基于多传感器技术的堤坝监控分析系统

技术领域

本发明涉及堤坝监控技术领域，具体为基于多传感器技术的堤坝监控分析系统。

背景技术

堤坝是指沿河、渠、湖、海岸或行洪区、分洪区、围垦区的边缘修筑的挡水建筑物，堤坝是世界上最早广为采用的种重要防洪工程，堤坝主要功能是保障在洪水期能够有效抵御洪水，保障下游居民生命财产安全与正常生产生活，对于区域经济发展意义重大，因此，大坝安全监测受到了高度的关注和重视；

现有的堤坝监控系统无法对堤坝进行多维度监测和不能准确确定堤坝内部情况，进而不能及时有效的综合分析监控，导致无法及时发现问题，易造成安全隐患；

为了解决上述缺陷，现提供一种基于多传感器技术的堤坝监控分析系统。

发明内容

本发明的目的在于为了解决现有的堤坝监控系统无法对堤坝进行多维度监测和不能准确确定堤坝内部情况，进而不能及时有效的综合分析监控，导致无法及时发现问题，易造成安全隐患的问题，而提出一种基于多传感器技术的堤坝监控分析系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：基于多传感器技术的堤坝监控分析系统，包括多个传感器，多个传感器包括土壤湿度传感器、位移传感器、裂缝传感器、渗流量传感器和温度传感器；还包括信息采集单元、信息分析单元、处理单元和管理中心；

信息采集单元用于采集安装在堤坝上的多个传感器的堤坝数据并将其发送至信息分析单元和管理中心；

信息分析单元用于对堤坝数据进行堤坝含水量、堤坝变形、渗水分析处理得到浸润风险系数dgs、变形系数chs、漏洞系数lous

其中，对堤坝含水量进行处理的过程为：对堤坝进行分区得到干监测区和湿监测区，统计干监测区和湿监测区的数量，将湿监测区的数量除以干监测区和湿监测区的数量之和得到湿监测区的占比，将湿监测区的占比与预设占比区间比较分析，得到对应的浸润系数、浸润线风险时长和浸润线异常；对浸润系数、浸润线风险时长进行处理得到浸润风险系数dgs；

对堤坝变形进行处理的过程为：获取堤坝水平位移和垂直位移并计算得到位移距离；再获取各监测区的纵向裂缝值和横向裂缝值的大小并计算得到总裂缝值，对位移距离和总裂缝值进行处理得到变形系数chs；

渗水分析处理的过程为：获得堤坝内湿监测区内各监测点的温度值和每个测温点的深度并进行分析得到漏洞温度偏差，对漏洞温度偏差进行处理得到漏洞系数lous

处理单元用于将浸润风险系数dgs、变形系数chs和漏洞系数lous

管理中心用于接收堤坝数据和堤坝状态信号，对堤坝数据进行存储管理，将堤坝状态信号进行处理并触发警报和对堤坝状态进行打分，其中堤坝状态信号包括浸润线异常、危险含水集合、滑坡一般风险信号、滑坡严重风险信号、一般管涌监测区集合和严重管涌监测区集合。

作为本发明的一种优选实施方式，堤坝数据包括堤坝含水量、位移、裂缝、漏洞流量和温度，土壤湿度传感器用于监测堤坝含水量；位移传感器用于监测堤坝位移、裂缝传感器用于监测堤坝裂缝、渗流量传感器用于监测堤坝漏洞流量以及用于温度传感器监测堤坝内部温度数据。

作为本发明的一种优选实施方式，信息分析单元对堤坝对堤坝含水量的监测处理步骤为：

A1：将堤坝划分为若干个监测区，将各监测区进行编号，记为i＝1,2，3，……，n，n为正整数，在堤坝的每个监测区内安装有土壤湿度传感器、位移传感器、裂缝传感器、渗流量传感器和温度传感器；

A2：将堤坝分成干区和湿区，其中监测区位置属水面以上则标记为干监测区，属于水面以下则标记为湿监测区，分别统计干监测区和湿监测区的数量，分别并将其标记为gu1和su1，将湿监测区的数量除以干监测区和湿监测区的数量之和得到湿监测区的占比，预设占比区间Z1、Z2、Z3和Z4，Z1、Z2和Z3分别对应浸润系数d

A3：获取湿监测区的坝体含水量，得到坝体含水量与时间的折线图，预设含水量安全阈值和含水量警戒值，当坝体含水量处于含水量安全阈值和含水量警戒值之间时，标记为湿异常含水量w

作为本发明的一种优选实施方式，信息分析单元对堤坝变形的分析为：

B1：获取堤坝水平位移和垂直位移并将其标记为X，Y，通过公式求得

B2：获取各监测区的纵向裂缝值和横向裂缝值的大小，并将其标记为fz

B3：通过预设模型chs＝c1×ju+c2×fsum求得变形系数chs，其中c1和c2分别为位移距离和总裂缝值的权重因子系数。

作为本发明的一种优选实施方式，信息分析单元对渗水分析的具体步骤为：

C1：获得堤坝内湿监测区内各监测点的温度值和每个测温点的深度，预设深度区间，每个深度区间对应一个标准温度区间，将所有的温度值与深度一一对应匹配到对应的标准温度区间，求得温度值与标准温度的温度偏差，当温度偏差大于预设偏差时，则标记为漏洞温度偏差，将漏洞温度偏差求取平均值，统计湿监测内所有漏洞数量，将漏洞温度偏差平均值乘以漏洞数量得到监测区的漏洞系数，将其标记为lous

