一种大坝表面变形监测系统及方法

摘要

本发明公开了一种大坝表面变形监测系统及方法。系统包括：多个监测感知单元，每个监测感知单元监测大坝表面上对应的监测点，用于获取第一变形数据，并根据第一变形数据通过多速率卡尔曼滤波计算得到第二变形数据；数据处理单元，用于根据边缘计算算法汇总第二变形数据，得到第三变形数据；监测中心，用于获取第三变形数据并显示。本发明通过多个监测感知单元实时监测大坝表面变形数据，基于多速率卡尔曼滤波融合边缘计算算法得到大坝表面实时的变形角度、变形速度和变形位移，并通过监测中心实时显示大坝表面变形监测结果，实现了对大坝表面变形自动的、实时的监控，减少了人力、物力的投入，降低了大坝表面变形监测的技术难度和成本。

说明书

技术领域

本申请涉及监测技术领域，尤其是一种大坝表面变形监测系统及方法。

背景技术

水库大坝是经济社会发展中重要的社会公共产品和稳定可靠的保障，是水旱灾害防御、水资源优化配置、能源供应和调节、农业灌溉以及水生态水环境维持等必不可少的重要基础设施。建国以来，我国共修建了9.8万座水库大坝，其中大部分水库大坝修建于上世纪60～70年代左右。据统计，在1954-2006年间，全国各类水库垮坝失事3496座，其中小型水库3370座，占垮坝失事总数的96.4％以上。每一座小型水库需要承受汛期、台风、洪水、生物危害以及筑坝材料自然老化等的考验，存在极大的安全隐患。这些小型水库星罗棋布，分布面积广阔，治理难度非常高，并且普遍存在建设标准以及现场安全管理水平低下的问题。

水库大坝表面变形监测是水库安全运行管理的重要环节。目前主要通过人工或仪器手段观测大坝整体或局部的变形量以掌握大坝在各种原因量的影响下所发生的变形量的大小、分布及其变化规律，从而了解大坝在施工和运行期间的变形性态，监控大坝的变形安全。针对大坝水平位移观测，传统的监测方法包括大地测量学、视准线法以及GNSS，针对大坝垂直位移及倾斜的观测，传统的监测方法包括几何水准法、静力水准仪、双金属标法、三角高程测量法、激光准直法、GNSS、倾角计、测斜仪等。以上方法存在技术要求高、仪器埋设成本高的问题，制约了小型水库的变形监测的普及。

发明内容

本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明实施例的一个目的在于提供一种大坝表面变形监测系统及方法，实现了对大坝表面变形的实时监测，降低了大坝表面变形监测的技术难度和成本。

为了达到上述技术目的，本发明实施例所采取的技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供了一种大坝表面变形监测系统，包括：

多个监测感知单元，每个所述监测感知单元用于监测大坝表面上对应的监测点；所述监测感知单元用于获取第一变形数据，所述第一变形数据包括所述监测点的加速度数据、角加速度数据和地磁测量参数，并根据所述第一变形数据，通过多速率卡尔曼滤波计算得到第二变形数据，所述第二变形数据包括所述监测点的变形角度、变形速度和变形位移；

数据处理单元，用于根据边缘计算算法汇总所述第二变形数据，得到第三变形数据，所述第三变形数据为大坝表面的变形角度、变形速度和变形位移；

监测中心，用于获取所述第三变形数据并显示。

另外，根据本发明上述实施例的一种大坝表面变形监测系统，还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，本发明实施例的一种大坝表面变形监测系统中，所述监测感知单元包括9轴惯性传感器、供电单元和封装层。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述9轴惯性传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计；

所述3轴加速度计采集所述监测点的加速度数据，所述3轴陀螺仪采集所述监测点的角加速度数据，所述3轴磁力计采集所述监测点的地磁测量参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述供电单元为电池。

进一步地，在本发明的一个实施例中，，所述封装层采用ABS塑料。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述监测感知单元与所述数据处理单元的通信方式为Lora，所述数据处理单元与所述监测中心的通信方式包括蜂窝数据和互联网中的任意一种。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述监测感知单元上设置有摄像头，所述摄像头用于获取大坝表面的实时视频和分时段图像。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述监测感知单元上设置有雨量计，所述雨量计用于监测大坝表面的实时雨量数据。

第二方面，本发明实施例提出了一种大坝表面变形监测方法，所述方法应用于大坝表面变形监测系统，所述大坝表面变形监测系统包括多个监测感知单元、数据处理单元和监测中心，每个所述监测感知单元用于监测大坝表面上对应的监测点，所述方法包括：

