CN117953650A - 一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水利建设技术领域，具体为一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统及方法；包括信息获取单元、信息分析单元和可视化预警单元；本发明会构建虚拟的三维大坝模型，实现可视化的大坝监测效果，以及剔除异常的数据，以保证后续预警的准确性，根据预处理数据和预设的阈值，得到对应的警戒区间和警觉区间，进而可以得到相应的预警等级，达到对大坝的监测和预警的效果，此外，还会绘制相应的数据走势图表，使得管理人员可以直接的查看大坝相关数据的情况。
Description
技术领域
本发明涉及水利建设技术领域，具体为一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统及方法。
背景技术
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。
大坝的失事会给下游带来严重破坏，房屋、农田将被淹没，严重威胁下游人民的生命财产安全，虽然大坝属于超静定结构，面对超载情况能够自我调整应力分布，然而其地基、坝肩的稳定性受到受力状态、地质条件的影响，容易发生整体或局部滑移，威胁大坝安全。因此，对大坝的进行安全监测，并进行安全预警，显得尤为重要。目前在大坝安全监测过程中，会由于监测仪器的自身故障、监测位置不当或环境干扰等原因，会导致监测数据的异常，影响监测分析效果，而造成预警不准确，同时，对于异常强度，也缺少对应的预警划分。
因此，本发明提供一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统及方法，用于解决上述所提出的相关技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统及方法，本发明会构建虚拟的三维大坝模型，实现可视化的大坝监测效果，以及剔除异常的数据，以保证后续预警的准确性，根据预处理数据和预设的阈值，得到对应的警戒区间和警觉区间，进而可以得到相应的预警等级，达到对大坝的监测和预警的效果，此外，还会绘制相应的数据走势图表，使得管理人员可以直接的查看大坝相关数据的情况。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的第一方面：提供了一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，包括信息获取单元、信息分析单元和可视化预警单元，其中：
所述信息获取单元用于获取大坝的构建历史数据信息、大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息；
所述信息分析单元根据所获取的大坝的构建历史数据信息，构建虚拟三维大坝模型，对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息进行预处理和统计，以及监测判定虚拟三维大坝模型的运行状态，所述信息分析单元与信息获取单元连接；
所述可视化预警单元用于绘制数据走势图表、显示所接收到的信息，以及根据预警信息发出相应的预警提醒，所述可视化预警单元与信息分析单元连接。
本发明进一步的设置为：所述信息获取单元包括大坝信息获取模块和环境信息获取模块，其中：
所述大坝信息获取模块用于获取大坝的构建历史数据信息；
所述环境信息获取模块用于获取大坝的环境信息，其中环境信息包括上下游水位信息、气温信息、大气压力信息以及降水量信息。
本发明进一步的设置为：所述信息获取单元还包括安全信息获取模块和第一通讯模块，其中：
所述安全信息获取模块用于获取大坝的安全监测信息，其中安全监测信息包括变形量信息、渗透量信息以及应力应变信息；
所述第一通讯模块用于实现信息获取单元与信息分析单元间的信息交互，所述第一通讯模块与大坝信息获取模块、环境信息获取模块和安全信息获取模块均连接。
本发明进一步的设置为：所述信息分析单元包括第二通讯模块、大坝构建模块、数据预处理模块和数据统计模块，其中：
所述第二通讯模块用于实现信息分析单元与信息获取单元和可视化预警单元间的信息交互；
所述大坝构建模块根据所获取的大坝的构建历史数据信息，构建虚拟三维大坝模型，所述大坝构建模块与第二通讯模块连接；
所述数据预处理模块用于对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息异常值识别和剔除，所述数据预处理模块与第二通讯模块连接；
所述数据统计模块用于对预处理后的数据信息进行统计，所述数据统计模块与数据预处理模块连接。
本发明进一步的设置为：所述对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息异常值识别和剔除的过程如下：
按照信息获取的时间，构建基于时间的监测序列X＝(x1,x2,…,xi,…,xn)，式中xi为某一个时刻数据；
计算监测序列xi的方差Δxi，将方差Δxi不满足(0，σ2)作为第一异常判定情况；
将作为第二异常判定条件，式中，Δxi为方差，/>为均方差，k为判别倍数，σ为方差标准差；
若xi满足第一异常判定条件，且满足第二异常判定条件，则剔除xi，否则，保留xi。
