用于水利水电工程的拦水坝智能监控系统的制作方法

本发明涉及水利水电智能监测领域，具体涉及用于水利水电工程的拦水坝智能监控系统。

背景技术：

相关技术中，对于拦水坝的监测主要为变形监测、渗流渗压监测、应力应变监测、缝隙开合度监测和温度监测等。上述监测基本为静态或准静态监测，对于坝肩稳定性以及坝体的整体位移，静态方法还是适用的，但对于反映拦水坝成拱条件的内部应力应变、缝隙开合度的情况，静态监测很难把握拦水坝工作状态的瞬时变化和随时间的演变过程，而拦水坝的瞬时成拱失效和裂缝累积效应造成的成拱失效会威胁拦水坝的安全运行。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明旨在提供用于水利水电工程的拦水坝智能监控系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

用于水利水电工程的拦水坝智能监控系统，包括数据感测模块、存储设备和计算机分析处理装置；所述的数据感测模块用于采集拦水坝重要位置的振动数据；所述数据感测模块采集的振动数据传输到所述计算机分析处理装置和存储设备，所述存储设备被配置为存储所述振动数据；所述计算机分析处理装置对所述振动数据进行处理，得到不同位置处的振动位移曲线，通过对所述振动位移曲线的分析，实现对所述拦水坝的监测。

本发明的有益效果为：通过设置数据感测模块、存储设备和计算机分析处理装置，及时发现拦水坝可能产生的损伤，快速找出损伤位置，以便采用各种工程措施加以修复和加固，并且该系统具有形式简单、施工方便、易于维护、工程造价低、运行管理方便的特点，运行时可实现远程控制。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的应用场景不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的用于水利水电工程的拦水坝监控系统的结构示意图。

图2是本发明一个示例性实施例的计算机分析处理装置的模块连接示意图。

附图标记：

数据感测模块1、存储设备2、计算机分析处理装置3、数据预处理模块31、数据分析模块32、数据评估模块33、数据显示模块34。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1、图2，本发明实施例提供了用于水利水电工程的拦水坝监控系统，包括数据感测模块1、存储设备2和计算机分析处理装置3；所述的数据感测模块1用于采集拦水坝重要位置的振动数据；所述数据感测模块1采集的振动数据传输到存储设备2进行存储，以及发送至所述计算机分析处理装置3。

所述计算机分析处理装置3对所述振动数据进行处理，得到不同位置处的振动位移曲线，通过对所述振动位移曲线的分析，实现对所述拦水坝的监测。

本发明的上述实施例通过设置数据感测模块1、存储设备2和计算机分析处理装置3，及时发现拦水坝可能产生的损伤，快速找出损伤位置，以便采用各种工程措施加以修复和加固，并且该系统具有形式简单、施工方便、易于维护、工程造价低、运行管理方便的特点，运行时可实现远程控制。

本发明通过无线传感器网络采集振动数据，无需布线，且监测实时便捷。

优选的，所述重要位置包括拦水坝坝段、施工横缝、表孔、中孔、顶拱、拱冠梁、1/4顶拱轴线位置梁和3/4顶拱轴线位置梁。进一步地，所述重要位置还包括在所述顶拱的1/8轴线位置、3/8轴线位置、5/8轴线位置和7/8轴线位置相应拦水坝坝段中心点的下游坝面。

本优选实施例设定了需要监测的拦水坝的重要位置，使监测更具有相对性。

优选的，所述计算机分析处理装置3包括依次连接的数据预处理模块31、数据分析模块32、数据评估模块33和数据显示模块34，所述数据预处理模块31用于对振动数据进行预处理；所述数据分析模块32用于对预处理后的振动数据进行分析和处理，以得到拦水坝重要位置的振动位移曲线；所述数据评估模块33用于对所述振动位移曲线进行健康分析并判断拦水坝重要位置的振动位移是否处于健康状态，输出拦水坝重要位置健康状态结果；所述数据显示模块34用于显示所述拦水坝重要位置健康状态结果。

