CN115828390A - 一种面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，包括以下步骤，S1:数据感知与处理,通过监测设备采集数据、通过与外部系统共享数据库获得数据并获取工程基础资料；S2:数据预测,将数据感知获得的数据进行数据整编，得到有效的工程数据；对监测部位未来变化趋势进行预测，得到预测数据，对获得的有效数据及预测数据进行分析，得到分析报告；S3：判断是否进行工程预警；S4:工程预警发布后，系统中的可视化模型对预警工程部位未来可能发生的异常状态进行仿真模拟，对仿真模拟结果进行风险评价；S5:进行风险处理，执行工程安全预案；本发明实现了工程安全监测的精准化、超前化、数字化、科学化。

Description

一种面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法

技术领域

本发明涉及数字孪生水利水电工程安全监测建设领域，具体涉及一种面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法。

背景技术

现阶段，信息化技术与传统的水利工程理论充分融合等问题仍亟待解决；数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程；数字孪生技术作为智慧水利发展的重要手段，可为解决上述问题提供更加切实可行的方案。

数字孪生在与水利水电业务融合的过程中，监测系统以自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会信息为主要内容，对水利工程物理对象进行全要素数字化映射，实现物理对象与数字对象之间的动态、实时信息交互和深度融合，保持两者的同步性和孪生性。

水利水电工程安全管理是实现新阶段水利高质量发展，推动水利向形态更高级、基础更牢固、保障更有利、功能更优化阶段演进的重要保障，是智慧水利发展过程中的重要环节；然而，目前针对数字孪生水利水电工程安全监测的相关研究较少，数字孪生水利水电工程安全监测技术的具体应用落地，现有技术中鲜有明确给出具体解决方案。

发明内容

本发明的目的是为了满足数字孪生水利水电工程安全监测需求，顺应智慧水利发展趋势，提供一种切合工程实际应用需求，面向水利水电工程安全监测的实现数据预测、工程预警、工程预演、工程预案四项功能的方法。

为实现以上目的，本发明技术方案为：

一种面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1:数据感知与处理,通过监测设备采集数据、通过与外部系统共享数据库获得数据并获取工程基础资料，将获取的数据存储于系统服务器；

S2:数据预测,将数据感知获得的数据进行数据整编，得到有效的工程数据；在得到的有效数据的基础上，利用系统模型库中的工程安全分析模型和在线结构计算模型结合当前工程运行工况即结合有效数据，对监测部位未来变化趋势进行预测，得到预测数据，对获得的有效数据及预测数据进行分析，得到分析报告；

S3：判断是否进行工程预警，将步骤S2中的分析报告中的数据与预警指标和阈值体系进行对比，对当前监测部位进行工程安全分析评价，以判断是否发布工程预警；

S4:工程预演，工程预警发布后，系统中的可视化模型对预警工程部位未来可能发生的异常状态进行仿真模拟，对仿真模拟结果进行风险评价；

S5:工程安全预案处理，获得步骤S4中的风险评价结果后，进行风险处理，执行工程安全预案，管理决策部门评估是否启动应急预案处置，若不启动，对当前预警工程部位进行现场巡查和处置；若启动预案处置措施，根据工程风险指标的具体情况自动匹配工程预案库的处置措施，将匹配得到的预案报批上级管理部门，经由上级部门审批同意后，进行预案执行。

