CN115017585A - 一种拱坝变形行为表征可视化分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，包括三维场景信息平台、数据管理模块、有限元分析模块、场信息模块及场表征模型模块。所述的三维场景信息平台以高精度的拱坝工程场景模型为基础，为其他功能模块提供操作平台并直观展示其计算结果；所述的数据管理模块对拱坝变形数据进行自动化采集及有效信息提取；所述的场信息模块联合有限元分析模块构建拱坝变形监测场；所述的场表征模型模块基于变形监测信息对坝体的整体变形特性进行表征。本发明的可视化分析系统，能够实现拱坝变形测点信息查询、数据有效信息提取、变形监测场构建及整体变形行为表征等功能，并依托真实工程场景对各种成果进行直观展示，为高效分析拱坝变形行为提供基础。

Description

一种拱坝变形行为表征可视化分析系统

技术领域：

本发明涉及混凝土拱坝结构健康监测领域，尤其涉及一种拱坝变形行为表征可视化分析系统。

技术背景：

拱坝的变形性态是结构健康监测工作关注的重点，通常在坝体内部均埋设有一定数量的监测仪器对坝体变形进行长期测量。通过对坝体的变形数据进行分析，从而获取坝体的变形特性，对保障工程长效安全运行具有重要意义。随着自动化监测技术的发展及拱坝工程安全问题愈加受到重视，对大量监测数据的处理、分析与管理提出了更高的要求；同时，随着计算机技术的进步，采用可视化系统的模式对工程及相关信息进行分析、管理与展示已成为工程界的发展趋势。

三维场景模型是可视化分析系统的核心，目前工程仿真领域，大多仅对结构物本身建立精确的仿真模型，而忽视了实际工程场景的衬托，画面环境单一，仿真效果不佳。为提高场景模型的真实性，专利(CN113593051A)公开了一种大坝工程实景可视化建模的方法，通过将工程现场环境的纹理贴图映射到3D地形图表面，生成工程的场景模型，进而将实景模型与结构的仿真模型进行融合，能够生动地展示仿真模型的真实运行环境。该方法的展示效果受现场环境纹理贴图及3D地形图精度的影响，通常难以对实际的工程场景进行很好的还原；同时所建立的三维场景模型仅反映纹理图拍摄时的环境，不具备实时性。在建立三维场景模型的基础上，可视化分析系统还需涵盖监测数据的处理、分析、管理和结果展示等功能。现有的一些大坝变形监测信息可视化分析系统，如专利(CN113625645A)和专利(CN110866974A)，将各变形测点视为空间上的孤立对象，仅对单个测点的监测数据进行分析和展示。此类可视化系统忽视了坝体各测点变形之间的空间相关性，因此分析结果无法充分反映坝体变形的整体性特征，并且未能充分发挥可视化系统三维信息展示的优势。

针对目前已有的工程结构可视化分析系统对真实工程场景的还原度不足，并且缺乏从场信息的角度对拱坝变形行为进行全面地分析和展示，提出了一种拱坝变形行为表征可视化分析系统。采用次时代建模技术建立近坝范围内高精度的三维场景模型，并依据工程现场的真实天气和运行情况进行模型的实时渲染；基于各离散测点的变形数据，运用场分析方法获取坝体变形的场信息，对坝体整体变形特性进行全面展示。

发明内容：

本发明的主要目的在于解决现有技术的不足，提供一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，建立高精度的三维场景模型作为各种坝体信息展示及系统操作的平台，并基于拱坝变形的监测数据，通过测点有效信息提取、场信息构建、场表征模型分析等步骤，对拱坝的整体变形特性进行有效表征。

本发明采用的技术方案是：

一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，包括三维场景信息平台、数据管理模块、有限元分析模块、场信息模块及场表征模型模块。

所述的三维场景信息平台是可视化分析系统的核心，用于展示真实的工程场景及其他各种相关信息，支持三维场景模型任意的拖动、缩放及漫游，并为各种系统功能的实现提供操作平台。

