CN117291551B - 一种基于数字可视化的环境监测预警系统 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种基于数字可视化的环境监测预警系统，系统的运行方法包括以下步骤：步骤一：建立数据库，收集水库的环境数据，并将数据存储到数据库中；步骤二：构建边缘分析节点，分析传感器收集的水库环境数据，分析发电机组的运行状态，调整发电机组的工作负载；步骤三：构建水库环境数据图表和发电机组运行状态图表，预测水库变化对发电机组的影响；步骤四：根据预测结果规划无人机路线对发电机组进行巡查，控制发电机的运行，并将数据可视化。一种基于数字可视化的环境监测预警系统，包括数据收集模块、分析预警模块和远程控制模块。本发明，具有能够提高监测效率和提高数据准确性的特点。

Description

一种基于数字可视化的环境监测预警系统

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体为一种基于数字可视化的环境监测预警系统。

背景技术

水库的环境监测对于水源安全具有重要意义，随着物联网技术的飞速发展，水库环境监测也趋于智能化，在传统的监测体系中都是采用人工对水库环境进行监测，费时费力，并且人工监测可能会出现数据记录错误的情况，数据记录不准确，在现有技术中，仅通过传感器检测，判断数据是否达标进行反馈，并不能提前对检测结果进行预测预警，系统反馈的检测结果存在一定的时延，并且传感器将收集的数据传输到服务器进行存储，终端设备获取数据进行分析，数据分析存在延迟性，并且水库环境监测系统与水库发电机组工作环境的监测系统是分开的，不能进行数据互通，导致不能够根据水体情况准确分析水体因素对发电机组的影响。因此，设计能够提高监测效率和提高数据准确性的一种基于数字可视化的环境监测预警系统是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字可视化的环境监测预警系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于数字可视化的环境监测预警方法，包括

步骤一：建立数据库，收集水库的环境数据，并将数据存储到数据库中；

步骤二：构建边缘分析节点，分析传感器收集的水库环境数据，分析发电机组的运行状态，调整发电机组的工作负载；

步骤三：构建水库环境数据图表和发电机组运行状态图表，预测水库变化对发电机组的影响；

步骤四：根据预测结果规划无人机路线对发电机组进行巡查，控制发电机的运行，并将数据可视化。

根据上述技术方案，所述收集水库的环境数据的步骤，包括：

部署边缘服务器，在边缘服务器建立数据库，存储收集的水库环境数据；

在水库周边布设传感器，通过传感器实时收集水位、水质，在发电机组室部署温度传感器、湿度传感器、声呐探测装置，实时收集发电机组的温度、转子转速和水轮旋转状态，并将数据存储到数据库中；

建立路线数据库，将水库地图录入路线数据库，在路线数据库中规划无人机固定巡航路线，并设定巡航周期，无人机通过搭载视觉模块收集水库水面和水库周围环境的视觉图像，搭载红外探测模块收集水库热感图像，并且在无人机上搭载信号中继器，信号中继器接收传感器发送的数据并将信号放大，通过无线传输到服务器。

根据上述技术方案，所述分析传感器收集的水库环境数据的步骤，包括：

通过边缘节点构建模块在近用户端建立边缘分析节点，传感器将数据传输至边缘服务器数据库进行存储，传感器收集的水文数据和发电机运行数据在插入数据时，数据库对数值进行检测，若数值不在允许的阈值范围内，则数据库标记该数据并发出警报提醒管理人员注意，若数值在阈值范围内，则该数据直接插入数据库，边缘分析节点实时获取边缘服务器数据库中的数据进行分析，通过数据库验证数据是否符合条件的方法能够在数据插入数据库时对数据进行检测，减少分析时间。

根据上述技术方案，所述分析发电机组的运行状态的步骤，包括：

获取数据库中数据，分析水库视觉图像，识别水库轮廓节点，连接轮廓节点构建水库平面轮廓模型，在轮廓模型上构建网格图，计算水库水面面积，识别热感图像区域温度，若温度大于第一阈值小于第二阈值，指令发送模块发送指令调用无人机前往巡查，若温度大于第二阈值，系统判定发生火灾，通知管理人员并报警；分析发电机组在运行状态下的温度，当温度大于阈值时，指令发送模块发送指令控制闸门减小流入水轮的水流量，分析声呐数据，根据声呐数据构建水轮运转模型，对比数据库中预设的水轮运转模型，当模型相似度小于系统设定阈值时，指令发送模块发送指令控制进水口关闭，结束发电进行检修。

