一种水库大坝的智慧监测系统

技术领域

本发明涉及水库大坝远程监测系统领域，具体涉及一种水库大坝的智慧监测系统。

背景技术

大坝是拦截河流等形成水库的堤坝，以进行蓄水、发电等工作。为了保证水库大坝稳定、安全地运行，让蓄水、发电等工作能够正常进行，需要对水库大坝进行安全监测。因安全监测的参数多、时间长且连续，安全监测过程中监测得到的参数普遍是远程发送至后台服务器。

针对水库大坝的安全监测，现有文献CN115394059A公开了一种水库大坝安全预警系统及预警方法，包括大坝安全监测预警平台、雨水情监测系统、大坝安全监测系统和水面情况监测系统，所述雨水情监测系统包括雨量计和水位计，所述大坝安全监测系统包括振弦式渗压计、磁致式量水堰计和GNSS系统。通过雨水情监测系统和大坝安全检测系统对水库大坝进行安全监测，当超出监测值时，雨水情监测系统和大坝安全检测系统通过大坝安全监测预警平台发送预警信息，并触发声光报警器和箭头指示灯及音响设备，位于下游的民众即可通过箭头指示灯所指引的方向和音响设备播报的指示疏散语音提示音快速到达安全区域，从而提高了民众疏散效率，进而提高了预警的实用性。

使用现有的监测系统及监测方法时，雨量计、水位计和渗压计等监测设备的监测数据因格式和类型不同，各种监测设备的监测数据会分散性地传送至后台服务器，无法对监测设备进行针对性地、统一地管理，且将监测到的数据实时上传，后台监测查看的冗余数据多，上传数据的能耗大。

发明内容

本发明意在提供一种水库大坝的智慧监测系统，以解决现有监测系统监测实时上传数据导致所需查看的冗余数据多的问题。

本方案中的水库大坝的智慧监测系统，包括监测箱体，所述监测箱体内设有用于接入不同监测传感器、存储监测数据和进行数据计算判断的边缘控制模块，所述边缘控制模块信号连接有与后台服务器进行监测数据交互的通信模块；

所述边缘控制模块内设有计算单元和判断单元，所述计算单元获取前端监测摄像器拍摄水库大坝水平面的监测图像，并计算监测图像上水平面边缘的数据变化量发送至判断单元，所述判断单元根据数据变化量判断水平面边缘是否处于稳定期，当水平面边缘处于稳定期时，所述判断单元判断监测箱体进行减载运行，所述减载运行为暂停处于稳定期的水平面边缘的监测数据交互。

本方案的有益效果是：

在水库大坝的监测过程中，以监测箱体内的边缘控制模块和通信模块集成监测过程中的传感、存储、计算判断和通信的功能，同时通过对水平面边缘的数据变化量进行是否处于稳定期的判断，若处于稳定期，则判断水平面边缘的监测设备进行减载运行，能够在水平面边缘的变化较小时，极大地减少监测数据的上传，降低上传数据的冗余度，并节省上传数据时的能耗。

进一步，所述判断单元获取时间信息并判断季节信息是否为减载季节，当季节信息为减载季节且预设时长内的水平面边缘处于稳定期时，所述判断单元判断减载季节对应的监测设备暂停运行设定时长。

有益效果是：通过时间信息判断减载季节，并在减载季节再确认水平面边缘是否处于稳定期，若是，则进行相应的监测设备暂停运输，降低监测的能耗，同时能够避免忽略掉减载季节下因水库大坝的上游产生异常情况引起的数据变化。

进一步，当监测箱体正常运行时，所述判断单元将预设类型的监测数据添加至监测图像上，当判断监测箱体进行减载运行时，所述判断单元将暂停交互的监测数据实时添加至监测图像上，并将监测图像进行存储。

