一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法及系统与流程

1.本发明涉及大坝安全监测领域，特别是一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法及系统。


背景技术：

2.本发明提供了一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法及系统，涉及大坝安全监测技术。本发明采用多种振源耦合、动静结合等方式实现大坝全域或局部安全动态监测。
3.随着清洁能源的大力发展，水电站、大型及特大型水电站的建设越来越多，坝体高度也越来越高。相应地，大坝的安全状态及健康情况越来越受到重视。传统的大坝监测均是采用静态监测方法，无法反映在地震、泄洪、冲沙、机组发电运行等特殊工况条件下大坝的动态安全性态。现有的大坝动态安全监测主要基于大坝地震监测网的事件触发型大坝强震监测系统，这个系统触发源单一，仅在发生强烈地震条件下才能触发动态监测。其实大坝坝体的振动源不仅有地震，还有泄洪、冲沙、发电机组运行引起的坝体振动等，这些振动条件下大坝坝体的局部结构性态变化也需要关注，需要对多种振动源和各部位振动情况进行实时监测和判断，以便启动或停止大坝全域或局部坝体的动态监测。然而，大坝地震监测网只能对达到地震级别的地震动发出事件信息和预警，对于低级别的局部振动会做滤除处理。因此仅依赖大坝地震监测网进行坝体振动监测不能实现多种工况下大坝动态监测。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述和/或现有的一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法中存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法，其包括，
8.各种途径获取多种大坝振动源；
9.对于大坝局部振动事件监测采用分布式监测方法；
10.采用多振源耦合分析方法实时判断，及时向系统全域或局部发出启动或停止动态监测指令，触发相应设备的动态监测工作状态；
11.动态测量对于振动事件采用主辅原则，以系统信号为主，以局域信号为辅，来启动或停止动态测量工作状态；
12.采用数据分析样本差异方法，实现动态测量和静态测量状态无缝兼容。
13.作为本发明所述一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法的一种优选方案，其中：所述大坝振动源的获取途径包括大坝地震监测网发送的地震事件信息，系统各动态测量单元的坝体振动监测模块发送的坝体振动事件信息，还包括水电站中控中心发送的泄洪、冲沙或发电机组启动等与引起大坝振动有关的指示信息，大坝振动源包括地震、泄洪、冲沙和发电机组发电。
14.作为本发明所述一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法的一种优选方案，其中：所述分布式监测方法，其特征在于采用分布式方法，在坝体内各重点监测部位安装动态监测单元的大坝振动监测模块，重点监测部位包括泄洪闸、溢洪道、冲沙闸、发电机组厂房、发电机组水轮机安装部位、坝基、坝顶、坝肩部位，这些部位附近安装有负责坝体振动感应的加速度计和负责坝体安全监测的传感器。
15.作为本发明所述一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法的一种优选方案，其中：所述大坝振动监测模块，采用递归sta/lta振动事件分析方法和表决判断法，分析判断坝体振动状态，坝体振动事件信息既发送远程中心站，也发送给本大坝振动监测模块所在的动态测量单元的动态测量模块，递归sta/lta振动事件分析方法计算公式如下：
16.stai＝c
xi
+(1-c)sta
i-1
17.ltai＝c
xi
+(1-c)lta
i-1
18.c＝1-e-s/t
19.其中s为采样间隔(秒)，t为特征延迟时间，即脉冲响应衰减到原始值的1/e所用的时间，c为延迟常数：短时窗的延迟常数c取值为c＝1/n
sta
，长时窗的延迟常数c取值为c＝1/n
1ta
，stai为信号在i时刻短时均值，ltai为信号在i时刻长时均值，c
xi
为信号在时刻i的递归运算常数项；
20.采用的离散小波变换算法进行信号频率分析，获取信号频率及相位信息，具体计算方法如下：
[0021][0022][0023][0024]
其中，为近似系数，w
ψ
(j0,k)为精细系数，ψ
j,k
(x)分别为不同尺度和不同位置下的尺度函数和小波函数，j为尺度阶数＝0,1,
…
,j-1，k为位置偏移量＝0,1,
…
,2
j-1，n为信号样本数＝2j，x为样本点＝0,1，
…
,n-1，f(x)为有n个样本点的离散信号函数。
