基于全生命周期的大坝安全智能监测与预警系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程中大坝安全监测领域，是一种基于工程结构物全生命周期的大坝安全智能监测与预警系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着国家西部大开发、西电东送战略的实施，我国水电工程发展非常迅速，众多有代表性的大型、特大型水电工程纷纷启动，混凝土高拱坝已成为大型水利枢纽的主要坝型之一，高拱坝、特高拱坝在建及待建的项目众多。近几年以来，随着溪洛渡、锦屏一级等300m级特高拱坝，以及拉西瓦、构皮滩等一批200m级以上和小湾300m级特高拱坝相继建设，在高拱坝工程的设计、施工、材料和机械设备等方面取得了许多实践经验，标志着我国高拱坝建设已进入了一个新的阶段。
[0003]高拱坝的勘察设计、建设施工、运行管理是一个极其复杂的过程，涉及大量基础和实时信息，技术要求高、质量控制严、施工周期长、混凝土浇筑和金结量较大，这些都是高拱坝全生命周期需要掌握的因素，全生命周期评估贯穿于大坝建设前期阶段、大坝的施工阶段和运行维护阶段。为了实现对高拱坝建设和运行过程中全生命周期的绝对安全，必须开发出拱坝施工过程监测与分析信息系统，借助信息化手段、优化施工管理模式，对混凝土基础处理、混凝土施工、温度控制的数据进行全面的搜集、整理、分析、展示、共享，开发，进而实现统一的数据接口、查询分析与预报警方案，为大坝基础处理和温度控制提供可靠的数据，实现有效地过程监控与分析，为建设优质工程服务。
[0004]国内在高拱坝全生命周期的生产管理方向上，还没有较为成熟的智能化施工方法和技术。从已有文献上看，“钻孔灌注粧施工辅助管理系统”(涂意美等.钻孔灌注粧施工管理系统研宄.探矿工程(岩土钻掘工程)，2009，(SI):418-421+426.)、“三峡二期工程混凝土生产管理与决策支持系统”(常黎，周建中，等.三峡二期工程混凝土生产管理与决策支持系统研宄.水电能源科学，2001，19(1):63-65+80)、针对糯扎渡工程研发的“心墙堆石坝填筑碾压质量实时监控系统”(刘东海，王光烽.实时监控下土石坝碾压质量全仓面评估[J].水利学报，2010，41 (6):720-726.)等是为数极少的代表性的应用。其中“心墙堆石坝填筑碾压质量实时监控系统”利用GPS高精度定位技术及实施跟踪技术，实现了原料的运输的监控与加水过程的自动控制，以及大坝碾压轨迹、遍数的实时跟踪，准确、实时地对堆石坝施工过程实现控制，代表了国内的较高水平，但由于系统功能相对比较单一，缺乏与项目管理系统及其他业务管理系统的有效整合等因素，上述的应用没有得到持续的发展与推广应用，在混凝土高拱坝的全过程实时监测、特别是高拱坝混凝土施工与温控过程控制上，同期尚未有类似报道。
[0005]由此可见，从高拱坝工程的整体建设及运行的全生命周期来看，仍然缺乏一种全面、综合的现代化管理手段，针对高拱坝工程的特点与上述管理需求。
[0006]公开于该发明【背景技术】部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般【背景技术】的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种基于全生命周期的大坝安全智能监测与预警系统。
[0008]本发明通过创建涵盖大坝建设勘察设计、建设施工、运行管理的大坝混凝土和地基整体三维结构及建设过程信息的大坝全景信息模型(DM)，并基于DM开发的包含大坝建设各专业质量管理和动态分析控制的智能高拱坝建设信息化平台(iDam)，运用感知、分析与控制等智能技术，实现了高拱坝全生命周期监测、评估及预警，保证高拱坝全生命周期的安全。
