mm；实测最大日降水量为41.2mm，多年平均蒸发量为1447.5mm；多年平均水面蒸发量为883mm；多年平均风速2.4m/s；最大风速35.1m/s。

如图1所示，提高大坝温湿度调控效率的系统，包括多温度介质补偿源1、可换向多联循环管网2、网格传感器组3、混凝土强度监测装置4、湿度节点调控单元6、节点介质供应管路7和控制机构5。根据实施例大坝分仓位浇筑的时间特征以及坝体的结构特征，将坝体划分为混凝土网格。在大坝各仓位分区布置混凝土强度监测装置4。在网格节点上布设湿度节点调控单元6，湿度节点调控单元6与节点介质供应管路7连接。节点介质供应管路7采用树状结构，节点介质供应管路7的输入端与多温度介质补偿源1连接。实施例中，调控介质为水。

如图6所示，控制机构包括决策机、知识库、数据库，还包括与决策机连接的工控机，工控机与多温度介质补偿源的补偿源控制器通讯连接，网格传感器组3与决策机的输入端连接；决策机根据网格传感器组实时采集的温度、湿度、应力数据，推理分析得到控制决策结论并输出到工控机，工控机根据控制决策结论分别控制多温度介质补偿源和可换向多联循环管网运行。

控制机构的知识库中存储用于推理、决策的规则，规则包括规则前件即前提条件和规则后件即结论；决策机与数据处理器连接，决策机根据实时采集的各个网格的传感器数据的数值区间，结合知识库的规则进行正向推理，找到与传感器数据最匹配的规则前件，将对应的规则后件作为决策结果并输出到湿度调控工控机。

控制机构利用仿真系统进行大坝湿度、温度、应力、应变分布的仿真分析，从仿真结果中提取用于推理、决策的规则；仿真系统基于模型库中的混凝土湿度场、温度场、应力场的数学模型和实时采集的混凝土网格的湿度、温度、应力数据，利用蒙特卡洛方法对混凝土分区相关的不确定性变量进行模拟计算，得到不同控制策略下的混凝土分区混凝土湿度、温度的控制效果数据，从混凝土分区温湿度控制的效果数据以及对应的混凝土的状态变量、环境变量和控制变量数据中，提取出关联规则，并将规则存入知识库。

如图1所示，多温度介质补偿源1包括低温介质箱101、高温介质箱102、适温介质箱103、制冷机104、第一换热器105、第二换热器106、外置介质加热器107、外置水冷降温管路110和补偿源控制器，低温介质箱101经第一降温循环管路108与第一换热器105的低温介质管路连接，第一换热器105的制冷剂管路与制冷机104连接；第一换热器105的低温介质管路的输出端经电磁阀112与适温介质箱中的第二换热器106的输入端连接，第二换热器106的输出端与低温介质箱101连接；适温介质箱103与外置介质加热器107的适温介质加热管路连接；适温介质箱103经介质传输管路109与高温介质箱102连接；高温介质箱102与外置介质加热器107的高温介质加热管路连接；高温介质箱102的外侧设有风冷散热器108，高温介质箱102与风冷散热器110的介质散热管路连接。实施例中，外置水冷降温管路111布置在河水中。实施例中，外置介质加热器107采用太阳能工程机。低温介质箱101通过电磁阀112与适温介质箱103内部第二换热器106相连接，管道上布置有水泵113，当适温介质箱103需要进行降温调控时打开水泵113、打开低温介质箱101与第二换热器106相连管道上的其中一个电磁阀112，将低温介质箱101内低温调控介质泵入适温介质箱103内部第二换热器106，对适温介质箱103内调控介质进行热交换降温；当两个介质箱温差较大时，低温介质箱101与第二换热器106相连管道上的两个电磁阀112同时开启，增大流量加快降温速率。外置介质加热器107与适温介质箱103通过电磁阀112、水泵113相连接。高温介质箱102内布置有内置加热器114，高温介质箱102需要进行升温调控时通过内部的内置加热器114与外置介质加热器107共同进行升温调控。低温介质箱101、高温介质箱102、适温介质箱103内均安装有温度传感器，对介质箱内调控介质温度持续进行监测。