有益效果是：在监测箱体正常运行时，在监测图像上添加预设类型的监测数据，将图像与数据联动地进行显示，以快速锁定到重点数据，在减载运行时，添加暂停交互的监测数据至监测图像，便于在减载运行时将监测得到的相关数据进行留存，以在后续需要时进行追溯，且不是所有数据进行添加，降低数据冗余度。

进一步，当判断监测箱体进行减载运行时，所述计算单元计算监测图像上的水位值并发送至判断单元，所述判断单元将水位值与阈值进行对比，当水位值大于阈值时，所述判断单元判断前端监测摄像器中的水位摄像头从水库大坝的水平面边缘对准水位标尺，并通过通信模块向后台服务器发送预警信号。

有益效果是：在水位不构成预警条件的减载运行且水位值大于阈值时，结合将拍摄水平面边缘位置的水位摄像头调整至对准水位标尺，能够在水库大坝达到一定的水位后直观地监测水位，以在节省能耗的同时进行水位的及时预警，提高响应速度。

进一步，所述判断单元判断水位值是否达到蓄水值，所述蓄水值大于阈值，当水位值达到蓄水值时，所述判断单元判断将前端监测摄像器中的水位摄像头切换成溢洪摄像头，自动将拍摄的监测图像上传至后台服务器。

有益效果是：在水位值达到蓄水值时，将水位摄像头切换成溢洪摄像头，自动进行拍照并上传，便于实时监控水库大坝的水位变化情况。

进一步，所述计算单元以时间在后监测图像的水平面位于时间在前监测图像下方给数据变化量添加负号，所述计算单元将数据变化量和预设的初始水位求和计算水位值。

有益效果是：通过计算单元给计算得到的数据变化量添加负号，并准确直观地表征水位值的升降，简化水位值的计算。

进一步，所述通信模块包括RS232串口通信、RS485串口通信、zigbee通信、4G通信和5G通信，所述判断单元获取监测数据，并判断监测数据是否产生异常，当监测数据产生异常时，所述判断单元将监测数据通过通信模块发送至后台服务器。

有益效果是：在监测端，集合多种通信方式，能够根据需求进行设置，使用更灵活，通过判断监测数据是否异常，在监测数据异常时，才进行监测数据的报告，进一步减少传送至后台服务器的冗余数据。

进一步，还包括若干位于监测设备与边缘控制模块之间的智能开关模块，所述判断单元获取监测设备的工作信号，当未获取到工作信号时，所述判断单元向该智能开关模块发送重启信号。

有益效果是：对监测设备的工作信号进行监测，并在未获取到工作信号时，通过向智能开关模块发送重启信号，进行监测设备的重启操作，能够远程进行维护，降低水库大坝监测维护的人力成本。

附图说明

图1为本发明水库大坝的智慧监测系统实施例一的示意性框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明。

实施例一

水库大坝的智慧监测系统，如图1所示：包括监测箱体，监测箱体使用现有的不锈钢机箱，监测箱体的具体尺寸和形状根据实际需求进行设置，以保证后续各个部件的设置和安装。监测箱体根据需求配备有防雷器、智能开关、电源太阳能充电保护器和稳压器等，其他的设置根据需求进行配置。

监测箱体内安装有用于接入不同监测传感器、存储监测数据和进行数据计算判断的边缘控制模块，具体监测传感器的设置根据实际需求进行设置，例如振弦式、差阻式标准模拟信号传感器，及通过端口设置支持标准4～20mA或1V-5V、SDI-12(V1.2)、雨量脉冲、频率信号等多种输入方式，边缘控制模块信号连接有与后台服务器进行监测数据交互的通信模块，通信模块包括RS232串口通信、RS485串口通信、GNSS、zigbee通信、4G通信和5G通信，以适应不同的通信需求；监测箱体内安装有光交换机，光交换机具有4/8/16可选光口，以同时满足现场摄像器、GNSS设备、数据采集器的接入要求。