C2；预设漏洞系数区间，当漏洞系数不处于预设漏洞系数区间之内时，则将漏洞系数发送至处理单元；当漏洞系数处于预设漏洞系数区间之内时，则生成漏洞危险信号发送至管理中心。

作为本发明的一种优选实施方式，处理单元对于滑坡风险和管涌风险的分析为：

处理单元对堤坝滑坡的分析具体步骤为：

D1：获取浸润风险系数dgs、综合异常含水值hwl和变形系数chs，通过预设模型lbs＝a1×dgs+a2×hwl+a3×chs求得到滑坡系数lbs，其中a1、a2和a2分别为权重因子系数；

D2：预设滑坡区间Rge1和Rge2，当滑坡系数lbs属于滑坡区间Rge1时，则生成滑坡一般风险信号，当滑坡系数lbs属于滑坡区间Rge2时，则生成滑坡严重风险信号；

D3：将生成的滑坡一般风险信号和滑坡严重风险信号发送至管理中心；

处理单元对管涌的分析具体步骤为：

E1：获取对应漏洞系数lous

E2：预设管涌区间Y1和Y2，当管涌系数处于Y1之内，则标记该监测区为一般风险监测区，当管涌系数处于Y2之内，则标记该监测区为严重风险监测区；将所有标记为一般风险监测区的湿监测区，将该湿监测区的编号和位置一一对应整合到一般管涌监测区集合；将所有标记为严重风险监测区的湿监测区，将该湿监测区的编号和位置一一对应整合到严重管涌监测区集合；将得到的一般管涌监测区集合和严重管涌监测区集合发送至管理中心。

作为本发明的一种优选实施方式，管理中心对于接收的堤坝数据、浸润线异常、危险含水集合、滑坡一般风险信号、滑坡严重风险信号、一般管涌监测区集合和严重管涌监测区集合进行处理和对堤坝打分的步骤为：

F1：将堤坝数据进行保存，并获得保存时刻，将保存时刻与当前时刻进行比较分析得到保存时长，预设标准时长，当保存时长大于或等于预设标准时长时，对该日期的堤坝数据进行删除；

F2：当接收到浸润线异常、危险含水集合、滑坡严重风险信号、严重管涌监测区集合时，触发一级警报；

F3：当接收到滑坡一般风险信号和一般管涌监测区集合或两者中任一一个时，则对堤坝进行状态分析得到坝状态分数grade，具体为：将滑坡一般风险信号对应的预设数值标记为lbc，通过预设模型grade＝100+x1×lbc+x2×nu3/(gu1+su1)求得的当前堤坝状态分数grade，其中0＞x1＞x2，gu1和su1分别为干监测区和湿监测区的数量，nu3为漏洞数量；

F4：预设堤坝状态分数区间Se1、Se2和Se3，当堤坝状态分数grade处于Se1之内时，则生成堤坝状态优良并以文字形式显示，当堤坝状态分数grade处于Se2之内时，则生成堤坝状态正常以文字形式显示，当堤坝状态分数grade处于Se3之内时，则生成堤坝状态异常并以文字形式显示，触发二级警报。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过土壤湿度传感器、位移传感器、裂缝传感器和温度传感器获取堤坝数据，对堤坝数据进行计算分析得到堤坝状态信息，实现从堤坝的土壤含水量、浸润线、变形以及内部漏洞进行多维度的监测，提高对堤坝巡查和分析处理的效率，更全面更快的得到堤坝状态并反馈至管理中心和维护人员。

2、通过对堤坝状态信息能够定期自动检测堤坝是否发生浸润线异常、危险含水量、滑坡和管涌风险，发现堤坝安全隐患，触发警报同时发送至管理中心和堤坝维护人员，实现人机联动，及时监控堤坝、预防险情。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的系统总框图；

图2为本发明的堤坝示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，基于多传感器技术的堤坝监控分析系统，包括多个传感器，多个传感器包括土壤湿度传感器、位移传感器、裂缝传感器、渗流量传感器和温度传感器；还包括信息采集单元、信息分析单元、处理单元和管理中心；

信息采集单元用于采集安装在堤坝上的多个传感器的堤坝含水量、位移裂缝、漏洞流量和温度，并将其发送至信息分析单元和管理中心；

请参阅图2所示，将堤坝划分为若干个监测区，将各监测区进行编号，记为i＝1,2，3，……，n，n为正整数，在堤坝的每个监测区内安装有土壤湿度传感器、位移传感器、裂缝传感器、渗流量传感器和温度传感器；

