大坝安全性态智慧感析系统及运行方法与流程

1.本发明涉及一种大坝安全性态智慧感析系统，特别涉及到一种可集成化、实时化、全域化、智慧化大坝安全监测系统。本发明还涉及所述的大坝安全性态智慧感析系统的运行方法。


背景技术：

2.在役大坝一方面受库水位、温度、降雨等外部环境荷载作用，另一方面又由于自身筑坝材料流变特性以及材料结构参数的缓慢变化，造成变形、渗流、应力等监测效应量一般呈不平稳和非线性特点。针对大坝这一复杂非线性系统，为得到其安全状况演化过程，对其实测资料的研究已逐渐从单一基于效应量变化的分析向效应量和辨识与提取其演化状态参量共同分析以获得更合理安全状况分析结果的方向发展，在充分分析变形、渗流、应力等效应量实测资料的基础上，对大坝安全状况进行合理的评估，对实现大坝安全监控、保证大坝正常运行、避免失事或减轻失事后果具有重要意义；实现大坝安全运行，通常还需做到“未雨绸缪”，依据大坝原型实测数据资料，对大坝安全状况给予综合评估与分析，配合大坝服役性态转异警戒值拟定，实时对大坝服役性态进行转异诊断和预警，对保障大坝工程长期安全服役具有重要意义，开展相关模型、判据、方法等的深入研究，具有重要的学术价值；但是当前大坝监测装置及设备都是极为传统意义上的、并不具备智能数据处理分析功能，且多种异类数据之间不能有效智慧互联互通，使得综合分析时缺少必要全面性、综合性，无法具有全局性和整体性，降低了综合判断的能力，由于现行的感测手段不具有智慧处理的能力，使得数据链条缺少及时性、准确性，延迟了快速诊断的时间、降低了判断效率和精度；因此，开发一种能实现大坝安全数据信息综合分析，具有全面性、综合性、全局性以及整体性，提高综合判断的能力，缩短快速诊断的时间、提高判断效率和精度的大坝安全监控系统很有必要。


技术实现要素：

3.本发明的第一目的是为了提供一种大坝安全性态智慧感析系统，为一种新型的可应于大坝安全监测的成套化的系统，集成大坝安全性态智慧感析系统，深度化挖掘大坝工程多源信息，实现动态-全时空域内监控，能实现大坝安全数据信息综合分析，具有全面性、综合性、全局性以及整体性，提高综合判断的能力，缩短快速诊断的时间、提高判断效率和精度。
4.本发明的第二目的是为了提供所述的大坝安全性态智慧感析系统的运行方法，从智慧应用出发，将数据信息获取及分析内置到前端感测模块，强大的多异类数据处理能力，实现数据之间有效智慧互联互通，通过多级的数据存储及分析模块，实现大坝安全数据信息综合分析，具有全面性和综合性，提高了综合判断的能力，缩短了快速诊断的时间、提高
了判断效率和精度。
5.为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：大坝安全性态智慧感析系统，其特征在于：包括智慧传感组件、封装组件和传导组件；传导组件位于封装组件内；多个智慧传感组件位于封装组件上；多个智慧传感组件之间通过传导组件连接；智慧传感组件由多个智慧化水工程传感元件组成；智慧化水工程传感元件包括四分组微连片（即四分组片）、三分仓板、推联盒、传感芯片、嵌入式调试器、微控制器、发射器（即收发器）、电容式触控器；推联盒呈中空结构，四分组微连片（即四分组片）、三分仓板、嵌入式调试器、微控制器、发射器、电容式触控器均位于推联盒内；传感芯片一部分位于推联盒内、另一部分伸出推联盒；传感芯片、四分组微连片、嵌入式调试器、三分仓板、发射器、微控制器、电容式触控器由上至下依次连接，用于对结构体进行监测并获取各种信息。
6.在上述技术方案中，智慧化水工程传感元件还包括电子调速器；电子调速器连接在嵌入式调试器与收发器之间。
7.在上述技术方案中，智慧化水工程传感元件还包括保险丝；保险丝连接在微控制器与电容式触控器之间；四分组片与三角盘连接，融连盘（即三角盘）与嵌入式调试器连接，嵌入式调试器与电子调速器连接，电子调速器与收发器连接，收发器与微控制器连接，微控制器与保险丝连接，保险丝与电容式触控器连接，三分仓板与推联盒连接。
