一种应用于水利水电用闸门的安全监测方法

本发明涉及水利水电闸门，具体为一种应用于水利水电用闸门的安全监测方法。

背景技术：

1、水利水电工程中的闸门是关键设备之一，它负责水流的控制和调节，确保水资源的合理利用和防洪安全。在这些设施中，闸门的运行状况直接影响到整个系统的安全与稳定。因此，保障闸门的安全运行，尤其是在不同环境条件下对闸门的运行进行监控和优化调整，成为水利水电工程管理中的重要任务。

2、现阶段许多水利水电闸门的监测方法大多依赖于单一传感器或简单的手动操作，这种方式在面对复杂的环境条件时存在明显的不足。例如，水流压力、水温、空气湿度、风向等多维度环境因素的变化，都会对闸门的安全运行产生影响，但传统的监测方法通常忽视了这些因素的综合影响，无法实现对环境变化的精准响应。此外，现有系统在面对突发的环境变化时，往往反应迟缓，不能及时调整闸门的运行策略，增加了系统失效和事故的风险。

3、这种现状的缺点主要源于对多维环境数据的缺乏有效整合和实时响应机制的不足。由于没有综合考虑环境变化带来的影响，闸门可能会出现过度开启或关闭的现象，导致水流过大或不足，进而引发洪水、设备过载、机械损坏等异常情况。此外，传统监测系统在面对极端天气或突发状况时，难以快速调整闸门的运行状态，导致应急响应能力不足，进一步加大了设备的维护成本和潜在的安全风险。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种应用于水利水电用闸门的安全监测方法，解决了背景技术中提到的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种应用于水利水电用闸门的安全监测方法，包括以下步骤：

3、s1、通过在水利水电用闸门的周围布设检测点，并安装检测设备实时采集水利水电闸门周围的环境数据，并将采集到的环境数据通过无线传输到中央控制系统，在中央控制系统中进行预处理获取标准环境数据集；

4、s2、构建综合环境影响系数算法模型，再将预处理后获取的标准环境数据集输入到综合环境影响系数算法模型中进行计算输出环境影响系数ienv；

5、s3、基于所输出的环境影响系数ienv和预设的环境影响阈值i进行计算输出风险偏差值△r，再基于风险偏差值△r的输出结果，进行评估分析并依据评估结果生成预警信息，并基于预警信息执行自适应优化公式，获取更新后的环境参数权重anewi，并进行二次计算与评估分析风险偏差值△r的输出结果；

6、s4、在接收到预警信息时，通过构建闸门调整公式，依据环境影响系数ienv进行计算输出闸门开度oadjust，进行动态调整闸门的运行情况，同时在基于所获取的闸门开度oadjust，构建应急响应调整公式并计算输出应急闸门开度调整系数oeme；

7、s5、预设闸门开合安全上限值omax和闸门开合安全下限值omin，并与所获取的闸门开度调整系数oeme进行二次对比评估，分析闸门开合的安全情况。

8、优选的，s1包括s11、s12和s13；

9、s11、通过在水利水电用闸门的周围布设若干个检测点，并在每个检测点上安装检测设备，实时采集水利水电闸门的环境数据；

10、检测设备包括水温传感器、湿度传感器、风向传感器和大气压传感器；

11、环境数据包括水体温度tw、空气湿度ha、风向角度fx和大气压值pc；

12、s12、用于将所采集到的环境数据通过json封装工具封装为json格式的环境数据包，json格式包括数据采集时间、传感器id和环境数据值，并通过lora网关与中央控制系统进行集成连接，将环境数据包传输到中央控制系统中。

13、优选的，s13、通过中央控制系统实时接收环境数据包，并通过json解析工具对环境数据包进行解析提取环境数据，并对环境数据进行预处理后汇总获取标准环境数据集，标准环境数据集包括水体温度变化率△tw（t）、空气湿度变化率△ha（t）、风向偏移量fw（t）和大气压变化率p（t）；

14、水体温度变化率△tw（t）通过数值微分方法从时间序列数据中计算处理获取，具体算法公式为：；式中，tw（t）表示t时刻的水体温度，△t表示两个时间点之间的时间差，tw（t-△t）表示前一个时间点的水体温度；

