CN117193067A - 一种智慧水利液压坝检测控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智慧水利液压坝检测控制系统，涉及水利技术领域，本发明通过在每个监测单位进行两份数据采集，每个监测点位独立获取两次监控数据，通过设定传感器测量值的合理范围，判断测量值是否超出合理范围，识别明显故障，解析冗余检验建立传感器之间的线性关系和解析模型，计算预期的测量值，并比较实际测量值与预期值的差异，识别微小量级和慢速退化的故障，冗余通道检验通过比较不同通道传感器的测量值，判断其一致性和接近程度，检测故障和异常情况，实现了对明显故障和微小量级、慢速退化故障的识别和监测，解决了现有技术中心存在的通过单传感器记录观测点数据，无法及时察觉微小量级和慢速退化的故障的问题。

Description

一种智慧水利液压坝检测控制系统

技术领域

本发明涉及水利技术领域，具体为一种智慧水利液压坝检测控制系统。

背景技术

水利液压坝检测控制系统是一种用于监测、控制和管理水利液压坝的系统。水利液压坝是重要的水利工程设施，用于调节水流、储存水资源、发电和防洪等目的。检测控制系统的目标是实时监测坝体的状态和环境参数，并根据监测数据进行控制和决策，以确保坝体的安全运行和有效利用。

水利液压坝检测控制系统通常由传感器、执行器、数据采集与处理设备以及监控和控制软件等组成。传感器用于实时采集液压坝的各项参数，如水位、压力、温度、倾斜度等，并将采集到的数据传输给数据采集与处理设备。执行器根据控制信号对液压坝进行调节和控制，如控制溢洪闸门、开关泄洪孔等。数据采集与处理设备负责接收传感器数据，进行数据处理、分析和存储，并将监测结果反馈给操作员或相关管理人员。

然而传统的液压坝检测系统通常只能监测和记录传感器数据，通过单传感器记录观测点数据，无法及时察觉微小量级和慢速退化的故障，导致故障逐渐累积和恶化，同时单传感器的监测当出现监测数据误差但在合理范围内时，人工无法有效识别，这就导致了观测点数据的无效化，继而影响整体的检测系统，可能会造成设备损坏，造成经济损失，因此亟需一种可以有效察觉微小量级和慢速退化的故障的液压坝检测系统来解决此类问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种智慧水利液压坝检测控制系统，解决现有技术中存在的通过单传感器记录观测点数据，无法及时察觉微小量级和慢速退化的故障，导致故障逐渐累积和恶化，同时单传感器的监测当出现监测数据误差但在合理范围内时，人工无法有效识别的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现，本发明提供了一种智慧水利液压坝检测控制系统，其特征在于，该系统包括：

传感器系统，包括传感器网络和无线传输系统，传感器网络将传感器布置在水利液压坝关键位置，包括压力传感器、温度传感器、液位传感器、位移传感器，此处在同一测点安装两个相同传感器，无线传输系统用于传输传感器数据；

数据采集与传输系统，传感器将采集到的数据通过传输系统以无线方式传输到中央控制中心，数据采集模块负责将传感器数据进行采集、处理和存储；

数据处理与分析系统，包括中央控制中心，中央控制中心对传感器数据进行处理和分析，并对故障点进行标记，分析包括合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验算法来识别明显故障和微小量级、慢速退化故障；

故障诊断系统，根据数据处理与分析的结果，系统自动诊断出故障的类型和位置；

报警通知系统，当故障被诊断出来，系统立即发出报警通知。

本发明进一步地设置为：所述步骤数据处理与分析系统中，合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验算法具体为：

明显故障检验，采用范围检验和速率检验来诊断突发性和测量值偏离正常范围的故障，包括传感器损坏、线路断开、测量设备故障；

微小量级故障检验，采用解析冗余检验识别微小量级和慢速退化的传感器故障，包括传感器输出值的微小变化和偏差；

慢速退化故障检验，采用冗余通道检验进行故障检测，通过传感器网络中的同点位两路经处理的信号进行冗余通道检验，包括传感器输出的逐渐变化和偏离预期值；

本发明进一步地设置为：所述合理性检验具体步骤包括：

定义传感器测量值的合理范围；

对每个传感器的测量值进行范围检验，判断是否超出合理范围；

对每个传感器的测量值变化速率进行速率检验，判断是否超出合理变化范围；

若传感器测量值和变化速率超出合理范围，则标记为明显故障；

本发明进一步地设置为：所述合理性检验的范围检验公式为：

X∈[a,b]