信息分析单元对堤坝数据分析为：

对堤坝对堤坝含水量的监测处理步骤为：将堤坝分成干区和湿区，其中监测区位置属水面以上则标记为干监测区，属于水面以下则标记为湿监测区，属于湿区则标记为湿监测区，分别统计干监测区和湿监测区的数量，并将其标记为gu1和su1，将湿监测区的数量除以干监测区和湿监测区的数量之和得到湿监测区的占比，预设占比区间Z1、Z2、Z3和Z4，Z1、Z2和Z3分别对应浸润系数d

获取湿监测区的坝体含水量，得到坝体含水量与时间的折线图，预设含水量安全阈值和含水量警戒值，标记为s1和s2，其中s2大于s1；

当坝体含水量处于s1和s2之间时，标记为湿异常含水量，对应的湿监测区标记为湿异常监测区，将湿异常监测区对应的湿异常含水量标记为w

需要说明的是，当i监测区没有湿异常监测区时，则w

对堤坝变形的分析为：

获取堤坝水平位移和垂直位移并将其标记为X，Y，通过公式求得

获取各监测区的纵向裂缝值和横向裂缝值的大小，并将其标记为fz

需要说明的是，当i监测区没有纵向裂缝值和横向裂缝值时，fz

通过预设模型chs＝c1×ju+c2×fsum求得变形系数chs，其中c1和c2分别为位移距离和总裂缝值的权重因子系数；

对堤坝的渗水分析，具体为：

获得堤坝内湿监测区内各监测点的温度值和每个测温点的深度，分别将其标记为tpe和h，预设深度区间H1、H2和H3，每个深度区间对应一个标准温度区间，将所有的温度值与深度一一对应匹配到对应的标准温度区间，求得温度值与标准温度的温度偏差，将其标记为pcl，当温度偏差大于预设偏差时，则标记为漏洞温度偏差，将漏洞温度偏差求取平均值，标记为pcl，统计湿监测内所有漏洞数量，并将其标记为nu3，将漏洞温度偏差平均值乘以漏洞数量得到监测区的漏洞系数，将其标记为lous

需要说明的是，当i监测区没有漏洞温度偏差时，lous

预设漏洞系数区间P1，当漏洞系数不处于P1之内时，则将漏洞系数lous

处理单元对堤坝滑坡的分析为：

获取浸润风险系数dgs、综合异常含水值hwl和变形系数chs；

通过预设模型lbs＝a1×dgs+a2×hwl+a3×chs求得到滑坡系数lbs，其中a1、a2和a2分别为权重因子系数；

预设滑坡区间Rge1和Rge2，当滑坡系数lbs属于滑坡区间Rge1时，则生成滑坡一般风险信号，当滑坡系数lbs属于滑坡区间Rge2时，则生成滑坡严重风险信号；

将生成的滑坡一般风险信号和滑坡严重风险信号发送至管理中心；

处理单元对管涌的分析为：

获取对应漏洞系数lous

预设管涌区间Y1和Y2，当管涌系数处于Y1之内，则标记该监测区为一般风险监测区，当管涌系数处于Y2之内，则标记该监测区为严重风险监测区；

将所有标记为一般风险监测区的湿监测区，将该湿监测区的编号和位置一一对应整合到一般管涌监测区集合；将所有标记为严重风险监测区的湿监测区，将该湿监测区的编号和位置一一对应整合到严重管涌监测区集合；将得到的一般管涌监测区集合和严重管涌监测区集合发送至管理中心；

管理中心对于接收的堤坝数据、浸润线异常、危险含水集合、滑坡一般风险信号、滑坡严重风险信号、一般管涌监测区集合和严重管涌监测区集合进行处理和对堤坝打分的步骤为：

将堤坝数据进行保存，并获得保存时刻，将保存时刻与当前时刻进行比较分析得到保存时长，预设标准时长，当保存时长大于或等于预设标准时长时，对该日期的堤坝数据进行删除；

当接收到浸润线异常、危险含水集合、滑坡严重风险信号、严重管涌监测区集合时，触发一级警报；

当接收到滑坡一般风险信号和一般管涌监测区集合或两者中任一一个时，则对堤坝进行状态分析得到坝状态分数grade，具体为：将滑坡一般风险信号对应的预设数值标记为lbc，通过预设模型grade＝100+x1×lbc+x2×nu3/(gu1+su1)求得的当前堤坝状态分数grade，其中0＞x1＞x2；gu1和su1分别为干监测区和湿监测区的数量，nu3为漏洞数量；

预设堤坝状态分数区间Se1、Se2和Se3，当堤坝状态分数grade处于Se1之内时，则生成堤坝状态优良并以文字形式显示，当堤坝状态分数grade处于Se1之内时，则生成堤坝状态正常并以文字形式显示，当堤坝状态分数grade处于Se1之内时，则生成堤坝状态异常并以文字形式显示，触发二级警报。

本发明在使用时，通过土壤湿度传感器、位移传感器、裂缝传感器、渗流量传感器和温度传感器获取堤坝数据，对堤坝数据进行分析得到浸润风险系数dgs、变形系数chs、漏洞系数lous

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。