根据上述技术方案，所述构建水库环境数据图表和发电机组运行状态图表，预测水库变化对发电机组的影响的步骤，包括：获取数据库中记录的水库和发电机组的数据，图表构建模块利用数据构建数据变化折线图表，预警分析模块分析折线图表，识别图表斜率变化，当斜率呈现持续大于0趋势或持续小于0趋势时，系统预测该数据将呈现上升趋势或下降趋势，预警分析模块发出警报提醒管理人员注意数据变化提前做好应对措施，并对该数据进行密切跟踪，关注数据变化；分析计算能够用来水力发电的水量体积，分析发电水量与发电机组的转子转速和发热量之间的关系，构建关系图谱，根据关系图谱调整发电机组的工作；

示例性的，获取实时水位和安全水位/>，通过公式计算能够进行发电的水量/>：式中，/>表示能够进行发电的水量体积，单位立方米，/>表示水库水面的面积，单位是平方米，/>是体积系数，/>表示实时的水位，/>表示安全水位，/>表示利用这些水量发电需要的时间，/>表示水流在发电机组内的流速，通过计算能够预测利用发电机组发电排出水量需要的时间；

通过下式计算水库水量变化量：

式中，，/>表示发电机组在一段时间内排放的水量，/>表示水库随时间变化的水量，/>表示水库水面面积随时间变化的系数，/>表示一段时间，/>表示预测的水位，计算一定时间内发电机组排出水量和水库水量变化量，对比两变化量，当/>时，系统预测水位仍在上涨，发电机组不能将水迅速出，控制模块提前控制闸门打开排水，当/>时，系统预测水位下降，发电机组能够将水量全部排出。

根据上述技术方案，所述规划无人机路线对发电机组进行巡查，控制发电机的运行，并将数据可视化的步骤，包括：

路线规划模块获取边缘节点标记的异常区域，在路线数据库中规划无人机巡查该区域的路线，派遣无人机进行巡查，在发电机组进行发电的过程中，边缘节点检测到发电机组出现异常时，指令发送模块发送指令控制发电机组停止运行，并发出警报提醒管理人员进行检修，获取构建的数据图表，数据可视化模块将图表展示在页面上，并且将预测的结果也展示在页面上。

根据上述技术方案，所述系统包括：

数据收集模块，用于收集水库环境数据；

分析预警模块，用于分析数据进行预警；

远程控制模块，用于远程控制管理水库。

根据上述技术方案，所述数据收集模块包括：

服务器模块，用于搭建边缘服务器；

无人机模块，用于对水库进行巡查；

传感器模块，用于收集水库环境数据。

根据上述技术方案，所述分析预警模块包括：

边缘节点构建模块，用于构建边缘节点；

边缘节点分析模块，用于分析水库环境数据；

图表构建模块，用于将水库环境数据构建成图表；

预警分析模块，用于预测水库环境变化发出警报。

根据上述技术方案，所述远程控制模块包括：

路线规划模块，用于规划无人机巡航路线；

控制模块，用于控制发电机组的运行和闸门的开关；

数据可视化模块，用于将数据转化成可视化图像展示在页面上。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，通过设置有指令发送装置能够通过发送指令对系统进行控制，加强了系统的控制力；预警模块能够对预测到潜在危险进行预警，保护水库设施及管理人员的安全；边缘节点构建模块和边缘节点分析模块，通过在靠近传感器端构建边缘节点，通过边缘节点对数据进行分析，能够减少数据传输的时延，实现实时数据分析，提高数据分析的时效性；预警分析模块，通过将水库的数据绘制成图表，能够预测水库水位变化，计算水库的水位变化量，能够判断发电机组能否独立完成对水库水量的控制，提高发电机组的利用效率，将水库监测与发电机组监测相结合，数据在两者中都能够利用，极大地提高了数据的利用率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例一提供的一种基于数字可视化的环境监测预警方法步骤流程图；