本发明进一步的设置为：所述对预处理后的数据信息进行统计的过程如下：
获取预处理后的监测序列Y＝(y1,y2,…,yi,…,yn)，式中，yi为某一个时刻数据；
在监测序列Y范围内设定一个阈值U，将zi＝yi-U为超出量，得到超出量序列Z＝(z1,z2,…,zi,…,zm)；
计算得到概率分布函数式中，式中，/>为超出量的平均值，S为超出量的方差，σ为方差标准差；
根据3σ准则，对概率分布进行划分，得到对应的警戒区间和警觉区间。
本发明进一步的设置为：所述信息分析单元还包括监测判定模块和数据库模块，其中：
所述监测判定模块用于将预处理后的数据映射到所构建的虚拟三维大坝模型中，以及根据阈值U确定是否存在预警，并根据警戒区间和警觉区间来判定预警等级，所述监测判定模块与第二通讯模块、大坝构建模块和数据统计模块均连接；
所述数据库模块用于存储所接收的信息，所述数据库模块与第二通讯模块和监测判定模块均连接。
本发明进一步的设置为：所述可视化预警单元包括第三通讯模块、显示模块和数据绘制模块，其中：
所述第三通讯模块用于实现可视化预警单元与信息分析单元间的信息交互；
所述显示模块用于显示所接收的信息，所述显示模块与第三通讯模块连接；
所述数据绘制模块根据所接收的数据信息，绘制相应的数据走势图表，所述数据绘制模块与第三通讯模块和显示模块均连接。
本发明进一步的设置为：所述可视化预警单元还包括预警提醒模块，所述预警提醒模块根据所接收到的预警信息，发出相应的预警提醒，所述预警提醒模块与第三通讯模块和显示模块均连接。
本发明的第二方面：提供了一种基于数字孪生的大坝安全分析预警方法，使用了上述的基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，包括以下步骤：
步骤一、获取大坝的构建历史数据信息、大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息；
步骤二、预设预警所设的阈值U，根据所获取的大坝的构建历史数据信息，构建虚拟三维大坝模型，对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息进行预处理和统计，再阈值U确定是否存在预警，然后利用警戒区间和警觉区间来判定预警等级；
步骤三、根据所得到的预警等级，发出相应的预警提醒。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明会获取大坝的构建历史数据信息、大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息，根据所接收信息的不同，利用所获取的大坝的构建历史数据信息来构建虚拟三维大坝模型，实现管理人员的可视化管理，利用大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息进行预处理和统计，剔除异常的数据，以保证后续预警的准确性；根据预处理数据和预设的阈值，得到处于预警范围内的概率分布函数，再根据3σ准则，对概率分布进行划分，得到对应的警戒区间和警觉区间，进而可以得到相应的预警等级，分别为警戒等级和警觉等级，达到对大坝的监测和预警的效果，此外，还会绘制相应的数据走势图表，使得管理人员可以直接的查看大坝相关数据的情况。
附图说明
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。
图1为本发明一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统的系统图；
图2为本发明一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统中信息获取单元的系统图；
图3为本发明一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统中信息分析单元的系统图；
图4为本发明一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统中可视化预警单元的系统图。
图例说明：100、信息获取单元；110、大坝信息获取模块；120、环境信息获取模块；130、安全信息获取模块；140、第一通讯模块；200、信息分析单元；210、第二通讯模块；220、大坝构建模块；230、数据预处理模块；240、数据统计模块；250、监测判定模块；260、数据库模块；300、可视化预警单元；310、第三通讯模块；320、显示模块；330、数据绘制模块；340、预警提醒模块。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中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做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。
实施例：