[0009]为了达到上述目的，本发明提供一种基于全生命周期的大坝安全智能监测与预警系统，其由现场监测子系统、数据处理及综合数据库子系统、通讯网络子系统和大屏幕显示平台组成；所述现场监测子系统包括设置大坝不同位置处的传感器来对大坝的各种参数进行实时监测，并且通过通讯网络子系统将监测数据发送给数据处理及综合数据库子系统；所述数据处理及综合数据库子系统由智能大坝建设信息化平台、基础数据库、工程资料库、专家知识库、安全评估和预警分析评价系统构成；所述智能大坝建设信息化平台是基于大坝全景信息模型上开发的，利用数据库数据和监测数据作为仿真和全面分析的基础数据，并形成基于基础数据库、实时数据库和监测数据库的综合数据库；所述智能大坝建设信息化平台基于数据库的数据以及监测数据形成二维/三维实体模型，用于建设期间全坝、全过程、全专业的精细化管控，为大坝的安全管理奠定基础，保证大坝全生命周期的安全运行；所述通讯网络子系统将其他现场监测子系统、数据处理及综合数据库子系统和大屏幕显示平台进行相互连接；所述大屏幕显示平台由多媒体显示单元和桌面操作控制单元组成，通过通讯网络子系统与所述智能大坝建设信息化平台相连，以将大坝的二维/三维实体模型进行显示。
[0010]优选地，所述基础数据库包含通过搜集并整理的大坝保护区内工程建设前期气象、水文、地质数据和大坝设计的各项技术指标值数据；所述工程资料库集中了大坝的工程技术资料数据，包括大坝基本参数、基础类数据和管理类数据；所述专家知识库收录了其他类似大坝或水工建筑物工程资料数据以及其他相关数据；所述安全评估和预警分析评价系统通过智能大坝建设信息化平台建立的全坝全过程的高可靠度精细仿真，实现大坝建设全过程的预测和控制；所述通讯网络子系统平台建立自组织传感器监测系统网络和远程通讯网络，实现无线网络全覆盖，以及对监测数据的远程通讯传输。
[0011]优选地，所述现场监测子系统中的传感器包括下述部件中的一个、多个或者全部:温度传感器单元，其用于对混凝土施工过程和运行过程的温度进行监测；监测传感器，其用于建设施工全过程和运行过程中下述内容中的多项或者全部:冷却水温度监测、混凝土横缝张开程度变化监测、竖直方向错动变形监测、大坝应变监测、大坝裂缝开合度监测、大坝位移监测、坝体及坝基渗流监测，以及用于对构筑物不同结构部位和坝体自身有可能产生的横缝张开程度变化和竖直方向的错动变形而产生的裂缝进行监测；应力应变传感器、位移传感器、测压管或渗压计，其用于监测大坝施工阶段和大坝运行阶段的应力、位移、水位、裂缝大小和坝体坝基渗流；并且，通过使用RFID及条码识别技术，对所述各个传感器、测压管或渗压计进行统一编码，实现埋设装置快速扫描定位；进一步地，所述温度传感器单元由数字式温度传感器、手持式温度记录仪、无线温度采集仪、温控管理服务器与分析软件中的多个或者全部组成，采用物联网技术，利用数字化感知、工业无线通讯技术，对混凝土生产、运输、浇筑、温度控制、接缝灌浆、固结灌浆、帷幕灌浆中多项或者全部进行实时温控数据的采集，并实时评判温控状态。
[0012]优选地，所述基于智能大坝建设信息化平台包括如下的功能模块中多个或者全部:混凝土施工、接缝灌浆、固结灌浆、帷幕灌浆、金结制安、温度控制、质量管理、安全监测、仿真分析、渗流变形分析、工程联机分析、预报警管理、工程资料库、综合查询；所述专家知识库的相关数据包括如下内容中一个、多个或者全部:政策法规数据；企业管理制度、标准数据；工艺规范和工艺操作规程数据；应急预案、救援和自救手册数据；重大安全生产隐患、重大危险源和危险化学品数据；重特大事故档案数据；安全生产专家及安全评价中介机构数据；抢险救灾资源数据；所述大坝为高拱坝。
[0013]优选地，所述智能大坝建设信息化平台利用获取的大坝建设施工阶段监测数据和运行管理阶段监测数据以及设计数据，作为仿真和全面分析的基础数据，并形成基于设计基础数据库、实时数据库和监测数据库的综合数据库；其中:所述基础数据库为大坝的设计基础数据和成果；所述实时数据库包括大坝建设全过程中的施工动态成果；所述监测信息数据主要是基于施工期布设的，同时用作运行期监测的安全监测仪器获取的大坝建设过程中基础和大坝体形实时监测数据。
[0014]优选地，所述安全评估和预警分析评价系统通过对基于海量数据、质量安全判断规则与标准以及知识管理专家咨询体系的仿真分析、判断与决策；并且应用基于大数据技术展开信息分析与数据挖掘，满足决策支持和协同工作需要。
[0015]优选地，所述通讯网络子系统平台通过结合以太网和W1-Fi无线、3G+ZigBee实现无线网络全覆盖。