图2是本发明实施例二提供的一种基于数字可视化的环境监测预警系统模块组成示意图。

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、完整地描述，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。

实施例一：图1为本发明实施例一提供的一种基于数字可视化的环境监测预警系统的流程图，本实施例可应用环境监测的场景，该方法可以由本实施例提供的一种基于数字可视化的环境监测预警系统来执行，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：建立数据库，收集水库的环境数据，并将数据存储到数据库中；

在本发明实施例中，部署边缘服务器，在边缘服务器建立数据库，存储收集的水库环境数据；

在水库周边布设传感器，通过传感器实时收集水位、水质，在发电机组室部署温度传感器、湿度传感器、声呐探测装置，实时收集发电机组的温度、转子转速和水轮旋转状态，并将数据存储到数据库中；

建立路线数据库，将水库地图录入路线数据库，在路线数据库中规划无人机固定巡航路线，并设定巡航周期，无人机通过搭载视觉模块收集水库水面和水库周围环境的视觉图像，搭载红外探测模块收集水库热感图像，并且在无人机上搭载信号中继器，信号中继器接收传感器发送的数据并将信号放大，通过无线传输到服务器；通过布设边缘服务器用于处理采集的数据，能够快速处理数据，通过无人机搭载信号中继器能够将无线信号进行放大，并且无人机处于高空，以无人机作为中继节点能够减少水库周围环境对无线信号传输的干扰，减小数据在传输过程中产生误差。

步骤二：构建边缘分析节点，分析传感器收集的水库环境数据，分析发电机组的运行状态，调整发电机组的工作负载；

在本发明实施例中，通过边缘节点构建模块在近用户端建立边缘分析节点，传感器将数据传输至边缘服务器数据库进行存储，传感器收集的水文数据和发电机运行数据在插入数据时，数据库对数值进行检测，若数值不在允许的阈值范围内，则数据库标记该数据并发出警报提醒管理人员注意，若数值在阈值范围内，则该数据直接插入数据库，边缘分析节点实时获取边缘服务器数据库中的数据进行分析，通过数据库验证数据是否符合条件的方法能够在数据插入数据库时对数据进行检测，减少分析时间，通过建立边缘节点对水库水文数据进行分析，能够减少数据传输的时延，实现实时数据分析，提高数据分析的时效性；

示例性的，边缘节点分析水库视觉图像，识别水库轮廓大小，分析热感图像锁定热感异常区域，派遣无人机进行巡航，边缘节点分析发电机组室内的温度、湿度、转子转速，根据温度和转子转速判断发电机组的负载状况，分析声呐数据，构建水轮旋转模型，判断发电机组水轮折损状况；边缘节点分析数据的具体方法为：获取数据库中数据，分析水库视觉图像，识别水库轮廓节点，连接轮廓节点构建水库平面轮廓模型，在轮廓模型上构建网格图，计算水库水面面积，识别热感图像区域温度，若温度大于第一阈值小于第二阈值，指令发送模块发送指令调用无人机前往巡查，若温度大于第二阈值，系统判定发生火灾，通知管理人员并报警；分析发电机组在运行状态下的温度，当温度大于阈值时，指令发送模块发送指令控制闸门减小流入水轮的水流量，分析声呐数据，根据声呐数据构建水轮运转模型，对比数据库中预设的水轮运转模型，当模型相似度小于系统设定阈值时，指令发送模块发送指令控制进水口关闭，结束发电进行检修，通过计算水库面积，对水库的面积进行记录，分析水库周围热感图像，及时发现水库周围火灾情况，并且监测发电机组的温度，能够提高数据处理效率，提高数据利用率。

步骤三：构建水库环境数据图表和发电机组运行状态图表，预测水库变化对发电机组的影响；

在本发明实施例中，获取数据库中记录的水库和发电机组的数据，图表构建模块利用数据构建数据变化折线图表，预警分析模块分析折线图表，识别图表斜率变化，当斜率呈现持续大于0趋势或持续小于0趋势时，系统预测该数据将呈现上升趋势或下降趋势，预警分析模块发出警报提醒管理人员注意数据变化提前做好应对措施，并对该数据进行密切跟踪，关注数据变化；分析计算能够用来水力发电的水量体积，分析发电水量与发电机组的转子转速和发热量之间的关系，构建关系图谱，根据关系图谱调整发电机组的工作；