图1所示的多温度介质补偿源的工作原理如下：

1)设置低温介质箱101的调控介质温度；

首先通过补偿源控制器设置低温介质箱101的设定温度值T^内 _SV，利用温度传感器检测得到低温介质箱内的实际温度T^内 _PV，当T^内 _PV＞T^内 _SV时，制冷机104开始工作，低温制冷介质进入第一换热器105内，打开低温介质箱与第一换热器105管道上的电磁阀112，打开水泵113，低温介质箱101的调控介质经第一换热器105进行降温调控，降低低温介质箱内调控介质温度，使之达到设定值T^内 _SV，并保持在稳定状态。

2)对大坝混凝土温控需求进行判断；

根据大坝混凝土主动温度调控理论，需要实施对大坝混凝土进行引导式的降温或者升温调控，所以调控介质的温度是随着混凝土的温度变化而变化。根据大坝混凝土温度调控需要，给温度补偿设备下达指令生产温度为T^外 _SV的外输出介质，对T^外 _SV的温度值进行比较判断，如位于50～80℃范围需对外生产输出高温介质；如位于5～49℃范围需对外生产输出低温介质。

3)控制高温介质箱的调控介质温度；

3-1)对高温介质箱的调控介质升温；

升温控制时，开启高温介质箱102内的内置加热器114，对其进行升温；同时利用温度传感器检测高温介质箱102内的介质温度，开启外置介质加热器107、打开高温介质箱102与外置介质加热器107的连接管路上的电磁阀112、水泵113对高温介质箱102内调控介质进行辅助升温，当调控介质温度即将接近调控需求温度时，关闭外置介质加热器107，仅使用内置加热器114对调控介质进行升温，利用补偿源控制器对内置加热器114进行控制，持续监测高温介质箱内介质温度，降低内置加热器114的输出功率，低功率运行将调控介质加热至需求温度并持续监测温度变化，当温度降低时开启内置加热器对其进行升温并维持温度。

3-2)对高温介质箱的调控介质降温；

需要利用50～80℃介质进行引导式降温时，启动风冷散热器110对高温介质箱的调控介质进行降温；并开启外置水冷降温管路111，利用外置低温水管使高温介质箱的介质与环境低温水进行热交换降温，当温度满足需求时停止。

4)控制适温介质箱的调控介质温度；

4-1)适温调控介质升温

需要利用5～49℃介质进行引导式升温时，开启升温控制。首先开启适温介质箱103与外置介质加热器107连接管道上的电磁阀112、水泵113，利用外置介质加热器107对适温介质箱内调控介质进行加热，利用适温介质箱103内温度传感器对调控介质进行温度监测，达到设定温度后停止升温。

4-2)适温调控介质降温

需要利用5～49℃介质进行引导式降温时，开启降温控制。低温介质箱101与第二换热器106连接管道上的水泵开启，打开第二换热器输入端与第一换热器低温介质管路输出端的连接管路上的电磁阀112，将经过第一换热器降温的低温介质箱101的调控介质通过第二换热器106与高温介质箱102内调控介质进行热交换进行降温，当适温介质箱103内调控介质达到设定温度时停止降温。

5)输出调控介质

根据调控介质温度需求，选择相应介质箱，并打开介质箱介质输出口的电磁阀。当需要50℃～80℃的高温介质输出时，高温介质箱102介质输出口的的两个电磁阀开启，适温介质箱103介质输出口的的两个电磁阀关闭；反之，当需要5℃～49℃的适温介质时，适温介质箱103介质输出口的的两个电磁阀开启，高温介质箱介质输出口的的两个电磁阀关闭。然后，通过与之相连的可换向多联循环管网输送至大坝混凝土分区，利用温度调控管路对混凝土温度进行控制。

如图2所示，可换向多联循环管网2包括多个布设在分区混凝土体中的温度调控管路201，温度调控管路201的输入端分别经第一两位两通电磁阀202、第二两位两通电磁阀203与多温度介质补偿源1的介质输出口、介质回收口连接，温度调控管路201的输出端分别经第一两位两通电磁阀202、第二两位两通电磁阀203与多温度介质补偿源1的介质回收口、介质输出口连接；可根据温度调控需要，控制第二两位两通电磁阀203导通，第一两位两通电磁阀202关断，温度调控管路201中调控介质从输出端向输入端流动，即实现温度调控管路201的输入端、输出端的互换。