通过所述监测感知单元获取第一变形数据，所述第一变形数据包括所述监测点的加速度数据、角加速度数据和地磁测量参数；

根据所述第一变形数据，通过所述监测感知单元通过多速率卡尔曼滤波计算得到第二变形数据，所述第二变形数据包括所述监测点的变形角度、变形速度和变形位移；

通过所述数据处理单元根据边缘计算算法汇总所述第二变形数据，得到第三变形数据，所述第三变形数据为大坝表面的变形角度、变形速度和变形位移；

通过所述监测中心获取所述第三变形数据并显示。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述监测感知单元包括9轴惯性传感器，所述9轴惯性传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计；

所述通过所述监测感知单元获取第一变形数据，包括：

通过所述3轴加速度计采集所述监测点的加速度数据；通过所述3轴陀螺仪采集所述监测点的角加速度数据；通过所述3轴磁力计采集所述监测点的地磁测量参数。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到：

本发明实施例通过多个监测感知单元实时监测大坝表面变形数据，基于多速率卡尔曼滤波融合边缘计算算法得到大坝表面实时的变形角度、变形速度和变形位移，并通过监测中心实时显示大坝表面变形监测结果，实现了对大坝表面变形自动的、实时的监控，减少了人力、物力的投入，降低了大坝表面变形监测的技术难度和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本申请实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本申请的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1为本发明一种大坝表面变形监测系统具体实施例的大坝表面变形分量示意图；

图2为本发明一种大坝表面变形监测方法具体实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

水库大坝是经济社会发展中重要的社会公共产品和稳定可靠的保障，是水旱灾害防御、水资源优化配置、能源供应和调节、农业灌溉以及水生态水环境维持等必不可少的重要基础设施。建国以来，我国共修建了9.8万座水库大坝，其中大部分水库大坝修建于上世纪60～70年代左右。据统计，在1954-2006年间，全国各类水库垮坝失事3496座，其中小型水库3370座，占垮坝失事总数的96.4％以上。每一座小型水库需要承受汛期、台风、洪水、生物危害以及筑坝材料自然老化等的考验，存在极大的安全隐患。这些小型水库星罗棋布，分布面积广阔，治理难度非常高，并且普遍存在建设标准以及现场安全管理水平低下的问题。

水库大坝表面变形监测是水库安全运行管理的重要环节。目前主要通过人工或仪器手段观测大坝整体或局部的变形量以掌握大坝在各种原因量的影响下所发生的变形量的大小、分布及其变化规律，从而了解大坝在施工和运行期间的变形性态，监控大坝的变形安全。针对大坝水平位移观测，传统的监测方法包括大地测量学、视准线法以及GNSS，针对大坝垂直位移及倾斜的观测，传统的监测方法包括几何水准法、静力水准仪、双金属标法、三角高程测量法、激光准直法、GNSS、倾角计、测斜仪等。以上方法存在技术要求高、仪器埋设成本高的问题，制约了小型水库的变形监测的普及。

为此，本发明提出了一种大坝表面变形监测系统及方法，通过多个监测感知单元实时监测大坝表面变形数据，基于多速率卡尔曼滤波融合边缘计算算法得到大坝表面实时的变形角度、变形速度和变形位移，并通过监测中心实时显示大坝表面变形监测结果，实现了对大坝表面变形自动的、实时的监控，减少了人力、物力的投入，降低了大坝表面变形监测的技术难度和成本。

下面参照附图详细描述根据本发明实施例提出的一种大坝表面变形监测系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种大坝表面变形监测系统。

本发明实施例中的一种排放控制系统包括：

多个监测感知单元，每个所述监测感知单元用于监测大坝表面上对应的监测点；所述监测感知单元用于获取第一变形数据，所述第一变形数据包括所述监测点的加速度数据、角加速度数据和地磁测量参数，并根据所述第一变形数据，通过多速率卡尔曼滤波计算得到第二变形数据，所述第二变形数据包括所述监测点的变形角度、变形速度和变形位移；

数据处理单元，用于根据边缘计算算法汇总所述第二变形数据，得到第三变形数据，所述第三变形数据为大坝表面的变形角度、变形速度和变形位移；

监测中心，用于获取所述第三变形数据并显示。

其中，本发明实施例的数据处理单元和监测中心采用太阳能供电或者现地市电。本发明实施例的监测感知单元安装于大坝表面1.2m标准高的变形观测墩强制对中板上或直接通过0.5m左右高的金属短竖杆固定于监测体(大坝表面或边坡)表面。