边缘控制模块包括计算单元、判断单元和存储单元，计算单元获取前端监测摄像器拍摄水库大坝水平面的监测图像，计算单元计算监测图像上水平面边缘的数据变化量发送至判断单元，数据变化量为水库大坝的水位产生变化后的变化量，计算单元基于现有的边缘计算架构进行数据变化量的计算，边缘计算技术为现有，在此不再赘述，判断单元根据数据变化量判断水平面边缘是否处于稳定期，当水平面边缘处于稳定期时，以数据变化量在设定误差范围内变化为水平面处于稳定期，判断单元判断监测箱体进行减载运行，减载运行为暂停处于稳定期的水平面边缘的监测数据交互。存储单元可用现有的SSD硬盘进行数据存储，硬盘的容量设置为：≥256GB，硬盘设置可插拔接口：M.2或SATA接口。

判断单元获取时间信息并判断季节信息是否为减载季节，时间信息为系统内置的日期信息，减载季节为根据水库大坝所处地域预先确定的季节和对应的日期，例如A地区的12月3日至次年3月1日的冬季为减载季节，当季节信息为减载季节且预设时长内的水平面边缘处于稳定期时，预设时长根据实际的可能稳定时长进行设置，例如预设时长设置为240小时，判断单元判断减载季节对应的监测设备暂停运行设定时长，设定时长根据减载季节的持续时长进行设置，例如设定时长设置为24×30小时。

当监测箱体正常运行时，判断单元将预设类型的监测数据添加至监测图像上，预设类型的数据可以是监测得到的雨水情数据、管理的各类设备、关键运行参数等，当判断监测箱体进行减载运行时，判断单元将暂停交互的监测数据实时添加至监测图像上，并将监测图像进行存储，以将监测数据与图像进行联动。

判断单元获取监测数据，并判断监测数据是否产生异常，监测数据产生异常的判断通过限值对比进行，如监测数据大于规定的限值即为异常，当监测数据产生异常时，判断单元将监测数据通过通信模块发送至后台服务器。

具体实施过程如下：

在进行水库大坝的监测时，将监测箱体固定安装至水库大坝周围处，并将用于各项监测数据检测的监测设备安装至水库大坝的监测位置处，各个监测设备与监测箱体通过数据线连接以传送监测数据。由监测箱体内的判断单元对监测数据进行异常判断，当判断到异常时，通过图像模块向后台服务器传送监测数据，以及时监测到水库大坝的异常情况。

在监测过程中，由前端监测摄像器拍摄得到的水库大坝水平面的监测图像，通过计算单元计算监测图像上水平面边缘的数据变化量，让判断单元根据数据变化量判断水平面边缘是否处于稳定期，当水平面边缘处于稳定期时，判断单元判断监测箱体进行减载运行。当监测箱体正常运行时，由判断单元将预设类型的监测数据添加至监测图像上；当判断监测箱体进行减载运行时，由判断单元将暂停交互的监测数据实时添加至监测图像上，并将监测图像进行存储，缓存数据便于后续追溯查看。

同时，通过判断单元获取时间信息并判断季节信息是否为减载季节，当季节信息为减载季节且预设时长内的水平面边缘处于稳定期时，判断减载季节对应的监测设备暂停运行设定时长。

本实施例以边缘计算方式直接从监测数据中计算数据变化量，根据数据变化量判断水平面边缘是否处于稳定期，若是，则判断监测箱体进行减载运行，并将减载运行期间拍摄的监测图像与监测数据联动起来，还同时判断减载运行时的减载季节，根据减载季节让监测设备暂停运行设定时长，逐层深入地进行精准地减载操作，在保证水库大坝监测准确运行，能够持续监测的同时，节省监测箱体运行过程中的能耗，及能够在水平面边缘的变化较小时，极大地减少监测数据的上传，降低上传数据的冗余度，极大节省上传数据时的能耗。