第一两位两通电磁阀202、第二两位两通电磁阀203的管路中均设有单向阀204，单向阀204使调控介质在管道中单向流动，防止调控介质在管道内回流损坏电磁阀。

可换向多联循环管网2的温度调控管路201上设有外置管道加热器205，外置管道加热器205对温度调控管路201中的调控介质进行二次升温，以适应混凝土分区的个性化温度调控需求。

多温度介质补偿源输出的调控介质在可换向多联循环管网的温度调控管路201中流动，对调控区域大坝混凝土进行温度调控，第一两位两通电磁阀202导通，第二两位两通电磁阀203关断，调控介质流经第一两位两通电磁阀202，可换向多联循环管道201调控介质正向流动；当第一两位两通电磁阀202关断，第二两位两通电磁阀203导通时，调控介质流经第二两位两通电磁阀203，调控介质在可换向多联循环管道201中反向流动，实现温度调控管路201的输入端、输出端的互换。

网格传感器组3包括与控制机构电连接的布设在混凝土网格内以及网格节点处的湿度传感器301、温度传感器和应力传感器。

如图5a、5b所示，混凝土强度监测装置4包括成对布置在混凝土体中的信号发射器401、信号接收器402，信号接收器402接收信号发射器的信号，根据接收信号的强弱变化来监测随混凝土龄期增长的混凝土强度变化。信号接收器402包括压电陶瓷片4022、环氧树脂保护膜4023和不锈钢壳体4021。信号发射器401与信号接收器402的结构相同。

如图4a、4b所示，湿度节点调控单元6包括括气化器602、电控阀603、湿度扩散瓦601、透气膜604、保护网605和节点控制器，湿度节点调控单元6经节点介质供应管路7与多温度介质补偿源1的介质输出端连接。湿度扩散瓦601分别经电控阀与气化器的输出口连接。气化器602布置在湿度节点调控单元6内部中心，它与节点介质供应管路7连接，接收来自多温度介质补偿源1的调控介质。气化器602经8根导管分别与8片湿度扩散瓦601连接，每根导管上设有电控阀603。湿度节点调控单元的8片湿度扩散瓦沿球面均匀分布，每片湿度扩散瓦601的扩散面朝向湿度扩散瓦所在的混凝土网格的中心。湿度扩散瓦601的外侧采用双层结构，内层为透气不透水材料膜状结构604，便于让调控介质气体穿透、扩散至周围混凝土中；外层为坚固材料形成的网状结构605，用于保护湿度节点调控单元外侧，防止混凝土浇筑过程中对其产生破坏。开启湿度节点调控单元6的湿度扩散瓦601的电控阀时，调控介质穿透湿度扩散瓦的扩散面，向混凝土内定向扩散。

实施例中，湿度节点调控单元包括8片沿球面均匀分布的湿度扩散瓦，湿度扩散瓦的扩散面的中垂线朝向湿度扩散瓦所有的网格的中心。

如图3所示，节点介质供应管路7采用多分支的树状结构，节点介质供应管路7的根部与多温度介质补偿源1的介质输出端连接；节点介质供应管路7的支路末端连接湿度节点调控单元6。

如图7所示，温度调控管路在混凝土网格中根据温度调控需求分别沿水平、竖直方向布设。温度调控管路埋设深度、温度调控管路间距对混凝土网格的混凝土温度控制效果的影响如图8a、8b所示。实施例中，根据混凝土温度控制效果与温度调控管路埋设深度、温度调控管路间隔距离的关系曲线确定可换向多联循环管网的温度调控管路201的埋设深度和管路间隔距离。

上述提高大坝温湿度调控效率的系统的调控方法，包括以下步骤：

步骤1：利用混凝土强度监测装置实时采集大坝各仓位分区的混凝土强度数据，利用湿度传感器、温度传感器、应力传感器实时采集仓位分区各个混凝土网格的混凝土湿度、温度、应力数据；利用数据处理器对输入的信号分别进行一致性判断，过滤信号中的噪声、异常数据，并根据信号数值大小确定其对应的数值区间，根据各仓位分区混凝土强度监测装置实时采集各仓位分区混凝土强度数值；