[0025]
作为本发明所述一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法的一种优选方案，其中：所述采用多振源耦合分析方法包括，
[0026]
首先，系统中心站通过通信网络，可以实时获取到大坝地震监测网发送的地震事件信息a、发电机组启闭信息b、泄洪闸启闭信息c、冲沙闸启闭信息d外部信息；
[0027]
同时中心站通过系统通信网络，可实时获取安装于大坝各关键部位的测量单元中的大坝振动监测模块发送的坝体振动事件信息，如泄洪闸坝体振动事件信息e、冲沙闸坝体振动事件信息f、溢洪道坝体振动事件信息g、水轮机安装基础坝体振动事件信息h、发电机组厂房坝体振动事件信息j、坝基振动事件信息k、坝顶振动事件信息r和坝肩振动事件信息s，以上各事件信息均用1位二进制位表示；
[0028]
然后，按以下步骤进行多振源耦合运算并执行相应操作：
[0029]
首先判断a&f&g&h&k&r&s是否等于1；
[0030]
若a&f&g&h&k&r&s＝1，则启动系统全域动态测量，然后回到a&f&g&h&k&r&s是否等于1判断循环；
[0031]
若a&f&g&h&k&r&s≠1，则判断a|f|g|h|k|r|s是否等于0；
[0032]
若a|f|g|h|k|r|s＝0，停止全系动态测量，然后回到a&f&g&h&k&r&s是否等于1判断循环；
[0033]
若a|f|g|h|k|r|s≠0则继续进行判断；
[0034]
若a&f&g&h&k&r&s＝0，并且a|(k&r&s)＝1，启动全系动态测量，然后回到a&f&g&h&k&r&s是否等于1判断循环；
[0035]
否则，若a&f&g&h&k&r&s＝0，并且a|b|c|d|f|g|h|k|r|s＝1，局部有振动事件发生，启动有振动的部位测量单元动态测量，否则停止相应部位测量单元动态测量，然后回到a&f&g&h&k&r&s是否等于1的判断循环；
[0036]
对于局部振动事件的详细处理逻辑：
[0037]
其中如果c|e＝1，开启泄洪闸部位及泄洪道动态测量；
[0038]
如果d|f＝1，开启冲沙闸部位及冲沙道动态测量；
[0039]
如果b|j＝1，开启发电厂动态测量；
[0040]
如果b|h＝1，开启水轮机组安装基础动态测量；
[0041]
如果g＝1，开启溢洪道动态测量；
[0042]
如果k＝1，开启坝基动态测量；
[0043]
如果r＝1，开启坝肩动态测量；
[0044]
如果g＝1，开启坝顶动态测量。
[0045]
作为本发明所述一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法的一种优选方案，其中：所述动态测量采用主辅原则包括，动态测量模块以中心站的系统事件信息为主，以本地局部大坝振动事件信息为辅，辅助信息服从主信息为基本原则，启动或停止动态测量工作状态；
[0046]
所述采用数据分析样本差异方法，实现动态测量和静态测量状态无缝兼容包括，当动态测量模块在非动态测量状态下自动进入静态测量状态，在静态测量状态下，仍然采用动态测量控制流程，同时将静态测量分析输入数据样本量扩大到动态测量分析样本的数倍。
[0047]
鉴于上述和/或现有的一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测系统中存在的问题，提出了本发明。
[0048]
因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测系统。
[0049]
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测系统，其包括，
[0050]
传感器、动态测量单元、通信网络及中心站，传感器包括坝体局部振动感应的加速度计和坝体应力应变、变形、渗流物理量感知的传感器；动态测量单元主要包括大坝振动监测模块和动态测量模块；通信网络包括有线通信网络和无线通信网络；中心站的计算机上安装有数据采集与数据分析及预警软件；
[0051]
动态测量模块，针对弦式传感器的动态测量，采用自适应信号维持方法，维持钢弦稳定共振，采用小波变换法，获得钢弦的共振频率；
[0052]
通信网络，包含有线通信网络、无线通信网络两种网络，这两种网络自动互为备分，系统的中心站与测量单元之间常规采用有线通信网络通信，当有线通信网络发生故障时，系统自动切换到无线通信网络通信，确保通信链路畅通；
[0053]
中心站，负责实时获取大坝地震监测网发送的地震事件信息和本系统各动态测量单元的坝体振动监测模块发送的坝体振动事件信息，同时接收水电站中控中心发送的泄洪、冲沙或发电机组启动等指示信息等，针对这些信息源，采用多振源耦合分析方法实时判断，并及时向系统全域或局部动态测量单元的动态测量模块发出启动或停止动态监测指令；中心站还负责采集各动态测量单元的动态测量模块的动态测量数据，并进行数据分析，根据分析结果，判断大坝结构安全状态，实时发布大坝状态信息，必要时发出大坝安全预警信息。
