一种堆石混凝土坝智能监测方法及管理系统与流程

1.本发明涉及大坝监测技术领域，尤其涉及一种堆石混凝土坝智能监测方法及管理系统。


背景技术：

2.水库作为重要的水利工程枢纽，承担着防洪、灌溉、发电进和人民用水等任务，发挥着巨大的工程效益，大坝作为水库的主要挡水建筑物更是承担着重大责任，稍有不慎就会给国家和人民带来巨大损失，做好水库大坝的安全监测并及时维护是保证水库安全运行的重要前提。
3.堆石混凝土坝作为一种新型坝型，由于其施工工艺简单、综合单价低、施工效率高和工期短的特点，在水利工程中已经得到了快速推广应用。水库大坝的安全与否涉及到下游地区居民的生命财产安全，做好大坝的安全监测能够有效防止溃坝事件发生，建立大坝安全智能监测管理平台，利用智能分析手段对大量监测数据进行分析并做出决策是未来水库运行模式的必然趋势。在水库的实际运行中，由于传统的监测系统无法对大坝的安全进行预警，水库各部门之间过于分散，不能及时了解各部门之间的实际情况，各部门之间无法实现数据实时共享，这就会致使当水库出现不利工况时不利于管理层对大坝进行具体调度，严重时将会危及到水库甚至是下游安全。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种监控实时便利、数据交互可靠且能够及时对水库安全性进行评估和做出相应决策的堆石混凝土坝智能监测方法及管理系统。
5.为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
6.一种堆石混凝土坝智能监测方法，所述堆石混凝土坝上设置有多个监测仪器，所述监测方法包括：
7.s01、监测仪器生成监测数据并反馈；
8.s02、获取监测数据，将监测数据进行归类，然后汇集存储，生成监测数据集，该监测数据集内存储有不同归类项目下的历史监测数据；
9.s03、获取监测数据集，将其导入神经网络模型中进行训练、验证，获得监测项目预报模型；
10.s04、调取监测项目预报模型，且通过监测项目预报模型进行预测监测仪器后续反馈的监测数据，生成预测监测数据；
11.s05、获取预测监测数据和/或监测仪器生成的监测数据，将其与预设阈值进行对比，并按预设条件生成监测反馈信息。
12.作为一种可能的实施方式，进一步，步骤s01中，所述监测数据包括变形监测数据、渗流监测数据、应力应变监测数据、大坝温度监测数据或环境量监测数据中的一项以上。
13.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述变形监测数据包括：坝体位移弦长监
测数据、坝肩位移谷幅监测数据、倾斜监测数据、接缝变形监测数据、坝基位移监测数据、枢纽区边坡位移监测数据或近坝库岸位移监测数据中的一项以上；
14.所述渗流监测数据包括：渗流量监测数据、坝基渗透压力监测数据、坝体渗透压力监测数据或绕坝渗流监测数据中的一项以上；
15.所述应力应变监测数据包括：坝体应力应变监测数据或坝基应力应变监测数据中的一项以上；
16.所述大坝温度监测数据包括：混凝土温度监测数据或坝基温度监测数据中的一项以上；
17.所述环境量监测数据包括：上游水位监测数据、下游水位监测数据、气温监测数据、降水量监测数据或库水温监测数据中的一项以上。
18.作为一种较优的选择实施方式，优选的，步骤s02中还包括，根据监测数据集生成相应的数据表或数据图。
19.作为一种较优的选择实施方式，优选的，步骤s01还包括：构建堆石混凝土坝三维展示模型且可视化输出。
20.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述构建堆石混凝土坝三维展示模型的方法为：