其中，X表示传感器的测量值，[a,b]表示定义的合理范围；

合理性检验的具体步骤包括：

根据系统要求、设备规格，确定每个传感器的合理范围，将合理范围确定为一个闭区间[a,b]，其中a是下限，b是上限；

从传感器中获取实时的测量值，表示为X；

将传感器的测量值X与定义的合理范围[a,b]进行比较；

如果测量值X在合理范围内，则认为该测量值是合理的，将该测量值标记为正常状态；

如果测量值X超出了合理范围，即X<a或X>b，表示测量值异常，将该测量值标记为异常状态；

本发明进一步地设置为：所述解析冗余检验公式为：

Y＝f(X1,X2,...,Xn)

其中，f()是根据系统模型和传感器数据推导出的函数，X1,X2,...,Xn表示多个传感器的测量值，Y表示解析冗余检验的结果；

解析冗余检验的具体步骤包括：

根据系统模型和传感器之间的物理关系建立传感器之间的线性关系，表示为Y＝f(X1,X2,...,Xn)，其中Y是解析冗余检验的结果，f()是根据系统模型和传感器数据推导出的函数，X1,X2,...,Xn表示多个传感器的测量值；

从每个传感器中获取实时的测量值X1,X2,...,Xn；

将传感器的测量值X1,X2,...,Xn代入线性关系方程Y＝f(X1,X2,...,Xn)中，计算得到解析冗余检验的结果Y；

将计算得到的解析冗余检验结果Y与预期的结果进行比较，预期结果是根据历史数据计算得出的理论值；

根据比较结果，判断解析冗余检验的结果Y是否与预期结果一致；

如果Y与预期结果相符，则认为传感器之间的关系是正常的，没有违反网络关系的情况，将相关传感器标记为正常工作状态；

如果Y与预期结果不符，表示传感器之间存在违反网络关系的情况，将相关传感器标记为故障传感器；

本发明进一步地设置为：所述冗余通道检验公式为：

Z＝compare(X1,X2)

其中，compare()为比较函数，用于比较两个传感器的测量值，X1,X2表示两个传感器的测量值，Z表示冗余通道检验的结果；

冗余通道检验的具体实施步骤如下：

从两个传感器中获取实时的测量值X1,X2；

使用比较函数compare()对两个传感器的测量值进行比较，即Z＝compare(X1,X2)；

根据比较函数的结果Z，判断两个传感器的测量值是否一致和接近；

如果Z表示测量值之间的差异小于预设阈值，认为两个传感器的测量值是一致的，符合冗余通道关系；

如果Z表示测量值之间的差异超过阈值，则存在冗余通道关系的违反；

根据冗余通道检验的结果，标记对应的传感器为故障传感器，如果Z表示测量值差异超过阈值，则认定该传感器存在故障和异常情况；

本发明进一步地设置为：所述故障诊断系统的诊断步骤具体包括：

根据合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验的标注结果，判断是否存在异常，如果其中任何一种检验出现异常，表示系统可能存在故障和异常情况；

建立水利液压坝的数学模型，包括各个组成部分、传感器和控制系统；

收集与系统模型相关的传感器数据，采用Kalman滤波法将实际观测到的数据与建立的系统模型进行比对和比较；

比较实际观测数据与模型预测数据之间的差异，识别异常和故障，根据差异的大小和模式，确定异常的具体原因和故障位置警。

(三)有益效果

本发明提供了一种智慧水利液压坝检测控制系统。具备以下有益效果：

通过传感器系统压力传感器、温度传感器、位移传感器以及液位传感器，实现对于水利液压坝的结构故障检测，此处在每个监测点位多安置了一个传感器，即每个监测点位独立获取两次监控数据，结合本发明所提供的智慧水利液压坝检测控制系统针对水利液压坝监测控制系统进行改进，引入多种故障检验算法，实现了对明显故障和微小量级、慢速退化故障的识别和监测，包括合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验。

通过设定传感器测量值的合理范围，并进行范围检验和速率检验，判断测量值是否超出合理范围，从而识别明显故障，解析冗余检验建立传感器之间的线性关系和解析模型，计算预期的测量值，并比较实际测量值与预期值的差异，以识别微小量级和慢速退化的故障，冗余通道检验通过比较不同通道传感器的测量值，判断其一致性和接近程度，以检测故障和异常情况，报警通知系统能够及时发出报警，使操作人员能够迅速采取相应的措施应对故障情况。