[0016]本发明还提供一种上述基于全生命周期的大坝安全智能监测与预警系统的实施方法，包括:A)构建现场监测子系统；B)创建贯穿于大坝工程设计、施工、监测、运行、管理方面的基于互联网的覆盖大坝全生命周期的信息处理与协同工作的大坝全信息模型，并应用基于该模型开发的智能拱坝建设信息化平台，为大坝智能化建设提供的软件环境支持并且通过从所述现场监测子系统得到的数据实现全过程智能化监测；C)构建由基于智能大坝建设信息化平台、基础数据库、工程资料库、专家知识库、安全评估和预警分析评价系统组成的数据处理及综合数据库子系统平台；D)建立通讯网络子系统，建立自组织传感器监测系统网络和远程通讯网络；E)建立大屏幕显示平台用于将大坝的二维/三维实体模型进行显示，所述大屏幕显示平台由多媒体显示单元和桌面操作控制单元组成。
[0017]所述实施方法包括下面步骤中的一个、多个或者全部；
[0018]所述步骤B)进一步包括:B1)基于大坝全景信息模型以三维数字技术为基础，集成大坝工程项目各种相关信息的工程数据，对工程项目相关信息的详尽表达，根据设计单位提供的大坝上下游面立视图和相应的体型参数，按照以下流程完成大坝及基础网格的自动剖分；
[0019]其中所述步骤BI)进一步包括通过以基于大坝全景信息模型为核心的一体化平台，实现大坝相关设计、监测、进度、施工、质量、地质属性信息在各个部门之间的共享与有序流动；Β1-2)建立基于大坝全景信息模型统一的分层级编码体系、坐标体系及设计骨架，继承并管理大坝相关的三维结构设计成果；所述B1-2)进一步包括:Β1-2-1)在上下游立视图的基础上进行二维CAD超元划分；Β1-2-2)将CAD网格转化为二维有限元网格；B1-2-3)运用二维有限兀网格和体型参数生成二维现体超兀网格；B1_2_4)在二维现体超元网格的基础上增加地基单元；Β1-2-5)对超元网格进行加密，建立适用于大坝仿真分析的有限元网格；B2)以基于大坝全景信息模型核心平台，实现基于大坝全景信息模型的施工过程管理一体化；B3)在大坝全景信息模型上划分的大坝虚拟模型的各施工区域监测布局；其中，所述步骤B3)进一步包括:B3-1)对大坝施工过程关键的大体积混凝土施工过程的温度控制进行数字测温；B3-2)所述数字测温采用物联网技术，利用数字化感知、工业无线通讯技术，进行实时温控数据的采集，实时评判温控状态；B3-3)在监测不同构筑物结构部位和坝体自身有可能产生的横缝张开程度变化和竖直方向的错动变形而产生裂缝的部位节点上设置测缝计监测传感器；B3-4)通过虚拟与实际的相互结合，实现对大坝建设施工阶段和大坝运行管理阶段的温度、变形、位移、裂缝、坝体坝基渗流有可能产生大坝安全隐患的安全因子进行全过程监测，并组成自组织传感器监测网络；B3-5)对大坝进行结构测绘、放样定位、形态检测、变形监测，进行基于大坝全景信息模型的自动化测量，建立基于大坝全景信息模型的监测体系，进行基于大坝全景信息模型的虚拟现实监测；B3-6)将基于大坝全景信息模型与施工组织进度计划链接，在建设施工阶段先进行4D施工模拟，然后对施工过程真实再现；B4)在基于大坝全景信息模型上建立基于智能大坝建设与运行信息化平台，施工过程数据采集利用监测获取的大坝施工现场数据，作为为仿真分析提供全面的进度分析基础数据；其中，所述步骤B4)进一步包括:B4-1)通过虚拟建造的三维形象化过程展示；B4-2)根据在基于大坝全景信息模型上划分的大坝虚拟模型的各施工区域监测节点布局，在实际部位节点上设置测缝计，监测不同构筑物结构部位和坝体自身有可能产生的横缝张开程度变化和竖直方向的错动变形而产生的裂缝；B4-3)通过在基于大坝全景信息模型上划分大坝各施工区域监测节点和在大坝实际施工过程中，对混凝土生产、运输、浇筑、接缝灌浆、固结灌浆、帷幕灌浆的温度控制，金属构件安装，安全监控，原材料检测，实施工程联机分析，设置工程资料库，开展预报警管理和渗流变形分析、综合查询在内的所有大坝施工过程的安全、进度、质量、工艺进行全过程监测与控制；B4-4)建立仿真模型；B4-5)设计温度探测器监测传感器的工作期限，并制定再次唤醒机制，并且根据测量对象的不同自动定义监测频率；B4-6)建立施工过程精细化仿真模型和获取仿真参数；B4-7)设计符合现场决策需求的建模和分析功能；B4-8)为项目管理人员提供可全方位分析和比较的工具，指导实现现场的进度控制，对基于仿真的施工进度实时控制；B4-9)对大坝运行的管理进行监测；
[0020]所述步骤C)进一步包括:C1)在基于大坝全景