一种基于多源数据采集的倒虹吸管病害智能预警方法与流程

本发明涉及倒虹吸管病害检测，尤其涉及一种基于多源数据采集的倒虹吸管病害智能预警方法。

背景技术：

1、倒虹吸管是长距离输水与灌溉工程中用以穿越河道、山谷或交通线路的常用水工建筑物，其管身呈ｕ形下凹布置，进口段通常设有沉沙池以减少入管泥沙量。在实际运行中，此类管道均配备上下游水位计和流量计，用以连续监测输水过程中的水头损失和过流能力变化；部分工程为了解出口水质或评估冲沙效果，还在出口检修段加装了在线浊度仪。上述仪表所采集的实时数据以及闸门控制系统的开度记录，通常一并汇入scada系统进行集中存储与监视。在日常运维中，技术人员主要通过设限报警或人工判读上下游水位差的大小及变化走向，辅以浊度仪提供的浊度瞬时读数，来判断倒虹吸管是否发生显著泥沙落淤。当水位差持续偏高或浊度出现异常时，则适时安排水力冲沙，并借助闸门开度记录追溯操作过程。这种基于单一或少数指标阈值判别的方式，构成了当前倒虹吸管积泥状态监测的基本框架。

2、对于倒虹吸管而言，受供水调度所呈现的周期性流量波动影响，管内泥沙并非始终处于静态淤积或匀速冲刷的单一模式，而是频繁经历夜间低流速下的落淤和白天高流速下的再悬浮。随着运行年限的增长，原本结构松散、水力可轻易带起的浮泥层，在反复受压和排水固结作用下，逐渐向密实且难以水力剥离的死泥硬底转化。现有监测技术仅依靠上下游水位差的绝对数值或缓慢的趋势漂移，无法区分堵塞是由易冲刷的浮泥引起还是因已板结的死泥造成，更无法识别浮泥向死泥转化过程中的冲刷敏感度衰减阶段。现场人员无从获知管底沉积层当前正处于可冲刷、部分可冲刷还是完全失能的哪一种状态，使得低压冲沙作业的决策缺乏针对性依据，往往在浮泥尚可被有效清除的窗口期内未能行动，而在沉积层已深度板结、常规水力冲沙几近失效时才被动应对，最终不得不停机实施高成本的机械清淤。因此，业内亟需一种能够融汇多源常规监测数据、对管底沉积物物理特性演变阶段进行自动辨识和分级状态标记的方法，以便在冲刷敏感度逐步丧失的早期给出提示，并在不可逆板结真正确立时发出警报。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种基于多源数据采集的倒虹吸管病害智能预警方法，用以克服现有技术中倒虹吸管病害监测预警中无法分级辨识管底沉积物活泥至死泥演变状态的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于多源数据采集的倒虹吸管病害智能预警方法，包括：

3、步骤s1，获取倒虹吸管的上下游水位数据、流量数据、出口浊度数据、闸门开度数据和用以校正所述出口浊度数据的参考浊度数据；

4、步骤s2，根据所述流量数据确定基准时段，从所述基准时段内选择下游水位处于正常波动区间的时间区间，并基于所选择时间区间内的上下游水位差确定有效水位差序列；对所述有效水位差序列进行趋势检测，当检测到所述有效水位差序列出现超出历史同期正常波动范围的单向递增趋势时，生成第一异常标记，并将触发单向递增趋势对应的水位差和流量分别确定为参考水位差和参考流量；

5、步骤s3，响应于所述第一异常标记，基于所述参考流量将后续流量过程划分为多个流量区间，基于所述参考浊度数据对所述出口浊度数据进行校正，以获得冲刷浊度变化特征；当所述冲刷浊度变化特征满足预设敏感度丧失条件时，生成第二状态标记；

6、步骤s4，响应于所述第二状态标记，基于所述闸门开度数据识别冲沙操作事件，获取所述冲沙操作发生前后及过程中的上下游水位数据和流量数据；根据所述下游水位数据的自身变化，确定因下游独立调节引起的水位变化分量，基于所述分量对所述冲沙操作后的上下游水位差进行修正，得到修正水位差，将所述修正水位差与所述参考水位差的差值确定为恢复偏移量；

7、步骤s5，将本次冲沙操作对应的恢复偏移量与在所述第二状态标记生成之前所记录的历史冲沙操作的恢复偏移量进行比较，当比较结果满足预设退化条件时生成预警信号。

8、进一步地，所述步骤s2包括：

9、步骤s21，根据每日各预设时段的流量变化幅度，将流量变化幅度持续低于预设阈值的时段确定为所述基准时段；

10、步骤s22，将所述基准时段划分为多个子时段，获取每个子时段内的上下游水位差以及下游水位自身变化量；

11、步骤s23，对于每一子时段，若其下游水位自身变化量处于下游水位正常波动区间内，则将所述子时段的上下游水位差作为有效水位差样本；

12、步骤s24，基于同一基准时段内的有效水位差样本，计算基准代表水位差，并由连续多日的基准代表水位差形成所述有效水位差序列；

13、步骤s25，基于历史同期有效水位差序列的波动特征，确定正常波动边界，检测当前有效水位差序列相对于所述正常波动边界的偏离状态；

14、步骤s26，当所述偏离状态表现为连续多个时间点均超出所述正常波动边界且偏离量呈单调递增时，判定出现单向递增趋势，并将触发单向递增趋势当日的基准代表水位差和基准代表流量分别确定为所述参考水位差和参考流量。