如图1-图4所示，本实施例提供了一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，包括信息获取单元100、信息分析单元200和可视化预警单元300，其中：信息获取单元100用于获取大坝的构建历史数据信息、大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息；信息分析单元200根据所获取的大坝的构建历史数据信息，构建虚拟三维大坝模型，对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息进行预处理和统计，以及监测判定虚拟三维大坝模型的运行状态，信息分析单元200与信息获取单元100连接；可视化预警单元300用于绘制数据走势图表、显示所接收到的信息，以及根据预警信息发出相应的预警提醒，可视化预警单元300与信息分析单元200连接。
在本实施例中，需要说明的是，由信息获取单元100获取大坝的构建历史数据信息、大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息，将其上传给信息分析单元200，在信息分析单元200接收到信息后，会根据所接收信息的不同，将大坝的构建历史数据信息用于构建虚拟三维大坝模型，得到相应的虚拟模型，用于管理人员的可视化显示，将大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息进行预处理和统计，从而会剔除异常的数据，以保证后续预警的准确性；
同时，信息分析单元200会根据得到的预处理数据和预设的阈值U，得到处于预警范围内的概率分布函数，再根据3σ准则，对概率分布进行划分，得到对应的警戒区间和警觉区间，即得到相应的预警等级，分别为警戒等级和警觉等级，从而可以实时的对大坝进行监测，并发出相应等级的预警；
此外，可视化预警单元300会接受信息分析单元200的反馈信息，一方面会根据得到预处理数据，绘制相应的数据走势图表，并进行显示，使得管理人员可以直接的查看大坝相关数据的情况，另一方面会根据得到的预警等级信息，发出相应的等级，以方便管理人员及时的做出相应的处理。
在本发明中，信息获取单元100包括大坝信息获取模块110和环境信息获取模块120，其中：大坝信息获取模块110用于获取大坝的构建历史数据信息；环境信息获取模块120用于获取大坝的环境信息，其中环境信息包括上下游水位信息、气温信息、大气压力信息以及降水量信息。
此外，信息获取单元100还包括安全信息获取模块130和第一通讯模块140，其中：安全信息获取模块130用于获取大坝的安全监测信息，其中安全监测信息包括变形量信息、渗透量信息以及应力应变信息；第一通讯模块140用于实现信息获取单元100与信息分析单元200间的信息交互，第一通讯模块140与大坝信息获取模块110、环境信息获取模块120和安全信息获取模块130均连接。
在本实施例中，需要说明的是，利用所上设置的大坝信息获取模块110，可以获取大坝的构建历史数据信息，以用于后续虚拟三维大坝模型的构建，便于管理人员可视化查看；利用环境信息获取模块120，会获取大坝的环境信息，利用安全信息获取模块130会获取大坝的安全监测信息，环境信息和安全监测信息会影响大坝的安全性，因此会用于对大坝的安全监控，本实施例通过第一通讯模块140将上述信息反馈给信息分析单元200。
在本发明中，信息分析单元200包括第二通讯模块210、大坝构建模块220、数据预处理模块230和数据统计模块240，其中：第二通讯模块210用于实现信息分析单元200与信息获取单元100和可视化预警单元300间的信息交互；大坝构建模块220根据所获取的大坝的构建历史数据信息，构建虚拟三维大坝模型，大坝构建模块220与第二通讯模块210连接；数据预处理模块230用于对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息异常值识别和剔除，数据预处理模块230与第二通讯模块210连接；数据统计模块240用于对预处理后的数据信息进行统计，数据统计模块240与数据预处理模块230连接。
其中，对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息异常值识别和剔除的过程如下：
按照信息获取的时间，构建基于时间的监测序列X＝(x1,x2,…,xi,…,xn)，式中xi为某一个时刻数据；
计算监测序列xi的方差Δxi，将方差Δxi不满足(0，σ2)作为第一异常判定情况；
将作为第二异常判定条件，式中，Δxi为方差，/>为均方差，k为判别倍数，σ为方差标准差；
若xi满足第一异常判定条件，且满足第二异常判定条件，则剔除xi，否则，保留xi。
此外，对预处理后的数据信息进行统计的过程如下：
获取预处理后的监测序列Y＝(y1,y2,…,yi,…,yn)，式中，yi为某一个时刻数据；
在监测序列Y范围内设定一个阈值U，将zi＝yi-U为超出量，得到超出量序列Z＝(z1,z2,…,zi,…,zm)；
计算得到概率分布函数式中，式中，/>为超出量的平均值，S为超出量的方差，σ为方差标准差；
根据3σ准则，对概率分布进行划分，得到对应的警戒区间和警觉区间。
在本实施例中，需要说明的是，利用所设置的第二通讯模块210接收信息获取单元100的信息，由大坝构建模块220接收大坝的构建历史数据信息，利用大坝的构建历史数据信息，来构建虚拟三维大坝模型，该模型可以通过第二通讯模块210实时的反映到可视化预警单元300，使得管理人员可以直观的查看虚拟的大坝情况，由数据预处理模块230接收大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息，然后进行异常值识别和剔除，得到可靠的数据信息，以保证后续的预警准确性，然后反馈给数据统计模块240，数据统计模块240会对预处理后的数据信息进行统计；需要说明的是，本实施例中的3σ准则是一种广泛使用的准则，在此不再赘述。