仓位分区的混凝土处于不同龄期时具有不同的强度，混凝土强度检测装置检测到的信号能量值均不相同，混凝土强度检测装置的信号发射器产生的信号穿透混凝土体并由信号接收器接收，混凝土强度不同时，接收的信号的损耗程度不相同，计算信号接收器的检测信号的能量比值R₁表示当前时刻信号接收器接收信号的能量与发射信号能量的比值，E_a表示混凝土强度检测装置的信号接收器的实时检测信号的能量值，E表示信号发射器的发射信号的能量值，R₁的倒数即/>反应混凝土强度大小。

实施例中，以大坝混凝土相同的混凝土配合比制作试验混凝土体，并在其中布置混凝土强度监测装置，采集计算试验混凝土体处于不同龄期时混凝土强度监测装置的信号接收器接收信号的能量与发射信号能量的比值并拟合出能量比值与混凝土强度的曲线方程。数据处理器根据实时采集计算的各仓位分区混凝土的强度监测装置实时采集数据，结合能量比值计算得到各仓位分区混凝土实施强度数值。

步骤2：结合传感器实时采集得到的湿度、温度和应力数据，利用有限元计算大坝的湿度分布场、温度分布场、应力分布场；

步骤3：根据温度分布场的温度梯度以及混凝土分区的混凝土强度，确定各个混凝土分区的调控目标温度；

步骤4：根据各个混凝土分区的调控目标温度，确定用于混凝土分区温度调控的可换向多联循环管网的介质温度；

步骤5：根据各个混凝土分区的可换向多联循环管网的介质温度需求，计算最优的介质补偿源的介质温度，作为多温度介质补偿源的适温介质箱的调控目标温度，并分别确定低温介质箱、高温介质箱的介质温度，控制多温度介质补偿源运行；

步骤6：各个混凝土分区的可换向多联循环管网的输入端分别经比例阀与多温度介质补偿源的低温介质箱、适温介质箱、高温介质箱的输出端连接，决策机根据多温度介质补偿源连接的各个混凝土分区的温度调控需求和多温度介质补偿源的低温介质、适温介质、高温介质的不同供应能力，分别确定输入各个可换向多联循环管网的高温介质、适温介质、低温介质的流量比例，控制多温度介质补偿源向各混凝土分区的可换向多联循环管网输出需求温度的介质，实现多混凝土分区的可换向多联循环管网中介质的快速高效循环；

步骤7：对各个混凝土分区的可换向多联循环管网的介质进行二次温度调节，并控制介质流量，对混凝土分区进行温度调控；

步骤8：计算混凝土网格的温度应力和湿度应力，依据混凝土网格内混凝土强度确定网格内混凝土抗裂的应力允许最大值，计及温湿耦合效应并结合混凝土龄期，确定各混凝土网格的湿度调控目标；

步骤9：控制湿度节点调控单元，向湿度调控的混凝土网格进行定向湿度扩散，实施混凝土网格的湿度调控；

步骤10：实时计算混凝土体的温度分布场、湿度分布场以及应力分布场，将采集的数据输入决策机，根据决策机的决策结果，对混凝土分区温度控制和混凝土网格的湿度控制进行实时调整，减小混凝土体的温度梯度和湿度梯度。

采用K-means算法对混凝土网格的湿度、温度、应力数据，对应的混凝土的状态变量、环境变量、控制变量以及大坝湿度调控的效果数据分别进行聚类划分。实施例的K-means算法参照期刊《计算机与数字工程》2019年第8期刊登的王健豪等人的论文“基于K-means算法的案件预测应用”公开的K-means算法。

利用FP-growth算法对聚类划分的大坝混凝土的效果数据以及对应的混凝土的状态变量、环境变量和控制变量数据集中提取关联规则，具体过程如下：

(1)对数据集进行第一次扫描，得到频繁项为1的项目集。定义最小支持度即项目出现最少次数，删除小于最小支持度的项目，然后将原始数据集中的条目按项目集中降序进行排列。

(2)第二次扫描数据集，创建项头表以及FP树。构建FP树时，首先扫描数据集对每个数据进行计数，设定最小支持度为2，按降序重新排列数据集，删除计数小于2的数据，根据数据出现的次数重新对数据清单进行调整并构建FP树，依次加入数据清单。

(3)得到FP树基础后，挖掘频繁项集。首先获得频繁项的前缀路径，然后将前缀路径作为新的数据集构建条件FP树；然后在新的FP树中获得频繁项并以此构建条件FP树，如此反复，直到条件FP树中只有一个频繁项为止。

