一种模块化防汛堤坝智能布设方法及系统与流程

本发明涉及防洪抗灾与智能装备，具体涉及一种模块化防汛堤坝智能布设方法及系统。

背景技术：

1、洪涝灾害是我国自然灾害之一，传统堤坝多为土石堤坝、混凝土堤坝，存在建设周期长、拆除转运困难、无法重复利用等问题，难以满足突发洪水、应急抢险场景下快速设防的作业需求。为此，模块化充气式防汛堤坝凭借拆装便捷、布设速度快、可循环使用、适应性强等优势，逐步成为应急防洪、河道防漫溢的主流设施。但传统防汛堤坝装置虽然能够缓解洪灾，但普遍存在以下问题：

2、传统防汛堤坝缺乏实时响应能力，仅依靠人工经验布设，难以适应复杂洪水情景；

3、缺少智能化运维机制，每个标准模块的气压固定，无法对标准模块的状况和风险情况进行监控；

4、搭建与调度依赖大量人力，缺乏科学决策工具。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种模块化防汛堤坝智能布设方法及系统，解决上述背景技术中的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模块化防汛堤坝智能布设方法，包括以下步骤：

3、s1、采集多源数据并进行预处理操作；

4、s2、从多源数据中提取二级特征参数；

5、s3、确定优化目标并划分布设场景；

6、s4、搭建布设区域全域仿真模型；

7、s5、使用粒子群算法确定模块化防汛堤坝布设方案；

8、s6、根据最终方案布设模块化防汛堤坝，并根据监测数据动态调整模块的充气压力；

9、s7、基于模块的气压进行预警操作。

10、进一步地，多源数据包括：布设区域地形地基数据、水文预报数据和现场实时环境监测数据；

11、布设区域地形地基数据包括：地面摩擦系数、地基承载属性、河道横断面宽度和河床高程；地基承载属性有：硬质铺装、粉质软土、砂石河滩；

12、水文预报数据包括：未来1~24h逐时段预测水位极值、预测水流瞬时最大流速、降雨强度预报值和洪峰理论抵达时刻；

13、现场实时环境监测数据包括：布设点位瞬时水位、实测水流速度和环境温度。

14、进一步地，二级特征参数包括：

15、水位上涨速率，用于判定洪水上涨急促程度；

16、未来1h预测水位超高值，用于确定堤坝基准布设高度；

17、洪峰到达剩余时长，用于约束现场布设工期上限；

18、断面水流冲击能量，用于确定迎水侧模块布设密度与初始充气压力；

19、坝体预设内外压差基准值，作为分区布设压力基准；

20、拼接缝理论应力集中度，用于确定拼接位置锚固布设密度；

21、预测渗流速度增长率，用于确定底部防渗辅助配件布设数量。

22、进一步地，步骤s3的详细过程如下：

23、s301、确定统一的优化目标函数；

24、优化目标函数的表达式如下：

25、（1）；

26、其中，为目标得分值，、、、、分别为坝整体刚度均匀度、压差安全裕度偏差、系统动态响应滞后量、布设时间和布设成本，、、、、分别为、、、、对应的影响权重；影响权重之和为1；

27、s302、划分布设场景；布设场景包括：硬质铺装场景、粉质软土场景和砂石河滩场景，分别对应硬质铺装、粉质软土、砂石河滩这3种地基承载属性；

28、s303、设置布设场景对应的影响权重取值。

29、进一步地，坝整体刚度均匀度的表达式如下：

30、（2）；

31、其中，为全堤坝模块内压的标准差，为全堤坝模块内压的算术平均值；

32、压差安全裕度偏差表达式如下：

33、（3）；

34、其中，、分别为模块布设设定内压和布设位置外侧计算水压，为预设安全压力裕度；

35、系统动态响应滞后量的表达式如下：

36、（4）；

37、其中，、分别为模块压力调节响应耗时和区域水位上涨时长。

38、进一步地，布设区域全域仿真模型包括：场地全域子模型和模块化堤坝装配子模型；

39、场地全域子模型的输入参数包括：地基承载属性、地基承载属性附加参数、河道固有参数和二级特征参数；

40、地基承载属性附加参数包括：地面摩擦系数、地基约束条件、土体渗透系数和弹性模量；

41、河道固有参数包括但不限于：河道横断面宽度、河床高程和布设区域边线位置；

42、模块化堤坝装配子模型的输入参数为模块化防汛堤坝布设方案，包括以下坝体设计参数：坝体布设起始坐标、坝体布设终止坐标、单个标准模块尺寸、标准模块层数、每层标准模块个数、标准模块间隔、锚固构件布设间距、每个标准模块的预设充气内压、配重布设规格；

43、模块化堤坝装配子模型的输入参数还包括：基础结构和拼接规则；

44、基础结构包括：单个标准模块断面构型、模块止水构造形式、锚固点位预埋位置和坝体与地基接触面连接形式；

45、拼接规则包括：相邻模块轴向对接方式、分段处接缝约束形式、配重与坝体的装配绑定逻辑；

46、布设区域全域仿真模型的输出为坝整体刚度均匀度、压差安全裕度偏差、系统动态响应滞后量、布设时间和布设成本。

47、进一步地，粒子群算法优化变量为模块化防汛堤坝布设方案中的坝体设计参数，粒子群算法的优化目标为使优化目标函数的目标得分值最小；

48、本步骤的详细过程如下：

49、s501、在各优化变量的合法取值区间内随机采样，生成初始粒子种群；

50、s502、将二级特征输入布设区域全域仿真模型中；

51、s503、依次将各个粒子对应的模块化防汛堤坝布设方案的坝体设计参数输入布设区域全域仿真模型，得到坝整体刚度均匀度、压差安全裕度偏差、系统动态响应滞后量、布设时间和布设成本；

