一种自适应水文条件的航道原位监测系统的制作方法

本发明涉及航道原位监测，尤其涉及一种自适应水文条件的航道原位监测系统。

背景技术：

1、在现代航道管理中，实时监测水文条件对于确保航运安全和高效管理水资源至关重要，传统的航道监测方法依赖于定点水文站的数据收集或定期的人工检查，这些方法存在显著的局限性，首先，固定水文站无法覆盖广阔和复杂的航道网络，导致监测数据的空间分辨率不足，其次，人工检查不仅耗时耗力，而且无法实现对水文条件的实时监测，难以及时响应突发水文事件，如洪水或枯水情况，此外，这些传统方法往往忽视了航道水文条件的动态变化特性，无法提供足够的数据支持进行高效的航道管理和决策制定。

2、随着技术的发展，虽然引入了一些自动化监测技术尝试改善这一状况，如使用浮标或无人机携带的传感器进行数据收集，但这些解决方案仍面临着能源管理、数据实时传输和系统适应性等挑战，特别是在复杂的水文环境下，如何根据实时水文条件自适应调整监测策略，同时确保系统的能效和持续运行，成为了当前技术发展中亟需解决的关键问题。

技术实现思路

1、基于上述目的，本发明提供了一种自适应水文条件的航道原位监测系统。

2、一种自适应水文条件的航道原位监测系统，包括智能感应模块、动态分析与决策模块、自适应调控模块、实时通信与反馈模块以及能源管理与优化模块，其中；

3、智能感应模块：具备多种水文监测传感器，用于实时收集航道的水文条件数据；

4、动态分析与决策模块：接收智能感应模块收集的水文条件数据，并利用数据分析技术分析水文条件的变化趋势，识别关键变化指标，包括流速增减、水位升降和泥沙含量变化；

5、自适应调控模块：根据动态分析与决策模块的分析结果，自动调整监测策略或参数，包括调整传感器的监测频率、优化监测点的分布或改变数据采集的重点区域；

6、实时通信与反馈模块：负责将监测数据、分析结果和调整后的监测策略实时传输至远程监控中心，并能接收来自监控中心的反馈指令，进一步优化监测系统的配置和运行策略；

7、能源管理与优化模块：确保监测系统在不同的监测策略下高效运行，通过动态调整能源消耗，包括利用可再生能源以及高效电池管理，保障系统长时间的自给自足和环境适应能力。

8、进一步的，所述水文监测传感器具体包括：

9、流速传感器：采用电磁或超声波技术，测量水流在具体点的速度；

10、水位传感器：利用压力传感器或雷达水位计，连续监测航道的水位高度，捕捉水位的升降变化；

11、浊度传感器：通过测量水体透明度，反映水质变化情况；

12、泥沙含量传感器：采用激光散射或声学测量技术，精确测量水中泥沙的含量和粒度分布。

13、进一步的，所述数据分析技术包括门控循环单元gru模型和自回归积分滑动平均arima模型，其中；

14、门控循环单元gru模型通过重置门（reset gate）和更新门（update gate）来控制信息的流动，计算公式为：

15、更新门:；

16、重置门:；

17、候选隐藏状态:；

18、最终隐藏状态更新:；

19、其中，和分别代表权重和偏置参数，代表sigmoid激活函数，代表双曲正切激活函数，是在时间点的输入向量，是在时间点的输出向量，和分别是更新门和重置门的激活值；

20、自回归积分滑动平均arima模型表示为arima(,,)，其中；

21、:自回归项的阶数，表示需要用到的前个历史值进行预测；

22、:差分次数，使得时间序列数据成为平稳序列；

23、:移动平均项的阶数，表示预测误差项的移动平均所需的前个历史误差项；

24、假设为经过次差分后的时间序列，则arima模型的计算公式为:

25、，其中，是常数项，是自回归(ar)参数，是移动平均(ma)参数，是在时间的随机误差项。

26、进一步的，所述自适应调控模块具体包括：

27、分析结果接收：接收来自动态分析与决策模块的分析结果，包括水文条件的变化趋势、关键变化指标（如流速增减、水位升降和泥沙含量变化）及其预测未来的变化情况；

28、监测策略评估：根据接收的分析结果，评估当前监测策略和参数设置的适应性，确定是否需要调整以应对预测的水文条件变化；

29、监测频率调整：根据水文条件变化的预测强度和速度，自动调整传感器的监测频率；

30、监测点优化：根据水文条件的空间分布预测，优化监测点的分布；

31、数据采集重点区域调整：根据关键变化指标的预测重要性，改变数据采集的重点区域，确保关键变化得到充分监测，同时减少对稳定区域的监控资源分配。

32、进一步的，所述监测策略评估具体包括：

33、评估监测策略适应性：基于接收到的分析结果，监测策略评估功能通过监测策略评估算法来评估当前监测策略和参数设置的适应性，当前监测策略包括：数据采集频率、监测点布局以及传感器选择；