15、进一步地，所述步骤s25中所述正常波动边界，是基于历史同季节有效水位差序列的统计分布特征确定的上边界值和下边界值。

16、进一步地，所述步骤s3包括：

17、步骤s31，根据所述参考流量将每日流量过程划分为基准低流量区间和至少一个高于参考流量的冲刷流量区间；

18、步骤s32，在所述冲刷流量区间内，基于出口浊度数据与所述参考浊度数据，逐时刻获得校正浊度增量，并形成校正浊度增量序列；

19、步骤s33，评估所述校正浊度增量序列的幅值特征以及所述校正浊度增量序列与对应流量序列的变化同步性，当所述幅值特征和所述变化同步性均符合预设敏感度丧失标准时，生成所述第二状态标记。

20、进一步地，所述预设敏感度丧失标准包括：

21、在所述冲刷流量区间内，所述校正浊度增量序列的幅值指标低于根据历史同区间正常冲刷事件所确定的幅值下限；

22、在连续经历预定次数的日间冲刷时段后，在所述基准低流量区间内所述校正浊度增量序列的幅值指标低于预设低浊度状态阈值。

23、进一步地，所述步骤s33中，所述变化同步性为在滑动时间窗内获取所述校正浊度增量序列与所述流量序列的同步性量化指标，当所述同步性量化指标在连续多个滑动时间窗内均低于预设同步性阈值时，判定所述变化同步性符合所述预设敏感度丧失标准。

24、进一步地，所述步骤s4包括：

25、步骤s41，基于所述闸门开度数据和流量数据，将满足以下条件的闸门动作识别为所述冲沙操作事件：流量从位于所述参考流量邻近范围内的起始水平出发，在预设短时段内上升至超过冲沙流量触发水平，且保持在所述触发水平之上的持续时间大于预设最短时长；

26、步骤s42，获取所述冲沙操作事件发生前第一时段内及结束后第二时段内的上下游水位数据、下游水位数据和流量数据；

27、步骤s43，根据所述下游水位数据在冲沙操作前后的变化，确定因下游独立调度行为引起的水位变化分量，并基于所述分量对所述冲沙操作后的上下游水位差进行修正，得到修正水位差；

28、步骤s44，在冲沙操作完成后且流量恢复至所述参考流量邻近范围内的时刻，将此时所述修正水位差与所述参考水位差的差值确定为所述恢复偏移量。

29、进一步地，所述步骤s5包括：

30、步骤s51，从历史记录中提取在所述第二状态标记生成之前、时间最近的一次历史冲沙操作事件；

31、步骤s52，获取所述历史冲沙操作事件所对应的历史参考水位差、历史冲沙强度和历史恢复偏移量；

32、步骤s53，当本次冲沙操作的参考水位差与所述历史参考水位差的差值小于第一容许偏差，且本次冲沙强度与所述历史冲沙强度的差值小于第二容许偏差时，比较所述恢复偏移量与所述历史恢复偏移量；

33、步骤s54，当所述恢复偏移量小于所述历史恢复偏移量与预设衰减系数的乘积，且所述历史恢复偏移量与所述恢复偏移量的差值大于预设退化容限值时，判定满足所述预设退化条件，生成预警信号。

34、进一步地，所述参考浊度数据的确定方式为：

35、当存在与所述出口浊度数据同步采集的上游浊度数据时，将所述上游浊度数据作为所述参考浊度数据；

36、当不存在上游浊度数据时，将由历史同期且无降雨条件下、与所述基准低流量区间流量量级相同的出口浊度数据统计得到的浊度背景值作为所述参考浊度数据。

37、进一步地，所述步骤s23中所述下游水位正常波动区间为基于历史同期且流量处于与所述基准时段相同量级区间时的下游水位数据，按预设统计方法确定的变动范围。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过融合多源监测数据，在稳态工况下筛选有效水位差序列并检测其单向递增趋势以生成第一异常标记，经背景浊度校正与流量同步性分析诊断冲刷敏感度丧失以生成第二状态标记，并在排除下游独立调度影响后比较冲沙恢复偏移量以产生预警，从而实现了对管底沉积物由活泥向死泥演变过程的分级状态辨识与早期预警，克服了现有单一指标监测无法区分淤积物物理状态变化的问题。

39、进一步地，本发明通过选取流量平稳的基准时段，利用下游水位自身变化量排除边界扰动子时段以提取有效水位差样本，并基于历史同期统计边界检测序列的单向递增趋势，能够及早发现因积泥引起的真实流阻抬升，减少了下游水位独立波动造成的误判。

40、进一步地，本发明通过划分流量区间并将出口浊度经参考浊度校正，提取冲刷浊度增量序列的幅值特征及其与流量的同步性变化信息，依据预设的敏感度丧失标准生成状态标记，从而在浮泥向板结转化过程中准确诊断冲刷能力衰退的早期迹象。

41、进一步地，本发明通过依据闸门动作与流量响应识别冲沙操作事件，并根据下游水位自身变化确定并扣除因下游独立调度引起的水位变化分量，对冲沙后上下游水位差进行修正，所获得的恢复偏移量能够反映管底积泥的真实清除程度，消除了外部调度对效果评估的干扰。

42、进一步地，本发明通过在参考水位差和冲沙强度满足可比条件的前提下，将本次冲沙恢复偏移量与历史恢复偏移量进行衰减比较，并在恢复能力出现衰退时发出预警，保障了管底沉积物不可逆板结判定的准确性，避免了无效冲沙及后续的被动机械清淤。