[0054]
作为本发明所述一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测系统的一种优选方案，其中：所述自适应信号维持方法包括，动态测量模块中设置有信号收发器、信号放大器、增益控制器、高速a/d转换器、相位补偿器、dac转换器、激励开关和mcu，其中mcu中嵌有小波变换数据分析模块和动态激励控制模块等嵌入式软件模块；测量时，采用以下步骤维持钢弦稳定共振：
[0055]
在刚启动测量时，由动态激励控制模块，控制dac转换器产生一系列正玄波，同时开启激励开关；控制dac转换器产生的正弦波经过信号收发器对弦式传感器进行激励；然后在激励一段时间后，停止dac转换器输出正弦波，关闭激励开关；
[0056]
弦式传感器产生的共振信号经过信号收发器，由信号放大器按mcu控制增益放大器所预设或前一次测量记录的增益值进行信号放大；
[0057]
放大后的弦式传感器共振信号一路经过高速a/d转换器，进行信号离散化处理，然后由mcu中的小波变换数据分析处理模块进行数据分析处理，获得弦式传感器产生的共振信号频率、相位及幅度等信息；
[0058]
mcu根据共振信号幅度信息控制控制增益放大器的增益值，将弦式传感器返回信号放大到适当的幅值，以便获得更好的信号分析效果；
[0059]
动态激励控制模块在增益放大器的增益值放大到一定程度后，信号幅值小于预期值时，控制相位补偿器，根据对放大后的弦式信号相位延迟，进行必要的相位补偿后作为激
励信号，获得与输入信号同频同相的激励信号，并传输到激励开关；然后动态激励控制模块控制激励开关打开，激励信号经过信号收发器激励弦式传感器，以维持弦式传感器的弦线共振状态；
[0060]
所述小波数据分析处理模块包括，接收到来自高速a/d转换器所采集样本数据序列后，采用的离散小波变换算法进行信号频率分析，获取信号频率及相位信息。
[0061]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。
[0062]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。
[0063]
本发明有益效果为能在泄洪、冲沙、发电机组运行及地震等工况下快速响应、实时动态采集与分析，适应大坝安全性态分析和评估需求。
附图说明
[0064]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0065]
图1为实施例1中一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法及系统的大坝多振源耦合分析流程图。
[0066]
图2为实施例1中一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法及系统的弦式传感器动态测量模块原理框图。
[0067]
图3为实施例2中一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法及系统的系统组成图。
具体实施方式
[0068]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0069]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0070]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0071]
实施例1
[0072]
参照图1和图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法，包括
[0073]
通过各种途径获取多种大坝振动源；
[0074]
对于大坝局部振动事件监测采用分布式监测方法；
[0075]
采用多振源耦合分析方法实时判断，及时向系统全域或局部发出启动或停止动态
监测指令，触发相应设备的动态监测工作状态；
[0076]
动态测量对于振动事件采用主辅原则，以系统信号为主，以局域信号为辅，来启动或停止动态测量工作状态；
[0077]
采用数据分析样本差异方法，实现动态测量和静态测量状态无缝兼容。
[0078]