在本发明中，信息分析单元200还包括监测判定模块250和数据库模块260，其中：监测判定模块250用于将预处理后的数据映射到所构建的虚拟三维大坝模型中，以及根据阈值U确定是否存在预警，并根据警戒区间和警觉区间来判定预警等级，监测判定模块250与第二通讯模块210、大坝构建模块220和数据统计模块240均连接；数据库模块260用于存储所接收的信息，数据库模块260与第二通讯模块210和监测判定模块250均连接。
在本实施例中，需要说明的是，由监测判定模块250来根据阈值U确定是否存在预警，并根据警戒区间和警觉区间来判定预警等级，将其通过第二通讯模块210上传给可视化预警单元300，同时，也会上传给数据库模块260进行存储。
在本发明中，可视化预警单元300包括第三通讯模块310、显示模块320和数据绘制模块330，其中：第三通讯模块310用于实现可视化预警单元300与信息分析单元200间的信息交互；显示模块320用于显示所接收的信息，显示模块320与第三通讯模块310连接；数据绘制模块330根据所接收的数据信息，绘制相应的数据走势图表，数据绘制模块330与第三通讯模块310和显示模块320均连接。
此外，可视化预警单元300还包括预警提醒模块340，预警提醒模块340根据所接收到的预警信息，发出相应的预警提醒，预警提醒模块340与第三通讯模块310和显示模块320均连接。
在本实施例中，需要说明的是，利用第三通讯模块310可以接收信息分析单元200的信息，再由数据绘制模块330根据得到预处理数据，绘制相应的数据走势图表，并进行显示，使得管理人员可以直接的查看大坝相关数据的情况，此外，预警提醒模块340会接收预警信息，并根据相应的预警等级，根据得到的预警等级信息，发出相应的等级，以方便管理人员及时的做出相应的处理。
此外，本实施例提供了一种基于数字孪生的大坝安全分析预警方法，使用了上述的基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，包括以下步骤：
步骤一、获取大坝的构建历史数据信息、大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息；
步骤二、预设预警所设的阈值U，根据所获取的大坝的构建历史数据信息，构建虚拟三维大坝模型，对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息进行预处理和统计，再阈值U确定是否存在预警，然后利用警戒区间和警觉区间来判定预警等级；
步骤三、根据所得到的预警等级，发出相应的预警提醒。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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所述的具体实施方式。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。
Claims (10)
1.一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于，包括信息获取单元(100)、信息分析单元(200)和可视化预警单元(300)，其中：
所述信息获取单元(100)用于获取大坝的构建历史数据信息、大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息；
所述信息分析单元(200)根据所获取的大坝的构建历史数据信息，构建虚拟三维大坝模型，对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息进行预处理和统计，以及监测判定虚拟三维大坝模型的运行状态，所述信息分析单元(200)与信息获取单元(100)连接；
所述可视化预警单元(300)用于绘制数据走势图表、显示所接收到的信息，以及根据预警信息发出相应的预警提醒，所述可视化预警单元(300)与信息分析单元(200)连接。
2.根据权利要求1中所述的一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于：所述信息获取单元(100)包括大坝信息获取模块(110)和环境信息获取模块(120)，其中：
所述大坝信息获取模块(110)用于获取大坝的构建历史数据信息；
所述环境信息获取模块(120)用于获取大坝的环境信息，其中环境信息包括上下游水位信息、气温信息、大气压力信息以及降水量信息。
3.根据权利要求2中所述的一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于：所述信息获取单元(100)还包括安全信息获取模块(130)和第一通讯模块(140)，其中：
所述安全信息获取模块(130)用于获取大坝的安全监测信息，其中安全监测信息包括变形量信息、渗透量信息以及应力应变信息；
