一种基于数字孪生技术的智慧水利预警方法及系统

本发明涉及水利工程领域，具体为一种基于数字孪生技术的智慧水利预警方法及系统。

背景技术：

1、数字孪生是指在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”，这个“克隆体”是对实体对象的动态仿真，本体的实时状态，还有外界环境条件，都会复现到“孪生体”身上。如果需要做系统设计改动，或者想要知道系统在特殊外部条件下的反应，工程师们可以在孪生体上进行“实验”，既避免了对本体的影响，也可以提高效率、节约成本。数字孪生是一项非常有潜力的前沿技术。

2、水库是用坝、堤、水闸、堰等工程，在山谷、河道或低洼地区形成的人工水域。水库可以拦蓄洪水、集中落差、调节河川径流及地下径流，故可用于防洪、水力发电、灌溉、航运、城镇供水、养殖、旅游、改善环境等许多方面，对社会经济发展有重要作用。因此，对水库工程的不断优化是水利工程任务中的重中之重。

3、水库积沙问题一直是一个令人头疼的问题，积沙过多会导致水位抬高、库容减少、河槽过水能力降低等问题，从而影响防洪、水力发电等功能，并且人类也很难对水库积沙问题进行彻底性解决。因此，提出一种基于数字孪生技术的智慧水利预警方法及系统。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有问题的不足，本发明提供了一种基于数字孪生技术的智慧水利预警方法及系统，该系统基于水库积沙的发生原因对其进行预防，从源头上减少泥沙进入水库的可能性。

3、(二)技术方案

4、本专利采用的技术方案是：一种基于数字孪生技术的智慧水利预警方法及系统，具体是针对水库泥沙沉积而设计的一款水利预警系统，通过不同传感器和测量仪器分别对相关数据进行信息采集，通过计算处理数据并将结果与设定的临界值进行判断，若高于临界值则会发出相应的预警警报传给终端，工作人员可以实时在移动设备上收到警报提醒。

5、影响水库积沙的原因有很多，本发明主要针对下游土壤侵蚀、山体滑坡和入库水中固体物含量这三个方面来进行智慧水利预警方法及系统的设计。具体包括以下步骤：

6、步骤s1，首先将水库下游河道两侧的土壤区域进行划分，在河道左右两侧各取面积相等的对称区域作为采样区域，在采样区域内均匀选取土壤点，并在每个土壤点放置土壤测试仪，以采集每个土壤点中土壤的砂粒、粉粒、粘粒含量，并测量每个土壤点位置的坡度和坡长；

7、步骤s2，根据中国土壤流失方程csle，实时计算出每个土壤点的土壤侵蚀模数a；

8、步骤s3，根据每个土壤点的土壤侵蚀模数和每个土壤点与河道的直线距离，计算其土壤侵蚀指数i；将所述步骤s1中选取的采样区域划分成若干个大小相等的区域作为计算区域，将计算区域内所有土壤点的土壤侵蚀指数取平均值，得到该区域内的平均土壤侵蚀指数

9、步骤s4，在水库周围高度大于100米且坡度大于20°的山坡上放置速度传感器，山坡顶均匀地放置3个速度传感器，在山坡1/3、2/3高度处各放置1个速度传感器，用来测量计算山坡的运动加速度；

10、步骤s5，实时收集每个传感器上测得的数据，并将每个山坡的5个传感器数据整合，计算出每个山坡的整体加速度，将整体加速度与极限加速度作比值作为山体滑坡指数p，并考虑下雨的情况；

11、步骤s6，在水库蓄水河内选取一片区域放置悬浮物测试仪，每隔一定的时间测量水中的固体物含量，并将所有测试仪测得的数据取平均值，得到蓄水河中的固体物含量ts；

12、步骤s7，每隔一定的时间段，将计算得到的每个土壤区域内的平均土壤侵蚀指数和每个山坡的山体滑坡指数中的最大值，以及蓄水河中的固体物含量进行无量纲化处理，得到水库积沙预警值yj；若水库积沙预警值yj超过阈值，则系统会转而查看具体是哪种数值超过了阈值；并向移动终端发送相应的警报，工作人员可以通过各种移动设备接收到警报信息并采取相应的预防措施；若水库积沙预警值yj未超过阈值，则系统不发出任何警报。

13、具体的，所述步骤s2中的中国土壤流失方程csle为：

14、a＝r×k×ls×b×e×t

15、对采集到的数据进行处理，即可得到侵蚀模数。

16、其中，a即为所求的侵蚀模数；r为降雨侵蚀力因子，使用降雨强度公式，根据逐日降雨量和往日、月、年降雨量进行运算得出；k为土壤可蚀性因子，使用k值表格法，根据采样区域土壤的土地利用类型和土壤类型查找出对应的k值；l和s分别为坡度因子和坡长因子，将数字高程模型和地理信息系统技术结合，通过对地形进行分析和处理，计算得到ls值；b为植物覆盖度与生物措施因子，植物覆盖度通过ndvi归一化差值植被指数表示，ndvi的值通过的反射率的反射率和红光波段的反射率计算而来，根据ndvi指数的值在ndvi对应表中找到对应的植物覆盖度；生物措施因子通过受体生物对生物措施因子的响应和评价指标计算而得。；e和t分别为工程措施因子和耕作措施因子，即所测土地的用处，不同的用处有不同的数值，根据采样区域土壤的土地利用类型和土壤类型查找出对应的e值和t值。