21.(1)利用bim建模软件构建堆石混凝土坝模型并导出为fbx格式。
22.(2)利用arcgis加载水库周边地形的dem数据生成三维格式再导入3dmax软件程序中转换导出为fbx格式；
23.(3)将堆石混凝土坝模型和水库周边地形导入到unity软件程序，通过unity软件程序生成可执行程序嵌入监测系统网页内，令其呈现堆石混凝土坝与周边地形的三维模型。
24.作为一种更优的选择实施方式，优选的，所述构建堆石混凝土坝三维展示模型的方法为：
25.(1)使用bim建模软件对堆石混凝土坝建立总体结构模型，该总体结构模型至少包括大坝、厂房、围堰、导流隧洞及闸阀设施，然后将bim建模软件构建的堆石混凝土坝总体结构模型导出为fbx格式文件；
26.(2)将30m
×
30m空间分辨率的水库周边地形的dem数据导入到arcgis软件程序中生成三维格式，将生成的三维格式导入到3dmax软件程序中转换导出为fbx格式文件；
27.(3)将bim建模软件生成的堆石混凝土坝总体结构模型和利用arcgis与3dmax软件程序生成的水库周边地形数据导入到unity软件程序，通过unity软件程序生成可执行程序嵌入监测系统网页内，由监测系统网页进行可视化输出呈现堆石混凝土坝与其周边地形的虚拟三维模型。
28.作为一种较优的选择实施方式，优选的，步骤s05中，当预测监测数据大于预设阈值时，生成监测反馈信息；所述监测反馈信息包括标识对应监测仪器所在监测点位的测点信息，该测点信息由监测管理后台接收，由监测管理后台按预设条件进行初步监测分析、远程巡检指令下达、巡检反馈接收及预警分析后，对应生成决策信息并发送至巡检终端，再由巡检终端传递反馈现场执行信息；通俗而言，其逻辑关系为，当监测值超出阈值，系统首先进行告警提示(此时，管理后台暂时无法判断监测值超出阈值是设备问题导致还是大坝运
行问题导致)，管理后台可以通过远程巡检进行初步分析，但由于远程巡检分析的局限性，有时候存在判断误差，因此，其需要下达现场巡检指令至巡检app，安排巡检员巡检，巡检员通过巡检app接收现场巡检指令并到现场进行巡查，将巡查结果通过巡检app反馈到平台上，管理后台根据最终的巡检员反馈结果来发布预警并下达决策指令给巡检员。
29.基于上述方法方案，本发明还提供一种堆石混凝土坝智能监测管理系统，包括：
30.监测仪器，为多个且布设在堆石混凝土坝的预设监测点位上，其用于监测对应监测点位上的堆石混凝土坝工作参数或环境参数；
31.数据管理模块，用于获取监测数据，将监测数据进行归类，然后汇集存储，生成监测数据集，该监测数据集内存储有不同归类项目下的历史监测数据；
32.报表管理模块，用于获取数据管理模块生成的监测数据集，且根据监测数据集生成相应的数据表和/或数据图，及记录设备信息和/或监测历史信息；即，报表管理模块不单单只处理数据图和/或数据表，其报表中还记录了设备信息，以及还有一些历史信息文字在里面，如：如果某个监测数据超出阈值导致发生x级预警，该预警信息均被记录在报表当中；
33.数据处理模块，包括分析单元、巡检单元和预警单元，所述数据处理模块用于获取数据管理模块生成的监测数据集，且将监测数据集导入神经网络模型中进行训练、验证，获得监测项目预报模型，并通过监测项目预报模型进行预测监测仪器后续反馈的监测数据，且通过预测监测数据和/或监测仪器生成的监测数据，将其与预设阈值进行对比，并按预设条件生成监测反馈信息；
34.巡检模块，用于接收监测反馈信息；
35.设备管理模块，与多个监测仪器连接，且用于存储设备信息，而作为进一步可能的需要，该设备管理模块还可能进一步用于控制监测仪器的启闭和工作参数设定；
36.三维建模模块，与数据处理模块连接，且用于构建堆石混凝土坝模型和水库周边地形并可视化输出；
