基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统及其构建方法技术方案

本发明专利技术提供了基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统及其构建方法，包括物理层、信息层、服务层和应用层；所述物理层和信息层包括用于数字孪生底板建设的监测系统；所述服务层包括用于数据融合处理的预测系统、预警系统和预案发布系统；所述应用层包括用于数字化场景构建的预演系统。所建立的系统能更好地服务于工程实际，能够实时监测土石坝的各项指标数据，对土石坝渗流安全风险进行实时预测，实现土石坝渗流状态实时动态模拟和渗流灾变自动化预警预案。拟和渗流灾变自动化预警预案。拟和渗流灾变自动化预警预案。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统及其构建方法


[0001]本专利技术属于土石坝渗流安全监测及预警
，具体涉及基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统及其构建方法。

技术介绍

[0002]土石坝是由当地土料、石料和混合料组成的一种挡水坝。目前土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛的一种坝型，占据了总坝型的80%以上。渗流破坏是土石坝常见的安全问题，对土石坝的渗流进行动态实时监测和预警是保障土石坝安全运行的重要前提。
[0003]目前，对土石坝的风险预测大多依赖于人工对监测数据进行分析，这对分析人员的要求比较高且通常不及时。一旦土石坝发生渗流风险，往往需要经过一段时间的分析才能找到问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的缺陷，提供基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，所建立的系统能更好地服务于工程实际，能够实时监测土石坝的各项指标数据，对土石坝渗流安全风险进行实时预测，实现土石坝渗流状态实时动态模拟和渗流灾变自动化预警预案。
[0005]为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，包括物理层、信息层、服务层和应用层；所述物理层和信息层包括用于数字孪生底板建设的监测系统；所述服务层包括用于数据融合处理的预测系统、预警系统和预案发布系统；所述应用层包括用于数字化场景构建的预演系统。
[0006]所述监测系统包括数据采集系统、数据通信系统和数据资源库三部分；所述数据采集系统包括用于采集土石坝降雨量、气温、上下游水位和渗压实时数据的传感器，还包括用于监测土石坝物理形态变化的监测器；传感器和监测器位于物理层中并用于数据采集；所述数据通信系统通过有线或者无线通信方式与数据资源库相连，并将数据采集系统所采集到的数据传输到数据资源库进行保存；所述数据资源库用于对数据进行储存。
[0007]所述物理层的物理空间与虚拟空间存在着一一对应关系，物理空间内的物理实体在虚拟空间内都对应一个数字孪生体，当物理空间内的各项要素发生变化时，虚拟空间的状态也会随之更新。
[0008]所述预测系统用于接收监测系统中所获得的土石坝渗流实时监测数据，采用监控模型法、浸润线法和渗透坡降法建立水库大坝渗流安全评价指标，并基于组合赋权法建立土石坝渗流安全风险综合评价指标，再结合长短期记忆网络算法对数据进行处理，获得各
指标体系和渗流安全风险之间的非线性关系，用于预测渗流安全风险；同时，用新产生的数据更新数字孪生数据库和数字孪生体，成为新的历史数据，实现土石坝渗流状态的实时动态演化。
[0009]所述预警系统基于预测结果触发预警系统进行灾变预警，预案发布系统的预案库中建立了不同土石坝渗流风险下的防渗措施体系，当触发了灾变预警之后，预案发布系统会提供初步的防渗方案。
[0010]所述预演系统是结合GIS技术和BIM技术对土石坝实时渗流状态进行三维数字化仿真模拟，实现虚拟实体与物理实体的完全孪生；GIS用于获取土石坝在数字三维空间的地理坐标系，将土石坝的数字三维模型演化在三维地理空间内，BIM用于自动化的管理。
[0011]基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统的构建方法，包括以下步骤：步骤1：依据水利行业标准《土石坝安全监测技术规范》确定监测目标和监测技术；监测目标选择地形及地质条件复杂的坝段、渗流易发部位，并涵盖整个土石坝；根据坝体结构、断面形状和渗流特征布设测线，每个测点的高程依据坝体渗流特征、浸润线位置和坝体几何参数确定；监测设备主要包括测压管和渗压计，测压管能够根据水柱中的高度来表述渗透压力，渗压计埋深在水工建筑物内部，用来测量孔隙压力；步骤2：监测系统包括数据采集系统、数据通信系统和数据资源库，数据采集系统主要是基于布置的监测点获取实时监测数据，包括上下游水位、降雨量、气温各种土石坝信息采集点的传感器，和监测土石坝形态变化的监测器，并通过有线或无线网络进行数据的通信，负责传感器和监测器节点的数据接收和数据发送，最终将数据汇集给监测站的数据资源库；步骤3：将步骤2获得的所有土石坝历史数据输入到预测系统进行分析，实现多源异构数据之间的交互处理，解决多元数据类型的接入和格式统一；具体过程为：将已得到的土石坝多年历史数据采用监控模型法、浸润线法和渗透坡降法建立水库大坝渗流评价指标；其中，监控模型法用于监控土石坝的坝体形状和三维模型；浸润线是渗透水流表面与土石坝横断面的交线，浸润线以下的土体为饱和状态，受到渗透力作用，确定浸润线的位置对土石坝的渗流稳定性分析有重要影响；渗透坡降用来判别渗透