17、具体的，所述步骤3中土壤侵蚀指数的计算过程如下：

18、测量每个测试点与河道的水平距离s，以及离水平面的高度h，利用距离公式求出土壤点与河边缘平面的直线距离这个距离与侵蚀模数呈反比，将两者做如下计算：

19、

20、所求的i的值即为该土壤点的土壤侵蚀指数；将采样区域划分成若干个大小相等的区域作为计算区域，将计算区域内所有土壤点的土壤侵蚀指数取平均值，得到该区域内的平均土壤侵蚀指数

21、具体的，所述步骤5中山坡的加速度与山体滑坡指数的计算过程如下：

22、实时观测传感器上面x，y，z的值，并对三个值进行处理得到整体加速度：

23、

24、其中，gen即为总体加速度；将同一山坡的5个传感器在同一时间段内所测得的加速度的平均值作为时间窗口内这一区域内的加速度：

25、

26、n代表这个区域内所有传感器的个数，count为这个时间窗口内的传感器上传条数；

27、引入极限加速度：

28、ext＝0.5*count*g

29、ext为极限加速度；将区域内加速度与极限加速度作比值表示运动的剧烈程度，考虑到雨水的因素，具体表达式为：

30、

31、m为有水的传感器个数，p为山体滑坡指数；

32、具体的，所述步骤7中水库积沙预警值yj的计算如下：

33、

34、其中yj为水库积沙预警值，为所有土壤区域内的平均土壤侵蚀指数中的最大值，pmax为所有山坡的山体滑坡指数p中的最大值，ts为蓄水河中的固体物含量，a、b、c分别为不同的权重，d为常数修正系数。

35、进一步的，每隔t的时间，系统根据测得的数据和计算的结果更新一次水库积沙预警值；若某一次更新后的水库积沙预警值yj超过预设的积沙阈值，确定超过对应阈值的子参数，并向移动终端发送相应的预警；若土壤区域内的平均土壤侵蚀指数中的最大值超过了阈值，则确定土壤侵蚀指数超过对应阈值的区域，并向移动终端发送土壤侵蚀警报以及发生了土壤侵蚀的区域信息；若山坡的山体滑坡指数p中的最大值pmax超过了阈值，则确定山体滑坡指数超过对应阈值的山坡，并向移动终端发送山体滑坡警报，以及大概率发生山体滑坡的山坡信息；如果发现蓄水河中的固体物含量超过了阈值，则系统向移动终端发送水中固体物含量超标警报。

36、进一步的，在收到土壤侵蚀警报后，会对土壤侵蚀严重的地方进行土壤维护，在这些区域的土壤中添加有机质，将覆盖作物覆盖在对应的土壤上，并在附近区域种植树木；在收到山体滑坡警报后，会打开山脚下的拦沙装置；在收到水中固体物含量超标警报后，会打开进水口处的沉淀池，减少水流的速度，并在入水口处开启过滤网。

37、进一步的，获取水库所在地的天气预报信息，当天气预报有中雨、大雨或暴雨时，每隔1/3t的时间更新一次水库积沙预警值，并且下调了各个数据的阈值，阈值的下调比例为1/2。

38、具体的，一种基于数字孪生技术的智慧水利预警系统，包括：

39、数据收集单元：收集土壤数据、山坡移动数据和水中固体物含量数据，以便后面的分析处理；

40、数据处理单元：将收集到的数据进行预处理操作，如缺失值处理、异常值处理和噪声处理；将预处理后的数据分别带入运算，计算出土壤侵蚀模数、山体滑坡指数和水中固体物含量；并将三个计算出的数据进行无量纲化处理，得出水库积沙预警值；

41、预测及预警单元：系统根据水库积沙预警值是否超过阈值来判断是否需要发出预警；若水库积沙预警值超过了设定的阈值，则系统会进一步分析是哪些数据超过了阈值，并向移动终端发出相应的预警；工作人员在收到预警后进行相应的处理。

42、(三)有益效果

43、本发明提供了一种基于数字孪生技术的智慧水利预警方法及系统，具备以下有益效果：可以准确预测土壤侵蚀和山体滑坡的出现，并且在水进入水库之前检测水中固体物含量防止含有大量泥沙的水进入水库，做到最早发现，发现即警报，最大程度上减少其对水库输入的泥沙的总量。