本方法采用多振源耦合、动静结合等方式实现一种大坝安全动态监测系统，振动监测模块采用递归sta/lta振动事件分析方法和表决判断法，实现本站坝体振动状态分析判断与预警监测；动态测量模块针对弦式传感器测量，采用自适应信号维持方法和小波变换数据分析方法，实现在大坝振动状态下，传感器输出的非稳定(非平稳随机过程)信号的动态测量，并且采用大数据流分析计算方法，无缝实现高精度静态测量。中心站实时获取大坝地震监测系统发出的地震事件信息、本系统各测量单元的坝体振动事件信息、水电站中控中心发送的泄洪闸、冲沙闸及发电机组启闭等指令信息，对这些振源信息进行多振源耦合分析，及时向全系统或局部发出启动或停止动态监测指令，同时负责采集各测量单元的动态测量数据并进行数据分析，发布大坝安全状态及异常预警。本发明的一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测系统，能在泄洪、冲沙、发电机组运行及地震等工况下快速响应、实时动态采集与分析，适应大坝安全性态分析和评估需求。
[0079]
大坝振动源的获取途径包括大坝地震监测网发送的地震事件信息，系统各动态测量单元的坝体振动监测模块发送的坝体振动事件信息，还包括水电站中控中心发送的泄洪、冲沙或发电机组启动等与引起大坝振动有关的指示信息，大坝振动源包括地震、泄洪、冲沙和发电机组发电等。
[0080]
分布式监测方法，其特征在于采用分布式方法，在坝体内各重点监测部位安装动态监测单元的大坝振动监测模块，重点监测部位包括泄洪闸、溢洪道、冲沙闸、发电机组厂房、发电机组水轮机安装部位、坝基、坝顶、坝肩等部位，这些部位附近安装有负责坝体振动感应的加速度计和负责坝体安全监测的传感器。
[0081]
大坝振动监测模块采用递归sta/lta振动事件分析方法和表决判断法，分析判断坝体振动状态，坝体振动事件信息既发送远程中心站，也发送给本大坝振动监测模块所在的动态测量单元的动态测量模块，递归sta/lta振动事件分析方法计算公式如下：
[0082]
stai＝c
xi
+(1-c)sta
i-1
[0083]
ltai＝c
xi
+(1-c)lta
i-1
[0084]
c＝1-e-s/t
[0085]
其中s为采样间隔(秒)，t为特征延迟时间，即脉冲响应衰减到原始值的1/e所用的时间，c为延迟常数：短时窗的延迟常数c取值为c＝1/n
sta
，长时窗的延迟常数c取值为c＝1/n
1ta
，stai为信号在i时刻短时均值，ltai为信号在i时刻长时均值，c
xi
为信号在时刻i的递归运算常数项。
[0086]
大坝振动监测模块除采用上述递归sta/lta振动事件分析方法外，为提高系统振动事件报告可靠性，大坝振动监测模块至少接入3只加速度传感器，对传感器信号处理结果，采用表决器进行表决判断，只有当2/3以上多数传感器检测到振动事件时，才报告振动事件的发生，确认振动事件的真实性，避免误判。
[0087]
采用多振源耦合分析方法，首先，系统中心站通过通信网络，可以实时获取到大坝地震监测网发送的地震事件信息a、发电机组启闭信息b、泄洪闸启闭信息c、冲沙闸启闭信
息d等外部信息；
[0088]
同时中心站通过系统通信网络，可实时获取安装于大坝各关键部位的测量单元中的大坝振动监测模块发送的坝体振动事件信息，如泄洪闸坝体振动事件信息e、冲沙闸坝体振动事件信息f、溢洪道坝体振动事件信息g、水轮机安装基础坝体振动事件信息h、发电机组厂房坝体振动事件信息j、坝基振动事件信息k、坝顶振动事件信息r和坝肩振动事件信息s等，以上各事件信息均用1位二进制位表示；
[0089]
然后，按以下步骤进行多振源耦合运算并执行相应操作：
[0090]
步骤一、如果a&f&g&h&k&r&s＝1，启动系统全域动态测量，循环此步骤，否则按步骤二执行；
[0091]
步骤二、如果a|f|g|h|k|r|s＝0，停止全系动态测量，回到第一步循环，否则按步骤三执行；
[0092]
步骤三、如果a&f&g&h&k&r&s＝0，并且a|(k&r&s)＝1，启动全系动态测量，回到步骤一循环，否则按以下步骤执行局部动态测量判断及操作；
[0093]
a&f&g&h&k&r&s＝0，并且a|b|c|d|f|g|h|k|r|s＝1，局部有振动事件发生，启动有振动的部位测量单元动态测量，否则停止相应部位测量单元动态测量，然后回到步骤一循环；其中如果c|e＝1，开启泄洪闸部位及泄洪道动态测量；如果d|f＝1，开启冲沙闸部位及冲沙道动态测量；如果b|j＝1，开启发电厂动态测量；如果b|h＝1，开启水轮机组安装基础动态测量；如果g＝1，开启溢洪道动态测量；如果k＝1，开启坝基动态测量；如果r＝1，开启坝肩动态测量；如果g＝1，开启坝顶动态测量。其中&表示与，|表示或。
[0094]
动态测量采用主辅原则，动态测量模块以中心站的系统事件信息为主，以本地局部大坝振动事件信息为辅，辅助信息服从主信息为基本原则，启动或停止动态测量工作状态；
[0095]
采用数据分析样本差异方法，实现动态测量和静态测量状态无缝兼容包括，当动态测量模块在非动态测量状态下自动进入静态测量状态，在静态测量状态下，仍然采用动态测量控制流程，同时将静态测量分析输入数据样本量扩大到动态测量分析样本的数倍。
[0096]
实施例2
[0097]
参照图3，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测系统，包括，
