CN116697945B - 一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水域治理领域，公开了一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，包括测量周期计算模块、无人测量模块、数字孪生管理模块和清淤模块；测量周期计算模块用于计算监测水域中的每个监测区域的测量周期；无人测量模块用于根据测量周期对监测区域的淤泥厚度进行测量，获得监测区域的淤泥厚度；数字孪生管理模块用于建立监测水域的水下淤泥的数字孪生模型，以及用于根据无人测量模块获得的监测区域的淤泥厚度对数字孪生模型进行修改；清淤模块用于在监测区域的淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值时，对监测区域的淤泥进行冲洗。本发明能够在降低测量的工作量与及时获取其淤泥厚度之间取得平衡。

Description

一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统
技术领域
本发明涉及水域治理领域，尤其涉及一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统。
背景技术
现有技术中，对水下淤泥的冲洗过程一般为，先测量出监测水域的淤泥厚度，当某个检测水域中的某个区域的淤泥厚度达到警戒值时，则由清淤船对该区域的淤泥进行冲洗，将沉积河底的淤泥吹搅成混浊的水状，随河水流走，从而起到清淤作用。
而现有的淤泥冲洗系统，其在对检测水域中的区域进行测量的过程中，对所有的区域一般都是采用相同的测量周期，但是，不同的区域的淤泥厚度的变化速度是不同的，采用相同的测量周期，若测量周期的数值过小，则会出现对部分区域的测量过于频繁的情况，导致测量的工作量过大，若测量周期的数值过大，则会出现未能及时获取部分变化速度快区域的的淤泥厚度的情况。
发明内容
本发明的目的在于公开一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，解决如何获得合适的测量周期使得能够在降低测量的工作量的同时，及时获取区域中的淤泥的厚度的问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，包括测量周期计算模块、无人测量模块、数字孪生管理模块和清淤模块；
测量周期计算模块用于计算监测水域中的每个监测区域的测量周期；
无人测量模块用于根据测量周期对监测区域的淤泥厚度进行测量，获得监测区域的淤泥厚度；
数字孪生管理模块用于建立监测水域的水下淤泥的数字孪生模型，以及用于根据无人测量模块获得的监测区域的淤泥厚度对数字孪生模型进行修改；
清淤模块用于在监测区域的淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值时，对监测区域的淤泥进行冲洗；
其中，监测区域的测量周期的获取方式为：
前D个测量周期被设置为常数，从第D+1个测量周期开始，测量周期的计算函数为：
和/>分别为监测区域的第d+1个和第d个测量周期，/>表示第一比较参数，/>，D表示预设的周期数量，/>表示第二比较参数，，/>表示第i个测量周期获得的监测区域的淤泥厚度，/>表示/>的参考价值系数，/>表示预设的时间周期，/>表示预设的常数系数，d大于等于D。
优选地，测量周期计算模块还用于将监测水域分为多个大小相同的监测区域。
优选地，建立监测水域的水下淤泥的数字孪生模型，包括：
获取第1个测量周期获得的所有的监测区域的淤泥深度的集合dep；
基于dep中的数据建立水下淤泥的数字孪生模型。
优选地，无人测量模块还用于在对监测区域的淤泥冲洗完毕后，测量监测区域的淤泥厚度。
优选地，根据无人测量模块获得的监测区域的淤泥厚度对数字孪生模型进行修改，包括：
将对数字孪生模型进行修改之前，监测区域A在数字孪生模型中的淤泥厚度记为；
将无人测量模块获得的监测区域A的淤泥厚度记为；
若等于/>，则不对数字孪生模型进行修改；
若不等于/>，则将数字孪生模型中，监测区域A的淤泥厚度修改。
优选地，无人测量模块包括携带有淤泥深度测量设备的无人机或无人船。
优选地，淤泥深度测量设备包括超声波泥位计。
优选地，清淤模块包括导航设备和清淤船；
导航设备用于获取淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值的监测区域的坐标，以及用于生成从清淤船的停泊位置到该坐标的导航路径；