(4)由频繁项集构建所有可能的规则，然后计算每个规则的置信度，满足大于最小置信度条件的规则为合理的关联规则。

实施例中，对温湿度应力分布进行定量计算，湿扩散方程如下：

其中M为湿含量；D_mx、D_my、D_mz分别为x、y、z方向上的湿扩散系数，Q_m为湿源。

热传导方程：

其中λ_x、λ_y、λ_z分别为x、y、z方向上的导热系数；T为温度；c_p为混凝土材料的比热；W为热源。

温湿耦合控制方程：

其中r为相变因子；h_lv为蒸发潜热；D_mk考虑Knudsen扩散影响的混凝土湿扩散系数，D_mk＝D_m·k_f；k_f为Knudsen扩散影响系数。表示的是由于相变而吸热、放热产生的热源；/>表示的是与温度梯度有关的湿源。

采用有限元方法分析计算得到大坝混凝土的真实温湿度应力分布。

以温度场的有限元分析为例，网格体积R_i(i＝1，2，......，n)中混凝土温度场的定解方程如下：

式中τ表示时间，为导温系数，θ_0i为第i个混凝土网格的最大绝热温升，T_i0为第i个混凝土网格的初始温度，T_iw为第i个混凝土网格的介质供应管路的介质温度，φ_i为介质供应管路降温函数，Ψ_i为等效负热源函数；

R_i的边界S_i包括三类边界：

_xi＝S_i1∪S_i2∪S_i3 (6)

第一类边界S_i1上温度为已知，边界条件为：

T＝T_b(t) (7)

其中T_b为给定温度，如已知的地温、水温；

第二类边界S_i2为绝热边界，边界条件可表示为：

第三类边界S_i3上，温度梯度与内外温差成比例，可表示为：

其中λ为导热系数，T_a为气温，β为表面放热系数；

根据变分原理，要求解满足(5)-(9)式的解与求解下述泛函的极值minI(T)等价：

将R_i网格区域用有限元离散，并取每个单元的温度模式为：

其中m为单元节点数，N_i为单元形函数，T_i为单元节点温度；

利用有限元求出R_i网格区域的温度场。同理，计算得到R_i网格区域的湿度场、应力场。

温度应力计算公式如下：

σ_c(τ)＝-α∑E(τ_i)K(t，τ_i)ΔT_i (12)

式中K(t，τ_i)为应力松弛系数，E(τ_i)为弹性模量，

湿度应力计算公式为：

式中为徐变系数。

混凝土分区浇筑时期，特别是浇筑时间不长的混凝土体强度低，易出现裂纹。实施例对浇筑初期大坝混凝土的应力情况进行分析，得到早龄期混凝土强度增长过程中不同时刻其总应变和总应力情况。

混凝土在时间t的总应变ε(t)可表示为

ε(t)＝ε^e(t)+ε^c(t)+ε^s(t)+ε^T(t)+ε^g(t) (14)

ε^e(t)应力引起的瞬时应变，在应力与强度之比不超过0.5时，它是线弹性的；ε^c(t)混凝土的徐变应变，与应力值、加荷龄期及荷载持续时间有关；ε^s(t)混凝土的干缩应变，它是混凝土中水分损失引起的变形；ε^T(t)温度变化所引起的应变；ε^g(t)混凝土的自身体积变形。

早龄期混凝土主要受到温度应力和湿度应力作用，且主动温度调控的目的是控制温湿度应力和应变，在这里可以对上述方程进行简化

ε(t)＝ε^s(t)+ε^T(t) (15)

相应的混凝土温湿度应力总和为

σ(t)＝σ(t)+σ^T(t) (16)

混凝土抗裂计算公式如下：

式中R_t为混凝土轴向抗拉强度，K₂为抗裂安全系数，将通过强度传感器监测得到的实际强度值代入计算，得到早龄期混凝土增长过程中的应力允许最大值σ_允许。

大坝混凝土浇筑过程中，基于网格传感器组的监测数据，计算得到混凝土网格中各部位的实际应力值σ(t)，并和安全应力值σ_允许进行比较，σ(t)增长并接近σ_允许时，控制机构向大坝施工管理人员发出预警，便于施工管理人员及时采取应对措施，强制性快速降低混凝土网格中的应力，防止混凝土网格中出现裂纹。