进一步的是，所述的数据感知包括监测设备采集数据、与外部系统共享数据以及将工程资料存储于系统服务器以获取数据；

监测设备采集数据，采用的监测设备可以是传感器等数据采集设备，传感器与本发明监测系统远程连接，采集的信息通过有线和无线网络发送储存至系统服务器；

与外部系统共享数据是指本发明监测系统通过内网其他业务系统或互联网可访问外部水雨情系统数据资料、地理信息数据、可视化模型、历史数据、知识经验和规则规范等数据库；

获取工程资料是指将工程设计报告、安全监测设计报告、工程基础信息、类似工程的历史事件及数据存储于安全监测系统中；

监测设备采集的数据、外部共享数据及工程基础资料共同构成工程安全监测数字底板，所述的数字底板为本发明监测系统的数据中心。

进一步的是，所述S2步骤中数据整编是指利用3σ准则等方法对获取的数据进行粗差识别及判断异常值，去除数据中的粗差及异常值，得到有效的工程数据。

进一步的是，所述S2步骤中得到有效工程数据及预测数据后，通过系统中的工程分析模型对获得的有效数据及预测数据进行分析，生成分析报告，所述的分析报告包括工程当前运行状态的数据及预测出的工程未来发展状态的数据。

进一步的是，所述S3步骤判断是否进行工程预警中，如分析报告中的数据在预警指标和阈值体系规定的安全范围内，则认为工程运行数据正常，不触发预警机制，结束整体流程；如分析报告中的数据在预警指标和阈值体系规定的异常范围内，则触发预警机制，系统发布工程预警。

进一步的是，所述S3步骤判断是否进行工程预警中，如分析报告中的数据在预警指标和阈值体系规定的异常范围内，则将分析报告中的数据与知识库中的数据进行对比，所述的知识库中的数据包括专家经验、工程规范，如分析报告中的数据与知识库中的数据不符，则进行预警发布。

进一步的是，所述S4步骤中仿真模拟是采用工程安全性态仿真模拟模型将获取的有效的工程数据结合典型历史事件的数据、工程设计数据、工程规划数据对未来预测场景下的工程安全监测指标发展趋势进行模拟仿真，正向预演出风险和影响，逆向推演出工程安全运行的各工程指标的边界条件。

进一步的是，所述逆向推演出工程安全运行的各工程指标的边界条件是通过预演过程中，工程出现风险时，各风险指标的具体数值，及时或多次调整系统中的预警指标和阈值体系，所述的预警指标和阈值体系即为边界条件。

进一步的是，所述的步骤S5中预案处置是指根据影响工程安全运行的各项指标的具体风险情况，制定与相应风险情况对应的处置措施，所述的处置措施存储于系统的工程预案库中，当某项指标出现特定风险情况时，通过预案处置自动匹配工程预案库中相应的处置措施。

本发明的有益效果是：

1.本发明可保持数字孪生工程与水利水电工程物理世界交互的精准性、同步性、及时性，实现“预测精准化、预警超前化、预演数字化、预案科学化”的智能水利业务的应用。

2.本发明阐述了数字孪生水利水电工程安全监测的实现方法，为后续数字孪生水利水电工程安全监测提供了明确的实现方向。

附图说明

图1为本发明数字孪生水利水电工程安全监测方案图。

图2为本发明工程安全监测流程图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

本发明中的四预功能的实现方法是指数据预测、工程预警、工程预演、工程预案实现的方法。

本发明水利水电工程安全监测包括监测数据感知、工程安全预测、工程安全预警、工程安全预演、工程安全预案五大模块；数据感知与处理模块用于获取水利水电工程数据，并将获取的数据按照信息类型分类存储于系统服务器；工程安全预测模块用于将数据感知获得的水利水电工程数据进行数据整编，获得有效的工程数据，并利用工程安全分析模型和在线结构计算模型对未来的工程安全监测数据变化趋势进行预测；工程安全预警模块用于对有效的工程数据和数据变化趋势进行分析，判断是否发出预警；当发出预警后，工程安全预演模块将获得的有效的工程数据的变化趋势进行预演，根据所述工程数据的变化趋势进行风险评价；工程安全预案模块根据风险评价结果，依据风险类型于系统预案库中匹配相应的预案措施。

图1为通过数字孪生技术实现水利水电工程安全监测四预功能的方法，应用数字孪生技术构建水利水电工程安全监测业务场景的数字模型；工程安全监测业务场景数字模型依据工程三维模型以及水利水电工程运行数据建立，所述的工程三维模型包括地理信息系统GIS及建筑信息模型BIM。