本优选实施例构建了计算机分析处理装置3的模块架构。

其中，所述数据感测模块包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，部署时在监测区域的中心位置部署汇聚节点，将多个传感器节点根据实际需要部署于监测区域内的拦水坝各重要位置，以汇聚节点为原点，将所述监测区域划分为多个方形网格子区域，将四个中继节点部署于不同的方形网格子区域的中心位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，并能与汇聚节点直接通信；网络初始化时，传感器节点通过分簇选取多个簇头，每个传感器节点选择距离最近的簇头加入簇；在振动数据传输阶段，各传感器节点采集振动数据并将该振动数据发送至对应的簇头，簇头接收的振动数据最终发送至其中一个中继节点，进而由各中继节点将接收的振动数据传输至汇聚节点，汇聚节点汇聚所有振动数据并发送至所述存储设备2和计算机分析处理装置3。

在一种优选实施例中，传感器节点基于leach路由协议进行分簇。传感器节点还可以通过其他合适的分簇路由协议进行分簇。

在一个实施例中，簇头接收的振动数据最终发送至其中一个中继节点，具体为：若簇头与距离最近的中继节点的距离未超过其当前的通信距离，其直接将振动数据发送至该距离最近的中继节点，否则，直接在邻居簇头中选择一个权值最大的作为下一跳，将振动数据发送至该下一跳，其中邻居簇头为位于簇头通信范围内的其余簇头；簇头的通信距离按照设定的周期在范围内调节，为簇头可调节的最小通信距离，为簇头可调节的最大通信距离；簇头在第t个周期内的通信距离为：

式中，wi(t)为簇头i在第t个周期内的通信距离，qi为簇头i的当前剩余能量，qi0为簇头i的初始能量，qmin为预设的最小能量值。

本实施例创新性地设置了簇头的通信距离调节公式，该公式根据簇头的当前剩余能量来调节它自身的通信距离，从而限制了簇头的通信范围，有利于降低簇头传输振动数据的能耗，避免簇头因能量不足而快速失效，进一步提高无线传感器网络运行的稳定性。

本实施例中，簇头根据到距离最近的中继节点的距离来选择合适的路由形式，以将振动数据发送至该距离最近的中继节点，有利于较优化地节省簇头向中继节点传输振动数据的能量成本；在簇头与距离最近的中继节点的距离超过其当前的通信距离时，簇头在邻居簇头中选择一个权值最大的作为下一跳。

其中，所述权值的计算公式为：

式中，gij表示簇头i的第j个邻居簇头的权值，wj为所述第j个邻居簇头的当前通信距离，wu为簇头i的第u个邻居簇头的当前通信距离，hij为簇头i与所述第j个邻居簇头的距离，hiu为簇头i与所述第u个邻居簇头的距离，ni为簇头i的邻居簇头个数；f(wj)为判断取值函数，当所述第j个邻居簇头的通信范围内包含有中继节点时，f(wj)＝1，否则f(wj)＝0。

本实施例创新性地设置了权值的计算公式，根据该计算公式可知，具有较高概率与中继节点直接通信的邻居簇头有更大的概率作为下一跳。本实施例能够尽量降低多跳传输振动数据至中继节点的能耗，整体上节省系统在振动数据采集方面的通信成本。

在一个实施例中，所述中继节点可移动，设与中继节点直接通信的簇头集合为l，中继节点定期对集合l中的簇头进行能量监测，计算集合l中的簇头的能量势力，若集合l中存在能量势力大于0的簇头，汇聚节点在能量势力大于0的簇头中，向最大能量势力的簇头方向移动设定的距离，其中中继节点移动的总距离不能超过预设的距离上限；其中能量势力的计算公式为：

式中，kd为集合l中的簇头d的能量势力，qd为簇头d的当前剩余能量，qde为簇头d对应簇内第e个传感器节点的当前剩余能量，md为簇头d对应簇内的传感器节点数量，wd为簇头d的通信距离，ql为集合l中的第l个簇头的当前剩余能量，wo为中继节点的通信距离。

靠近中继节点的簇头不仅需要接收和转发其簇内的振动数据，还需要中继转发其他簇头的振动数据，因此相对于其他簇头，需要消耗更多的能量，所以无线传感器网络在中继节点附近容易产生能量空洞。

基于此问题，本实施例设置中继节点可移动，并创新性地定义了能量势力的计算公式，本实施例在中继节点的附近簇头的能量势力大于0时，使中继节点向能量势力最大的簇头方向移动设定的距离，从而促使能量较低的簇头由于与移动后的中继节点过远而不再承担中继转发的任务。本实施例有益于平衡各簇头的能量，减少能量空洞现象，进而有效延长网络生存时间，提高振动数据收集的稳定性。

最后应当说明的是，以上应用场景仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳应用场景对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。