8.在上述技术方案中，在推联盒对应的保险丝位置处设置有弹性按压纽、临仓门板、内突体；弹性按压纽固定于临仓门板最外缘的中心位置处，内突体外缘中心位置处设置有卡扣凹槽，弹性按压纽与卡扣凹槽进行连接；对监测模块起控制调控作用；推联盒的最外缘与电容式触控器内缘相重合，推联盒用于推动设备运行、并与下一个设备连接。
9.在上述技术方案中，三分仓板位于推联盒内；推联盒通过三分仓板所在位置处的卡扣与三分仓板相连接；三分仓板是一种电绝缘体，有效隔离各个电控组件的电联，保证组件正常有序运行，且控制结构进行有序拆分便于控制操作与维护。
10.在上述技术方案中，三分仓板内含插隔板，插隔板四等均分位置处设有三个拱形开槽，拱形开槽的底端为贯通开槽，拱形开槽的中部偏下位置设置有弧压口，弧压口可以在受到底部压力作用时，其弧形结构会向上部移动，保证设备底部自水平。
11.在上述技术方案中，传感芯片包括温度传感石英芯片、相对湿敏电容芯片、应力敏感芯片、六轴光纤陀螺传感芯片；温度传感石英芯片、相对湿敏电容芯片均位于推联盒内；应力敏感芯片、以及六轴光纤陀螺传感芯片的一部分（后端部位）位于推联盒内，另一部分（前端部位）配置于推联盒的外侧；六轴光纤陀螺传感芯片外侧是感测用，一般情况下该部分会被埋设到结构体内；温度传感石英芯片、相对湿敏电容芯片、应力敏感芯片、六轴光纤陀螺传感芯片分别与四分组片相连接；四分组片为t型，连接角为90
°
；四分组片用于连接融合温度传感石英
芯片、相对湿敏电容芯片、应力敏感芯片、三轴光纤陀螺传感芯片，具有重要作用。
12.在上述技术方案中，六轴光纤陀螺传感芯片上设置特种光纤、压力阀、六轴固定杆和轴口；六轴固定杆位于六轴光纤陀螺传感芯片的顶部端面上；压力阀设置在六轴光纤陀螺传感芯片的侧面；多个轴口位于六轴光纤陀螺传感芯片内（如图4所示）。
13.在上述技术方案中，六轴光纤陀螺传感芯片由六个方向的特种光纤按照近s形的方式围绕六轴固定杆进行轴向固定，并通过压力阀进行端向固定，通过轴口内贯穿特种光纤实现单向感测；压力阀为并排四列设置，用于不同高度处不同位置处的特种光纤使用；轴口为半圆弧周向设置，多个轴口对向设置，用于不同角度切入特种光纤使用，便于特种光纤的布设。
14.在上述技术方案中，封装组件由封装外壳元件、封装骨骼元件组成；封装外壳元件包括矩形侧口箱、侧面栓和四角栓；矩形侧口箱与侧面栓和四角栓连接；侧面栓安装在矩形侧口箱侧面封闭端上；四角栓安装在矩形侧口箱底部；为外封装与组合结构；推联盒通过矩形侧口箱放到其中保护与组合连接；封装骨骼元件包括轮滑槽、栓杆、中柱和底台；轮滑槽侧面与栓杆连接；轮滑槽底部与中柱连接；中柱与矩形侧口箱的底台连接，实现外封装与保护。
15.在上述技术方案中，矩形侧口箱仅能在侧面设置开口，且开口（开口门）与矩形侧口箱的箱体铰接；侧面栓固定于矩形侧口箱另一侧面，主要是用于连接下一个自封装组件；矩形侧口箱是一个门的样式，可以打开，与另一个的连接是通过侧面栓实现。
16.在上述技术方案中，传导组件由传导元件、架护元件组成；传导元件由数据存储器、数据传输器组成；数据存储器与数据传输器连接；微控制器与数据传输器连接，控制数据传输器；架护元件由架护盒、微调腿和留观窗组成；架护盒底端与微调腿顶端连接，用于实现支架与保护作用；架护盒位于数据存储器、数据传输器底端，用作承接与保护，且数据存储器、数据传输器的数据连接在架护盒内层，起连接作用。