[0098]
传感器、动态测量单元、通信网络及中心站等，系统测量单元采用分布式布局，每个单元其包含振动监测模块和动态测量模块。
[0099]
传感器包括坝体局部振动感应的加速度计和坝体应力应变、变形、渗流等物理量感知的传感器；动态测量单元主要包括大坝振动监测模块和动态测量模块；通信网络包括有线通信网络和无线通信网络；中心站的计算机上安装有数据采集与数据分析及预警软件；
[0100]
动态测量模块，针对弦式传感器的动态测量，采用自适应信号维持方法，维持钢弦稳定共振，采用小波变换法，获得钢弦的共振频率；
[0101]
大坝振动监测模块接入加速度计，通过对加速度计的实时监测，采用递归sta/lta振动事件分析方法和表决判断法，分析判断坝体振动状态。当出现坝体振动事件时，大坝振动监测模块将所获得坝体振动事件信息通过通信网络3通知中心站，同时通过内部通信接
口，通知本测量单元内的动态测量模块，启动本测量单元动态测量。
[0102]
动态测量模块可同时接收来自本单元自身配置的大坝振动监测模块和中心站发来的坝体振动事件信息。动态测量模块在接收到坝体振动事件信息后立即启动动态测量，并可以根据预设的动态测量持续时间或者在接收大坝振动监测模块或中心站发来的坝体振动停止事件信息，结束动态测量。模块采用主辅原则，即以中心站的事件信息为主，以本地大坝振动监测模块事件信息为辅，辅助信息服从主信息为基本原则，启动或停止动态测量工作状态。动态测量模块在进行动态测量时，针对弦式传感器的动态测量采用自适应信号维持方法，维持钢弦稳定共振，并且采用小波变换法，随频率改变的“时间频率"窗口，自适应地进行小窗函数精细匹配频域信息，对振弦式传感器内钢弦的共振信号进行分析处理，得到钢弦的共振频率。动态测量模块采用大数据流方法实现高精度静态测量。具体方法是当动态测量模块在非动态测量状态下自动进入静态测量状态，在静态测量状态下，仍然采用动态测量控制流程，同时将静态测量分析输入数据样本量扩大到动态测量分析样本的数倍，从而计算得到非常高的静态测量精度，实现动态与静态无缝转换。
[0103]
通信网络，包含有线通信网络、无线通信网络两种网络，这两种网络自动互为备分，系统的中心站与测量单元之间常规采用有线通信网络通信，当有线通信网络发生故障时，系统自动切换到无线通信网络通信，确保通信链路畅通。
[0104]
中心站的计算机上安装有数据采集与数据分析及预警软件，负责实时获取大坝地震监测网发送的地震事件信息和本系统各动态测量单元的坝体振动监测模块发送的坝体振动事件信息，同时接收水电站中控中心发送的泄洪、冲沙或发电机组启动等指示信息等，针对这些信息源，采用多振源耦合分析方法实时判断，并及时向系统全域或局部动态测量单元的动态测量模块发出启动或停止动态监测指令。中心站还负责采集各动态测量单元的动态测量模块的动态测量数据，并进行数据分析，根据分析结果，判断大坝结构安全状态，实时发布大坝状态信息，必要时发出大坝安全预警信息。
[0105]
自适应信号维持方法包括，动态测量模块中设置有信号收发器、信号放大器、增益控制器、高速a/d转换器、相位补偿器、dac转换器、激励开关和mcu，其中mcu中嵌有小波变换数据分析模块和动态激励控制模块等嵌入式软件模块；测量时，采用以下步骤维持钢弦稳定共振：
[0106]
步骤一、在刚启动测量时，由动态激励控制模块，控制dac转换器产生一系列正玄波，同时开启激励开关；控制dac转换器产生的正弦波经过信号收发器对弦式传感器进行激励；然后在激励一段时间后，停止dac转换器输出正弦波，关闭激励开关；
[0107]
步骤二、弦式传感器产生的共振信号经过信号收发器，由信号放大器按mcu控制增益放大器所预设或前一次测量记录的增益值进行信号放大；
[0108]
步骤三、放大后的弦式传感器共振信号一路经过高速a/d转换器，进行信号离散化处理，然后由mcu中的小波变换数据分析处理模块进行数据分析处理，获得弦式传感器产生的共振信号频率、相位及幅度等信息；
[0109]
步骤四、mcu根据共振信号幅度信息控制控制增益放大器的增益值，将弦式传感器返回信号放大到适当的幅值，以便获得更好的信号分析效果；
[0110]
步骤五、动态激励控制模块在增益放大器的增益值放大到一定程度后，信号幅值小于预期值时，控制相位补偿器，根据对放大后的弦式信号相位延迟，进行必要的相位补偿
后作为激励信号，获得与输入信号同频同相的激励信号，并传输到激励开关；然后动态激励控制模块控制激励开关打开，激励信号经过信号收发器激励弦式传感器，以维持弦式传感器的弦线共振状态；
[0111]
小波数据分析处理模块包括，接收到来自高速a/d转换器所采集样本数据序列后，采用的离散小波变换算法进行信号频率分析，获取信号频率及相位信息，具体计算方法如下：
[0112][0113][0114][0115]
其中，为近似系数，w
ψ