37.系统管理模块，用于配置系统接入人员信息及登录使用权限。
38.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述报表管理模块还用于根据监测数据以及数据处理模块生成的监测反馈信息生成的日志，定期生成堆石混凝土坝运行监测报告，同时，报表生成后对其进行审查和发布。
39.其中，堆石混凝土坝运行监测报告包括：水库大坝位移安全监测分析月报、水库大坝渗流安全监测分析月报、水库大坝坝体温度安全监测分析月报、水库大坝位移安全监测分析季报、水库大坝渗流安全监测分析季报、水库大坝坝体温度安全监测分析季报、水库大坝位移安全监测分析年报、水库大坝渗流安全监测分析年报、水库大坝坝体温度安全监测分析年报中的一项以上。
40.本方案中，所述数据管理模块还用于存储大坝监测设备采集到得监测数据，并将监测数据用于云平台展示、大坝安全监测分析、大坝监测点测值预测分析以及生成大坝安全监测报表。
41.此外，三维建模模块所建立生成的堆石混凝土坝模型和水库周边地形还可用于展示水库主体模型、监测仪器设备和水库上下游三维地形；而数据处理模块的分析单元、巡检单元和预警单元还用于通过平台与巡检app结合使用完成大坝安全问题巡检并进行预警发布；与监测仪器连接的设备管理模块用于保证监测设备安全运行；报表管理模块用于生成
水库运行监测报告和查找历史水库运行监测报告；智能监测管理平台的系统管理模块还用于平台人员使用权限设置、水库运行日常公告发布和水库视频监控录像查看(包括回放和下载)。
42.作为优选，本方案中，所述设备管理模块还用于存储监测设备信息，至少包括：设备厂商信息、设备安装位置、设备安装时间、设备运行周期、设备下次维护/更换时间和设备运维日志；用于管理设备的上线使用和下线维修或更换，并设定审查
‑
发布
‑
执行操作。
43.基于本方案的堆石混凝土坝智能监测管理系统，其系统管理模块可根据需要实现如下功能：
44.(1)针对水库运行人员的职责来设定堆石混凝土坝监测管理平台各项功能使用权限；
45.(2)对水库的日常运行进行公告发布，并设定审查
‑
发布操作；
46.(3)系统管理模块能够对水库所有的视频监控设备录像进行回放和下载。
47.本方案试图将数据管理模块、三维建模模型、大坝监测分析
‑
安全巡检
‑
预警发布模块(即，数据处理模块)、设备管理模块以及平台系统管理模块集于一体，建立堆石混凝土坝智能监测管理平台，实现对堆石混凝土坝的各种工作状态的实时和自动化监控，水库各部门之间的数据能够实时共享，管理层能够根据智能监测管理平台对大坝的监测结果做出评估并快速做出决策，能够有效应对大坝出现的各种不利状况，解决水库传统低效率的运行模式，保证堆石混凝土坝的安全。
48.采用上述的技术方案，本发明所采用的技术方案为：本方案基于目前国内没有针对堆石混凝土坝的运行和维护公开相应完整的管理系统和机制的情况下，巧妙性提出了一种集数据模块、三维模型展示模块、大坝监测分析
‑
安全巡检
‑
预警发布模块(即数据处理模块)、设备管理模块以及智能监测管理平台系统管理模块等于一体的堆石混凝土坝智能监测管理系统，通过相应的智能监测管理方法机制，实现实时、自动化获取大坝的监测信息，以及构建基于bim arcgis 3dmax unity等软件程序形成的三维模型集成系统，实现模型的动态画展示，而采用该系统形成的智能监测管理平台可以结合巡检app的方式更加快速且高效完成对大坝的问题巡检并及时发布大坝安全预警，同时，运用人工智能方法对监测数据进行智能分析形成监测项目预报模型，通过监测项目预报模型来预测大坝将来的安全状态并能够及时采取措施，根据大坝安全监测报告对大坝的安全状态做出评价，对大坝将来的运行方式及时做出调整，保证大坝能够长久运行，同时，相应建立的智能监测管理平台的管理系统，能够根据水库人员职责设定人员使用平台各功能的权限，进一步细化分工职责，确保大坝能够平稳运行。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
