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_3

文档序号:8360656阅读:来源:国知局
限定义、角色定义、用户定义、角色授权机制;
[0054]2、所述基础数据库(2-2):(1)包含了通过搜集并整理的高拱坝保护区内工程建设前期气象、水文、地质数据和高拱坝设计的各项技术指标值等数据,包括设计技术要求、各类地质结构的参数和分布、混凝土物理力学和变形试验成果、坝体结构三维体型、数字分析的基础网格、高拱坝和基础联合体的应力变形等,涵盖从预可行性研宄开始到施工结束的各阶段的试验、检测、设计和科研成果;具体有地形与建基面、地质和水文地质、材料及其本构关系、应力与变形参数、二位和三维建筑物结构、设计与施工技术标准和主要控制指标等,这些数据预先录入数据处理及综合数据库系统平台中,作为实测数据的参考;(2)点击基础数据库模块同时具有通过互联网链接到设计单位、气象部门、地质勘探部门网站功能,读取需要的相关数据;
[0055]3、所述工程资料库(2-3)集中了高拱坝所有的工程技术资料数据,包括高拱坝基本参数、基础类数据和管理类数据。
[0056](I)基于高拱坝DIM整体模型及其参数、分段模型及单元模型及其参数;
[0057](2)高拱坝基本参数包括坝顶高程、建基面最低高程、最大坝高、坝顶拱冠厚度、坝底拱冠厚度、最大中心角、顶拱中心线弧长、厚高比、弧高比、导流底孔、泄洪深孔、溢流表孔、混凝土工程量、钢筋制安量、金属结构量及安装信息、总工期等方面;
[0058](3)坝址区域各类地质结构的参数和分布、混凝土物理力学和变形试验与检测结果、坝体结构三维体型、数字分析的基础网格、高拱坝和基础联合体的应力变形等数据信息;
[0059](4)高拱坝建设过程中的施工动态成果,包括①基础开挖,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;②金属构件安装等施工动态监测数据及成果;③温度;横缝张开度、应力、应变等监测数据及成果,④建设过程中基础和高拱坝施工全过程实时监测数据等基础数据;
[0060](5)应急预案数据、事故记录数据;
[0061](6)工程源数据;传感器编号;型号及其监测数据;工程部门数据和分类编码数据等方面管理维护信息数据;
[0062](7)施工设备及其参数;施工安全监测;原材料检测等在内的所有专业功能管理模块;高拱坝施工全过程的进度、质量、工艺和成果;
[0063]4、所述专家知识库(2-4):①收录了其他类似大坝或水工建筑物工程资料数据;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;?通过专家知识库的维护管理模块、知识库挖掘分析模块,按照水电行业特征、实时信息特征、使用特征、属性特征等构成较高效的系统信息和有结构的,有组织形式的知识模块化,把原来的混乱状态知识变得有序化,从而构成便于利用的信息和知识的检索;
[0064]5、所述安全评估和预警分析评价系统(2-5)通过基于iDam建立的全坝全过程的高可靠度精细仿真,实现高拱坝建设全过程的预测和控制;具体为:
[0065](I)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,实现仿真分析向事前预测、事中控制、事后反馈转变,针对高拱坝温度应力、工作性态、混凝土温度、冷却水温度、混凝土横缝张开程度变化和竖直方向错动变形、高拱坝应变、高拱坝裂缝大小、高拱坝位移、坝体坝基渗流等监测和对混凝土振捣、通水冷却和基础灌浆等进行的在线监控,设置预定的时程曲线和控制标准,进行动态优化和调控,并结合阈值进行预测、预警和报警,为施工、进度、质量、安全评估和预警分析评价提供决策支持与依据;
[0066](2)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。利用对不同龄期、不同构件的全级配混凝土合格试件,通过荷载、裂缝口张开、位移、应变等方面的检测数据参数,并通过试件数据参数,获得全级配混凝土的起裂断裂韧度平均值、失稳断裂韧度平均值、临界缝高比平均值、断裂能平均值,给出混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度随龄期变化规律、弹性模量随龄期变化规律、起裂断裂韧度及失稳断裂韧度随龄期变化规律和断裂能随龄期变化规律曲线图,这些数据参数及其曲线图,作为评估和分析评估高拱坝混凝土构件的实际断裂性能参数依据;