作为一种可选的实施方式，所述监测感知单元包括9轴惯性传感器、供电单元和封装层。

作为一种可选的实施方式，所述9轴惯性传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计；

所述3轴加速度计采集所述监测点的加速度数据，所述3轴陀螺仪采集所述监测点的角加速度数据，所述3轴磁力计采集所述监测点的地磁测量参数。

具体地，本发明实施例的监测感知单元通过9轴惯性传感器实时获取对应监测点的所述第一变形数据，即监测点的加速度数据、角速度数据和地磁测量参数。

参照图1，大坝的变形由三个部分组成，包括水压作用在坝体上使得坝体变形而引起的位移x

x＝x

将大坝的整体变形转化为角度：

x＝x

根据积分公式：

其中，

在本发明的一个实施例中，由于3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计的测量频率不同，需要采用时域集成方法，即采用时域积分来评估算法的效率和鲁棒性。

具体地，三阶校正积分：

在本发明的一个实施例中假设采样频率为1s，此时奈奎斯特频率角度为π。假设f

f

在本发明的实施例中，根据所述第一变形数据，通过多速率卡尔曼滤波计算得到第二变形数据，其中所述第二变形数据包括所述监测点的变形角度、变形速度和变形位移。

具体地，对大坝表面变形的加速度和位移测量方程进行建模：

其中，

将(5)式转化为矩阵形式，得到：

z＝Hx+v (7)

其中w～(0,Q)，

在本发明的实施例中，假设加速度数据在T

通过矩阵将(8)、(9)式归纳为：

x(k+1)＝A

z(k)＝Hx(k)+v(k) (11)

式(10)、(11)共同构成离散卡尔曼滤波公式的状态空间表示，应用离散时间卡尔曼滤波获取准确实时的大坝表面变形的变形位移和变形速度。

时间更新方程：

测量更新方程：

P(k+1|k+1)＝[I-K(k+1)H]P(k+1|k)

其中，卡尔曼增益：

K(k+1)＝P(k+1|k)H

当加速度和位移以不同的采样率测量时，多速率卡尔曼滤波可以处理变形位移和变形速度的最佳估计。假设变形位移测量采样间隔为T

当在kT

卡尔曼滤波平滑主要可分为固定区间平滑、定点平滑和固定滞后平滑三类。本发明实施例的平滑算法是基于固定区间平滑的，该算法也可以成为固定滞后平滑。如果后退步长的数量很小，那么状态估计就接近“实时”。后退步数S1/45用于以后应用中的所有平滑示例。在(0,N)区间下的平滑估计值：

其中，平滑增益：

作为一种可选的实施方式，所述供电单元为电池。

具体地，在本发明的实施例中，采用锂电池给所述监测感知单元供电。本发明实施例的9轴惯性传感器为基于MEMS的9轴惯性传感器，功耗较低。

作为一种可选的实施方式，所述封装层采用ABS塑料。

具体地，通过采用ABS塑料作为所述监测感知单元的封装层的封装材料，使得所述监测感知单元具备通信功能的同时能够实现防雷、防水功能。

作为一种可选的实施方式，所述监测感知单元与所述数据处理单元的通信方式为Lora，所述数据处理单元与所述监测中心的通信方式包括蜂窝数据和互联网中的任意一种。

作为一种可选的实施方式，所述监测感知单元上设置有摄像头，所述摄像头用于获取大坝表面的实时视频和分时段图像。

其中，所述摄像头拍摄的分时段图像分辨率大于或者等于1280*720。通过在所述监测感知单元上设置摄像头，结合所述监测感知单元、数据处理单元的大坝表面变形数据实现了更加直观的大坝表面变形监测。

作为一种可选的实施方式，所述监测感知单元上设置有雨量计，所述雨量计用于监测大坝表面的实时雨量数据。

具体地，在本发明的一个实施例中，所述雨量计为基于压电感应的雨量计。

其次，参照图2，本发明实施例提出了一种大坝表面变形监测方法，所述方法应用于大坝表面变形监测系统，所述大坝表面变形监测系统包括多个监测感知单元、数据处理单元和监测中心，每个所述监测感知单元用于监测大坝表面上对应的监测点，所述方法包括：

S101、通过所述监测感知单元获取第一变形数据；

其中，所述第一变形数据包括所述监测点的加速度数据、角加速度数据和地磁测量参数。

具体地，所述监测感知单元包括9轴惯性传感器，所述9轴惯性传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计。通过所述3轴加速度计采集所述监测点的加速度数据；通过所述3轴陀螺仪采集所述监测点的角加速度数据；通过所述3轴磁力计采集所述监测点的地磁测量参数。

S102、根据所述第一变形数据，通过所述监测感知单元通过多速率卡尔曼滤波计算得到第二变形数据；

其中，所述第二变形数据包括所述监测点的变形角度、变形速度和变形位移。

S103、通过所述数据处理单元根据边缘计算算法汇总所述第二变形数据，得到第三变形数据；

其中，所述第三变形数据为大坝表面的变形角度、变形速度和变形位移。

S104、通过所述监测中心获取所述第三变形数据并显示。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的程序执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。