一种水利工程液位检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水利工程液位检测系统，涉及液位检测领域，该液位检测系统包括：液位计校准与检测模块、液位信息数据采集模块、数据转换与异常检测模块、无线通信与存储模块、数据可视化与预警方案制定模块及异常报警模块。本发明专利技术中数据转换与异常检测模块可以将液位信息数据转换为数字信号数据，并利用KNIF模型进行异常检测，有效消除误报，数据标准化模块能够将各个特征值标准化至相同比例内，并转换为数字信号数据，使得数据更易于处理和分析，实时异常检测模块能够快速检测实时液位信息数据中的异常点，及时发现异常情况，保障水利工程的安全运行。利工程的安全运行。利工程的安全运行。

【技术实现步骤摘要】
一种水利工程液位检测系统


[0001]本专利技术属于液位检测领域，尤其是一种水利工程液位检测系统。

技术介绍

[0002]水利工程是指为了有效地利用和管理水资源而建设的各种工程，包括水库、灌溉系统、水渠、水闸、排水系统等。其目的是解决水资源的供需矛盾，改善灌溉条件，保障人民生产和生活用水安全，以及防洪、调节水流等功能。水利工程在国家经济发展中起着非常重要的作用，因为它不仅关系到农业生产、工业生产和城市建设，还与环境保护和社会稳定密切相关。
[0003]在水利工程中，液位检测是非常重要的一项技术。通过对水库、河流、湖泊等水体的液位进行实时监测和控制，可以有效地保障水资源的安全、有效利用和管理。
[0004]液位检测技术主要分为接触式和非接触式两种。接触式液位检测技术通常采用传感器直接接触到水面进行检测，包括浮球式、划板式、压阻式、电容式等。非接触式液位检测技术则是通过无线电波、声波等方式对液位进行监测，包括雷达液位计、超声波液位计等。
[0005]传统的液位检测系统通常使用机械液位计或浮球式液位计等传统的物理测量手段进行液位检测，这种方法存在以下弊端：这些传统的物理测量手段需要经常人工校准，校准成本高且易出现误差；其次，传统液位检测系统中使用的数据处理方式通常比较简单，难以对液位信息进行多维度分析和预测，不能及时检测异常值。此外，线缆的老化、外界的干扰以及不良环境等因素也可能会影响液位数据准确性，使监测结果不可靠且容易误报，且使用的物理测量手段精确度低且易出现误差，数据处理方式比较简单，难以及时检测异常值。
[0006]针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：提供一种水利工程液位检测系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
[0008]技术方案：一种水利工程液位检测系统，该液位检测系统包括：液位计校准与检测模块、液位信息数据采集模块、数据转换与异常检测模块、无线通信与存储模块、数据可视化与预警方案制定模块、异常报警模块；所述液位计校准与检测模块，用于校准微波雷达液位计，并利用所述微波雷达液位计进行水利工程的液位检测；所述液位信息数据采集模块，用于实时采集所述微波雷达液位计的液位高度信息，并输出液位信息数据；所述数据转换与异常检测模块，用于将所述液位信息数据转换为数字信号数据，并利用KNIF模型进行异常检测以消除误报；所述无线通信与存储模块，用于基于无线通讯协议，将异常检测后的数字信号数
据上传至远程监控平台进行存储；所述数据可视化与预警方案制定模块，用于提供当前数字信号数据可视化界面，并根据实际情况制定预警方案；所述异常报警模块，用于根据所述预警方案设置报警阈值，当液位达到所述报警阈值的上限或下限时触发报警。