通过合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验算法，实现了对水利液压坝监测控制系统中的明显故障和微小量级、慢速退化故障的检测和诊断，提升了系统的稳定性、可靠性和安全性，解决了现有技术中心存在的通过单传感器记录观测点数据，无法及时察觉微小量级和慢速退化的故障，导致故障逐渐累积和恶化，同时单传感器的监测当出现监测数据误差但在合理范围内时，人工无法有效识别的问题。

附图说明

图1为本发明的智慧水利液压坝检测控制系统的框架图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1，本发明提供一种智慧水利液压坝检测控制系统，包括如下步骤：

S1、传感器系统，包括传感器网络和无线传输系统，传感器网络将传感器布置在水利液压坝关键位置，包括压力传感器、温度传感器、液位传感器、位移传感器，此处在同一测点安装两个相同传感器，无线传输系统用于传输传感器数据；传感器系统用于实现双冗余，传感器用于监测坝体状态和环境参数的变化。

S2、数据采集与传输系统，传感器将采集到的数据通过传输系统以无线方式传输到中央控制中心，数据采集模块负责将传感器数据进行采集、处理和存储；

S3、数据处理与分析系统，包括中央控制中心，中央控制中心对传感器数据进行处理和分析，并对故障点进行标记，分析包括合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验算法来识别明显故障和微小量级、慢速退化故障；

合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验算法具体为：

明显故障检验，采用范围检验和速率检验来诊断突发性和测量值偏离正常范围的故障，包括传感器损坏、线路断开、测量设备故障；

微小量级故障检验，采用解析冗余检验识别微小量级和慢速退化的传感器故障，包括传感器输出值的微小变化和偏差；当传感器无故障时，各传感器满足对应的网络关系，当传感器发生故障时，通过评估被违反的网络关系来确定故障传感器；

慢速退化故障检验，采用冗余通道检验进行故障检测，通过传感器网络中的同点位两路经处理的信号进行冗余通道检验，包括传感器输出的逐渐变化和偏离预期值；

合理性检验具体步骤包括：

定义传感器测量值的合理范围；

对每个传感器的测量值进行范围检验，判断是否超出合理范围；

对每个传感器的测量值变化速率进行速率检验，判断是否超出合理变化范围；

若传感器测量值和变化速率超出合理范围，则标记为明显故障；

合理性检验的范围检验公式：

X∈[a,b]

其中，X表示传感器的测量值，[a,b]表示定义的合理范围。

合理性检验的具体步骤包括：

根据系统要求、设备规格，确定每个传感器的合理范围，将合理范围确定为一个闭区间[a,b]，其中a是下限，b是上限；

从传感器中获取实时的测量值，表示为X；

将传感器的测量值X与定义的合理范围[a,b]进行比较；

如果测量值X在合理范围内，则认为该测量值是合理的，将该测量值标记为正常状态；

如果测量值X超出了合理范围，即X<a或X>b，表示测量值异常，将该测量值标记为异常状态；

解析冗余检验公式：

Y＝f(X1,X2,...,Xn)

其中，f()是根据系统模型和传感器数据推导出的函数，X1,X2,...,Xn表示多个传感器的测量值，Y表示解析冗余检验的结果；

解析冗余检验的具体步骤包括：

根据系统模型和传感器之间的物理关系建立传感器之间的线性关系，表示为Y＝f(X1,X2,...,Xn)，其中Y是解析冗余检验的结果，f()是根据系统模型和传感器数据推导出的函数，X1,X2,...,Xn表示多个传感器的测量值；

从每个传感器中获取实时的测量值X1,X2,...,Xn；

将传感器的测量值X1,X2,...,Xn代入线性关系方程Y＝f(X1,X2,...,Xn)中，计算得到解析冗余检验的结果Y；

将计算得到的解析冗余检验结果Y与预期的结果进行比较，预期结果是根据历史数据计算得出的理论值；

根据比较结果，判断解析冗余检验的结果Y是否与预期结果一致；

如果Y与预期结果相符，则认为传感器之间的关系是正常的，没有违反网络关系的情况，将相关传感器标记为正常工作状态；

如果Y与预期结果不符，表示传感器之间存在违反网络关系的情况，将相关传感器标记为故障传感器；

冗余通道检验公式：

Z＝compare(X1,X2)