所述的三维场景信息平台采用次时代建模技术建立工程场景模型，提高了模型显示精度，同时降低了系统运行的资源消耗。

所述的三维场景信息平台可涵盖各种工程结构物、山体及各种环境细节特征，并能实时连接现场天气及运行工况信息，通过实时渲染极大地增强场景模型的真实感。

所述的数据管理模块，具备监测数据的自动化采集和有效信息提取两个主要功能，并包括原始数据库和有效数据库两个数据库；通过数据接口对监测仪器的测量数据进行自动化采集并存储于原始数据库；从原始数据中提取出有效信息后存储于有效数据库。

所述的有效信息提取，包括首先对测点数据的缺失率进行分析，然后进行数据连续点和主趋势线识别，再依次进行局部连续性数据识别、异常值剔除以及缺失值插补。

所述的场信息模块，主要负责坝体变形监测场的构建，以全面反映坝体的整体变形特性。

所述的场信息模块，通过调用有限元分析模块求解坝体变形监测场，对场信息的复杂度有效性进行检验后，计算结果存储于场信息数据库。

所述的有限元分析模块包括常规有限元分析和蒙特卡洛随机有限元分析两部分，分别求解坝体变形的基础变形曲面和空间差异变量，两者叠加后得到坝体变形实测场。

所述的场表征模型模块，主要负责拱坝变形行为的可视化表征，从而直观、快速地表征拱坝的变形行为。

所述的场表征模型模块，针对坝体结构的变形特点，自动构建三种场表征模型，并对模型有效性及模型结构风险进行检验，从而判别更优的场表征模型。

本专利的有益效果在于：

(1)本系统采用次时代建模技术建立三维场景模型，对计算机运行资源的占用低，可实现三维场景的实时渲染，同时场景平台涵盖各种工程结构物及环境细节，并可实时反映现场天气及工程运行情况，工程场景平台具有良好的真实感；

(2)本系统基于离散测点的变形数据，通过有效信息提取提高数据的分析精度，结合常规和随机有限元分析方法获得坝体变形的实测场信息，并建立不同层次的场表征模型，实现了对拱坝坝体整体变形特性直观和全面的表征。

附图说明：

图1是本发明的系统模块架构图；

图2是本发明的三维场景模型建模流程图；

图3是本发明的工程实时运行三维场景效果灰度图；

图4是本发明的数据管理模块工作流程图；

图5是本发明的测点数据有效信息提取流程图；

图6是本发明的测点数据有效信息展示效果灰度图；

图7是本发明的场信息模块工作流程图；

图8是本发明的有限元模块工作流程图；

图9是本发明的坝体实测变形场展示效果灰度图，

图10是本发明的场表征模型模块工作流程图。

具体实施方式：

以下结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式，本发明专利的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

本系统基于Windows平台、OpenGL绘图引擎和数据库技术，利用C++及Python程序设计语言编写而成。

本系统的模块架构如图1所示，包括三维场景信息平台、数据管理模块、有限元分析模块、场信息模块及场表征模型模块。可视化分析系统以三维场景信息平台为核心，并可实现场景模型任意的拖动、缩放及漫游，三维场景信息平台与自动化数据管理模块、场信息模块及场表征模型模块可进行信息交互，可直接通过三维场景信息平台展示测点有效信息、变形场构建结果，由此实现对拱坝测点信息的查询、有效信息的提取、变形监测场的构建及变形行为的表征及成果展示，为快速、直观地分析拱坝变形行为提供技术基础。

三维场景信息平台能直观展示由拱坝坝体、坝基、库盘及周围山体环境等组成的工程场景。此外，该平台作为数字沙盘能够容纳测点位置信息、测点监测信息、场信息、模型信息等，方便用户直接在三维场景信息平台中查询工程运行情况。