清淤船用于对淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值的监测区域的淤泥进行冲洗。
与现有技术相比，本发明采用的是根据每个监测区域的历史淤泥厚度数据来进行测量周期的计算，从而能够使得不同的淤泥厚度的变化速度的监测区域的测量周期并不相同，使得测量周期随着淤泥厚度的变化速度的变化而自适应变化。对变化速度较小的监测区域，本发明会使得其测量周期更长，降低测量的工作量，而对于变化速度较大的监测区域，本发明会降低其测量周期，从而实现在及时获取其淤泥厚度。
附图说明
从下文给出的详细描述和附图中将更充分地理解本公开，附图仅以说明的方式给出，因此不限制本公开，并且其中：
图1为本发明一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统的一种示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示的一种实施例，本发明提供了一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，包括测量周期计算模块、无人测量模块、数字孪生管理模块和清淤模块；
测量周期计算模块用于计算监测水域中的每个监测区域的测量周期；
无人测量模块用于根据测量周期对监测区域的淤泥厚度进行测量，获得监测区域的淤泥厚度；
数字孪生管理模块用于建立监测水域的水下淤泥的数字孪生模型，以及用于根据无人测量模块获得的监测区域的淤泥厚度对数字孪生模型进行修改；
清淤模块用于在监测区域的淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值时，对监测区域的淤泥进行冲洗；
其中，监测区域的测量周期的获取方式为：
前D个测量周期被设置为常数，从第D+1个测量周期开始，测量周期的计算函数为：
和/>分别为监测区域的第d+1个和第d个测量周期，/>表示第一比较参数，/>，D表示预设的周期数量，/>表示第二比较参数，，/>表示第i个测量周期获得的监测区域的淤泥厚度，/>表示/>的参考价值系数，/>表示预设的时间周期，/>表示预设的常数系数。d大于等于D。
与现有技术相比，本发明采用的是根据每个监测区域的历史淤泥厚度数据来进行测量周期的计算，从而能够使得不同的淤泥厚度的变化速度的监测区域的测量周期并不相同，使得测量周期随着淤泥厚度的变化速度的变化而自适应变化。对变化速度较小的监测区域，本发明会使得其测量周期更长，降低测量的工作量，而对于变化速度较大的监测区域，本发明会降低其测量周期，从而实现在及时获取其淤泥厚度。
具体的，当第一比较参数小于第二比较参数时，表示监测区域中的淤泥厚度在增加的概率比较大，因此，减号右边部分为正值，从而使得第d+1个测量周期变小，从而能够提高对监测区域进行淤泥厚度数据的获取的及时性。而且测量周期变小的程度与第一比较参数和第二比较参数的差值有关，差值越大，则测量周期变小的程度越大，从而能够更为快捷使得测量周期的变化程度跟上淤泥厚度的变化速度。
前D个测量周期被设置为常数，主要是因为需要获得用于进行测量周期计算所需要的数据。因为本发明在第一比较参数来第二比较参数的计算过程中，均考虑了前D个测量周期获得的淤泥厚度，因此，在使用测量周期的计算函数之前，需要先记录D个测量周期的淤泥厚度。
优选地，参考价值系数的计算函数为：
其中，α表示获取顺序差异权重，β表示数值差异权重，δ表示获取时刻差异权重；α＋β＋δ的值为1，表示第d个测量周期获得的监测区域的淤泥厚度，/>表示的获取时刻，/>表示/>的获取时刻，η1、η2、η3分别表示预设的第一计算参数、第二计算参数和第三计算参数，用于防止分母为0。
具体的，参考价值系数与测量周期的获取顺序差异、淤泥厚度的差异、获取时刻的差异有关，对于，/>与/>之间的获取的顺序相差的越远、淤泥厚度的相差得越大、获取时刻的差距越大，则/>的数值越小，表示/>的参考价值越低。这样的计算方式，能够避免传统的取平均值的形式中出现的，容易使得测量周期的计算函数的灵敏度较低的问题的出现。因为如果对获取顺序，获取时刻、数值不同的所有的淤泥深度赋予相同的权重，那么，极端情况下，/>的数值相较于之前获得的数值出现了较大幅度的变化时，第一价值参数和第二价值参数并不能很好地及时反映这种变化，而在本发明的上述实施例中，第一比较参数的数值会被显著增加，从而使得测量周期的计算函数能够及时随着/>的变化而变化，提高了灵敏度，从而提高了测量周期变化的及时程度。