地理信息系统(GIS，Geographic Information System)是一种基于计算机的工具，它对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作集成在一起。这种能力使GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等工作中具有实用价值。

建筑信息模型(BIM,Building Information Modeling)是通过三维数字技术，将建筑工程项目各相关信息集成在一起，是对工程项目全周期信息详尽的表达，是数字可视化技术在建筑工程中的直接应用，并对项目事前的各项问题进行预警和分析，使工程项目各参与方能够了解和应对，同时为协同工作提供坚实的基础。

水利水电工程运行数据来源于传感器监测数据及现有的知识库数据共享；通过本发明水利水电工程安全监测系统对获取的工程运行数据进行分析，实时体现工程的运行状态，对异常情况进行报警，对工程未来发展情况进行预演，并在监测系统中对异常情况匹配相应的处置措施。

面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法具体包括数据感知与处理、数据预测、判断是否进行工程预警、工程预演、工程安全预案处理五个步骤。

S1:数据感知与处理

如图2中的业务划分①，本发明水利水电工程安全监测系统业务流程从前端数据感知开始，数据感知包括监测设备采集数据、与外部系统共享数据、获取工程基础资料。

数据感知与处理模块包括数据采集及设备管理两个子模块。

数据处理是指将获取的数据按照信息类别分类存储，数据采集子模块用以获取数据并将获取的数据分类存储。

数据采集子模块采集数据包括监测设备采集数据、与外部系统共享数据以及将工程资料存储于系统服务器。

监测设备采集数据，采用的监测设备可以是传感器等数据采集设备，传感器与本发明监测系统远程连接，采集的信息通过有线和无线网络发送储存至本发明监测系统；监测设备采集数据包括水利工程部位变形、应力应变、渗流渗压等需监测的工程性态指标。

与外部系统共享数据是指本发明监测系统通过内网业务系统或互联网可访问外部水雨情系统数据资料、地理信息数据、可视化模型、历史数据、知识经验和规则规范等数据库。

获取工程资料是指将工程设计报告、安全监测设计报告、工程基础信息、类似工程的历史事件及数据存储于安全监测系统中。

监测设备采集的数据、外部共享数据及工程基础资料共同构成工程安全监测数字底板，所述的数字底板为本发明监测系统的数据中心；通过数据感知采集的数据均存储于本发明水利水电工程安全监测系统所使用的计算机平台；通过数据感知采集的数据按照信息类别如工程部位变形信息、应力应变的信息分类别存储于监测系统服务器。

设备管理是指将用于采集数据的监测设备的设备信息添加至本发明系统服务器，或者在本发明系统服务器中删除、修改或查询监测设备的新信息。

数据感知业务用于建设包含有工程基础信息、监测数据、业务数据、空间数据等信息的数字孪生工程安全监测数字底板；通过监测数据感知、外部数据共享、工程基础资料归档等手段，实现各类水利水电工程安全监测业务数据汇聚，通过数据感知与处理实现数据采集过程管理和对应监测设备信息管理。

S2:数据预测

通过工程安全预测模块将数据感知获得的数据进行数据整编，具体是利用3σ准则对获取的数据进行粗差识别及判断异常值，进而去除数据中的粗差及异常值，得到有效的工程数据。

在得到的有效数据的基础上，利用系统模型库中的工程安全分析模型和在线结构计算模型结合当前工程运行工况即结合有效数据，实现对具体监测效应量未来变化趋势的预测并得到预测数据；所述的工程安全分析模型使用过程中运用了数理统计和数据挖掘技术；所述在线结构计算模型为机理模型；工程安全分析模型和在线结构计算模型结合有效数据及结合当前工程运行工况，进行具体监测对象未来变化趋势的预测。

