水库大坝安全监测多仪器联合观测预警系统及方法与流程

1.本发明涉及水利工程位移监测技术领域，尤其涉及一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警系统及方法。


背景技术：

2.水库位移变形监测问题是水库大坝安全运行的重要环节之一，目前常规监测的做法是人工使用全站测量仪获取表面位移信息，或者通过沉降仪、引张线、正倒垂线等方法获取内部变形情况。但是上述这些方式，难以满足监测的密度、频率要求，对操作人员的要求较高，部分地方移动测量十分不便，在时间上和空间上存在一定的监测限制，因此水库大坝目前位移监测上仍存在：1、无法及时发现水库大坝位移情况；2、无法监测大坝整体位移场情况。综上，相关技术存在的问题亟需得到解决。


技术实现要素：

3.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警系统及方法。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警系统，包括：
6.用于监测水库大坝位移的监测网，设置在水坝水库大坝上，所述监测网包括全量测点、gm测点和mems测点；其中，全量测点作为监测网中的控制点，gm测点作为补充控制点，mems测点作为加密点；
7.数据处理模块，用于获取全量测点、gm测点和mems测点采集到的监测数据，对监测数据进行处理，获得监测网的位移场，根据位移场实现大坝变形预警。
8.进一步地，所述监测网采用四边形网格的方式进行布置或者采用三角网格的方式进行布置。
9.进一步地，所述全量测点用于获取实时、中短期及长期下的监测点的真实坐标及位移；
10.所述gm测点用于获取实时、中短期下的监测点的坐标及位移；
11.所述mems测点作为监测网加密点，用于获取监测点之间的相对位移及相对坐标。
12.进一步地，所述mems测点只包括mems传感器，mems传感器采集的数据为无源测值，采用相对定位方式进行工作，动态特性好，但缺乏绝对位置且无时间信息，递推累积误差严重；
13.基于mems测点采集的数据推算出的位移，结合大坝整体变形规律分析，初步形成大坝实时位移场。
14.进一步地，所述gm测点包括mems传感器和gnss设备，所述gnss设备采集的数据为有源测值，采用绝对定位方式进行工作，误差累积小，提供位置信息和时间信息，但易受环境影响，动态响应滞后；
15.基于gm测点采集的绝对坐标及位移值推算监测网中任意监测点的位移。
16.进一步地，所述全量测点包括mems传感器、gnss设备、标靶棱镜和全站仪；其中，全站仪采用绝对定位方式进行工作，无误差累积，提供高精度的位置信息和时间信息，但监测滞后严重；
17.基于全量测点获得的测量值校正并确定大坝整体变形趋势，结合整个监测网所有的监测点，计算整体大坝的位移场及变形趋势。
18.本发明所采用的另一技术方案是：
19.一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警方法，包括以下步骤：
20.建立用于监测水库大坝位移的监测网；其中，监测网包括全量测点、gm测点和mems测点；
21.根据mems测点采集到的数据，推算出的监测点的位移，结合大坝整体变形规律分析，初步形成大坝实时位移场；
22.由gm测点采集到监测点的绝对坐标及位移值，结合mems测点的相对定位，推算获得大坝中短期的位移场；
23.通过全量测点校正并确定大坝整体变形趋势，结合所有的监测点，计算大坝整体的位移场，根据计算获得位移场实现大坝变形预警。
24.进一步地，所述建立用于监测水库大坝位移的监测网，包括：
25.将大坝工程区划分为若干监测区域，监测区域包括地质复杂区、工程连接区、工程异常区；各区域沿坝轴线带状分布，沿区域中轴线及边线布置各类监测点，关键地区采用全量测点或gm测点，监测点与监测点之间相连形成监测网；
26.若全量测点、gm测点这两类测点距离太远，则通过mems测点对监测网进行加密。
27.进一步地，所述监测网采用四边形网格的方式进行布置或者采用三角网格的方式进行布置。
28.进一步地，根据gm测点采集到监测点的绝对坐标及位移值，由以下公式推算其他监测点的位移：
29.μ＝[n][μ]
node
[0030]
式中，μ表示待求点位移向量，[n]表示形状函数(与控制网形状相适应)，[μ]
node
表示控制点位移向量。
[0031]
本发明的有益效果是：本发明在大坝上布置全量测点、gm测点和mems测点，利用多仪器对大坝表面变形进行连续监测，能够有效监测水库大坝表面变形并及时预警，提高监测的连续性、精确性、可靠性。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
[0033]
图1是本发明实施例中四边形网格的监测网布置示意图；
[0034]
图2是本发明实施例中三角网格的监测网布置示意图；
[0035]
图3是本发明实施例中一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警方法的流程图。
具体实施方式
[0036]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0037]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0038]
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0039]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0040]
术语解释：
[0041]
全量测点：包含mems传感器(微机电系统)、gnss设备、标靶棱镜等设备，可获取实时、中短期及大坝长期运行下的真实坐标及位移的测点；
[0042]
gm测点：包含mems传感器(微机电系统)、gnss设备可获取实时、中短期测点坐标及位移的测点；
[0043]
mems测点：包含mems传感器(微机电系统)作为监测网加密点获取位移及相对坐标
[0044]
标靶棱镜：一种利用反射棱镜(或者反射片)作为反射物进行测距的设备，棱镜接收全站仪发出的光信号，并将其反射回去。全站仪利用光学原理计算到反射棱镜的距离。
[0045]
全站仪：即全站型电子测距仪(electronic total station)，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。
[0046]
如图1和图2所示，本实施例提供一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警系统，该系统能有效提高水库大坝岸坡稳定性的监测精度，有利于及时发现异常，减少险情的发生。
[0047]
该系统包括：
[0048]
用于监测水库大坝位移的监测网，设置在水坝水库大坝上，所述监测网包括全量测点、gm测点和mems测点；其中，全量测点作为监测网中的控制点，gm测点作为补充控制点，mems测点作为加密点；
[0049]
数据处理模块，用于获取全量测点、gm测点和mems测点采集到的监测数据，对监测
数据进行处理，获得监测网的位移场，根据位移场实现大坝变形预警。
[0050]
该系统需要预先在水库大坝上布置监测点，以形成监测网。具体地，可采用四边形网格的方式布置监测网，如图1所示。也可采用三角网格的方式布置监测网，如图2所示。