针对控制机构的仿真系统仿真分析的第i个时刻，在大坝混凝土分区区域Γ内，其子区域j内的温度增量、湿度增量为目标，建立目标函数：

f_TH-i＝w_TΔT_ij+w_HΔH_ij (18)

式中f_TH-i表示i时刻子区域j温度增量、湿度增量的加权和，ΔT_ij为i时刻子区域j的温度增量；

ΔH_ij为i时刻子区域j的湿度增量；w_T、w_H分别表示温度增量、湿度增量的权重因子，

w_T+w_H＝1

温度增量与湿度增量对区域j的共同作用为应变，采用式(19)消除温度、湿度增量之间量纲的影响，假定温度应变与湿度应变均为线性关系，则有：

求得温度增量与湿度增量的权重因子；

混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，温湿度增量共同引起的负应变较为不利，需搜索i时刻混凝土分区区域Γ内由温湿度增量共同造成的最大负应变情况下的目标函数作为效用函数：

F_i＝Min{f_TH-1，f_TH-2，f_TH-3…f_TH-n} (20)

式中n为混凝土分区区域Γ内子区域的数量；

根据仿真结果，求调温过程中所有时刻的效用函数值，取整个过程中效用函数的最小值为最不利情况，并以该值来评价调控效果：

F_e＝Min{F₀，F₁，F₂…F_m} (21)

即该调控策略的控制效果变量F_e越大，调控过程引起的负应变越小，控制效果越好。

如图9所示，实施例的多温度介质补偿源可简化为低温、高温介质箱的多温度介质补偿源。图9所示的简化的多温度介质补偿源包括低温介质箱101、高温介质箱102、制冷机104、第一换热器105、第二换热器106、第一降温循环管路108、外置介质加热器107、内置加热器114、辅助降温管道115和补偿源控制器；第一换热器105经制冷剂循环管道与制冷机104连接，低温介质箱101经第一降温循环管路108与第一换热器105的低温介质管路连接，第一换热器105的制冷剂管路与制冷机104连接；第一换热器105的低温介质管路的输出端经管路与高温介质箱中的第二换热器106的输入端连接。辅助降温管道115一端与第一换热器105的低温介质管路的输出端连接，辅助降温管道115另一端与第二换热器106的输入端连接，辅助降温管道115上设有电磁阀112。第二换热器106的输出端经管路连接低温介质箱101。第一降温循环管路108、辅助降温管道115上分别设有电磁阀112。第一降温循环管路108上设有水泵113。高温介质箱内设有内置加热器114，高温介质箱102输出端安装有水泵113，输入端与大坝调控区域调控管道回水口相连。外置介质加热器107通过管道与高温介质箱102相连接，管道上设有电磁阀112、水泵113。低温介质箱101、高温介质箱102均采用外表面覆盖保温层的封闭式结构。

图9所示的简化的多温度介质补偿源的工作原理如下：

1)设定低温介质箱101内调控介质温度；

通过补偿源控制器设置低温介质箱101的设定温度T^低 _SV，利用温度传感器检测得到低温介质箱内的实际温度T^低 _PV，当T^低 _PV＞T^低 _SV时，制冷机101启动，制冷介质经制冷剂循环管道进入第一换热器105内，打开第一降温循环管路108上的电磁阀112、水泵113，低温介质箱101内的调控介质经第一换热器105进行降温调控，低温介质箱101内调控介质温度下降到设定温度值T^低 _SV，并保持在稳定状态。

2)对大坝混凝土温控需求进行判断；

根据大坝混凝土主动温度调控理论，需要实施对大坝混凝土进行引导式的降温或者升温调控，所以调控介质的温度是随着混凝土的温度变化而变化。根据大坝混凝土温度调控需要和决策机决策结果，给温度补偿设备下达指令生产温度为T^外 _SV的外输出介质。

3)高温介质箱内生产T^外 _SV的外输出介质；

补偿源控制器对需求温度T^外 _SV与当前高温介质箱102内调控介质的实时温度T实进行比较，以确定对高温介质箱102进行升温调控或者降温调控；

当需要升温调控时，启动高温介质箱102中的内置加热器114，高温介质箱102内调控介质加热至温度值T^外 _SV时停止加热，可根据需要对高温介质箱102增加外置介质加热器107如太阳能加热器对高温介质箱进行辅助加热。