(j0,k)为精细系数，ψ
j,k
(x)分别为不同尺度和不同位置下的尺度函数和小波函数，j为尺度阶数＝0,1,
…
,j-1，k为位置偏移量＝0,1,
…
,2
j-1，n为信号样本数＝2j，x为样本点＝0,1，
…
,n-1，f(x)为有n个样本点的离散信号函数。
[0116]
本发明中采用小波变换法，利用短时傅里叶变换的局部化思想，窗口大小随频率变化而改变，自适应修改“时间-频率”窗口，能对时间(空间)频率的局部化分析；通过伸缩平移运算，对信号(函数)逐步进行多尺度细化，自动适应变化的时频信号分析，从而在坝体振动状态下，获得非稳定信号的高精度频率值和相位值。
[0117]
实施例3
[0118]
本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：还包括，
[0119]
所述功能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)执行本发明各个实施例所述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-onlymemory)、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。
[0120]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设
备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0121]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0122]
应当理解，本发明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指令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。
[0123]
实施例4
[0124]
本发明第四个实施例，其不同于前三个实施例的是：为对本发明中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方案进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0125]
现有的大坝动态安全监测主要基于大坝地震监测网的事件触发型大坝强震监测系统，这个系统触发源单一，仅在发生强烈地震条件下才能触发动态监测。其实大坝坝体的振动源不仅有地震，还有泄洪、冲沙、发电机组运行引起的坝体振动等，这些振动条件下大坝坝体的局部结构性态变化也需要关注，需要对多种振动源和各部位振动情况进行实时监测和判断，以便启动或停止大坝全域或局部坝体的动态监测。然而，大坝地震监测网只能对达到地震级别的地震动发出事件信息和预警，对于低级别的局部振动会做滤除处理。因此仅依赖大坝地震监测网进行坝体振动监测不能实现多种工况下大坝动态监测。
[0126]
本发明系统采用多种振源耦合触发逻辑计算方法，不仅能在地震时启动大坝整体动态测量，也能在常规运行状态下，根据具体情况，自动响应，既可实现全域动态监测，也可实现局部动态监测，满足多种特殊工况下大坝动态监测需求。系统采用大数据流分析方法，无缝实现高精度静态测量。本发明中针对广泛应用的弦式传感器的动态监测，采用自适应信号维持方法和小波变换频谱分析方法，提高了弦式传感器在非稳定(非平稳随机过程)的信号测量准确度。
[0127]
本实施例利用传统方法和我方方法同时进行信号测量，其检测对比结果如下表所示：
[0128]
表1传统方法与我方发明方法对比表
[0129][0130]
通过上述对比结果可以看出，本发明方法能监测到的振动源比传统方法多，传统方法只能在强烈地震条件下才能触发动态监测；本发明方法的非地震振动的响应时间4s，而传统方法不能测量非地震振动；本发明方法的测量准确度98.5％比传统方法的测量准确率96％高2.5％；地震要几年才可能有一次，甚至都没有，那基本就很少有地震发出信号，但我方发明系统对泄洪、冲沙、机组启停，基本年年有，系统的动态测量特别是局部进行的动态测量基本每年都有，对于发电机组基座的动态监测基本一直在进行，我方发明系统的动态测量功能利用率很高，而传统的单一依赖地震网的系统动态测量功能利用率非常低。
[0131]
且本发明方法检测效率高，节约了大量时间，也说明了本发明方法能在泄洪、冲沙、发电机组运行及地震等工况下快速响应、实时动态采集与分析，适应大坝安全性态分析和评估需求。