[0067](3)仿真模拟混凝土结构浇筑过程中多种因素,对温度场、应力场的变化,对一般结构进行线弹性和非线性分析;根据监测终端获取的监测数据,实时分析是否满足技术要求。对所获取的信息进行分类、整理、辨伪、推测等处理,使之成为可用于风险评价与预警的有用信息;
[0068](4)归类风险因素并进行分析变化因素,分析风险的真实信息,分析影响风险的主要因素、次要因素,分析影响风险的直接因素、间接因素等。通过对多种信息来源进行组合和相互印证,使各种零散信息转变为整体化的具有预报性的可靠信息,对已有信息做出准确的分析评价;
[0069](5)通过将实际监测数据与相对应的试件数据进行分析和研判,给出相应曲线图,对发展趋势进行预测,确定预警指标阀值,并对于确定的异常数据进行预警发布。
[0070]三、所述通讯网络子系统平台(三)建立自组织传感器监测系统网络和远程通讯网络,并通过结合以太网和WiF1、3G、ZigBee,实现无线网络全覆盖,最终实现对监测数据的远程通讯传输;具体包括:
[0071]1、在现场通讯环境中组建远程通讯网络,在传输速度、容量和稳定性方面综合考虑现场各种智能监测需求,并留有可扩展空间,实现高拱坝安全监测与预警系统直接对现场监测数据的实时监控;
[0072]2、组网系统利用两个无线模块A、B,光纤收发器C、D。通过AP-A实现智能控制箱与局域方现有无线网络互连。监控数据通过该网络传送到平台侧的无线AP-B,用无线AP-B连接至光纤收发器C ;用光纤连接光纤收发器C至局域方ODF侧,通过局域方光缆至管理部门ODF侧,再用光纤连接收发器D ;通过连接器D的网口连接管理服务器进行数据通信。根据通讯数据量,管理服务器读取每个监控点的数据位1KB/S(该流量为非实时流量),采用54M带宽的WIFI无线网,满足远程监控数据传输的要求;
[0073]3、数字化的现场综合数据采集,离不开稳定高效的网络应用环境。施工现场环境复杂,左右岸跨度大,作业面多变,遮挡多、干扰大,为现场的网络建设带来困难。为了实现数字化采集的目标,应用先进的设备与相关技术,最终形成了光纤传输、WiFi无线覆盖、3G+ZigBee、通讯辅助等综合性措施,解决数据信息的实时传输,满足数据采集高稳定性与现场高适用性的需求,具体为:
[0074](I)利用100M光纤实现前方调度中心与后方办公营地的宽带网络连接,并采用光纤环网保证前后方通讯的稳定性,支持视频等高带宽数据传输;
[0075](2)采用具有超高接收灵敏度、超强回传能力设备,提供与传统设备至少3倍的距离、9倍的面积、6倍的带宽,I台设备加普通基站辅助,满足大坝左右岸、上下游的2平方公里范围的WiFi无线覆盖。
[0076](3)对低功耗设备、低带宽信息传输,辅助采用ZigBee工业级数据传输协议,采用电池供电来支持长时间的稳定工作,避免长距离供电布线,同时减少维护工作,降低现场的施工干扰。
[0077]四、所述大屏幕显示平台(四)由多媒体显示单元(4-1)和桌面操作控制单元(4-2)组成;具体包括:
[0078]1、所述多媒体显示单元(4-1)具有高拱坝三维实体模型演示,并以动画和简短视频形式,在大屏幕上形象地体现施工结构面、施工缝面、钢筋、预埋件、模板、混凝土浇筑、养护与保温等各大施工工序和各监测节点传感器位置和规格、型号及其监测数据,通过桌面显示在大屏幕上;
[0079]2、所述桌面显示控制单元(4-2)以高拱坝三维实体模型为主,显示各子系统名称及其名称下的功能模块名称,并辅以各监测部位的图形、图片、表格及文字表现形式,将整个系统中所有相关数据、预警或方案,直观地通过桌面显示展现出来;具体为:
[0080](I)在高拱坝三维实体模型上显示所有监测点图标和编号,计算机鼠标点中桌面监测点图标或编号,显示该监测点的监测位置、监测名称、传感器功能型号、监测数据等信息;
[0081](2)针对不同用户设定管理权限、查询权限等。其中包括实时监控界面展示;历史数据查询;硬件数据通信管理;数据接收、存储、发送;数据分析处理与预警;统计数据及图表输出;权限管理;信息配置;数据查询与展示;