如图2所示，对于三维场景信息平台中高精度场景模型的建立包括如下步骤：

(1)收集整理工程资料与图纸，运用常规建模软件如Hypermesh建立坝体结构及近坝范围山体低精度的基本模型；

(2)在基本模型的基础上，运用ZBrush建模软件对坝体及近坝山体的各部位细节特征进行刻画，建立坝体结构及近坝范围山体的高精度模型，进而烘焙出高精度模型的三种平面贴图，包括纹理贴图、法线贴图及AO(环境光遮蔽)贴图；

(3)对基本模型进行UV展开，建立平面贴图与三维模型上各点位置的对应关系，将基本模型和平面贴图导入OpenGL，根据基本模型的UV坐标将三种平面贴图映射到基本模型上，渲染出次时代模型；

(4)运用渲染技术，对环境、光照、材质及渲染参数进行设置，将二维模型投影成数字图像，构建初步的三维场景信息平台。

如图3所示，以某拱坝工程为例，建立分析系统的三维场景信息平台可涵盖工程的各种细节部分包括：拱坝、上下游水体、开挖支护、近坝库岸、进水口、垫座贴脚、廊道、地下洞室、厂房、公路、近坝山体、闸门、植被、流域山体及水体等。该系统还可连接实时天气以及闸门开启情况等信息，进而根据当前工程所处的时刻、天气、季节、运行工况及环境，实时刷新并展示工程在不同时刻、不同天气、不同季节下实际的三维工程场景，使得模型具备良好的真实感。

在此基础上，加入相关控制窗口以构建完整的三维场景信息平台，包括：数据管理、原始数据库、有效数据库、场信息、场表征模型等。

如图4为数据管理模块的工作流程，该模块主要负责数据的自动化采集以及有效信息提取。数据管理模块包括原始数据库与有效数据库两个数据库，其中原始数据库用于储存系统自动化采集的数据，有效数据库用于储存从原始数据库提取出的有效数据。

数据管理模块采用SQL Server数据库建立原始数据库与有效数据库，能方便用户实时采集并处理测点最新数据。设置数据采集的起止日期、数据采集频率及数据采集时间，可自动将监测数据导入原始数据库。在原始数据库中，用户可查看测点状态并选择测点进行数据处理。

如图5，数据管理模块中，对测点有效信息的提取包括如下流程：

(1)对测点数据的缺失率及缺失数据离散程度进行判断，当测点数据满足相应的前提条件时，方可进行有效信息提取；

(2)设置高斯模糊半径与二值化阈值，对数据连续点进行识别；调整长度贡献与突跳惩罚参数对数据主趋势线进行识别；

(3)在此基础上，依次进行局部连续性数据识别、异常值剔除以及缺失值插补，将提取出的有效信息存储在有效数据库。

数据管理模块具备三维场景信息平台、场信息模块及场表征模型模块的接口，可将储存在有效数据库中的信息直接提供给其它模块，用于变形监测场的构建和拱坝变形行为表征，测点的有效信息还能够根据测点位置显示在三维场景信息平台上，如图6。

如图7为场信息模块的工作流程，场信息模块主要负责变形监测场的构建，通过有限元分析模块求解变形监测场，并将其存储于场信息数据库，然后通过数据接口展示在三维场景信息平台中。

有限元分析模块采用开源程序语言Python对求解器部分进行编写，其完全开放的源代码便于有限元分析模块的开发、维护和学习，该模块的工作流程如图8。

如图7和图8，场信息模块对变形监测场的构建包括如下流程：

(1)场信息模块通过控制器，将生成的有限元计算输入文件导入有限元分析模块，完成求解后将计算结果保存在结果数据库中；

(2)依据有效数据库中的坝体变形结果和常规有限元的计算结果，对拱坝材料力学参数进行反演，随后开展有限元正演分析，构建拱坝变形场的基础变形曲面；

(3)对所考察的参数变异区域进行随机有限元参数设置，运用蒙特卡洛随机有限元方法求解坝体变形的多组样本，确定坝体变形的空间差异变量，以变形场的信息压缩率平均值和标准差作为评判标准，判断场信息复杂度是否满足要求，在此基础上，引入交叉检验法，检验变形监测场的有效性；