50.图1是本发明智能监测方法的简要实施流程示意图；
51.图2是本发明智能监测系统的简要模块连接示意图；
52.图3是基于本发明方案的其中一种实施实例示意图。
具体实施方式
53.下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，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。
54.如图1所示，本发明一种堆石混凝土坝智能监测方法，所述堆石混凝土坝上设置有多个监测仪器，所述监测方法包括：
55.s01、监测仪器生成监测数据并反馈；
56.s02、获取监测数据，将监测数据进行归类，然后汇集存储，生成监测数据集，该监测数据集内存储有不同归类项目下的历史监测数据；
57.s03、获取监测数据集，将其导入神经网络模型中进行训练、验证，获得监测项目预报模型；
58.s04、调取监测项目预报模型，且通过监测项目预报模型进行预测监测仪器后续反馈的监测数据，生成预测监测数据；
59.s05、获取预测监测数据和/或监测仪器生成的监测数据，将其与预设阈值进行对比，并按预设条件生成监测反馈信息。
60.本方案中，作为一种可能的实施方式，进一步，步骤s01中，所述监测数据包括变形监测数据、渗流监测数据、应力应变监测数据、大坝温度监测数据或环境量监测数据中的一项以上；优选的，所述变形监测数据包括：坝体位移弦长监测数据、坝肩位移谷幅监测数据、倾斜监测数据、接缝变形监测数据、坝基位移监测数据、枢纽区边坡位移监测数据或近坝库岸位移监测数据中的一项以上；所述渗流监测数据包括：渗流量监测数据、坝基渗透压力监测数据、坝体渗透压力监测数据或绕坝渗流监测数据中的一项以上；所述应力应变监测数据包括：坝体应力应变监测数据或坝基应力应变监测数据中的一项以上；所述大坝温度监测数据包括：混凝土温度监测数据或坝基温度监测数据中的一项以上；所述环境量监测数据包括：上游水位监测数据、下游水位监测数据、气温监测数据、降水量监测数据或库水温监测数据中的一项以上。
61.为了能够对所获取的监测数据进行直观展示，本方案中，作为一种较优的选择实施方式，优选的，步骤s02中还包括，根据监测数据集生成相应的数据表或数据图。
62.为了进一步对坝体进行直观监控，本方案中，作为一种较优的选择实施方式，优选的，步骤s01还包括：构建堆石混凝土坝三维展示模型且可视化输出；优选的，所述构建堆石混凝土坝三维展示模型的方法为：
63.(1)使用bim建模软件对堆石混凝土坝建立总体结构模型，该总体结构模型至少包括大坝、厂房、围堰、导流隧洞及闸阀设施，然后将bim建模软件构建的堆石混凝土坝总体结构模型导出为fbx格式文件；
64.(2)将30m
×
30m空间分辨率的水库周边地形的dem数据导入到arcgis软件程序中生成三维格式，将生成的三维格式导入到3dmax软件程序中转换导出为fbx格式文件；
65.(3)将bim建模软件生成的堆石混凝土坝总体结构模型和利用arcgis与3dmax软件
程序生成的水库周边地形数据导入到unity软件程序，通过unity软件程序生成可执行程序嵌入监测系统网页内，由监测系统网页进行可视化输出呈现堆石混凝土坝与其周边地形的虚拟三维模型。