[0082](3)直接链接数据文档管理模块,对系统中所有的数据进行表格、图表生成、输出以及分类统计,同时能够将统计数据通过网络传输到上一级管理部门;
[0083](4)将预警方案传输到具体的实施者,同时收集方案实施的反馈信息,并将该反馈信息传输到上一级管理部门,形成信息循环;
[0084](5)对分析预警评价模块中的预警信息进行预警显示,根据预警级别的不同,由不同的颜色进行表现;
[0085](6)将预警信息通过无线网络发送到现场人员的手持智能手机上,进行预警信息以及预警方案的发布。
[0086]本发明还提供一种用于上述的基于全生命周期的高拱坝安全智能监测与预警系统的实施方法,包括以下步骤:
[0087](一 )创建贯穿于高拱坝工程设计、施工、监测、运行、管理等方面的基于互联网的覆盖高拱坝全生命周期的信息处理与协同工作的高拱坝全信息模型(DM),并应用基于该模型开发的智能拱坝建设信息化平台(iDam),为高拱坝智能化建设提供先进的软件环境支持和实现全过程智能化监测构成现场监测子系统平台;具体为:
[0088]1、基于DM以三维数字技术为基础,集成高拱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高拱坝上下游面立视图和相应的体型参数,按照以下流程完成拱坝及基础网格的自动剖分;
[0089](I)通过以基于DM为核心的一体化平台,实现高拱坝相关设计、监测、进度、施工、质量、地质等属性信息在业主、设计、施工、监理及科研单位之间的共享与有序流动,最终实现设计与实体同步演进形成具备丰富信息、可随时追溯、分析、查阅的数字化高拱坝,实现高拱坝信息从设计、施工到运营过程的一体化管理;
[0090](2)首先建立基于DM统一的分层级编码体系、坐标体系及设计骨架,继承并管理高拱坝相关的三维结构设计成果,包括高拱坝地质信息、高拱坝整体几何模型、分段模型及单元模型;并以高拱坝三维几何模型为基础,实现对高拱坝的结构特征、各部位混凝土及材料热力学参数、高拱坝温控分区等设计属性的继承与管理。
[0091]I)在上下游立视图的基础上进行二维CAD超元划分;
[0092]2)将CAD网格转化为二维有限元网格;
[0093]3)运用二维有限元网格和体型参数生成三维坝体超元网格;
[0094]4)在三维坝体超元网格的基础上增加地基单元;
[0095]5)对超元网格进行加密,建立适用于高拱坝仿真分析的有限元网格;
[0096]2、以基于DM核心平台,实现基于DM的施工过程管理一体化。在基于DM的属性库中,具有施工过程属性库,将高拱坝与其施工方法、施工过程质量控制要求、材料性能要求等信息集成起来,并在施工期以基于DM为核心,实现对施工进度、工艺及完成情况、原材料质检及施工过程质量检查、动态分析等进行跟踪与信息集成,并可随着施工的进展不断丰富,动态完善高拱坝信息模型,最终实现从设计到施工、到运维期的信息整合与传递;
[0097]3、在DM上划分的高拱坝虚拟模型的各施工区域监测布局;
[0098](I)对高拱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,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组成;
[0099](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,预测分析的效率与准确程度,全面提升混凝土温控的管理水平,保证大坝混凝土的施工质量;
[0100](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(或埋设)测缝计等监测传感器;
[0101](4)通过虚拟与实际的相互结合,实现对高拱坝建设施工阶段和高拱坝运行管理阶段的温度、变形、位移、裂缝、坝体坝基渗流等有可能产生高拱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;
[0102](5)对高拱坝进行结构测绘、放样定位、形态检测、变形监测,进行基于DIM的自动化测量,建立基于DM的监测体系,进行基
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