实施例二

水库大坝的智慧监测系统，与实施例一的区别在于，当判断监测箱体进行减载运行时，计算单元计算监测图像上的水位值并发送至判断单元，计算单元以时间在后监测图像的水平面位于时间在前监测图像下方给数据变化量添加负号，计算单元将数据变化量和预设的初始水位求和计算水位值。判断单元将水位值与阈值进行对比，阈值根据实际水位要求进行设置，例如阈值设置为100m，当水位值大于阈值时，判断单元判断前端监测摄像器中的水位摄像头从水库大坝的水平面边缘对准水位标尺，并通过通信模块向后台服务器发送预警信号。

判断单元判断水位值是否达到蓄水值，蓄水值大于阈值，蓄水值根据实际的蓄水要求进行设置，例如蓄水值设置为280m，当水位值达到蓄水值时，判断单元判断将前端监测摄像器中的水位摄像头切换成溢洪摄像头，自动将拍摄的监测图像上传至后台服务器。

在判断到监测箱体进行减载运行时，由计算单元计算监测图像上的水位值，让判断单元判断水位值是否大于阈值，当水位值大于阈值时，由判断单元判断前端摄像器中的水平摄像头转换位置，从水库大坝的水平面边缘对准水位标尺，同时由通信模块向后台服务器发送预警信号，以及时进行预警。还由判断单元判断水位值是否达到蓄水值，若是，则将水位摄像头切换成溢洪摄像头进行自动拍照然后上传，提高监测的实时性和及时性。

在水位不构成预警条件的减载运行且水位值大于阈值时，结合将拍摄水平面边缘位置的水位摄像头调整至对准水位标尺，能够在水库大坝达到一定的水位后直观地监测水位，在水位值达到蓄水值时，将水位摄像头切换成溢洪摄像头，自动进行拍照并上传，以不同的水位进行逐级的监控切换，以在节省能耗的同时进行水位的及时预警，提高响应速度，并便于实时监控水库大坝的水位变化情况。

实施例三

水库大坝的智慧监测系统，与实施例一的区别在于，还包括若干位于监测设备与边缘控制模块之间的智能开关模块，智能开关模块根据需求选择现有的智能开关控制器产品，判断单元获取监测设备的工作信号，工作信号可以是监测设备工作时输出的信息或信号，例如传感器检测后的电信号等，当未获取到工作信号时，判断单元向该智能开关模块发送重启信号。对监测设备的工作信号进行监测，在未获取到工作信号时，以智能开关模块的启闭重新远程启动监测设备。对监测设备的工作信号进行监测，并在未获取到工作信号时，通过向智能开关模块发送重启信号，进行监测设备的重启操作，能够远程进行维护，降低水库大坝监测维护的人力成本。

实施例四

水库大坝的智慧监测系统，与实施例二的区别在于，在监测设备暂停运行设定时长时，判断单元获取监测图像发送至计算单元，计算单元计算该监测图像上的前水位值，并发送至判断单元进行存储。在监测设备暂停运行设定时长过程中，判断单元以获取的监测图像作为暂停运行的监测设备的临时监测数据发送至后台服务器，以能够在水库大坝不容易出现异常情况时进行简单粗略的监测。在设定时长结束后，判断单元将作为临时监测数据的监测图像发送至计算单元，计算单元计算作为临时监测数据的监测图像上的后水位值，并发送至判断单元，判断单元判断后水位值是否大于前水位值，当后水位值大于前水位值时，判断单元判断该暂停运行的监测设备启动，当后水位值小于前水位值时，判断单元判断该暂停运行的监测设备继续暂停运行间歇时长，间歇时长根据实际的上游环境和气象在一定时长内可能引起水位值较大变化量进行设置，例如间歇时长根据在上游的多河流和多雨气象能够在3天内引起水位值较大变化量，设置为2×24小时。

本实施例在暂停监测设备的运行以后，通过前后水位值的对比，根据前水位值和后水位值的大小关系进行监测设备的启动或者继续暂停运行，能够保证节省能耗的操作最大化节能，并保证监测设备的精准启动。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。