本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)監(jiān)控，具體涉及一種應(yīng)用于水利工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、水利工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，主要包括傳感器技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與決策支持技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制技術(shù)以及人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)等方面。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用使得水利工程能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的高效管理和分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制以及智能化決策支持，為水利工程的安全運(yùn)行和有效管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。但是，由于環(huán)境因素或設(shè)備老化的影響，某些水位傳感器在長(zhǎng)期運(yùn)行后可能出現(xiàn)故障，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)無法準(zhǔn)確讀取水位數(shù)據(jù)，從而影響對(duì)水位變化的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于水利工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以解決背景技術(shù)中不足。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種應(yīng)用于水利工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于：包括傳感器監(jiān)測(cè)模塊、水位數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估模塊，故障診斷與預(yù)警模塊以及備用傳感器切換模塊；

3、傳感器監(jiān)測(cè)模塊：監(jiān)測(cè)水位傳感器的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用時(shí)間序列分析方法對(duì)傳感器的輸出數(shù)據(jù)趨勢(shì)進(jìn)行分析，評(píng)估傳感器的整體性能穩(wěn)定性；

4、水位數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估模塊：將當(dāng)前采集到的水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷數(shù)據(jù)之間的差異程度，評(píng)估當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的一致性；

5、故障診斷與預(yù)警模塊：對(duì)傳感器的整體性能穩(wěn)定性和當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的一致性進(jìn)行綜合分析，通過設(shè)定故障診斷算法和預(yù)警規(guī)則，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的傳感器故障進(jìn)行診斷，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警通知；

6、備用傳感器切換模塊：設(shè)置備用傳感器，并設(shè)計(jì)切換邏輯，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到備用傳感器并啟用。

7、在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施方式中，傳感器監(jiān)測(cè)模塊中，監(jiān)測(cè)水位傳感器的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用時(shí)間序列分析方法對(duì)傳感器的輸出數(shù)據(jù)趨勢(shì)進(jìn)行分析，評(píng)估傳感器的整體性能穩(wěn)定性，包括以下內(nèi)容：

8、平穩(wěn)性計(jì)算：使用adf檢驗(yàn)來檢驗(yàn)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性，adf檢驗(yàn)的零假設(shè)是序列存在單位根，即非平穩(wěn)；如果p-value小于設(shè)定的顯著性水平，則拒絕零假設(shè)，認(rèn)為序列是平穩(wěn)的；

9、周期性計(jì)算：使用自相關(guān)函數(shù)來分析數(shù)據(jù)是否存在周期性，計(jì)算自相關(guān)系數(shù)，并觀察是否存在顯著的周期性峰值；

10、趨勢(shì)性計(jì)算：使用線性回歸來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否存在趨勢(shì)；對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，觀察回歸系數(shù)的顯著性以及擬合曲線的斜率，判斷是否存在趨勢(shì)性變化；

11、季節(jié)性計(jì)算：使用分解方法來檢測(cè)數(shù)據(jù)是否受季節(jié)性影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行季節(jié)性分解，并計(jì)算季節(jié)性指標(biāo)；

12、將平穩(wěn)性、周期性、趨勢(shì)性，季節(jié)性的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，通過歸一化處理后的平穩(wěn)性、周期性、趨勢(shì)性，季節(jié)性的計(jì)算結(jié)果綜合計(jì)算傳感器的整體性能穩(wěn)定性系數(shù)；

13、將傳感器的整體性能穩(wěn)定性系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較，若傳感器的整體性能穩(wěn)定性系數(shù)大于等于標(biāo)準(zhǔn)閾值，此時(shí)發(fā)出設(shè)備正常信號(hào)；若傳感器的整體性能穩(wěn)定性系數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)閾值，此時(shí)發(fā)出設(shè)備異常信號(hào)。

14、在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施方式中，水位數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估模塊中，評(píng)估當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的一致性，包括以下內(nèi)容；

15、收集當(dāng)前采集到的水位數(shù)據(jù)和歷史水位數(shù)據(jù)，并將它們整理成時(shí)間序列的形式，將當(dāng)前采集到的水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊；

16、對(duì)齊后的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異計(jì)算，直接計(jì)算當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的差值，即，式中，為當(dāng)前數(shù)據(jù)，為歷史數(shù)據(jù)；

17、計(jì)算當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的差值占?xì)v史數(shù)據(jù)的比例，即；

18、將差異數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化情況繪制成時(shí)序圖，計(jì)算差異數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)；繪制差異數(shù)據(jù)的直方圖，以展示數(shù)據(jù)的分布情況；

19、通過直方圖以及核密度圖觀察數(shù)據(jù)的分布形態(tài)和峰態(tài)，判斷是否存在偏態(tài)以及尖峰現(xiàn)象；

20、根據(jù)差異分析和異常檢測(cè)的結(jié)果，綜合評(píng)估當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的一致性程度；