52、s504、根据得到的坝整体刚度均匀度、压差安全裕度偏差、系统动态响应滞后量、布设时间和布设成本计算出优化目标函数的目标得分值；

53、s505、将目标得分值最低的粒子作为全局最优粒子；

54、s506、根据粒子速度更新粒子位置，执行步骤s503~s504，将目标得分值最低的粒子作为当前最优粒子；每个新的粒子位置都对应一个新的模块化防汛堤坝布设方案；

55、s507、比较全局最优粒子与当前最优粒子的目标得分值，当当前最优粒子的目标得分值小于全局最优粒子的目标得分值时，将当前最优粒子更新为全局最优粒子；

56、s508、重复步骤s506~s507，当满足终止条件中的任一项时，结束流程，此时全局最优粒子对应的模块化防汛堤坝布设方案即为最终方案；

57、满足终止条件包括：

58、设定最大迭代轮数，粒子位置的更新达到最大迭代轮数；

59、设定早停阈值次数，全局最优粒子未更新的迭代轮数达到连续早停阈值次数；

60、上述调整过程中，当粒子某个维度位置超出其合法取值区间时，将该维度的位置修改到合法取值区间内。

61、进一步地，模块的充气压力调整过程如下：

62、s601、设置标准模块的充气压力调整边界条件如下：

63、设置充气上下限，所有模块充气压力大于等于充气下限，小于等于充气上限；

64、设置充气步长，所有模块每次充气或放气的气压值都为充气步长，仅在最后一次充气或放气时，允许小于充气步长；

65、设置充气速率额定值，所有模块的充放气速率都为充气速率额定值；

66、s602、确定工况影响因子，根据工况影响因子加权求出综合影响因子；

67、工况影响因子包括：水位影响因子、流速影响因子和形变影响因子；

68、水位影响因子用于表征水位上涨对气压的需求，水位越高，因子越大；

69、流速影响因子用于表征水流冲击对气压的需求，流速越高，因子越大；

70、形变影响因子用于表征模块变形对气压的补强需求，形变量越大，因子越大；

71、综合影响因子的表达式如下：

72、（5）；

73、其中，为综合影响因子，、、分别为水位影响因子、流速影响因子和形变影响因子，、、分别为水位影响因子、流速影响因子和形变影响因子的权重系数，三者之和为1；综合影响因子越大，代表综合工况越恶劣，所需充气压力越高；

74、s603、根据综合影响因子确定压力目标值；

75、压力调整的目标值的表达式如下：

76、（6）；

77、其中，为压力目标值，为模块气压基准值，即搭建完成后的预设充气内压；压力调整的目标值需满足充气上下限的约束。

78、s604、根据设定充气步长和充气速率额定值将模块的气压调整到压力目标值。

79、进一步地，步骤s7的详细过程如下：

80、设置气压调节期限、稳定时限和调节阈值，在达到气压调节期限时，如果模块的气压与压力目标值的差值绝对值应小于等于调节阈值，且持续的时间应大于等于稳定时限，判定为模块为无风险状态，继续监测；否则判定模块为风险状态，向管理人员进行预警。

81、本发明还提供一种模块化防汛堤坝智能布设系统，用于实现上述方法中的步骤，包括：

82、数据采集预处理模块，用于采集多源数据，并对多源数据进行预处理操作；

83、特征提取模块，与数据采集预处理模块连接，用于从预处理后的多源数据中提取二级特征参数；

84、目标与场景配置模块，与特征提取模块连接，用于构建优化目标函数，划分布设场景，并为布设场景配置对应权重基础值；

85、全域仿真建模模块，与目标与场景配置模块连接，用于接收目标与场景配置模块发送的目标函数、场景参数和二级特征参数，搭建场地全域子模型与模块化堤坝装配子模型完成快速建模与仿真计算，输出评价指标值；

86、智能寻优模块，与全域仿真建模模块连接，用于接受全域仿真建模模块发送的评价指标数据，并采用粒子群算法在合法区间内随机生成初始粒子种群，结合仿真指标迭代寻优，求解得到最终方案；

87、现场布设与气压调节模块，与智能寻优模块连接，用于接收智能寻优模块发送的最终布设方案，并按照最优布设方案完成模块化堤坝实体搭建；同时设定充气压力调节边界、工况影响因子与加权计算规则，结合实时监测数据求解综合影响因子与压力目标值，按照固定步长与速率完成模块充气压力动态调节；

88、状态监测与预警模块，与现场布设与气压调节模块连接，用于接收现场布设与气压调节模块发送的标准模块的实时气压、工况数据和压力目标值，依据预设气压调节期限、稳定时限和调节阈值判定气压运行状态；当模块判定为风险状态时，向管理人员发出预警提示。

89、本技术的有益效果如下：

90、（1）使用二级特征参数布作为设区域全域仿真模型的输入，可以更准确的表征洪水时的环境参数；

91、（2）优化目标考虑安全维度、成本维度和时间维度，提高了布设方法选取的全面性；

92、（3）划分布设场景，并确定相应的影响权重取值，可以提高方法的适用范围；

93、（4）使用粒子群算法确定最终方案，在避免人工方案的局限性同时，降低了人工成本；

94、（5）根据综合影响因子动态确定标准模块的气压，使每个标准模块的气压都满足实时的要求；

95、（6）预警考虑了气压偏离的大小维度和时间维度，避免出现漏报情况。