[0051]
作为一种可选的实施方式，监测网的布置方法，包括以下步骤a1-a2：
[0052]
a1、整体布置方式，将大坝工程区划分为若干监测区域，包括地质复杂区、工程连接区、工程异常区，区域尽量沿坝轴线带状分布，沿区域中轴线及边线布置各类测点，关键地区采用全量测点或gm测点，监测点与监测点之间相连形成监测网，各类监测点可相互连接，监测网格包括三角网格与四边形网格两类。
[0053]
a2、加密布置方式，若全量测点、gm测点这两类测点距离太远，可通过mems测点对监测网进行加密。
[0054]
进一步作为可选的实施方式，布置在监测网的监测点上的设备包括mems传感器(微机电系统)、gnss设备、标靶棱镜、全站仪等位移变形监测设备，按测点中设备组成分为：全量测点，包括：mems传感器(微机电系统)、gnss设备、标靶棱镜、全站仪，用于获取实时、中短期及大坝长期运行下的真实坐标及位移。gm测点，包括mems传感器(微机电系统)、gnss设备，用于获取实时、中短期测点坐标及位移。mems测点，仅包含mems传感器，作为监测网加密点，用于获取位移及相对坐标。其中，全量测点作为监测网中的控制点，获取位移值可作为位移真值，控制调整大坝工程整体真实位移场；gm测点作为补充控制点，获取位移值可作为中短期位移值，控制调整大坝工程中短期位移场；mems测点作为加密点，各类测点交互布置。
[0055]
进一步作为可选的实施方式，mems传感器(微机电系统)是无源测值，采用相对定位方式，全自主工作，动态特性好，但缺乏绝对位置且无时间信息，递推累积误差严重。gnss是有源测值，采用绝对定位方式，误差累积小，可在一定时间内提供相对较高的定位精度，提供时间信息，但易受环境影响，动态响应滞后。全站仪精确测量，采用绝对定位方式，基本无误差累积，提供高精度位置信息，提供时间信息，但监测滞后严重。
[0056]
基于上述三种监测设备的优缺点，采用长短期监测值融合算法处理三种监测点的数据，该长短期监测值融合算法即为mems传感器(微机电系统)瞬时监测体系、gnss短时监测体系、全站仪精确测量长期监测体系等位移变形监测体系融合算法。
[0057]
基于上述的系统，如图3所示，本实施例还提供一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警方法，该方法可以有效提高水库大坝岸坡稳定性的监测精度，有利于及时发现异常，减少险情的发生。该方法具体包括以下步骤：
[0058]
s1、建立用于监测水库大坝位移的监测网；其中，监测网包括全量测点、gm测点和mems测点。
[0059]
其中，步骤s1具体包括步骤s11-s12：
[0060]
s11、将大坝工程区划分为若干监测区域，监测区域包括地质复杂区、工程连接区、工程异常区；各区域沿坝轴线带状分布，沿区域中轴线及边线布置各类监测点，关键地区采用全量测点或gm测点，监测点与监测点之间相连形成监测网。监测网格包括三角网格与四边形网格两类。
[0061]
s12、若全量测点、gm测点这两类测点距离太远，则通过mems测点对监测网进行加密，实现加密布置。
[0062]
s2、根据mems测点采集到的数据，推算出的监测点的位移，结合大坝整体变形规律分析，初步形成大坝实时位移场。
[0063]
在步骤s2之前，还包括时间同步的步骤：将各类测点中的mems、gnss、全站仪精确测量等观测值时间同步。
[0064]
同步后，mems测点能够提供实时大坝某点角加速度、加速度、角度，并通过计算方法递推相对位移。mems测点推算出的位移，通过大坝整体变形规律分析，初步形成大坝实时位移场。
[0065]
s3、由gm测点采集到监测点的绝对坐标及位移值，结合mems测点的相对定位，推算获得大坝中短期的位移场。
[0066]
在4-8小时之间，gm测点提供gnss获取的gm测点绝对坐标及位移值。由gm测点绝对坐标及位移值与函数μ＝[n][μ]
node
推算监测网中任意点的位移。gnss与mems融合滤波测值，校正mems的累计误差，初步形成中短期内位移场。
[0067]
s4、通过全量测点校正并确定大坝整体变形趋势，结合所有的监测点，计算大坝整体的位移场，根据计算获得位移场实现大坝变形预警。
[0068]
全站仪测值校正确定大坝整体变形趋势，结合所布置而成的监测网，与函数μ＝[n][μ]
node
计算整体位移场；实现变形预警值测定。
[0069]
本实施例方法基于多仪器位移监测数据进行大坝表面变形位移量的计算、分析，能够有效监测水库大坝表面变形并及时预警，提高监测的连续性、精确性、可靠性。
[0070]
本实施例还提一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警供装置，包括：
[0071]
至少一个处理器；
[0072]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0073]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图3所示方法。
[0074]
本实施例的一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警供装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警供方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
[0075]
本技术实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图3所示的方法。
[0076]
本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种水库大坝安全监测多仪器联合观测预警方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
[0077]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0078]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0079]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0080]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0081]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0082]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0083]
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或
者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
[0084]
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0085]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。