优选地，测量周期计算模块还用于将监测水域分为多个大小相同的监测区域。
具体的，可以根据实际需要设置检测区域的大小，例如，可以将监测区域设置为边长是5米的正方形区域。
优选地，根据测量周期对监测区域的淤泥厚度进行测量，包括：
当第d个测量周期结束时，进入计算周期，在计算周期中，计算第d+1个测量周期的数值，计算完成后，进入第d+1个测量周期；第d+1个测量周期结束时，进入计算周期，在计算周期中，计算第d+2个测量周期的数值，计算完成后，进入第d+2个测量周期，如此循环。
优选地，建立监测水域的水下淤泥的数字孪生模型，包括：
获取第1个测量周期获得的所有的监测区域的淤泥深度的集合dep；
基于dep中的数据建立水下淤泥的数字孪生模型。
具体的，建模的过程中可以先建立数字高程模型DEM，然后将集合dep中的数据输入到DEM中，接着在DEM中进行插值，最后基于插值之后的数据生成水下淤泥的数字孪生模型。可以用OpenGL来建立该模型。
优选地，无人测量模块还用于在对监测区域的淤泥冲洗完毕后，测量监测区域的淤泥厚度。
具体的，对监测区域的淤泥冲洗完毕后进行淤泥厚度的测量，能够使得水下淤泥的数字孪生模型及时地反映水下淤泥的厚度变化情况，便于工作人员更加直观地了解水下淤泥分布。
优选地，根据无人测量模块获得的监测区域的淤泥厚度对数字孪生模型进行修改，包括：
将对数字孪生模型进行修改之前，监测区域A在数字孪生模型中的淤泥厚度记为；
将无人测量模块获得的监测区域A的淤泥厚度记为；
若等于/>，则不对数字孪生模型进行修改；
若不等于/>，则将数字孪生模型中，监测区域A的淤泥厚度修改。
进一步的，对区域A的淤泥厚度进行修改后，数字孪生模型中，与区域A相关的数据也需要进行相应的重新计算，例如前面在建立数字孪生模型时，插值计算的过程中所涉及的数据，这些数据需要重新计算。使得数字孪生模型的变化更为准确。
优选地，无人测量模块包括携带有淤泥深度测量设备的无人机或无人船。
利用无人载具来进行测量，能够有效地降低测量的工作量，可以对这些无人载具进行编程，使它们自动进行淤泥深度的测量，从而有效地降低了相关的人员的工作量。
优选地，淤泥深度测量设备包括超声波泥位计。
具体的，淤泥深度测量设备哈还可以是污泥界面仪或污泥浓度计。
优选地，超声波泥位计在接收回波信号时，采用如下方式对回波信号进行滤波处理：
S1，计算回波信号的小波分解层数；
S2，基于小波分解层数对回波信号进行小波分解；
S3，对小波分解获得的高频分量进行阈值处理，获得处理后的阈值处理后的高频分量；
S4，计算阈值处理后的高频分量与没有经过阈值处理的低频分量之间的关联度；
S5，若关联度小于设定的关联度阈值，则进入S1，若关联度大于等于设定的关联度阈值，则进入S6；
S6，将阈值处理后的高频分量与没有经过阈值处理的低频分量进行小波重构处理，获得滤波处理后的回波信号。
具体的，采用超声波信号测量淤泥厚度时，需要先发射出信号，然后根据回波信号来计算出淤泥的厚度，具体原理为：从探头表面发射到沉淀池底部，超声波被水中的悬浮物反射，形成一个由传感器回收的连续回波。使用专门的分析软件对回波数据进行分析，并根据声速和用户预设值计算出污泥界面位置。这里的用户预设值是指：将超声波到达池底时的反馈波强度取为100%，将超声波遇到水中悬浮物时的反射波强度与池底的反馈波强度进行比较，并以百分比表示。一般认为，池底反射强度为70%左右的反馈波为污泥反射波，即70%的反射波设置在污泥层。这样，通过软件分析就可以确定泥水界面的位置。从探头到池底的深度中减去泥水界面的高度，就可以得到泥浆的高度。由于接收回波信号的过程中容易引入干扰噪声，因此，需要对回波信号进行滤波处理。
优选地，计算回波信号的小波分解层数，包括：
第一次计算，小波分解层数的计算函数为：
；
第t次计算，小波分解层数的计算函数为：
；
和/>分别表示第t次计算和第t-1测计算得到的小波分解层数，T表预设的计算次数最大值，δ表示预设的次数变化量。
现有技术中，一般都是逐层增加小波分解的层数，然后根据关联度来对比是否停止继续进行分解。但是，这种方式，层数增加速度较慢，因此，本发明通过设置预设的次数变化量，然后根据计算的小波分解层数的次数，次数增加得越多，则小波分解层数的增加速度越慢，从而能够在增加小波分解层数的同时，避免小波分解层数增加过快，从而更为快速地获得合适的小波分解层数。