34、提出调整建议：基于评估结果，监测策略评估功能将提出监测策略和参数设置的调整建议；

35、自动或半自动调整实施：根据调整建议，自适应调控模块自动或半自动地调整监测策略和参数设置，包括改变数据采集频率、重新配置监测点布局或更换传感器类型。

36、进一步的，所述监测策略评估算法具体包括：

37、输入数据:包括流速变化率、水位变化率和泥沙含量变化率,流速变化率、水位变化率和泥沙含量变化率基于动态分析与决策模块提供的数据计算得出；

38、决策逻辑:

39、判断流速变化率，如果大于预设阈值，则认为流速变化显著，需要增加监测频率；

40、判断水位变化率，如果大于预设阈值，则认为水位变化显著，需要调整监测点布局；

41、判断泥沙含量变化率，如果大于预设阈值,则认为泥沙含量变化显著，需要优化传感器配置。

42、进一步的，所述实时通信与反馈模块包括实时数据传输过程以及反馈指令接收与响应过程，其中；

43、所述实时数据传输过程具体包括：

44、数据打包：实时通信与反馈模块将智能感应模块收集的监测数据、动态分析与决策模块的分析结果，以及自适应调控模块根据分析结果调整后的监测策略，进行数据打包，数据打包包括时间戳、数据类型标识和数据内容；

45、加密与传输：为保障数据传输的安全性，打包后的数据将通过加密算法加密，使用标准的安全传输协议（如tls/ssl）通过网络实时发送至远程监控中心；

46、监控中心接收与处理：远程监控中心接收到加密数据后，进行解密处理，并将数据分发至相应的处理模块，包括数据展示、分析结果评估和策略调整建议审查；

47、所述反馈指令接收与响应过程具体包括：

48、接收反馈指令：实时通信与反馈模块通过安全通信通道接收来自远程监控中心的反馈指令，包括监测策略的调整、参数设置的优化建议或任务的执行指令；

49、指令解析与执行：实时通信与反馈模块解析接收到的指令，确定指令类型和执行要求，根据指令内容，实时通信与反馈模块将进行指令分发并执行，包括调整数据采集频率、变更监测点布局或更新传感器配置。

50、进一步的，所述能源管理与优化模块具体包括：

51、能源需求分析：基于当前的监测策略（包括数据采集频率、监测点布局和传感器配置），能源管理与优化模块评估监测系统的整体能源需求；

52、能源供应评估：模块评估当前的能源供应情况，包括可再生能源（如太阳能和风能）的可用性和电池储能的状态；

53、能源消耗优化策略：根据能源需求和供应情况，能源管理与优化模块采用优化算法来调整监测系统的运行参数，以减少非关键时段的能源消耗，同时保证关键监测任务的能源需求得到满足；

54、自适应能源管理执行：根据优化策略，能源管理与优化模块自动调整监测系统的能源消耗参数，实施能源消耗的动态调整，包括调整传感器的工作状态、通信设备的数据传输策略。

55、进一步的，所述能源需求分析采用能源消耗算法，对每个监测点的能源消耗进行计算，包括传感器能耗、数据处理能耗和数据传输能耗，整体能源消耗的计算公式为:

56、，其中，是监测点的总数，、和分别是第个监测点的传感器、数据处理和数据传输的能耗，是第个监测点的数据采集频率。

57、进一步的，所述优化算法具体包括：

58、设监测系统由个监测点组成，每个监测点处于高能耗模式(如高频数据采集)或低能耗模式(如低频数据采集或休眠),定义为监测点的能耗模式变量，其中表示高能耗模式，表示低能耗模式，目标是最小化整个监测系统的总能耗，同时满足关键监测任务的能源需求，线性规划模型为：

59、；

60、；

61、；

62、其中，和分别是监测点在高能耗模式和低能耗模式下的能耗,是监测点在高能耗模式下能提供的监测质量或重要性评分,是系统要求的最小监测质量总和。

63、本发明的有益效果：

64、本发明，通过智能感应模块与动态分析与决策模块协同工作，实现对航道水文条件的实时监测和深度分析，有效识别出关键变化指标如流速增减、水位升降和泥沙含量变化，这种实时数据采集与分析能力确保了监测系统能够快速响应水文环境的变化，为航道管理提供了及时准确的决策支持。

65、本发明，通过自适应调控模块和实时通信与反馈模块的引入，使得监测系统能够根据分析结果和远程监控中心的指令，动态调整监测策略和参数，这不仅提高了监测策略的灵活性和适应性，还优化了资源分配，减少了不必要的能源消耗，进一步提升了监测系统的运行效率和经济性。

66、本发明，通过能源管理与优化模块通过预定的优化算法动态调整监测系统的能源消耗，特别是在能源受限的情况下，确保关键监测任务的能源需求得到满足，这种智能的能源管理策略显著延长了监测系统的作业时间，增强了系统在偏远或难以访问地区的适用性和可靠性，为航道安全和环境监控提供了强有力的保障。