15、空气湿度变化率△ha（t）通过时间序列数据的变化率进行计算处理获取，具体算法公式为：；式中，ha（t）表示t时刻的空气湿度，ha（t-△t）表示前一时间点的空气湿度；

16、风向偏移量fw（t）通过对风向角度fx的记录计算风向的偏移情况获取；具体算法公式为：；式中，fx（t）表示t时刻的风向角度，fxc表示参考风向角度，通常是正常情况下的平均风向角度；

17、大气压变化率p（t）通过大气压值pc进行微分处理获取，具体计算方式为：，式中，pc（t）表示t时刻的大气压值，pre表示参考大气值。

18、优选的，s2包括s21；

19、s21、基于机器学习算法构建综合环境影响系数算法模型，提取标准环境数据集输入到综合环境影响系数算法模型中，进行计算输出环境影响系数ienv；

20、环境影响系数ienv通过以下综合环境影响系数算法模型计算输出；

21、；

22、式中，表示水体温度变化相对水体温度的变化程度，表示空气湿度变化相对空气湿度的变化程度，ienv（t）表示t时刻的环境影响系数，a1、a2、a3和a4分别表示水体温度变化相对水体温度的变化程度权重值、空气湿度变化相对空气湿度的变化程度的权重值、风向偏移量的权重值和大气压变化率的权重值，且a1+a2+a3+a4=1，其具体数值由用户进行设定。

23、优选的，s3包括s31、s32和s33；

24、s31、通过用户进行设定环境影响阈值i，再与所获取的t时刻的环境影响系数ienv（t），进行差值计算获取风险偏差值△r，对未来环境变化进行预测；

25、风险偏差值△r通过以下算法公式计算获取；

26、；

27、式中，△r（t）表示t时刻的风险偏差值。

28、优选的，s32、基于t时刻的风险偏差值△r（t）的输出结果，进行评估分析当前水利水电闸门的环境对闸门运行情况的影响，具体评估内容如下；

29、当风险偏差值△r（t）＞0时，表示环境对闸门运行产生了异常影响，此时则进行自适应优化；

30、当风险偏差值△r（t）≤0时，表示环境对闸门运行影响正常，此时继续监控。

31、s33、通过在识别出当前环境对闸门运行产生了异常影响时，触发自适应优化；

32、s33还包括s331和s332；

33、s331、在识别出当前环境对闸门运行产生了异常影响时，则触发自适应优化，通过构建自适应优化公式，不断调整综合环境影响系数算法模型中的权重，输出更新后的环境参数权重anewi，环境参数权重anewi包括水体温度变化相对水体温度的变化程度更新权重值anew1、空气湿度变化相对空气湿度的变化程度更新权重值anew2、空气湿度变化相对空气湿度的变化程度更新权重值anew3和风向偏移量的权重值和大气压变化率更新权重值anew4；

34、环境参数权重anewi通过以下自适应优化公式计算输出；

35、；

36、式中，ai表示当前权重值，具体包括a1、a2、a3和a4，表示学习率，通过实际反馈不断优化，l表示损失函数，基于历史数据的损失函数，反映综合环境影响系数算法模型的预测准确度，表示偏导数；

37、s332、再自适应优化后，执行步骤s21、s31和s32，进行二次计算输出优化t时刻的风险偏差值△r（t）2，并对t时刻的风险偏差值△r（t）2的输出结果进行二次分析，并生成闸门调整机制，具体分析内容如下；

38、当优化t时刻的风险偏差值△r（t）2＞0时，表示环境对闸门运行产生了异常影响，此时则生成预警信息提示相关工作人员，并自动执行闸门运行状态调整；

39、当优化t时刻的风险偏差值△r（t）2≤0时，表示环境对闸门运行影响正常，此时继续监控。

40、优选的，s4包括s41和s42；

41、s41、在自适应优化后分析出环境对闸门运行产生了异常影响时，触发闸门运行状态调整机制，通过机器学习算法构建闸门运行状态调整算法模型，将t时刻的环境影响系数ienv（t）输入到闸门运行状态调整算法模型中，进行计算输出闸门开度oadjust；