优选地，关联度可以由阈值处理后的高频分量与没有经过阈值处理的低频分量之间的波形的相似度进行表示。
优选地，清淤模块包括导航设备和清淤船；
导航设备用于获取淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值的监测区域的坐标，以及用于生成从清淤船的停泊位置到该坐标的导航路径；
清淤船用于对淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值的监测区域的淤泥进行冲洗。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，其特征在于，包括测量周期计算模块、无人测量模块、数字孪生管理模块和清淤模块；
测量周期计算模块用于计算监测水域中的每个监测区域的测量周期；
无人测量模块用于根据测量周期对监测区域的淤泥厚度进行测量，获得监测区域的淤泥厚度；
数字孪生管理模块用于建立监测水域的水下淤泥的数字孪生模型，以及用于根据无人测量模块获得的监测区域的淤泥厚度对数字孪生模型进行修改；
清淤模块用于在监测区域的淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值时，对监测区域的淤泥进行冲洗；
其中，监测区域的测量周期的获取方式为：
前D个测量周期被设置为常数，从第D+1个测量周期开始，测量周期的计算函数为：
，
和/>分别为监测区域的第d+1个和第d个测量周期，/>表示第一比较参数，/>，D表示预设的周期数量，/>表示第二比较参数，，/>表示第i个测量周期获得的监测区域的淤泥厚度，表示/>的参考价值系数，/>表示预设的时间周期，/>表示预设的常数系数，d大于等于D；
参考价值系数的计算函数为：
，
其中，α表示获取顺序差异权重，β表示数值差异权重，表示获取时刻差异权重；的值为1，/>表示第d个测量周期获得的监测区域的淤泥厚度，/>表示/>的获取时刻，/>表示/>的获取时刻，/>、/>、/>分别表示预设的第一计算参数、第二计算参数和第三计算参数，用于防止分母为0。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，其特征在于，测量周期计算模块还用于将监测水域分为多个大小相同的监测区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，其特征在于，建立监测水域的水下淤泥的数字孪生模型，包括：
获取第1个测量周期获得的所有的监测区域的淤泥深度的集合dep；
基于dep中的数据建立水下淤泥的数字孪生模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，其特征在于，无人测量模块还用于在对监测区域的淤泥冲洗完毕后，测量监测区域的淤泥厚度。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，其特征在于，根据无人测量模块获得的监测区域的淤泥厚度对数字孪生模型进行修改，包括：
将对数字孪生模型进行修改之前，监测区域A在数字孪生模型中的淤泥厚度记为；
将无人测量模块获得的监测区域A的淤泥厚度记为；
若等于/>，则不对数字孪生模型进行修改；
若不等于/>，则将数字孪生模型中，监测区域A的淤泥厚度修改。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，其特征在于，无人测量模块包括携带有淤泥深度测量设备的无人机或无人船。
7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，其特征在于，淤泥深度测量设备包括超声波泥位计。
8.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生技术的水下淤泥冲洗系统，其特征在于，清淤模块包括导航设备和清淤船；
导航设备用于获取淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值的监测区域的坐标，以及用于生成从清淤船的停泊位置到该坐标的导航路径；
清淤船用于对淤泥厚度大于设定的淤泥厚度阈值的监测区域的淤泥进行冲洗。
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