(4)将基础变形曲面与空间差异变量叠加，得到变形监测场，可通过三维场景信息平台将其直观地展示在坝体模型上，如图9所示。

场表征模型模块主要负责拱坝变形行为的可视化表征，该模块针对坝体结构的变形特点，自动选择并构建场表征模型，相应的模型精度、模型检验结果及优选结果可直接显示在三维场景信息平台中，从而直观、快速地表征拱坝的变形行为。

如图10，场表征模型的构建及分析包括以下步骤：

(1)用户对有效数据库的数据可自主选择所要建立的场表征模型类型，并利用有限元数值分析方法插补缺失数据；

(2)对于反映时空连续性的拱坝变形行为的场表征模型，可根据函数计算结果确定模型表达式，并对各测点变形行为进行表征；

(3)对于体现局部连续性的拱坝变形行为的场表征模型，在确定聚类方法后，可依据聚类准则对测点进行分类，并对所选类别的测点建立场表征模型；

(4)对于反映全局连续性的拱坝变形行为的场表征模型，通过设置参数进行有限元计算，结合有限元数值分析结果和变形监测资料建立各测点的场表征模型；

(5)对三种模型的有效性及模型结构风险进行检验，包括：因子多重共线性、模型显著性、模型残差以及系数渐进正态分布等，据此可以选择模型结构风险更小、泛化能力更强的场表征模型。

Claims (10)

1.一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，包括三维场景信息平台、数据管理模块、有限元分析模块、场信息模块及场表征模型模块，所述的三维场景信息平台是可视化分析系统的核心，用于展示真实的工程场景及其他各种相关信息，支持三维场景模型任意的拖动、缩放及漫游，并为各种系统功能的实现提供操作平台。

2.根据权利要求1所述的一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，所述的三维场景信息平台采用次时代建模技术建立工程场景模型，提高了模型显示精度，同时降低了系统运行的资源消耗。

3.根据权利要求1所述的一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，所述的三维场景信息平台可涵盖各种工程结构物、山体及各种环境细节特征，并能实时连接现场天气及运行工况信息，通过实时渲染极大地增强场景模型的真实感。

4.根据权利要求1所述的一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，所述的数据管理模块，具备监测数据的自动化采集和有效信息提取两个主要功能，并包括原始数据库和有效数据库两个数据库；通过数据接口对监测仪器的测量数据进行自动化采集并存储于原始数据库；从原始数据中提取出有效信息后存储于有效数据库。

5.根据权利要求4所述的一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，所述的有效信息提取，包括首先对测点数据的缺失率进行分析，然后进行数据连续点和主趋势线识别，再依次进行局部连续性数据识别、异常值剔除以及缺失值插补。

6.根据权利要求1所述的一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，所述的场信息模块，主要负责坝体变形监测场的构建，以全面反映坝体的整体变形特性。

7.根据权利要求1所述的一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，所述的场信息模块，通过调用有限元分析模块求解坝体变形监测场，对场信息的复杂度有效性进行检验后，计算结果存储于场信息数据库。

8.根据权利要求7所述的一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，所述的有限元分析模块包括常规有限元分析和蒙特卡洛随机有限元分析两部分，分别求解坝体变形的基础变形曲面和空间差异变量，两者叠加后得到坝体变形实测场。

9.根据权利要求1所述的一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，所述的场表征模型模块，主要负责拱坝变形行为的可视化表征，从而直观、快速地表征拱坝的变形行为。

10.根据权利要求1所述的一种拱坝变形行为表征可视化分析系统，其特征在于，所述的场表征模型模块，针对坝体结构的变形特点，自动构建三种层次的场表征模型，并对模型有效性及模型结构风险进行检验，从而判别更优的场表征模型。

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