示例性的，获取实时水位和安全水位/>，通过公式计算能够进行发电的水量/>：

式中，表示能够进行发电的水量体积，单位立方米，/>表示水库水面的面积，单位是平方米，/>是体积系数，/>表示实时的水位，/>表示安全水位，/>表示利用这些水量发电需要的时间，/>表示水流在发电机组内的流速，通过计算能够预测利用发电机组发电排出水量需要的时间；

通过下式计算水库水量变化量：

式中，，/>表示发电机组在一段时间内排放的水量，/>表示水库随时间变化的水量，/>表示水库水面面积随时间变化的系数，/>表示一段时间，/>表示预测的水位，计算一定时间内发电机组排出水量和水库水量变化量，对比两变化量，当/>时，系统预测水位仍在上涨，发电机组不能将水迅速出，指令发送模块发送指令提前控制闸门打开排水，当/>时，系统预测水位下降，发电机组能够将水量全部排出，通过将水库的数据绘制成图表，能够预测水库水位变化，计算水库的水位变化量，能够判断发电机组能否独立完成对水库水量的控制，提高发电机组的利用效率，将水库监测与发电机组监测相结合，数据在两者中都能够利用，极大地提高了数据的利用率。

步骤四：根据预测结果规划无人机路线对发电机组进行巡查，控制发电机的运行，并将数据可视化。

在本发明实施例中，路线规划模块获取边缘节点标记的异常区域，在路线数据库中规划无人机巡查该区域的路线，派遣无人机进行巡查，在发电机组进行发电的过程中，边缘节点检测到发电机组出现异常时，指令发送模块发送指令控制发电机组停止运行，并发出警报提醒管理人员进行检修，获取构建的数据图表，数据可视化模块将图表展示在页面上，并且将预测的结果也展示在页面上，通过指令发送装置，能够对整个系统进行控制，极大地提高了系统运行效率，通过将数据进行可视化处理，方便管理人员对水库和发电机组的管理，大大提高了管理效率。

实施例二：本发明实施例二提供了一种基于数字可视化的环境监测预警系统，图2为本发明实施例二提供的一种基于数字可视化的环境监测预警系统的模块组成示意图，如图2所示，该系统包括：

数据收集模块，用于收集水库环境数据；

分析预警模块，用于分析数据进行预警；

远程控制模块，用于远程控制管理水库。

在本发明的一些实施例中，数据收集模块包括：

服务器模块，用于搭建边缘服务器；

无人机模块，用于对水库进行巡查；

传感器模块，用于收集水库环境数据。

在本发明的一些实施例中，分析预警模块包括：

边缘节点构建模块，用于构建边缘节点；

边缘节点分析模块，用于分析水库环境数据；

图表构建模块，用于将水库环境数据构建成图表；

预警分析模块，用于预测水库环境变化发出警报。

在本发明的一些实施例中，远程控制模块包括：

路线规划模块，用于规划无人机巡航路线；

指令发送模块，用于控制发电机组的运行和闸门的开关；

数据可视化模块，用于将数据转化成可视化图像展示在页面上。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：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 (5)

1.一种基于数字可视化的环境监测预警方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：建立数据库，收集水库的环境数据，并将数据存储到数据库中；

步骤二：构建边缘分析节点，分析传感器收集的水库环境数据，分析发电机组的运行状态，调整发电机组的工作负载；

步骤三：构建水库环境数据图表和发电机组运行状态图表，预测水库变化对发电机组的影响；

步骤四：根据预测结果规划无人机路线对发电机组进行巡查，控制发电机的运行，并将数据可视化；

获取数据库中记录的水库和发电机组的数据，图表构建模块利用数据构建数据变化折线图表，预警分析模块分析折线图表，识别图表斜率变化，当斜率呈现持续大于0趋势或持续小于0趋势时，系统预测该数据将呈现上升趋势或下降趋势，预警分析模块发出警报提醒管理人员注意数据变化提前做好应对措施，并对该数据进行密切跟踪，关注数据变化；分析计算能够用来水力发电的水量体积V，分析发电水量与发电机组的转子转速和发热量之间的关系，构建关系图谱，根据关系图谱调整发电机组的工作；获取实时水位L和安全水位1，通过公式计算能够进行发电的水量V：