其中，compare()为比较函数，用于比较两个传感器的测量值，X1,X2表示两个传感器的测量值，Z表示冗余通道检验的结果；

冗余通道检验的具体实施步骤如下：

从两个传感器中获取实时的测量值X1,X2；

使用比较函数compare()对两个传感器的测量值进行比较，即Z＝compare(X1,X2)；

根据比较函数的结果Z，判断两个传感器的测量值是否一致和接近；

如果Z表示测量值之间的差异小于预设阈值，认为两个传感器的测量值是一致的，符合冗余通道关系；

如果Z表示测量值之间的差异超过阈值，则存在冗余通道关系的违反；

根据冗余通道检验的结果，标记对应的传感器为故障传感器，如果Z表示测量值差异超过阈值，则认定该传感器存在故障和异常情况；

S4、故障诊断系统，根据数据处理与分析的结果，系统自动诊断出故障的类型和位置；

故障诊断系统的诊断步骤具体包括：

根据合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验的标注结果，判断是否存在异常，如果其中任何一种检验出现异常，表示系统可能存在故障和异常情况；

建立水利液压坝的数学模型，包括各个组成部分、传感器和控制系统；

收集与系统模型相关的传感器数据，采用Kalman滤波法将实际观测到的数据与建立的系统模型进行比对和比较；

通过比较实际观测数据与模型预测数据之间的差异，识别异常和故障，根据差异的大小和模式，确定异常的具体原因和故障位置警。

S5、报警通知系统，当故障被诊断出来，系统立即发出报警通知，以便操作人员能够及时采取相应的措施。

综合以上内容，在本申请中：

通过传感器系统压力传感器、温度传感器、位移传感器以及液位传感器，实现对于水利液压坝的结构故障检测，监测水利液压坝的结构状况，包括裂缝、位移、变形；

监测水利液压坝的渗漏情况，包括渗水量、渗漏位置和渗漏速率；

监测水利液压坝各个部位的压力变化，包括水压力、油压力；

监测水利液压坝的温度变化，包括水温、环境温度和设备温度；

监测水利液压坝的水位变化，包括水库水位、堰塞坝水位；

区别传统的液压坝检测控制系统，此处在每个监测点位多安置了一个传感器，即每个监测点位独立获取两次监控数据；

结合本发明所提供的智慧水利液压坝检测控制系统针对水利液压坝监测控制系统进行改进，引入多种故障检验算法，实现了对明显故障和微小量级、慢速退化故障的识别和监测，包括合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验；

合理性检验通过设定传感器测量值的合理范围，并进行范围检验和速率检验，判断测量值是否超出合理范围，从而识别明显故障；

解析冗余检验建立传感器之间的线性关系和解析模型，计算预期的测量值，并比较实际测量值与预期值的差异，以识别微小量级和慢速退化的故障；

冗余通道检验通过比较不同通道传感器的测量值，判断其一致性和接近程度，以检测故障和异常情况；

报警通知系统能够及时发出报警，使操作人员能够迅速采取相应的措施应对故障情况。

通过合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验算法，实现了对水利液压坝监测控制系统中的明显故障和微小量级、慢速退化故障的检测和诊断，提升了系统的稳定性、可靠性和安全性；

解决了现有技术中存在的通过单传感器记录观测点数据，无法及时察觉微小量级和慢速退化的故障，导致故障逐渐累积和恶化，同时单传感器的监测当出现监测数据误差但在合理范围内时，人工无法有效识别的问题。

在本发明的实施例的描述中，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种智慧水利液压坝检测控制系统，其特征在于，该系统包括：

传感器系统，包括传感器网络和无线传输系统，传感器网络将传感器布置在水利液压坝关键位置，包括压力传感器、温度传感器、液位传感器、位移传感器，此处在同一测点安装两个相同传感器，无线传输系统用于传输传感器数据；

数据采集与传输系统，传感器将采集到的数据通过传输系统以无线方式传输到中央控制中心，数据采集模块负责将传感器数据进行采集、处理和存储；

数据处理与分析系统，包括中央控制中心，中央控制中心对传感器数据进行处理和分析，并对故障点进行标记，分析包括合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验算法来识别明显故障和微小量级、慢速退化故障；

故障诊断系统，根据数据处理与分析的结果，系统自动诊断出故障的类型和位置；

报警通知系统，当故障被诊断出来，系统立即发出报警通知。

2.根据权利要求1所述的一种智慧水利液压坝检测控制系统，其特征在于，所述步骤数据处理与分析系统中，合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验算法具体为：