所述第一通讯模块(140)用于实现信息获取单元(100)与信息分析单元(200)间的信息交互，所述第一通讯模块(140)与大坝信息获取模块(110)、环境信息获取模块(120)和安全信息获取模块(130)均连接。
4.根据权利要求1中所述的一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于：所述信息分析单元(200)包括第二通讯模块(210)、大坝构建模块(220)、数据预处理模块(230)和数据统计模块(240)，其中：
所述第二通讯模块(210)用于实现信息分析单元(200)与信息获取单元(100)和可视化预警单元(300)间的信息交互；
所述大坝构建模块(220)根据所获取的大坝的构建历史数据信息，构建虚拟三维大坝模型，所述大坝构建模块(220)与第二通讯模块(210)连接；
所述数据预处理模块(230)用于对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息异常值识别和剔除，所述数据预处理模块(230)与第二通讯模块(210)连接；
所述数据统计模块(240)用于对预处理后的数据信息进行统计，所述数据统计模块(240)与数据预处理模块(230)连接。
5.根据权利要求4中所述的一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于：所述对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息异常值识别和剔除的过程如下：
按照信息获取的时间，构建基于时间的监测序列X＝(x1,x2,…,xi,…,xn)，式中xi为某一个时刻数据；
计算监测序列xi的方差Δxi，将方差Δxi不满足(0，σ2)作为第一异常判定情况；
将作为第二异常判定条件，式中，Δxi为方差，/>为均方差，k为判别倍数，σ为方差标准差；
若xi满足第一异常判定条件，且满足第二异常判定条件，则剔除xi，否则，保留xi。
6.根据权利要求5中所述的一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于：所述对预处理后的数据信息进行统计的过程如下：
获取预处理后的监测序列Y＝(y1,y2,…,yi,…,yn)，式中，yi为某一个时刻数据；
在监测序列Y范围内设定一个阈值U，将zi＝yi-U为超出量，得到超出量序列Z＝(z1,z2,…,zi,…,zm)；
计算得到概率分布函数式中，式中，/>为超出量的平均值，S为超出量的方差，σ为方差标准差；
根据3σ准则，对概率分布进行划分，得到对应的警戒区间和警觉区间。
7.根据权利要求5中所述的一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于：所述信息分析单元(200)还包括监测判定模块(250)和数据库模块(260)，其中：
所述监测判定模块(250)用于将预处理后的数据映射到所构建的虚拟三维大坝模型中，以及根据阈值U确定是否存在预警，并根据警戒区间和警觉区间来判定预警等级，所述监测判定模块(250)与第二通讯模块(210)、大坝构建模块(220)和数据统计模块(240)均连接；
所述数据库模块(260)用于存储所接收的信息，所述数据库模块(260)与第二通讯模块(210)和监测判定模块(250)均连接。
8.根据权利要求1中所述的一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于：所述可视化预警单元(300)包括第三通讯模块(310)、显示模块(320)和数据绘制模块(330)，其中：
所述第三通讯模块(310)用于实现可视化预警单元(300)与信息分析单元(200)间的信息交互；
所述显示模块(320)用于显示所接收的信息，所述显示模块(320)与第三通讯模块(310)连接；
所述数据绘制模块(330)根据所接收的数据信息，绘制相应的数据走势图表，所述数据绘制模块(330)与第三通讯模块(310)和显示模块(320)均连接。
9.根据权利要求8中所述的一种基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于：所述可视化预警单元(300)还包括预警提醒模块(340)，所述预警提醒模块(340)根据所接收到的预警信息，发出相应的预警提醒，所述预警提醒模块(340)与第三通讯模块(310)和显示模块(320)均连接。
10.一种基于数字孪生的大坝安全分析预警方法，使用了权利要求1-9中任意一项所述的基于数字孪生的大坝安全分析预警系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取大坝的构建历史数据信息、大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息；
步骤二、预设预警所设的阈值U，根据所获取的大坝的构建历史数据信息，构建虚拟三维大坝模型，对大坝的环境信息以及大坝的安全监测信息进行预处理和统计，再阈值U确定是否存在预警，然后利用警戒区间和警觉区间来判定预警等级；
步骤三、根据所得到的预警等级，发出相应的预警提醒。
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