17.为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的大坝安全性态智慧感析系统的运行方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：将智慧传感组件、封装组件、传导组件进行单独装配与连接；通过封装组件将智慧传感组件配置于待测土石堤坝结构体待测区域内部及表面，控制多个智慧化水工程传感元件，进行待测区域数据信息的获取；待测区域数据信息包括温度信息、相对湿度信息、应力信息、应变信息等；步骤二：通过智慧化水工程传感元件其内含的小波矩阵去污程序、小波阈值去污程序、总体经验模式分解去污程序进行获取数据信息的自动化处理，并对该位置（即数据信息处理对应待测区域位置）处的数据信息进行单点位置的安全监控分析；步骤三：通过传导组件将智慧化水工程传感元件实时获取的内部、表面、外部的原始及处理后的信息汇总到外部的处理器中进行分类分时分区域进行区域的融合监控分析（即跨种类的融合分析）；步骤四：基于步骤三获取的多单点位置和跨区域的多级多层融合分析，从点到面
到体的整体化安全分析，评价大坝安全性态。
18.在上述技术方案中，在步骤二中，智慧化水工程传感元件通过微控制器实现数据信息的自动化处理及安全监控分析（如图7所示）；微控制器包括小波矩阵去污程序、小波阈值去污程序和总体经验模式分解去污程序；小波矩阵去污程序进行eemd分解；小波阈值去污程序进行imf分量阙值降噪；总体经验模式分解去污程序进行降噪后大坝监测数据信息重构。
19.在上述技术方案中，智慧化水工程传感元件内设置小波矩阵去污程序、小波阈值去污程序、总体经验模式分解去污程序，智慧化水工程传感元件主要是以影响大坝安全的因子为学习机器的输入，以反映大坝安全的效应量为学习机器的输出，以从实时获取的温度传感石英芯片、相对湿敏电容芯片、应力敏感芯片、六轴光纤陀螺传感芯片序列为训练样本集，通过训练获得一个具有良好泛化能力的学习机器，建立起来的反映大坝效应量与影响量间映射关系的数学表达式，以直接给出大坝安全状态。
20.在上述技术方案中，微控制器的工作过程，包括如下步骤：s11：开始；s12：通过传感芯片获取大坝原始监测数据序列；s13：大坝原始监测数据补全；s14：通过小波矩阵去污程序进行eemd分解，获得各阶imf分量和余量rn；s15：通过小波阈值去污程序对前k个imf分量进行阙值降噪；s16：总体经验模式分解去污程序对阙值降噪后的前k个imf分量、未进行阙值降噪的其余imf分量、余量rn进行大坝监测数据信息重构；s17：结束。
21.所述特种光纤为专有名词。
22.本发明具有如下优点：(1)本发明通过大坝安全性态智慧感析系统对各异数据信息进行智能化重构与学习，可一体化实现参量感测-单点数据监控-区域综合评价，使得大坝安全性态智慧感析系统具有全方位、立体化、智能化感测水工程多源信息的能力，可实现动态-全时空域内监控与预警，提升水工程高效智慧前端化管理；(2)本发明提供了一种大坝安全性态智慧感析系统，通过智慧化水工程传感元件的配置，其可实现全方位、立体化、智能化感测水工程多源信息，深度智能化挖掘水工程多源信息，实现动态-全时空域内前端监控，对各异数据信息进行智能化重构与学习，动态精准预测水工程性态态势，实现对水工程高效智慧管理，具有极好的实际工程应用价值和推广潜力。
附图说明
23.图1为本发明大坝安全性态智慧感析系统的整体结构示意图；图2为本发明中的智慧化水工程传感元件的结构示意图；图3为本发明中的三分仓板结构组成图；图4为本发明中的六轴光纤陀螺传感芯片结构组成图；图5为本发明中的封装组件三维结构示意图；
图6为本发明中的传导组件三维结构示意图；图7为本发明中的智慧化水工程传感元件内部分析图；图8为本发明中实施例中的大坝区域安全监控图。
24.图中1-智慧传感组件，01-智慧化水工程传感元件，001-推联盒，002-卡扣，003-内突体，004-电容式触控器，005-临仓门板，006-弹性按压纽，007-保险丝，008-微控制器，009-收发器，010-电子调速器，011-嵌入式调试器，012-相对湿敏电容芯片，013-温度传感石英芯片，015-应力敏感芯片，050-三分仓板，051-插隔板，052-弧压口，060-四分组片，061-三角盘，070-六轴光纤陀螺传感芯片，071-特种光纤，072-压力阀，073-六轴固定杆，074-轴口，3-封装组件，330-封装外壳元件，331-矩形侧口箱，332-侧面栓，333-四角栓，340-封装骨骼元件，341-栓杆，342-中柱，343-轮滑槽，344-底台，5-传导组件，510-导传元件，511-数据传输器，512-数据存储器，530-架护元件，531-留观窗，532-微调腿，533-架护盒。