工程安全数据预测主要是利用系统模型库中的已建模型预测数据未来变化趋势，得到预测数据，包括数据管理和资料分析子功能模块；所述数据管理是将数据感知获得的数据进行数据整编，以获得有效数据；所述资料分析是指通过系统中的已有模型实现数据查询、展示及分析，利用系统模型库中的现有工程分析模型对获得的有效数据及预测数据进行分析，并生成分析报告，所述的分析报告包括工程当前运行状态的数据及预测出的工程未来发展状态的数据，所述分析报告可以是具体的报表数据，也可以是预测的工程运行状态的模型，分析报告服务于水利工程安全监测业务管理，以提升工程安全管理水平和效率。

数据预测业务将数据感知业务模块输出作为业务输入，通过数据整编对感知数据进行分析，构建有效数据集，在总结分析典型历史事件和掌握现状的基础上，采用工程安全分析模型和机理模型，对工程安全监测要素发展趋势做出不同预见期的定量或定性分析，实现工程安全监测要素的预测。

S3：判断是否进行工程预警

在S2步骤得到分析报告后，利用系统中存储的当前工程已拟定的预警指标和阈值体系，将分析报告包括的工程当前运行状态数据及预测出的工程未来发展状态的数据与预警指标和阈值体系进行对比，对工程监测部位进行工程安全分析评价；如分析报告中的数据在预警指标和阈值体系规定的安全范围内，则认为工程运行数据正常，不触发预警机制，直接结束整体流程；如分析报告中的数据在预警指标和阈值体系规定的异常范围内，则触发预警机制，系统发布工程预警。

作为一种优选的实施方式，如分析报告中的数据在预警指标和阈值体系规定的异常范围内，可进一步将分析报告中的数据与知识库中的数据进行对比，所述的知识库中的数据包括专家经验、工程规范，如分析报告中的数据与知识库中的数据不符，则进行预警发布；如分析报告中的数据与知识库中的数据符合，则不触发预警；例如，分析报告中的应变值是在某一自然条件下获取的数值，知识库中存储有水电工程在各种自然条件状态下运行时的应变值，如分析报告中的应变值在预警指标和阈值体系规定的异常范围内，系统可进一步将分析报告中的应变值与知识库中相应自然状态下的应变值进行比较，如分析报告中的应变值与知识库中的应变值不符，则触发预警。

工程安全预警模块包括模型分析和监测预警子功能模块，实现预警模型管理和计算，并提供预警业务管理，模型分析模块是利用系统中的工程数据分析模型将数据预测业务中得到的报告所含的数据与预警指标和阈值体系进行分析对比；监测预警子模块用于发布工程预警。

工程预警业务以数据预测业务的输出为输入，以预警指标和阈值体系为指导，通过工程安全分析评价手段实现对工程安全运行性态诊断，如果触发预警机制，将进行预警发布，为工程安全管理人员采取处置措施提供指引；若未触发该机制，业务流程将直接结束。

S4:工程预演

触发工程预警后，工程预演业务相继动作，通过系统中的可视化模型，对预警工程部位未来可能发生的异常状态进行仿真模拟。

仿真模拟是为了得到监测系统中风险指标体系中的风险指标的发展状态，所述的风险指标体系包括影响水电工程安全运行的各项指标如水利工程部位变形情况、应力应变情况、渗流渗压情况等；通过仿真模拟可模拟得到水利工程部位性态的进一步发展趋势，如水利工程部位变形发展趋势、应力应变发展趋势、渗流渗压发展趋势等；进一步利用监测系统中工程安全风险评价模型，对模拟得到的水利工程发展状态，如水利工程部位变形情况、应力应变情况、渗流渗压情况进行风险评价，通过工程风险评价模型得到未来工程安全性态信息，将所述的工程安全性态信息反馈至工程运行管理决策部门，进行决策支持，为后续修正工程运行方案或补充应对该工程性态的运行方案提供支持。

工程预演实现在典型工况和预警场景下，对水电工程未来运行方案进行模拟仿真和风险评价，从而支持运行方案修正；工程安全预演模块包含有仿真模拟和风险评价子功能模块；仿真模拟模块是在触发工程预警后进行，通过系统中的仿真模拟模型对工程安全监测风险指标的未来变化发展趋势进行模拟，为安全监测专业人员提供重要工程安全风险评价依据；风险评价模块运用系统中的风险评价模型对仿真模拟得到的水利工程发展状态进行风险评价。