[0132]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法，其特征在于：包括，通过各种途径获取多种大坝振动源；对于大坝局部振动事件监测采用分布式监测方法；采用多振源耦合分析方法实时判断，及时向系统全域或局部发出启动或停止动态监测指令，触发相应设备的动态监测工作状态；动态测量对于振动事件采用主辅原则，以系统信号为主，以局域信号为辅，来启动或停止动态测量工作状态；采用数据分析样本差异方法，实现动态测量和静态测量状态无缝兼容。2.如权利要求1所述的一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法，其特征在于：所述大坝振动源的获取途径包括大坝地震监测网发送的地震事件信息，系统各动态测量单元的坝体振动监测模块发送的坝体振动事件信息，还包括水电站中控中心发送的泄洪、冲沙或发电机组启动与引起大坝振动有关的指示信息，大坝振动源包括地震、泄洪、冲沙和发电机组发电。3.如权利要求1所述的一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法，其特征在于：所述分布式监测方法，其特征在于采用分布式方法，在坝体内各重点监测部位安装动态监测单元的大坝振动监测模块，重点监测部位包括泄洪闸、溢洪道、冲沙闸、发电机组厂房、发电机组水轮机安装部位、坝基、坝顶、坝肩部位，这些部位附近安装有负责坝体振动感应的加速度计和负责坝体安全监测的传感器。4.如权利要求3所述的一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法，其特征在于：所述大坝振动监测模块，采用递归sta/lta振动事件分析方法和表决判断法，分析判断坝体振动状态，坝体振动事件信息既发送远程中心站，也发送给本大坝振动监测模块所在的动态测量单元的动态测量模块，递归sta/lta振动事件分析方法计算公式如下：sta
i
＝c
xi
+(1-c)sta
i-1
lta
i
＝c
xi
+(1-c)lta
i-1
c＝1-e-s/t
其中s为采样间隔(秒)，t为特征延迟时间，即脉冲响应衰减到原始值的1/e所用的时间，c为延迟常数：短时窗的延迟常数c取值为c＝1/n
sta
，长时窗的延迟常数c取值为c＝1/n
1ta
，sta
i
为信号在i时刻短时均值，lta
i
为信号在i时刻长时均值，c
xi
为信号在时刻i的递归运算常数项；采用的离散小波变换算法进行信号频率分析，获取信号频率及相位信息，具体计算方法如下：
其中，为近似系数，w
ψ
(j0,k)为精细系数，ψ
j,k
(x)分别为不同尺度和不同位置下的尺度函数和小波函数，j为尺度阶数＝0,1,
…
,j-1，k为位置偏移量＝0,1,
…
,2
j-1，n为信号样本数＝2
j
，x为样本点＝0,1，
…
,n-1，f(x)为有n个样本点的离散信号函数。5.如权利要求1所述的一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法，其特征在于：所述采用多振源耦合分析方法包括，首先，系统中心站通过通信网络，可以实时获取到大坝地震监测网发送的地震事件信息a、发电机组启闭信息b、泄洪闸启闭信息c、冲沙闸启闭信息d外部信息；同时中心站通过系统通信网络，可实时获取安装于大坝各关键部位的测量单元中的大坝振动监测模块发送的坝体振动事件信息，如泄洪闸坝体振动事件信息e、冲沙闸坝体振动事件信息f、溢洪道坝体振动事件信息g、水轮机安装基础坝体振动事件信息h、发电机组厂房坝体振动事件信息j、坝基振动事件信息k、坝顶振动事件信息r和坝肩振动事件信息s，以上各事件信息均用1位二进制位表示；然后，按以下步骤进行多振源耦合运算并执行相应操作：首先判断a&f&g&h&k&r&s是否等于1；若a&f&g&h&k&r&s＝1，则启动系统全域动态测量，然后回到a&f&g&h&k&r&s是否等于1判断循环；若a&f&g&h&k&r&s≠1，则判断a|f|g|h|k|r|s是否等于0；若a|f|g|h|k|r|s＝0，停止全系动态测量，然后回到a&f&g&h&k&r&s是否等于1判断循环；若a|f|g|h|k|r|s≠0则继续进行判断；若a&f&g&h&k&r&s＝0，并且a|(k&r&s)＝1，启动全系动态测量，然后回到a&f&g&h&k&r&s是否等于1判断循环；否则，若a&f&g&h&k&r&s＝0，并且a|b|c|d|f|g|h|k|r|s＝1，局部有振动事件发生，启动有振动的部位测量单元动态测量，否则停止相应部位测量单元动态测量，然后回到a&f&g&h&k&r&s是否等于1的判断循环；对于局部振动事件的详细处理逻辑：其中如果c|e＝1，开启泄洪闸部位及泄洪道动态测量；如果d|f＝1，开启冲沙闸部位及冲沙道动态测量；如果b|j＝1，开启发电厂动态测量；如果b|h＝1，开启水轮机组安装基础动态测量；如果g＝1，开启溢洪道动态测量；