[0009]在进一步的实施例中，所述数据转换与异常检测模块包括：液位信息数据处理与特征提取模块、数据标准化模块、KNIF模型训练模块、实时异常检测模块及异常平滑与误报消除模块；所述液位信息数据处理与特征提取模块，用于对所述液位信息数据进行处理，并从处理后的液位信息数据中提取关键特征，得到关键特征的各个特征值；所述数据标准化模块，用于将所述各个特征值标准化至相同比例内，并转换为数字信号数据；所述KNIF模型训练模块，用于使用所述数字信号数据训练KNIF模型，并评估KNIF模型性能；所述实时异常检测模块，用于将训练好的KNIF模型应用于实时液位信息数据，通过计算异常分数，判断所述实时液位信息数据的数据点否为异常点；所述异常平滑与误报消除模块，用于采取滑动窗口法并结合历史数据对所述异常点进行平滑处理，以消除误报。
[0010]在进一步的实施例中，所述数据标准化模块包括：最小值和最大值计算模块、特征值归一化模块及数字信号数据组合模块；所述最小值和最大值计算模块，用于遍历所有液位信息数据，找出各个特征值的最小值和最大值；所述特征值归一化模块，用于根据所述各个特征值的最小值和最大值，利用标准化特征值公式进行归一化处理；所述数字信号数据组合模块，用于将所述归一化处理的特征值组合为原始液位信息数据的数字信号数据。
[0011]在进一步的实施例中，所述标准化特征值公式为：；式中，a和b分别为特征值映射范围的最小值和最大值；T为标准化特征值；λ为原始特征值；n为原始特征值的最大值；m为原始特征的最小值。
[0012]在进一步的实施例中，所述实时异常检测模块包括：欧氏距离及第k近邻计算模块、基于k近邻的隔离树和隔离森林模型构建模块、实时液位信息数据处理模块、异常分数计算模块及异常点判断模块；所述欧氏距离及第k近邻计算模块，用于使用水利工程的历史液位信息数据训练基于k近邻的异常检测模型，并基于k近邻构建超球体，计算历史液位信息数据中数据点之
间的欧氏距离及第k近邻；所述基于k近邻的隔离树和隔离森林模型构建模块，用于利用欧氏距离及第k近邻构建基于k近邻的隔离树和隔离森林模型；所述实时液位信息数据处理模块，用于对实时液位信息数据进行处理，将处理后的实时液位信息数据输入到所述基于k近邻的隔离树和隔离森林模型中；所述异常分数计算模块，用于在所述基于k近邻的隔离树和隔离森林模型中，利用实时液位信息数据中数据点之间的欧氏距离及第k近邻信息，为每个数据点计算异常分数；所述异常点判断模块，用于设定阈值，根据所述异常分数与所述阈值进行比较，确定实时液位信息数据中的异常点。
[0013]在进一步的实施例中，所述异常分数计算模块包括：欧氏距离及k近邻计算模块、隔离树构建模块及隔离森林构建模块；所述欧氏距离及k近邻计算模块，用于计算历史液位信息数据中每个数据点之间的欧氏距离，查找每个数据点的k近邻；所述隔离树构建模块，用于随机选择特征和切分值，并将所述历史液位信息数据进行划分，重复迭代，直至构建完成一个隔离树；所述隔离森林构建模块，用于创建多个隔离树，利用多个隔离树组合成隔离森林模型，并将实时液位信息数据输入到所述隔离森林模型中进行异常检测。
[0014]在进一步的实施例中，所述为每个数据点计算异常分数的计算公式为：；式中，n为数据点的总数；P为实时液位信息数据中数据点；rank(P)为实时液位信息数据中数据点P在数据点x的k近邻中的排名。
[0015]在进一步的实施例中，所述异常分数计算模块包括：隔离树路径长度计算模块及数据点的异常分数计算模块；所述隔离树路径长度计算模块，用于将所述实时液位信息数据输入到所构建的隔离森林模型中，计算每个数据点在隔离树中的路径长度，其中，路径长度为从根节点到叶子节点所需经过的边数；所述数据点的异常分数计算模块，用于利用所述路径长度、结合欧氏距离及k近邻信息，利用异常分数公式为每个数据点计算异常分数，所述异常分数公式为：；式中，S
ave
为平均路径长度；S
k
‑
ave
为k近邻中路径长度的平均值；S