当需要降温调控时，打开内循环介质管道116上的电磁阀112，打开第二换热器输入端与第一换热器低温介质管路输出端的连接管路上的电磁阀112，将经过第一换热器降温的低温介质箱101的调控介质通过第二换热器106与高温介质箱102内调控介质进行热交换进行降温；当低温介质箱101内调控介质与高温介质箱102内调控介质温差较大时，打开辅助降温管路115的电磁阀112，增大调控介质流量加快降温速率，达到需求温度后停止。

图9所示的多温度介质补偿源的优点包括：

(1)可根据混凝土温湿度控制需求，生产5～80℃范围内任意温度的调控介质；

(2)本发明的介质补偿源，消除了现有设备和技术中压缩机不能对超过50℃的高温介质进行降温的缺点，实现了高、低温介质的实时输出；

(3)有效利用清洁能源太阳能进行辅助升温，显著提高设备工作效率的同时，又可以大大降低能耗，且对环境没有造成污染，经济性和适用性优异；

(4)介质补偿源的加热器功率线性可控，降温循环管路的介质流量和温度可调，加热和降温可同时运行，能够有效控制和稳定介质补偿源输出介质的温度，精度可以达到±0.1℃；

(5)低温介质箱和高温介质箱都采用封闭式结构，且表面都设置有保温材料，减少了介质的损失和外界环境对其带来的影响，具有较好的经济性。

Claims (6)

1.提高大坝温湿度调控效率的系统，其特征在于，包括多温度介质补偿源（1）、可换向多联循环管网（2）和控制机构；

多温度介质补偿源（1）包括低温介质箱（101）、高温介质箱（102）、适温介质箱（103）、制冷机（104）、第一换热器（105）、第二换热器（106）、外置介质加热器（107）和补偿源控制器，低温介质箱（101）经第一降温循环管路（108）与第一换热器（105）的低温介质管路连接，第一换热器（105）的制冷剂管路与制冷机（104）连接；

第一换热器（105）的低温介质管路的输出端经电磁阀与适温介质箱中的第二换热器（106）的输入端连接，第二换热器（106）的输出端与低温介质箱（101）连接；

适温介质箱（103）与外置介质加热器（107）的适温介质加热管路连接；适温介质箱（103）经介质传输管路（109）与高温介质箱（102）连接；

高温介质箱（102）与外置介质加热器（107）的高温介质加热管路连接；高温介质箱（102）的外侧设有风冷散热器（110），高温介质箱（102）与风冷散热器的介质散热管路连接；

可换向多联循环管网（2）包括多个布设在分区混凝土体中的温度调控管路（201），温度调控管路（201）的输入端分别经第一两位两通电磁阀（202）、第二两位两通电磁阀（203）与多温度介质补偿源（1）的介质输出口、介质回收口连接，温度调控管路（201）的输出端分别经第一两位两通电磁阀（202）、第二两位两通电磁阀（203）与多温度介质补偿源（1）的介质回收口、介质输出口连接；可根据温度调控需要，控制第二两位两通电磁阀（203）导通，第一两位两通电磁阀（202）关断，温度调控管路（201）中调控介质从输出端向输入端流动，即实现温度调控管路（201）的输入端、输出端的互换；

控制机构根据各个混凝土分区的温度、湿度调控的介质温度需求，进行大坝湿度、温度、应力、应变分布的仿真分析，确定最优的介质补偿源的介质温度和介质容量，包括低温介质箱的介质温度、适温介质箱的介质温度和高温介质箱的介质温度；

各个混凝土分区的可换向多联循环管网的输入端分别经比例阀与多温度介质补偿源的低温介质箱、适温介质箱、高温介质箱的输出端连接，控制机构根据多温度介质补偿源连接的各个混凝土分区的温度调控需求和多温度介质补偿源的低温介质、适温介质、高温介质的不同供应能力，分别确定输入各个可换向多联循环管网的高温介质、适温介质、低温介质的流量比例；

以大坝混凝土相同的混凝土配合比制作试验混凝土体，并在其中布置混凝土强度监测装置，采集计算试验混凝土体处于不同龄期时混凝土强度监测装置的信号接收器接收信号的能量与发射信号能量的比值并拟合出能量比值与混凝土强度的曲线方程，根据实时采集计算的各仓位分区混凝土的强度监测装置数据，结合能量比值计算得到各仓位分区混凝土实施强度数值；