具体实施方式
25.下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
26.本发明提供了一种大坝安全性态智慧感析系统，它包括智慧传感组件、封装组件和传导组件；传导组件位于封装组件内；多个智慧传感组件位于封装组件上；多个智慧传感组件之间通过传导组件连接；智慧传感组件由多个智慧化水工程传感元件组成；本发明通过大坝安全性态智慧感析系统对各异数据信息进行智能化重构与学习，可一体化实现参量感测-单点数据监控-区域综合评价，使得大坝安全性态智慧感析系统具有全方位、立体化、智能化感测水工程多源信息的能力，可实现动态-全时空域内监控与预警，提升水工程高效智慧前端化管理；本发明中的智慧传感组件、封装组件、传导组件进行多异类信息的捕获，智慧化水工程传感元件其内含的小波矩阵去污程序、小波阈值去污程序、总体经验模式分解去污程序进行获取数据信息的自动化处理，并对该位置（即数据信息处理对应待测区域位置）处的数据信息进行单点位置的安全监控分析；通过传导组件将智慧化水工程传感元件实时获取的内部、表面、外部的原始及处理后的信息汇总到外部的处理器中进行分类分时分区域进行区域的融合监控分析（即跨种类的融合分析）；本发明将数据信息获取及分析内置到前端感测模块，强大的多异类数据处理能力，实现数据之间有效智慧互联互通，通过多级的数据存储及分析模块，实现了大坝安全数据信息综合分析；本发明为一种新型的可应于大坝安全监测的成套化的系统，集成大坝安全性态智慧感析系统，深度化挖掘大坝工程多源信息，实现动态-全时空域内监控；本发明所述系统及运行方法可推广应用于其他涉水结构领域，其为复杂环境下大坝工程安全集成化、实时化、全域化、智慧化监测提供一种切实可行的、有效的、多功能的智慧监测系统，在降低监测成本、提高监测精度及提升工程实用化能力等方面具有突出优势。
27.如图2、图4所示，沿着x、y、z、xy、yz、xz六个方向的pcf特种传感光纤071按照近s形的方式围绕六轴固定杆进行轴向固定，并通过内置tpe/tpr热塑性弹性体材质的压力阀072进行端向固定，通过中心直径为50mm、周孔直径为25mm的轴口074内贯穿pcf特种传感光纤071实现单向感测，内置tpe/tpr热塑性弹性体材质的压力阀072为并排四列设置，用于不同
高度处不同位置处的pcf特种传感光纤071使用，中心直径为50mm、周孔直径为25mm的单轴口074对向设置，中心直径为50mm、周孔直径为25mm的单轴口074为半圆弧周向设置，用于不同角度切入pcf特种传感光纤071使用，应力敏感芯片015、六轴光纤陀螺传感芯片070的前端100mm部位配置于推联盒的外侧。
28.如图2所示，温度传感石英芯片013、相对湿敏电容芯片012、应力敏感芯片015、六轴光纤陀螺传感芯片070分别与长度为200mm、内置氧化物陶瓷材质的、四根细敏感丝、每根夹角为30
°
的四分组片060相连接，四分组片060与直径为50mm的融连盘连接，融连盘（即三角盘061）与jlink形式的嵌入式调试器011连接，jlink形式的嵌入式调试器011与多级变频电子调速器010连接，多级变频电子调速器010与光纤收发器009连接，光纤收发器009与微控制器008连接，微控制器008与保险丝007连接，保险丝007与电容式触控器004连接，宽度5mm、长度200mm、高度50mm的三分仓板050与推联盒001连接。