66.在本方案的步骤s05中，当预测监测数据大于预设阈值时，生成监测反馈信息；所述监测反馈信息包括标识对应监测仪器所在监测点位的测点信息，该测点信息由监测管理后台接收，由监测管理后台按预设条件进行初步监测分析、远程巡检指令下达、巡检反馈接收及预警分析后，对应生成决策信息并发送至巡检终端，再由巡检终端传递反馈现场执行信息。
67.进一步结合图2所示，基于上述方法方案，本发明还提供一种堆石混凝土坝智能监测管理系统，包括：
68.监测仪器，为多个且布设在堆石混凝土坝的预设监测点位上，其用于监测对应监测点位上的堆石混凝土坝工作参数或环境参数；
69.数据管理模块，用于获取监测数据，将监测数据进行归类，然后汇集存储，生成监测数据集，该监测数据集内存储有不同归类项目下的历史监测数据；
70.报表管理模块，用于获取数据管理模块生成的监测数据集，且根据监测数据集生成相应的数据表和/或数据图，及记录设备信息和/或监测历史信息；
71.数据处理模块，包括分析单元、巡检单元和预警单元，所述数据处理模块用于获取数据管理模块生成的监测数据集，且将监测数据集导入神经网络模型中进行训练、验证，获得监测项目预报模型，并通过监测项目预报模型进行预测监测仪器后续反馈的监测数据，且通过预测监测数据和/或监测仪器生成的监测数据，将其与预设阈值进行对比，并按预设条件生成监测反馈信息；
72.巡检模块，用于接收监测反馈信息；
73.设备管理模块，与多个监测仪器连接，用于存储设备信息；
74.三维建模模块，与数据处理模块连接，且用于构建堆石混凝土坝模型和水库周边地形并可视化输出；
75.系统管理模块，用于配置系统接入人员信息及登录使用权限。
76.在图1和图2所示的基础上，进一步结合图3所示，图3示出了基于本方案的一种实施例实例，本实例中，通过基于图2所示的管理系统进行形成堆石混凝土坝智能监测管理平台，该管理平台包括数据管理模块、三维模型展示模块(即三维建模模块)、堆石混凝土坝监测分析
‑
安全巡检
‑
预警发布模块(即数据处理模块)、监测设备管理模块(即设备管理模块)、报表管理模块和智能监测管理平台系统管理模块(即系统管理模块)。
77.本实例中，数据管理模块存储的大坝监测项目数据共19项，变形监测包括：坝体位移(弦长)监测、坝肩位移(谷幅)监测、倾斜监测、接缝变形监测、坝基位移监测和枢纽区边坡及近坝库岸位移监测，渗流监测包括：渗流量监测、坝基渗透压力监测、坝体渗透压力监测和绕坝渗流监测，应力应变监测包括：坝体应力应变监测和坝基应力应变监测，大坝温度监测包括：混凝土温度监测和坝基温度监测，环境量监测包括：上游水位监测、下游水位监测、气温监测、降水量和库水温监测。
78.监测数据在智能监测管理平台能够以数据图和数据表的格式进行调取观看，根据堆石混凝土监测规范对不同的监测项目设定不同的阈值，将监测数据与阈值进行比对，若
监测数据超过设定阈值，则会在平台上出现告警信息并需要水库人员及时处理。通过机器学习的方法对历史监测数据进行训练和验证，得到监测项目预报模型，用于对各个监测点未来监测值进行预报，将预测结果以折线图形式在监测管理平台展示，并根据预测结果提前采取措施。
79.三维模型构建方式采用的是bim arcgis 3dmax unity，使用bim建模软件对水库建立总体结构模型，在该模型中能够反映大坝、厂房、围堰、导流隧洞及闸阀设施等基本结构构件，将bim建模软件构建的大坝模型导出为fbx格式文件。将30m
×
30m空间分辨率的水库周边地形的dem数据导入到arcgis中生成三维格式，将生成的三维格式导入到3dmax软件程序中导出为fbx格式，将用bim建模软件生成的大坝模型和利用arcgis与3dmax软件程序生成的水库周边地形通过unity生成可执行程序嵌入监测系统网页内，最终呈现水库与周边地形的虚拟三维模型，实现身临其境地体验水库工程效果和细节。