21、如果一致性較高且沒有明顯異常，認(rèn)為當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)保持一致性；如果一致性較低以及存在異常情況，認(rèn)為當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)沒有保持一致性。

22、在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施方式中，故障診斷與預(yù)警模塊中，對(duì)傳感器的整體性能穩(wěn)定性和當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的一致性進(jìn)行綜合分析，使用支持向量機(jī)進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練的具體計(jì)算步驟，包括：

23、選擇支持向量機(jī)作為監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，使用帶有標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行svm模型的訓(xùn)練；

24、svm的目標(biāo)是找到一個(gè)最優(yōu)的超平面，使得異常數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)之間的間隔最大化；

25、svm的優(yōu)化目標(biāo)表示為：，約束條件為：，其中，?i=1,2,...，n，w是超平面的法向量，b是截距，c是懲罰參數(shù)，是松弛變量，是標(biāo)簽，是特征向量。

26、在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施方式中，使用交叉驗(yàn)證對(duì)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行評(píng)估，使用訓(xùn)練好的svm模型對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到異常概率；根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果和設(shè)定的閾值，觸發(fā)預(yù)警通知，包括：

27、將歷史數(shù)據(jù)分為穩(wěn)定性較高和穩(wěn)定性較低的兩個(gè)子集；

28、使用每個(gè)子集進(jìn)行模型評(píng)估，計(jì)算模型在不同子集上的準(zhǔn)確率、召回率、f1-score；

29、使用訓(xùn)練好的模型對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到異常概率p；

30、設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)閾值θ來將連續(xù)值的異常概率轉(zhuǎn)換為標(biāo)記異常以及標(biāo)記正常的分類結(jié)果；

31、如果概率p大于閾值θ，則將數(shù)據(jù)標(biāo)記為異常，此時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)；如果概率p小于等于閾值θ，則將數(shù)據(jù)標(biāo)記為正常，此時(shí)不發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

32、在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明提供的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

33、1、本發(fā)明通過監(jiān)測(cè)水位傳感器的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用時(shí)間序列分析方法對(duì)傳感器的輸出數(shù)據(jù)趨勢(shì)進(jìn)行分析，評(píng)估傳感器的整體性能穩(wěn)定性，將當(dāng)前采集到的水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷數(shù)據(jù)之間的差異程度，評(píng)估當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的一致性，旨在提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實(shí)現(xiàn)早期故障預(yù)警、優(yōu)化維護(hù)策略，進(jìn)而提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本，確保水利工程的安全運(yùn)行和管理。

34、2、本發(fā)明通過對(duì)傳感器的整體性能穩(wěn)定性和當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的一致性進(jìn)行綜合分析，通過設(shè)定故障診斷算法和預(yù)警規(guī)則，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的傳感器故障進(jìn)行診斷，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警通知，通過設(shè)定故障診斷算法和預(yù)警規(guī)則，及時(shí)識(shí)別和處理傳感器故障，減少故障對(duì)水利工程的影響；設(shè)置備用傳感器，并設(shè)計(jì)切換邏輯，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到備用傳感器并啟用。能夠有效地提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和健壯性，使其能夠在各種環(huán)境和工作條件下持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，保障水利工程的安全運(yùn)行和管理。

技術(shù)特征：

1.一種應(yīng)用于水利工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于：包括傳感器監(jiān)測(cè)模塊、水位數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估模塊，故障診斷與預(yù)警模塊以及備用傳感器切換模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于水利工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于：水位數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估模塊中，評(píng)估當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的一致性，包括以下內(nèi)容；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于水利工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于：故障診斷與預(yù)警模塊中，對(duì)傳感器的整體性能穩(wěn)定性和當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的一致性進(jìn)行綜合分析，使用支持向量機(jī)進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練的具體計(jì)算步驟，包括：選擇支持向量機(jī)作為監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，使用帶有標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行svm模型的訓(xùn)練；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種應(yīng)用于水利工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于：使用交叉驗(yàn)證對(duì)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行評(píng)估，使用訓(xùn)練好的svm模型對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到異常概率；根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果和設(shè)定的閾值，觸發(fā)預(yù)警通知，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于水利工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，具體涉及計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域：通過監(jiān)測(cè)水位傳感器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及采集傳感器輸出數(shù)據(jù)，結(jié)合時(shí)間序列分析方法評(píng)估傳感器整體性能穩(wěn)定性，以及當(dāng)前水位數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)一致性，通過故障診斷算法和預(yù)警規(guī)則，能夠及時(shí)識(shí)別和處理傳感器故障，減少故障對(duì)水利工程的不良影響，備用傳感器切換模塊的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換到備用傳感器并啟用，確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，有助于確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在各種環(huán)境和工作條件下持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，從而保障水利工程的安全運(yùn)行和管理。

技術(shù)研發(fā)人員：董賢強(qiáng),曾昊,唐志強(qiáng),于黎雅,閆倩倩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連啟辰建筑工程有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2