明显故障检验，采用范围检验和速率检验来诊断突发性和测量值偏离正常范围的故障，包括传感器损坏、线路断开、测量设备故障；

微小量级故障检验，采用解析冗余检验识别微小量级和慢速退化的传感器故障，包括传感器输出值的微小变化和偏差；

慢速退化故障检验，采用冗余通道检验进行故障检测，通过传感器网络中的同点位两路经处理的信号进行冗余通道检验，包括传感器输出的逐渐变化和偏离预期值。

3.根据权利要求2所述的一种智慧水利液压坝检测控制系统，其特征在于，所述合理性检验具体步骤包括：

定义传感器测量值的合理范围；

对每个传感器的测量值进行范围检验，判断是否超出合理范围；

对每个传感器的测量值变化速率进行速率检验，判断是否超出合理变化范围；

若传感器测量值和变化速率超出合理范围，则标记为明显故障。

4.根据权利要求2所述的一种智慧水利液压坝检测控制系统，其特征在于，所述合理性检验的范围检验公式为：

X∈[a,b]

其中，X表示传感器的测量值，[a,b]表示定义的合理范围；

合理性检验的具体步骤包括：

根据系统要求、设备规格，确定每个传感器的合理范围，将合理范围确定为一个闭区间[a,b]，其中a是下限，b是上限；

从传感器中获取实时的测量值，表示为X；

将传感器的测量值X与定义的合理范围[a,b]进行比较；

如果测量值X在合理范围内，则认为该测量值是合理的，将该测量值标记为正常状态；

如果测量值X超出了合理范围，即X<a或X>b，表示测量值异常，将该测量值标记为异常状态。

5.根据权利要求2所述的一种智慧水利液压坝检测控制系统，其特征在于，所述解析冗余检验公式为：

Y＝f(X1,X2,...,Xn)

其中，f()是根据系统模型和传感器数据推导出的函数，X1,X2,...,Xn表示多个传感器的测量值，Y表示解析冗余检验的结果；

解析冗余检验的具体步骤包括：

根据系统模型和传感器之间的物理关系建立传感器之间的线性关系，表示为Y＝f(X1,X2,...,Xn)，其中Y是解析冗余检验的结果，f()是根据系统模型和传感器数据推导出的函数，X1,X2,...,Xn表示多个传感器的测量值；

从每个传感器中获取实时的测量值X1,X2,...,Xn；

将传感器的测量值X1,X2,...,Xn代入线性关系方程Y＝f(X1,X2,...,Xn)中，计算得到解析冗余检验的结果Y；

将计算得到的解析冗余检验结果Y与预期的结果进行比较，预期结果是根据历史数据计算得出的理论值；

根据比较结果，判断解析冗余检验的结果Y是否与预期结果一致；

如果Y与预期结果相符，则认为传感器之间的关系是正常的，没有违反网络关系的情况，将相关传感器标记为正常工作状态；

如果Y与预期结果不符，表示传感器之间存在违反网络关系的情况，将相关传感器标记为故障传感器。

6.根据权利要求2所述的一种智慧水利液压坝检测控制系统，其特征在于，所述冗余通道检验公式为：

Z＝compare(X1,X2)

其中，compare()为比较函数，用于比较两个传感器的测量值，X1,X2表示两个传感器的测量值，Z表示冗余通道检验的结果；

冗余通道检验的具体实施步骤如下：

从两个传感器中获取实时的测量值X1,X2；

使用比较函数compare()对两个传感器的测量值进行比较，即Z＝compare(X1,X2)；

根据比较函数的结果Z，判断两个传感器的测量值是否一致和接近；

如果Z表示测量值之间的差异小于预设阈值，认为两个传感器的测量值是一致的，符合冗余通道关系；

如果Z表示测量值之间的差异超过阈值，则存在冗余通道关系的违反；

根据冗余通道检验的结果，标记对应的传感器为故障传感器，如果Z表示测量值差异超过阈值，则认定该传感器存在故障和异常情况。

7.根据权利要求1所述的一种智慧水利液压坝检测控制系统，其特征在于，所述故障诊断系统的诊断步骤具体包括：

根据合理性检验、解析冗余检验和冗余通道检验的标注结果，判断是否存在异常，如果其中任何一种检验出现异常，表示系统可能存在故障和异常情况；

建立水利液压坝的数学模型，包括各个组成部分、传感器和控制系统；

收集与系统模型相关的传感器数据，采用Kalman滤波法将实际观测到的数据与建立的系统模型进行比对和比较；

比较实际观测数据与模型预测数据之间的差异，识别异常和故障，根据差异的大小和模式，确定异常的具体原因和故障位置警。