工程预演业务主要分为两块内容，其一是系统模型库中的工程安全性态仿真模拟模型将获取的有效的工程数据结合典型历史事件的数据、工程设计数据、工程规划数据对未来预测场景下的工程安全监测指标发展趋势进行模拟仿真，正向预演出风险和影响，得到工程安全性态变化发展趋势的数据；逆向推演出工程安全运行的各工程指标的边界条件；关于逆向推演出工程安全运行的各工程指标的边界条件是指，观察工程预演步骤中工程运行状态的变化趋势，依据预演过程中，工程出现风险时各风险指标的具体数值，及时或多次调整系统中的预警指标和阈值体系，所述的预警指标和阈值体系即为边界条件；另一个是得到工程安全性态变化发展趋势的数据后，以系统中的知识库和模型库为工具，对相应的安全监测指标发展趋势进行风险评价，得到风险评价报告，所述的风险评价报告风险指标的具体情况及工程按照目前的状态发展可能会出现的风险情况。

S5:工程安全预案处理

工程安全预案处理，进行风险处理，执行工程预案；步骤S4中得到风险报告，获取风险指标的具体情况及工程可能会出现的风险情况后，由管理决策部门评估是否启动应急预案处置，若不启动，便须对当前预警工程部位进行现场巡查和处置；若启动预案处置措施，依工程风险指标的具体情况系统自动匹配工程预案库的处置措施，将匹配得到的预案报批上级管理部门，经由上级部门审批同意后，进行预案执行，并将执行过程和结果反馈至上级管理部门，同时对当前整体发生的流程进行归档整理，形成知识经验，存档于本系统知识库。

工程安全预案建设有预案处置、预案管理子功能模块，预案处置是指根据影响工程安全运行的各项指标的具体风险情况，本系统制定了与相应风险情况对应的处置措施，所述的处置措施存储于本系统的工程预案库中，当某项指标出现特定风险情况时，则工程预案处置模块自动匹配工程预案库中相应的处置措施；工程预案管理是指发布应急预案的指令，如需对工程某部位提高观测频次，以及从应急预案适配到处置措施执行及资料流程归档过程中的工作流程管理。

工程安全预案业务包含两个处理流程，其一为根据预演输出，结合工程最新工况，匹配相应处置方案，报批上级管理单位，审批通过后执行相应处置措施并反馈处置结果；另一为现场处理，在工程安全监测预演后，并未启动预案机制，此时可直接在现场处理解决。

以某水电站数字孪生安全监测系统为例：

图1为监测系统的实现方法，以图2为指导建设“四预”功能，分别从业务应用和综合决策两大角度进行。

业务应用层面主要为水电站安全监测管理业务人员使用，按照图2流程设计，主要包含有监测数据感知、工程安全预测、工程安全预警、工程安全预演、工程安全预案五大功能模块。

综合决策层面主要从可视化角度，应用数字孪生技术构建该水电站工程安全监测业务场景数字模型，从而映射物理世界，实现物理世界与数字世界孪生性和同步性；综合决策应用包含有数据感知、数据预测、监测预警、情景推演、预案处置五大功能模块，主要实现与业务层面应用的数据在该电站工程安全监测业务场景数字模型融合，达到通过三维可视化手段管理安全监测“四预”功能业务。

最后应说明的是：本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1:数据感知与处理,通过监测设备采集数据、通过与外部系统共享数据库获得数据并获取工程基础资料，将获取的数据存储于系统服务器；

S2:数据预测,将数据感知获得的数据进行数据整编，得到有效的工程数据；在得到的有效数据的基础上，利用系统模型库中的工程安全分析模型和在线结构计算模型结合获得的有效数据，对监测部位未来变化趋势进行预测，得到预测数据，对获得的有效数据及预测数据进行分析，得到分析报告；

