一种水工程安全与灾害防治智能试验系统

本发明属于工程防治实验，具体地说是一种水工程安全与灾害防治智能试验系统。

背景技术：

1、水工程是指在江河、湖泊和地下水源上开发、利用、控制、调配和保护水资源的各类工程；在进行水工程建设的过程中，常常需要对水工程的安全以及建设时产生的灾害防治等进行实验，以反映水工程在进行时的安全及预防灾害的预测。

2、目前的水工程在进行试验大多是一种实验进行测试，或者一种测试进行多次，最后得到实验结果，这种实验方式虽然可以完成水工程的试验，然而这种操作方式较为单一，导致实验的准确性较低，以至于不能很好的适应多种场所，降低了水工程试验的适应性。

3、为此，本领域技术人员提出了一种水工程安全与灾害防治智能试验系统来解决背景技术提出的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种水工程安全与灾害防治智能试验系统，以解决现有技术中水工程在进行试验大多是一种实验进行测试，或者一种测试进行多次，最后得到实验结果，这种实验方式虽然可以完成水工程的试验，然而这种操作方式较为单一，导致实验的准确性较低，以至于不能很好的适应多种场所，降低了水工程试验的适应性等问题。

2、一种水工程安全与灾害防治智能试验系统，包括建设水工程智能物理模型试验系统、水灾害形成机理和预测与安全评估数值模拟系统和流域数字孪生服务支撑平台，是一种具有国内自主创新、具有自主知识产权的软件产品。

3、优选的，所述建设水工程智能物理模型试验系统还包括流固耦合波流玻璃槽体和水下超声地形测控。

4、优选的，所述流固耦合波流玻璃槽体包括流固耦合波流玻璃槽体尺寸、水槽供回水装置、造流装置、流量控制平台、造波装置、波高采集平台和主动消波机；

5、流固耦合波流玻璃槽体尺寸：40m×1m×1.5m，通过造波、造流等功能重现海洋、河流波浪的随机运动，用于波、流的基础研究和实验；

6、水槽供回水装置：为流固耦合波流水槽提供水源动力；

7、造流装置：循环水泵通过变频器调节流速流量，在水泵出水管路上安装闸阀和流量计，可实时监测管路流量；

8、流量控制平台：通过基础硬件采集板卡及频率控制器，由软件来实现流量、流速、波形等控制；

9、造波装置：可进行各种波形模拟，也可实现波流同造等功能；规则波、b-m谱、p-m谱、johnswap谱、scott谱、自定义谱、不规则波造波时长无限制，且波形序列不重复；

10、波高采集平台：用于采集波高仪数据，含数据采集软件及波浪分析软件；

11、主动消波机：消除多余被造波的能量，通过反馈传感器实时调整消波机反馈力。

12、所述水下超声地形测控包括三维自动测车、多频一体化测深仪、服务器和高频水流紊动结构测速仪(piv)。

13、三维自动测车：可实现x、y、z三个方向自动行进，用于搭载测深仪进行数据测量。测车长10米，运动速度：0～0.10m/s，定位精度：±0.5mm；

14、多频一体化测深仪：通过高低频传感器反馈数据，实现地形扫描。探头测距范围1～100cm；探头测距精度0.5mm；

15、服务器：搭载流固耦合波流水槽控制软件及三维地形控制软件，用于批量处理、分析实验数据；

16、高频水流紊动结构测速仪(piv)：可瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。高速成像系统分辨率不低于500万像素，全画幅帧频不低于1000fps；测量范围0-2m/s，浓度场测量范围0.005ppm-0.2ppm；采集频率14000hz，测量范围0.3m*0.3m；测点最高空间分辨率0.2mm，速度测量精度0.1像素；源为连续激光，波长532nm，输出功率不小于13w，光斑模式近tem00；测量软件含粒子图像测速、粒子追踪测速和平面激光诱导荧光计算模块，可测量稀疏两相流中流相的平面二维流场、固相颗粒的二维速度和测量平面的标量场；

17、更进一步的说，三维自动测试系统配套软件，还包含测车行走控制模块、超声参数模块、地形测量模块和标定模块，可测量实验过程中的水下地形，显示不同时刻的水下地形，将不同时刻的地形按时间顺序保存，存储数据文档格式有dat、txt等多种格式可选。

18、优选的，所述水灾害形成机理和预测与安全评估数值模拟系统包括考虑湍流影响的平面二维水动力数学模型、流域水文模型、水工程安全监控模型。

19、考虑湍流影响的平面二维水动力数学模型：研发考虑湍流影响的平面二维水动力数学模型以及泥沙扩散和平衡挟沙条件下的泥沙输移数学模型，以实验水槽为模型应用场景，验证水体含沙量分布和底床冲淤演变形态以实验水槽为模型调试验证背景，实现实验水槽与数学模型的数字孪生关系；