式中，V表示能够进行发电的水量体积，单位立方米，S表示水库水面的面积，单位是平方米，/>是体积系数，L表示实时的水位，1表示安全水位，T表示利用这些水量发电需要的时间，/>表示水流在发电机组内的流速，通过计算能够预测利用发电机组发电排出水量需要的时间；

通过下式计算水库水量变化量：

式中，/>,/>表示发电机组在一段时间内排放的水量，/>表示水库随时间变化的水量，/>表示水库随时间变化的水量，表示水库水面面积随时间变化的系数，/>表示一段时间，/>表示预测的水位，计算一定时间内发电机组排出水量和水库水量变化量，对比两变化量，当/>时，系统预测水位仍在上涨，发电机组不能将水迅速出，控制模块提前控制闸门打开排水，当/>时，系统预测水位下降，发电机组能够将水量全部排出。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字可视化的环境监测预警方法，其特征在于：所述收集水库的环境数据的步骤，包括：

部署边缘服务器，在边缘服务器建立数据库，存储收集的水库环境数据；

在水库周边布设传感器，通过传感器实时收集水位、水质，在发电机组室部署温度传感器、湿度传感器、声呐探测装置，实时收集发电机组的温度、转子转速和水轮旋转状态，并将数据存储到数据库中；

建立路线数据库，将水库地图录入路线数据库，在路线数据库中规划无人机固定巡航路线，并设定巡航周期，无人机通过搭载视觉模块收集水库水面和水库周围环境的视觉图像，搭载红外探测模块收集水库热感图像，并且在无人机上搭载信号中继器，信号中继器接收传感器发送的数据并将信号放大，通过无线传输到服务器。

3.根据权利要求2所述的一种基于数字可视化的环境监测预警方法，其特征在于：所述分析传感器收集的水库环境数据的步骤，包括：

通过边缘节点构建模块在近用户端建立边缘分析节点，传感器将数据传输至边缘服务器数据库进行存储，传感器收集的水文数据和发电机运行数据在插入数据时，数据库对数值进行检测，若数值不在允许的阈值范围内，则数据库标记该数据并发出警报提醒管理人员注意，若数值在阈值范围内，则该数据直接插入数据库，边缘分析节点实时获取边缘服务器数据库中的数据进行分析，通过数据库验证数据是否符合条件的方法能够在数据插入数据库时对数据进行检测，减少分析时间。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字可视化的环境监测预警方法，其特征在于：所述分析发电机组的运行状态的步骤，包括：

获取数据库中数据，分析水库视觉图像，识别水库轮廓节点，连接轮廓节点构建水库平面轮廓模型，在轮廓模型上构建网格图，计算水库水面面积S，识别热感图像区域温度，若温度大于第一阈值小于第二阈值，指令发送模块发送指令调用无人机前往巡查，若温度大于第二阈值，系统判定发生火灾，通知管理人员并报警；分析发电机组在运行状态下的温度，当温度大于阈值时，指令发送模块发送指令控制闸门减小流入水轮的水流量，分析声呐数据，根据声呐数据构建水轮运转模型，对比数据库中预设的水轮运转模型，当模型相似度小于系统设定阈值时，指令发送模块发送指令控制进水口关闭，结束发电进行检修。

5.根据权利要求4所述的一种基于数字可视化的环境监测预警方法，其特征在于：所述规划无人机路线对发电机组进行巡查，控制发电机的运行，并将数据可视化的步骤，包括：

路线规划模块获取边缘节点标记的异常区域，在路线数据库中规划无人机巡查该区域的路线，派遣无人机进行巡查，在发电机组进行发电的过程中，边缘节点检测到发电机组出现异常时，指令发送模块发送指令控制发电机组停止运行，并发出警报提醒管理人员进行检修，获取构建的数据图表，数据可视化模块将图表展示在页面上，并且将预测的结果也展示在页面上。