k
‑
SD
为k近邻路径长度的标准差；D为数据点的异常分数。
[0016]在进一步的实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水利工程液位检测系统，其特征在于，该液位检测系统包括：液位计校准与检测模块、液位信息数据采集模块、数据转换与异常检测模块、无线通信与存储模块、数据可视化与预警方案制定模块及异常报警模块；所述液位计校准与检测模块，用于校准微波雷达液位计，并利用所述微波雷达液位计进行水利工程的液位检测；所述液位信息数据采集模块，用于实时采集所述微波雷达液位计的液位高度信息，并输出液位信息数据；所述数据转换与异常检测模块，用于将所述液位信息数据转换为数字信号数据，并利用KNIF模型进行异常检测以消除误报；所述无线通信与存储模块，用于基于无线通讯协议，将异常检测后的数字信号数据上传至远程监控平台进行存储；所述数据可视化与预警方案制定模块，用于提供当前数字信号数据可视化界面，并根据实际情况制定预警方案；所述异常报警模块，用于根据所述预警方案设置报警阈值，当液位达到所述报警阈值的上限或下限时触发报警。2.根据权利要求1所述的水利工程液位检测系统，其特征在于，所述数据转换与异常检测模块包括：液位信息数据处理与特征提取模块、数据标准化模块、KNIF模型训练模块、实时异常检测模块及异常平滑与误报消除模块；所述液位信息数据处理与特征提取模块，用于对所述液位信息数据进行处理，并从处理后的液位信息数据中提取关键特征，得到关键特征的各个特征值；所述数据标准化模块，用于将所述各个特征值标准化至相同比例内，并转换为数字信号数据；所述数据标准化模块包括：最小值和最大值计算模块、特征值归一化模块及数字信号数据组合模块；所述最小值和最大值计算模块，用于遍历所有液位信息数据，找出各个特征值的最小值和最大值；所述特征值归一化模块，用于根据所述各个特征值的最小值和最大值，利用标准化特征值公式进行归一化处理；所述数字信号数据组合模块，用于将所述归一化处理的特征值组合为原始液位信息数据的数字信号数据；所述KNIF模型训练模块，用于使用所述数字信号数据训练KNIF模型，并评估KNIF模型性能；所述实时异常检测模块，用于将训练好的KNIF模型应用于实时液位信息数据，通过计算异常分数，判断所述实时液位信息数据的数据点否为异常点；所述异常平滑与误报消除模块，用于采取滑动窗口法并结合历史数据对所述异常点进行平滑处理，以消除误报。3.根据权利要求2所述的水利工程液位检测系统，其特征在于，所述标准化特征值公式为：
；式中，a和b分别为特征值映射范围的最小值和最大值；T为标准化特征值；λ为原始特征值；n为原始特征值的最大值；m为原始特征的最小值。4.根据权利要求2所述的水利工程液位检测系统，其特征在于，所述实时异常检测模块包括：欧氏距离及第k近邻计算模块、基于k近邻的隔离树和隔离森林模型构建模块、实时液位信息数据处理模块、异常分数计算模块及异常点判断模块；所述欧氏距离及第k近邻计算模块，用于使用水利工程的历史液位信息数据训练基于k近邻的异常检测模型，并基于k近邻构建超球体，计算历史液位信息数据中数据点之间的欧氏距离及第k近邻；所述基于k近邻的隔离树和隔离森林模型构建模块，用于利用欧氏距离及第k近邻构建基于k近邻的隔离树和隔离森林模型；所述实时液位信息数据处理模块，用于对实时液位信息数据进行处理，将处理后的实时液位信息数据输入到所述基于k近邻的隔离树和隔离森林模型中；所述异常分数计算模块，用于在所述基...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉，刘驰，葛新荣，王斌，胡江蕾，齐瑞玲，张雯翔，田盛涛，
申请(专利权)人：山东元明晴技术有限公司，
类型：发明
国别省市：