S3：判断是否进行工程预警，将步骤S2中的分析报告中的数据与预警指标和阈值体系进行对比，对当前监测部位进行工程安全分析评价，以判断是否发布工程预警；

S4:工程预演，工程预警发布后，系统中的可视化模型对预警工程部位未来可能发生的异常状态进行仿真模拟，对仿真模拟结果进行风险评价；

S5:工程安全预案处理，获得步骤S4中的风险评价结果后，进行风险处理，执行工程安全预案，管理决策部门评估是否启动应急预案处置，若不启动，对当前预警工程部位进行现场巡查和处置；若启动预案处置措施，根据工程风险指标的具体情况自动匹配工程预案库的处置措施，将匹配得到的预案报批上级管理部门，经由上级部门审批同意后，进行预案执行。

2.如权利要求1所述的面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，其特征在于：所述的数据感知包括监测设备采集数据、与外部系统共享数据以及将工程资料存储于系统服务器以获取数据；

监测设备采集数据，采用的监测设备可以是传感器等数据采集设备，传感器与本发明监测系统远程连接，采集的信息通过有线和无线网络发送储存至系统服务器；

与外部系统共享数据是指本发明监测系统通过内网其他业务系统或互联网可访问外部水雨情系统数据资料、地理信息数据、可视化模型、历史数据、知识经验和规则规范等数据库；

获取工程资料是指将工程设计报告、安全监测设计报告、工程基础信息、类似工程的历史事件及数据存储于安全监测系统中；

监测设备采集的数据、外部共享数据及工程基础资料共同构成工程安全监测数字底板，所述的数字底板为本发明监测系统的数据中心。

3.如权利要求1所述的面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，其特征在于：所述S2步骤中数据整编是指利用3σ准则等方法对获取的数据进行粗差识别及判断异常值，去除数据中的粗差及异常值，得到有效的工程数据。

4.如权利要求1所述的面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，其特征在于：所述S2步骤中得到有效工程数据及预测数据后，通过系统中的工程分析模型对对获得的有效数据及预测数据进行分析，生成分析报告，所述的分析报告包括工程当前运行状态的数据及预测出的工程未来发展状态的数据。

5.如权利要求1所述的面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，其特征在于：所述S3步骤判断是否进行工程预警中，如分析报告中的数据在预警指标和阈值体系规定的安全范围内，则认为工程运行数据正常，不触发预警机制，结束整体流程；如分析报告中的数据在预警指标和阈值体系规定的异常范围内，则发布工程预警。

6.如权利要求1所述的面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，其特征在于：所述S3步骤判断是否进行工程预警中，如分析报告中的数据在预警指标和阈值体系规定的异常范围内，将分析报告中的数据与知识库中的数据进行对比，所述的知识库中的数据包括专家经验、工程规范，如分析报告中的数据与知识库中的数据不符，发布工程预警。

7.如权利要求1所述的面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，其特征在于：所述S4步骤中仿真模拟是采用工程安全性态仿真模拟模型将获取的有效的工程数据结合典型历史事件的数据、工程设计数据、工程规划数据对未来预测场景下的工程安全监测指标发展趋势进行模拟仿真，正向预演出风险和影响，逆向推演出工程安全运行的各工程指标的边界条件。

8.如权利要求7所述的面向水利水电工程安全监测的四预功能实现方法，其特征在于：所述逆向推演出工程安全运行的各工程指标的边界条件是通过预演过程中，工程出现风险时各风险指标的具体数值，及时或多次调整系统中的预警指标和阈值体系，所述的预警指标和阈值体系即为边界条件。

9.如权利要求1所述的水利水电工程安全监测方法，其特征在于：所述的步骤S5中预案处置是指根据影响工程安全运行的各项指标的具体风险情况，制定与相应风险情况对应的处置措施，所述的处置措施存储于系统的工程预案库中，当某项指标出现特定风险情况时，通过预案处置自动匹配工程预案库中相应的处置措施。

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