20、流域水文模型：小流域新安江三水源产流、坡面瞬时地貌单位线坡面汇流、马斯京根沟道汇流演算；

21、水工程安全监控模型：实现流域多尺度水网分级模型中水工程安全监控模块的构建，服务于孪生平台中的三维实景流域模型的模拟推演；

22、水工程安全监控模型具体包括以下步骤：

23、1)构建重力坝、土石坝等典型水工建筑物的有限元数值分析模型，实现有限元计算与仿真。

24、2)构建基于数据与物理双擎驱动的重力坝、土石坝等工程混合监控模型。

25、3)基于bim技术实现重力坝、土石坝等水工建筑物的三维建模，并对典型剖面的变形、渗流等指标进行可视化呈现与表达。

26、优选的，所述流域数字孪生服务支撑平台包括流域三维实景空间数据管理平台(两套)、流域gis云应用服务系统、流域gis云门户服务系统和流域gis运维管理平台。

27、流域三维实景空间数据管理平台能够统一数据加载、类型转换、数据处理、管理流域三维空间数据资源；

28、流域gis云应用服务系统，可将流域三维空间数据资源发布为多种类型服务资源，包括但不限于：地图服务、数据服务、三维服务、几何服务、空间分析服务。并且可聚合多种类型接口的数据资源，接口类型包括：ogc标准，rest接口。具备构建集群能力，实现分布式切图。可对三维数据进行加密；

29、流域gis云门户服务系统具备资源中心、应用中心、新闻中心及管理员后台管理功能(含用户管理、安全管理)，门户系统能够自定义门户页面布局，自定义设置组织结构，设置资源共享权限。并提供门户统计功能；

30、流域gis运维管理平台能够提供负载均衡、通用监控、url监控、报警服务等功能，帮助管理员统一管理平台运维情况；

31、流域三维实景空间数据管理平台功能能够提供涵盖流域时空数据加载、数据处理、数据管理、类型转换、浏览和操作、地图、场景操作、布局排版和打印、拓扑处理、二维空间分析、三维空间分析、数据迁移在内的所有常规的空间数据处理与管理功能，满足对流域三维实景空间数据的处理、制图、管理等需求；

32、流域数字孪生服务支撑平台可支持三维gis应用，能够支持bim、max人工建模、倾斜摄影、海量地形等多种数据类型，支持s3m数据格式，能够支撑构建复杂的三维实景与应用；

33、流域三维实景空间数据管理平台中构建的三维流域场景能够支持htc vive、oculusvr等多种立体模式从而更好的支持vr设备，能够在科研实验中带来沉浸模拟体验；

34、流域三维实景空间数据管理平台能够把整个三维场景生成场景缓存，也可以选择单个数据生成缓存，在生成场景缓存时能够选择多版本s3m文件存储类型；

35、流域三维实景空间数据管理平台能够针对于不同流域的空间信息支持多种类型的空间坐标系的设置。平台须内置不少于250种的地理坐标系，不少于90种的投影坐标系，不少于5种的平面坐标系。在投影转换方面支持数据集投影转换、坐标点转换和批量投影转换；

36、流域三维实景空间数据管理平台提供不少于10种的三维空间分析方式，包括但不限于日照分析、通视分析、可视域分析、多重可视域分析、动态可视域、阴影率分析、天际线分析、填挖方分析、剖面分析、坡度坡向分析、淹没分析、开敞度分析、视频投放。同时，支持生成dsm、dom，生成立面图；

37、流域三维实景空间数据管理平台支持空间分析功能针对于栅格数据和矢量数据提供多种的空间分析方法。可提供多种基于矢量数据的空间分析功能，包括缓冲区分析、叠加分析、邻近分析、矢量裁剪、数据融合、属性更新等数据处理和分析功能，提供多种基于栅格数据的空间分析功能，包括差值分析、表面分析、水文分析、距离栅格、栅格统计、矢量栅格转换、栅格裁剪、代数运算等功能。

38、流域gis云应用服务系统能够提供地图服务、空间数据访问与管理服务；支持web客户端服务聚合功能；支持数据目录服务和集群服务，提供三维服务、空间分析服务。

39、流域gis云应用服务系统支持ogc标准服务发布，包括但不限于wcs、wfs、wms、wmts。支持二维地图瓦片发布为地图服务，包括fastdfs、mongodb分布式存储的多版本地图瓦片，阿里云ots存储的地图瓦片，以及标准的mbtiles、geopackage瓦片。

40、流域gis云门户服务系统支持对流域资源的管理、查找、共享等能力，可提供零编程快速配置和自定义扩展开发的web端应用，能够快速搭建流域门户站点，具备数据上图、地图大屏、三维地球等功能。

41、流域gis云门户服务系统能够基于角色的访问控制，支持管理员为门户中所有资源设置共享范围，支持对共享的服务进行空间范围权限控制。同时，能够全站功能的细粒度授权，管理员可为自定义角色授予门户权限。

42、流域gis运维管理平台在运维方面支持拓扑图概览，查看整个系统的结构，并监控各gis节点的状态，以及报警情况。

43、优选的，所述智能试验系统还包括模型平台、知识平台和数据底板。

44、优选的，所述模型平台包括物理模型、水利专业模型、智能识别模型、可视化模型和模拟仿真引擎；

45、所述知识平台包括水利知识和水利知识引擎；

46、所述数据底板包括数据引擎、数据资源和数据模型。

47、优选的，所述数据引擎包括数据汇聚、数据治理、数据挖掘和数据服务。

48、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

49、1、本发明通过设置多种实验方式，使得操作方式较为全面，可以很好的适应多种场所，提高了水工程试验的适应性。

50、2、本发明通过建设水工程智能物理模型试验系统，可以进行三维流固耦合模拟试验，且可以进行水力学、波浪力学，泥沙运动和河床演变实验，且通过配置多频一体化测深仪：可对水下地形测量进行实时测量；同时通过设置粒子图像测速仪piv：可实现流场空间结构以及流动特性的瞬时记录，增强了实验的准确性。