29.如图3所示，宽度5mm、长度200mm、高度50mm的三分仓板050内含多层金属材质插隔板051，多层金属材质插隔板051四等均分位置处设有三个拱形开槽，拱形开槽的底端为贯通开槽，拱形开槽的中部偏下位置设置有直径为5mm的弧压口052，直径为5mm的弧压口052可以在受到底部压力作用时，其弧形结构会向上部移动。
30.如图2所示，在长度400mm、宽度200mm、高度50mm的推联盒001对应的保险丝007位置处设置有弹性按压纽006、临仓门板005、内突体006，弹性按压纽006固定于临仓门板005最外缘的中心位置处，内突体003外缘中心位置处设置有卡扣凹槽，弹性按压纽006与卡扣凹槽进行连接。
31.如图2所示，长度400mm、宽度200mm、高度50mm的推联盒001的最外缘设置于电容式触控器004内缘相重合，长度400mm、宽度200mm、高度50mm的推联盒001通过宽度5mm、长度200mm、高度50mm的三分仓板050所在位置处的卡扣与宽度5mm、长度200mm、高度50mm的三分仓板050相连接。
32.如图5、图6所示，矩形侧口箱331仅能在侧面设置开口，且开口与箱体铰接，侧面栓332固定于矩形侧口箱331另一侧面，主要是用于连接下一个封装组件3，栓杆341与轮滑槽343连接，中柱342顶端位于轮滑槽343底端，且中柱342为可调节高度功能，中柱342的底端位于底台的顶端，微调腿532位于架护盒533的四个边角，通过调节微调腿532的高低实现架护盒533不同高低水平设置，适应不同的应用环境和需求，数据存储器512存储温度传感石英芯片013、相对湿敏电容芯片012、应力敏感芯片015、六轴光纤陀螺传感芯片070等的数据流，数据传输器511内含hybrid wi-fi智能路由器、交换机、控制器、无线猫扩展器，将数据存储器512内数据通过有线与无线两种方式向终端设备进行传输；连接封装外壳元件330、封装骨骼元件340，构建封装组件3；连接导传元件510、架护元件530，构建导传组件5。
33.现以本发明试用于某碾压混凝土重力坝对其进行安全性态智慧感析为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其他涉水结构的安全性态智慧感析同样具有指导作用。
34.本实施例中，某碾压混凝土重力坝最大坝高113.0m、坝顶全长308.5m、坝顶高程179.0m；本实施例中，将获取的温度传感石英芯片013、相对湿敏电容芯片012、应力敏感芯片015、六轴光纤陀螺传感芯片070等多种类数据信息汇总到收发器009和微控制器008中，
微控制器008中内含了小波矩阵去污程序、小波阈值去污程序、总体经验模式分解去污程序，具体参见图7，经过微控制器008内的传导元件进行数值、监测点、监测历时区分存储，以影响碾压混凝土重力坝安全的水位、温度为学习机器的输入，以反映大坝安全的应力、应变、温度为学习机器的输出，以从实时获取的温度传感石英芯片013、相对湿敏电容芯片012、应力敏感芯片015、六轴光纤陀螺传感芯片070的数据序列为训练样本集，通过训练获得一个具有良好泛化能力的学习机器，建立起来的反映大坝效应量与影响量间映射关系的数学表达式，以监控碾压混凝土重力坝安全状态；如图8所示，本实施例中的14#坝段整体安全度大体处于第二警戒线和第一警戒线之间，诊断大坝安全状况为异常状态，在经历补强加固后，大坝安全度呈平稳趋势；本实施例中的22#坝段整体安全度低于14#坝段，但亦处在第二警戒线和第一警戒线之间，诊断大坝安全状况为较为严重的异常状态，在经历补强加固后，大坝安全度呈缓慢上升趋势；本实施例中的35#坝段整体安全度处于第三警戒线和第二警戒线之间，诊断大坝安全状况为基本正常状态，同时也可以看出补强加固对改善该坝段安全状况的效果不明显。
35.其在形式上和细节上作出各种变化，不脱离本发明的原理前提下，这些改进、润饰也应视为本发明的保护范围。
36.其它未说明的部分均属于现有技术。