42、闸门开度oadjust通过以下闸门运行状态调整算法模型计算获取；

43、；

44、式中，oadjust（t）表示t时刻的闸门开度，obase（t）表示t时刻的闸门基础开度，表示环境影响系数的调整系数，srisk（t）表示t时刻的闸门运行风险系数，基于运行历史数据评估系统的故障和应急情况。

45、s42、通过构建应急调整公式，根据闸门开度oadjust，进行应急调整闸门开度，输出应急闸门开度调整系数oeme；

46、应急闸门开度调整系数oeme通过以下应急调整公式计算输出；

47、；

48、式中，oeme（t）表示t时刻应急状态下的应急闸门开度调整系数，k表示调整系数，用于控制闸门调整的敏感性。

49、优选的，s5包括s51；

50、s51、基于水利水电闸门的历史数据在环境条件下闸门开度的安全范围，进行预设闸门开合安全上限值omax和闸门开合安全下限值omin，再与所获取的t时刻应急状态下的闸门调整开度oeme（t）进行二次对比评估，判断当前闸门运行的安全性，具体评估内容如下；

51、当t时刻应急状态下的闸门调整开度oeme（t）＞闸门开合安全上限值omax时，表示闸门机械结构承应力异常，此时通过限制闸门的开闭控制命令，中央控制系统暂停闸门的进一步开合操作，避免因机械负载过高或流量过大造成损坏；

52、当闸门开合安全下限值omin≤t时刻应急状态下的闸门调整开度oeme（t）≤闸门开合安全上限值omax，表示闸门处于正常的应急运行状态，当前的环境影响正常，闸门处于安全范围内，无需额外操作；

53、当t时刻应急状态下的闸门调整开度oeme（t）＜闸门开合安全下限值omin时，表示闸门关闭异常，导致环境水流量不足上游水位异常，存在产生洪水风险，此时迭代执行s41进行调整闸门开度，优化水利水电闸门的开度，确保水流畅通和改善机械负担。

54、本发明提供了一种应用于水利水电用闸门的安全监测方法。具备以下有益效果：

55、（1）该方法通过在水利水电闸门周围布设多个检测点，并配备水温传感器、湿度传感器、风向传感器和大气压传感器，实现了环境数据的多维实时采集和无线传输。不同于传统仅依赖单一传感器的数据采集方法，这一创新方案显著提升了数据的丰富性和准确性，确保了采集到的数据能够充分反映复杂的环境状况。中央控制系统能够对接收到的环境数据进行预处理，生成标准数据集，确保了数据的完整性和一致性。这一流程为后续的数据分析和风险评估提供了更加可靠的基础，极大提高了闸门运行监控的实时性和全面性。

56、（2）该方法基于构建的综合环境影响系数算法模型，利用水温、湿度、风向等多个环境因素的实时数据，精确计算环境影响系数ienv。通过环境影响阈值i与环境影响系数ienv的差值计算风险偏差值δr，系统能够迅速判断出环境异常是否对闸门运行带来风险。借助这一预警机制，当环境影响超过安全阈值时，系统会自动触发自适应优化程序，重新调整环境参数权重anewi，确保闸门能够根据最新的环境条件进行实时调整。这种基于实时分析的自适应优化算法不仅提高了闸门运行的智能化水平，还能显著减少突发环境变化带来的潜在安全隐患，避免了传统方法中依赖人工监控和后期干预的滞后问题。

57、（3）该方法在应急情况下，通过动态调整闸门开度公式，系统能够根据环境影响系数ienv输出最优的闸门开度oadjust，确保闸门始终处于安全运行状态。结合应急调整公式，系统还可以根据开度调整系数oeme对闸门的开合状态进行应急响应。同时，设置了闸门开合安全上限值omax和闸门开合安全下限值omin，并通过二次对比评估分析，系统能够确保闸门不会因过度开启导致水流量过大，或者因过度关闭导致水流量不足。这种多重安全保护机制不仅有效防止了闸门因机械超负荷、磨损或关闭不当引发的故障，还能确保水流的平稳和设施的安全运行，在极端环境下为水利设施的安全性提供了强有力的保障。