所述系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：利用有限元计算大坝的湿度分布场、温度分布场、应力分布场；

步骤2：根据温度分布场的温度梯度以及混凝土分区的混凝土强度，确定各个混凝土分区的调控目标温度；

步骤3：根据各个混凝土分区的调控目标温度，确定用于混凝土分区温度调控的可换向多联循环管网的介质温度；

步骤4：控制多温度介质补偿源运行；

步骤5：控制多温度介质补偿源向各混凝土分区的可换向多联循环管网输出需求温度的介质，进行多混凝土分区的可换向多联循环管网中介质的快速高效循环；

步骤6：对各个混凝土分区的可换向多联循环管网的介质进行二次温度调节，并控制介质流量，对混凝土分区进行温度调控；

步骤7： 实施各混凝土分区的混凝土网格的湿度调控；

步骤8：实时计算混凝土体的温度分布场、湿度分布场以及应力分布场，计及温湿耦合效应并结合混凝土龄期，确定各混凝土网格的湿度调控目标，将采集的数据输入决策机，根据决策机的决策结果，对混凝土分区温度控制和混凝土网格的湿度控制进行实时调整，减小混凝土体的温度梯度和湿度梯度，控制湿度应变增量、温度应变增量以及湿度、温度引起的应力增量，防止混凝土体出现裂纹；

控制机构利用仿真系统进行大坝湿度、温度、应力、应变分布的仿真分析；

针对控制机构的仿真系统仿真分析的第i个时刻，在大坝混凝土分区区域内，其子区域j内的温度增量、湿度增量为目标，建立目标函数：

（18）

式中为i时刻子区域j的温度增量； />为i时刻子区域j的湿度增量；/>、/>温度增量、湿度增量的权重因子，

1

混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，温湿度增量共同引起的负应变较为不利，搜索i时刻混凝土分区区域内由温湿度增量共同造成的最大负应变情况下的目标函数作为效用函数：

（20）

式中为混凝土分区区域/>内子区域的数量；

根据仿真结果，求调温过程中所有时刻的效用函数值，取整个过程中效用函数的最小值为最不利情况，并以该值来评价调控效果：

（21）

变量越大，调控过程引起的负应变越小，控制效果越好。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制机构包括决策机、知识库、数据库，知识库中存储用于推理、决策的规则，规则包括规则前件即前提条件和规则后件即结论；决策机与数据处理器连接，决策机根据实时采集的各个网格的传感器数据的数值区间，结合知识库的规则进行正向推理，找到与传感器数据最匹配的规则前件，将对应的规则后件作为决策结果并输出到用于大坝温湿度调控的工控机，工控机与多温度介质补偿源的控制器通讯连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制机构利用仿真系统进行大坝湿度、温度、应力、应变分布的仿真分析，从仿真结果中提取用于推理、决策的规则；仿真系统基于模型库中的混凝土湿度场、温度场、应力场的数学模型和实时采集的混凝土网格的湿度、温度、应力数据，利用蒙特卡洛方法对混凝土分区相关的不确定性变量进行模拟计算，得到不同控制策略下的混凝土分区混凝土湿度、温度的控制效果数据，从混凝土分区温湿度控制的效果数据以及对应的混凝土的状态变量、环境变量和控制变量数据中，提取出关联规则，并将规则存入知识库。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括布设在混凝土网格节点上的湿度节点调控单元（6），湿度节点调控单元（6）包括气化器（602）、电控阀（603）、湿度扩散瓦（601）、透气膜（604）、保护网（605）和节点控制器，湿度节点调控单元（6）经节点介质供应管路（7）与多温度介质补偿源（1）的介质输出端连接。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述湿度节点调控单元（6）包括8片沿球面均匀分布的湿度扩散瓦（601），8片湿度扩散瓦的扩散面的中垂线分别指向与湿度节点调控单元相邻的8个混凝土网格的中心点。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述节点介质供应管路（7）采用多分支的树状结构，节点介质供应管路（7）的根部与多温度介质补偿源（1）的介质输出端连接；节点介质供应管路（7）的支路末端连接湿度节点调控单元（6）。