80.当传回的监测数据超过设定阈值时，监测管理平台会将告警信息推送至负责人，负责人对监测设备进行定位，确定附近摄像头并通过摄像头对告警现场进行初步问题分析，之后将初步分析结果以及现场巡查消息发送至巡检app客户端，巡检人员确认收到消息后前往指定地点进行问题巡查，巡检人员到达指定地点后在巡检app上确认自己已经到达现场并开始问题巡查，巡检人员将自己的巡检结果通过巡检app发送至智能监测管理平台，负责人对巡检人员的巡查反馈进行初步决策判断。
81.当巡检人员的巡查反馈是设备出现故障需要进行设备更换/设备维修，负责人需根据巡检人员反馈消息提交设备更换/设备维修申请，等待管理层做进一步决策，管理层需根据巡检人员的巡查反馈结果做最终决策是否要对设备进行更换/维修，管理层确认发布要进行设备更换/设备维修后，智能监测管理平台发布告警消息并对巡检人员发送对设备进行更换/维修指令，巡检人员通过巡检app接受设备更换/设备维修消息时，需对设备进行设备更换/设备维修，等巡检人员完成设备更换/维修时，需通过巡检app反馈设备更换/设备维修情况，负责人申请解除告警信息，当巡检人员巡查反馈是监测点测值超过阈值需要发布预警，负责人需根据巡检人员反馈消息提交发布一级/二级/三级预警申请，等待管理层做进一步决策，管理层需根据巡检人员的巡查反馈结果做最终决策是否要发布一级/二级/三级预警，管理层确认发布一级/二级/三级预警时后需对监测值超过阈值的点制定大坝维护方案，并及时将方案传达给巡检人员，巡检人员通过巡检app收到维护方案后需及时前往指定现场开始抢救，巡检人员完成维护后通过巡检app反馈维护情况，负责人员根据巡检人员反馈情况初步判断是否解除预警并上报管理层，最终由管理层决定是否解除警报，从大坝开始出现异常到解除警报的每个过程都会进行记录，最终生成完整的运维日志。
82.监测设备管理模块用于存储设备信息，包括：设备厂商、设备安装位置、设备安装时间、设备运行周期、设备下次更换时间和设备运行日志；用于管理设备的上线使用和下线维修或更换，并设定审查
‑
发布
‑
执行操作。
83.报表管理模块根据监测数据以及大坝安全检测分析
‑
问题巡查
‑
预警发布流程生成的日志，会定期生成和水库运行监测的年报、季报和月报，对报表生成设定审查
‑
发布操作，水库运行监测报告包括：水库大坝位移安全监测分析月报、水库大坝渗流安全监测分析月报、水库大坝坝体温度安全监测分析月报、水库大坝位移安全监测分析季报、水库大坝渗流安全监测分析季报、水库大坝坝体温度安全监测分析季报、水库大坝位移安全监测分析
年报、水库大坝渗流安全监测分析年报、水库大坝坝体温度安全监测分析年报。
84.智能监测管理平台系统管理模块包括对水库运行人员设定智能监测管理平台使用权限、发布水库的运行公告和对水库所有的视频监控录像进行回放和下载，根据水库人员的职责不同，对每个人设定的使用权限也不同，巡检人员只能浏览智能监测管理平台，没有相关的申请和发布权限，当大坝出现测值异常需及时，负责水库日常运行维护人员有权并及时发布测值异常消息，通过智能监测管理平台向巡检员发布巡检信息，及时对管理层提交反馈内容并申请相应措施，管理层有权限对提交的申请做出相应回应。对水库的运行情况以公告形式发布，设有审查
‑
发布操作。水库设有监控设备，可对监控设备进行录像回放和下载功能，此功能只能定向授权，并非所有人都具有此权限。
85.另外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
86.集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
87.以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。