变形，当大于允许渗透坡降时，土体就会发生渗透变形，依据水力学中的达西定律，渗透坡降和渗透系数的乘积即为渗流速度；然后基于组合权重方法对风险评估指标进行赋权，得到一个综合风险评价指标，将所得数据划分为训练集和测试集，并基于长短期记忆网络算法训练得到土石坝渗流安全风险预测模型；长短期记忆网络模型算法中的输入参数为土石坝多年监测指标数据，输出数据为评价土石坝失稳的风险指标，具体包括：渗流量，渗流速度，浸润线位置和渗透力；根据算法预测的风险指标并结合赋权法，得到一个综合评价指标，根据这个综合评价指标来评价土石坝风险；步骤4：结合步骤3的预测结果，不同的指标数值会对应不同的风险值，根据对应的风险值系统会自动触发预警系统，实现土石坝渗流异常状态智能识别和灾变预警报警，并给出土石坝防渗的初步推荐方案；同时用新产生的数据更新数字孪生数据库，实现土石坝渗流状态的实时动态演化；当预警到不同的渗流灾变时，系统会提供相应的防渗方案，以方便工作人员及时准确的处理问题；
步骤5：依据步骤2所获得的实时数据，结合GIS技术和BIM技术更新土石坝三维数字孪生模型，实时演化土石坝的渗流状态，建立与真实土石坝完全一致的三维数字化模型基于传感器获得的真实数据，通过与服务器的数据连接动态演化土石坝的真实渗流情况，进而直观的观测到土石坝的渗流状态。
[0012]本专利技术有益效效果：1、本专利技术基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统在物理层和信息层中监测系统能够实时监测土石坝相关信息，包括实时监控上下游水位、降雨量、气温、渗压等。将物理层和信息层形成对应，并将土石坝物理实体可视化，结合历史数据对土石坝渗流安全风险进行预测。与传统土石坝渗流监测相比不仅可以提高预测准确率还能实现可视化。
[0013]2、本专利技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，基于监测系统获得了土石坝实时监测数据，建立了物理实体和虚拟实体的一一对应关系，当物理实体发生变化时，虚拟实体也会进行相应的更新。
[0014]3、本专利技术采用监控模型法、浸润线法和渗透坡降法建立土石坝渗流安全评价指标，结合组合赋权法建立土石坝渗流安全风险模型，基于机器学习算法建立了土石坝渗流安全风险预测模型。
[0015]4、 本专利技术的基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，可以实现对土石坝渗流引发的危害进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，其特征在于，包括物理层、信息层、服务层和应用层；所述物理层和信息层包括用于数字孪生底板建设的监测系统；所述服务层包括用于数据融合处理的预测系统、预警系统和预案发布系统；所述应用层包括用于数字化场景构建的预演系统。2.根据权利要求1所述基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，其特征在于，所述监测系统包括数据采集系统、数据通信系统和数据资源库三部分；所述数据采集系统包括用于采集土石坝降雨量、气温、上下游水位和渗压实时数据的传感器，还包括用于监测土石坝物理形态变化的监测器；传感器和监测器位于物理层中并用于数据采集；所述数据通信系统通过有线或者无线通信方式与数据资源库相连，并将数据采集系统所采集到的数据传输到数据资源库进行保存；所述数据资源库用于对数据进行储存。3.根据权利要求2所述基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，其特征在于，所述物理层的物理空间与虚拟空间存在着一一对应关系，物理空间内的物理实体在虚拟空间内都对应一个数字孪生体，当物理空间内的各项要素发生变化时，虚拟空间的状态也会随之更新。4.根据权利要求2所述基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，其特征在于，所述预测系统用于接收监测系统中所获得的土石坝渗流实时监测数据，采用监控模型法、浸润线法和渗透坡降法建立水库大坝渗流安全评价指标，并基于组合赋权法建立土石坝渗流安全风险综合评价指标，再结合长短期记忆网络算法对数据进行处理，获得各指标体系和渗流安全风险之间的非线性关系，用于预测渗流安全风险；同时，用新产生的数据更新数字孪生数据库和数字孪生体，成为新的历史数据，实现土石坝渗流状态的实时动态演化。5.根据权利要求4所述基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，其特征在于，所述预警系统基于预测结果触发预警系统进行灾变预警，预案发布系统的预案库中建立了不同土石坝渗流风险下的防渗措施体系，当触发了灾变预警之后，预案发布系统会提供初步的防渗方案。6.根据权利要求3所述基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统，其特征在于，所述预演系统是结合GIS技术和BIM技术对土石坝实时渗流状态进行三维数字化仿真模拟，实现虚拟实体与物理实体的完全孪生；GIS用于获取土石坝在数字三维空间的地理坐标系，将土石坝的数字三维模型演化在三维地理空间内，BIM用于自动化的管理。7.权利要求1
‑
6任意一项所述基于数字孪生技术的土石坝渗流安全动态监测及灾变预警系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：依据水利行业标准《土石坝...

【专利技术属性】
技术研发人员：王满玉，姜桥，武洋，郝国鹏，覃宇辉，
申请(专利权)人：中国三峡建工集团有限公司，
类型：发明
国别省市：