如果k＝1，开启坝基动态测量；如果r＝1，开启坝肩动态测量；如果g＝1，开启坝顶动态测量。6.如权利要求1所述的一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法，其特征在于：所述动态测量采用主辅原则包括，动态测量模块以中心站的系统事件信息为主，以本地局部大坝振动事件信息为辅，辅助信息服从主信息为基本原则，启动或停止动态测量工作状态；所述采用数据分析样本差异方法，实现动态测量和静态测量状态无缝兼容包括，当动态测量模块在非动态测量状态下自动进入静态测量状态，在静态测量状态下，仍然采用动态测量控制流程，同时将静态测量分析输入数据样本量扩大到动态测量分析样本的数倍。7.一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测系统，其特征在于：包括，传感器、动态测量单元、通信网络及中心站，传感器包括坝体局部振动感应的加速度计和坝体应力应变、变形、渗流物理量感知的传感器；动态测量单元主要包括大坝振动监测模块和动态测量模块；通信网络包括有线通信网络和无线通信网络；中心站的计算机上安装有数据采集与数据分析及预警软件；动态测量模块，针对弦式传感器的动态测量，采用自适应信号维持方法，维持钢弦稳定共振，采用小波变换法，获得钢弦的共振频率；通信网络，包含有线通信网络、无线通信网络两种网络，这两种网络自动互为备分，系统的中心站与测量单元之间常规采用有线通信网络通信，当有线通信网络发生故障时，系统自动切换到无线通信网络通信，确保通信链路畅通；中心站，负责实时获取大坝地震监测网发送的地震事件信息和本系统各动态测量单元的坝体振动监测模块发送的坝体振动事件信息，同时接收水电站中控中心发送的泄洪、冲沙或发电机组启动等指示信息等，针对这些信息源，采用多振源耦合分析方法实时判断，并及时向系统全域或局部动态测量单元的动态测量模块发出启动或停止动态监测指令；中心站还负责采集各动态测量单元的动态测量模块的动态测量数据，并进行数据分析，根据分析结果，判断大坝结构安全状态，实时发布大坝状态信息，必要时发出大坝安全预警信息。8.如权利要求7所述的一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测系统，其特征在于：所述自适应信号维持方法包括，动态测量模块中设置有信号收发器、信号放大器、增益控制器、高速a/d转换器、相位补偿器、dac转换器、激励开关和mcu，其中mcu中嵌有小波变换数据分析模块和动态激励控制模块嵌入式软件模块；测量时，采用以下步骤维持钢弦稳定共振：在刚启动测量时，由动态激励控制模块，控制dac转换器产生一系列正玄波，同时开启激励开关；控制dac转换器产生的正弦波经过信号收发器对弦式传感器进行激励；然后在激励一段时间后，停止dac转换器输出正弦波，关闭激励开关；弦式传感器产生的共振信号经过信号收发器，由信号放大器按mcu控制增益放大器所预设或前一次测量记录的增益值进行信号放大；放大后的弦式传感器共振信号一路经过高速a/d转换器，进行信号离散化处理，然后由mcu中的小波变换数据分析处理模块进行数据分析处理，获得弦式传感器产生的共振信号频率、相位及幅度信息；
mcu根据共振信号幅度信息控制控制增益放大器的增益值，将弦式传感器返回信号放大到适当的幅值，以便获得更好的信号分析效果；动态激励控制模块在增益放大器的增益值放大到一定程度后，信号幅值小于预期值时，控制相位补偿器，根据对放大后的弦式信号相位延迟，进行必要的相位补偿后作为激励信号，获得与输入信号同频同相的激励信号，并传输到激励开关；然后动态激励控制模块控制激励开关打开，激励信号经过信号收发器激励弦式传感器，以维持弦式传感器的弦线共振状态；所述小波数据分析处理模块包括，接收到来自高速a/d转换器所采集样本数据序列后，采用的离散小波变换算法进行信号频率分析，获取信号频率及相位信息。9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种具有多振源耦合触发的大坝安全动态监测方法及系统，涉及大坝安全监测领域，包括通过各种途径获取多种大坝振动源；对于大坝局部振动事件监测采用分布式监测方法；采用多振源耦合分析方法实时判断，及时向系统全域或局部发出启动或停止动态监测指令，触发相应设备的动态监测工作状态；动态测量对于振动事件采用主辅原则，以系统信号为主，以局域信号为辅，来启动或停止动态测量工作状态；采用数据分析样本差异方法，实现动态测量和静态测量状态无缝兼容。采用多振源耦合、动静结合等实现一种大坝安全动态监测系统。能在泄洪、冲沙、发电机组运行及地震等工况下快速响应、实时动态采集与分析，适应大坝安全性态分析和评估需求。全性态分析和评估需求。全性态分析和评估需求。


技术研发人员：张锋 罗孝兵 师义成 邹君 权录年 刘艳平 杜泽东 邓检华 姚孟迪 花胜强
受保护的技术使用者：国电南瑞科技股份有限公司 南京南瑞水利水电科技有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/10/6