基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏檢測方法，結合南水北調中線干線工程的實際情況，分析導致工程滲漏的物理量和效應量之間的基本關聯性質，針對南水北調中線高填方滲漏特點，提出基于多梯度場融合的滲漏檢測方法，高填方滲漏會導致渠道滲漏處與周圍介質之間存在明顯溫度和濕度差異，渠坡發生變形和移位，因此，將電流場梯度、溫度場和濕度場梯度和形變梯度場進行融合處理，采用基于徑向基的神經網絡方法融合處理并得出滲漏的具體位置，提高滲漏點檢測的精度，能夠更加準確及時地對監測點進行識別和智能控制，更有效地對高填方段滲漏進行處理。
【專利說明】基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及渠道滲漏檢測領域，具體涉及一種基于多梯度場融合的南水北調高填 方段滲漏檢測方法。
【背景技術】
[0002] 南水北調中線工程是解決華北地區水資源緊缺的關鍵性跨流域調水工程，工程建 設和運行中將涉及到眾多的前沿性工程的技術問題。南水北調工程中高填方渠段分布范圍 廣、工程地質條件復雜、填方高度大，施工原因、基礎整體或局部沉降以及邊坡滑坡、溫度變 化、凍脹、冰壓力等均會造成襯砌面板開裂，防滲體被拉斷造成滲漏水。渠道的各種病害將 使南水北調的減災工作提上議事日程，其中尋找滲漏點是其中一個重要問題，需要尋找適 合南水北調高填方渠道滲漏定位的計算方法。渠道滲漏檢測傳統的方法一般有地質鉆探、 人工探視等，但這些方法對堤壩本身有破壞性和局限性，且費時費力又難于發現渠道滲漏， 不具有快捷、精細、準確和無破損等要求，無法全面推廣應用。近幾年來，堤壩隱患探測技術 已經開展了帶有現代科技技術的方法，比如常規電法、電磁法、地震勘探、示蹤法和流場法 的應用概況。由于各種方法技術都有其自身應用條件和局限性，任何單一的方法都不是萬 能的，有時在實踐中若僅以一種參數作為解釋的依據，可能難以取得預期的效果，因此，實 踐中一般采用綜合的滲漏檢測方法來提高滲漏點檢測的精度。
[0003] 隨著科學技術的發展，地球物理方法及其儀器設備都取得了長足的進步和發展， 渠道滲漏檢測的技術水平不斷提高。但各種無損探測方法都有其自身的應用前提和局限 性，在實際應用中，目前大多數方法都只是將儀器現代化，方法本身并沒有創新，所以在渠 道滲漏檢測中采用單一的方法有時很難取得較好的效果。因此，在南水北調渠道滲漏檢測 的應用中，科技人員應根據現場介質物理性質與地球物理特征，選擇合理的南水北調渠道 滲漏檢測組合方法。
[0004] 目前，南水北調工程中尚無針對高填方段的專項安全監測設計方案。在工程施工 中，一般安裝了以測壓管和小量程滲壓計為基礎的滲流監測設備，可對渠底揚壓力、監測斷 面上的滲透壓力分布以及對浸潤線、滲流量、地下水位和防滲墻防滲效果進行監測。然而， 現有的滲流監測設備一般分布在渠底或者渠道斷面上，采用埋入式或半埋入式安裝，不能 靈活地實現可移動測量；另外，監測數據獲取后，也僅僅進行了測壓管和滲壓計等傳感器數 據和設定的閾值進行比較，沒有進行更有效地處理和分析。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術中的不足，本發明提供一種基于多梯度場融合的南水北調高填方段 滲漏檢測方法。
[0006] 按照本發明所提供的設計方案，一種基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏 檢測方法，包含如下步驟： 步驟一.建立高填方段滲漏硬件檢測平臺，包含節點采集單元及與節點采集單元相互 信號通訊的監測中心； 步驟二·通過步驟一中節點采集單元采集到的當前測點η數據，計算得出高填方渠道 坡面當目U測點η的溫度場和濕度場的梯度分布、GPS位移變形梯度分布、滲流電流場分布； 步驟三.將步驟二中得到的當前測點η的溫度場和濕度場的梯度分布、GPS位移變形 梯度分布、滲流電流場分布進行數據融合，得到高填方渠道當前測點 η的滲流場分布，計算 出當前測點η的滲漏發生的概率值L ; 步驟四·判斷步驟三得到的概率值L是否大于產生的閾值，若是，則記錄當前測點η滲 漏點產生的溫度、濕度、GPS位移、滲流電流值，進入下一步驟，否則，直接進入下一步驟； 步驟五·通過GPRS無線通信，將當前測點 η滲漏點產生的溫度、濕度、GPS位移、滲流 電流值傳 輸至監測中心，進入下一個測點，返回步驟二，直至各個測點測量結束。
[0007]上述的，步驟二中計算得出高填方渠道坡面當前測點η的溫度場和濕度場的梯度 分布、GPS位移變形梯度分布、滲流電流場分布的計算過程為：獲取當前時刻t的當前測點 η的溫度值W(t)n和上一測點η-l的溫度值wau、濕度值H(t)n和上一測點η的濕度值 HCt^、GPS位移值SOOjP上一測點n-1的GPS位移值S( t)n ^、電流值I⑴n和上一測點 η-l的電流值I (tL ;將當前時刻t的當前測點n與上一測點η-!的值進行梯度運算，得出 高填方渠道坡面當前測點η的溫度場的梯度分布 Dff、濕度場的梯度分布Dh、gps位移變形梯 度分布Ds、滲流電流場分布Dp
[0008]上述的，所述步驟三中的數據融合，計算公式為： 其中，是第j個隱含層節點的輸出；Di是輸入的各個梯度場樣本值； P為神經元個數；C」是高斯基函數的中心值；σ」是密度；Cj、σ』和 p為標定值。
[0009]上述的，所述步驟三中的計算出當前測點n的滲漏發生的概率值L，計算公式為： 1=^^=1^/#1^^，其中，1)為神經元個數，~為網絡輸出的擬定加權值，％是第』個 隱含層節點的輸出。
[0010]上述的，所述節點采集單元包括殼體及設于殼體內且與電源模塊相連接的ZigBee 模塊、GPS模塊、溫濕度傳感器模塊、滲流電阻，GPS模塊與ZigBee模塊相通訊連接，滲流電 阻和溫濕度傳感器模塊相連接，溫濕度傳感器模塊與ZigBee模塊相通訊連接，GPS模塊和 ZigBee模塊分別與GPRS節點采集單元相連接。
[0011 ]上述的，所述節點采集單元還包含處理節點采集單元數據的單片機及用于發送數 據至監測站的GPRS天線。
[0012]本發明基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏檢測方法的有益效果： 本發明設計新穎、合理，結合南水北調中線干線工程的實際情況，分析導致工程滲漏的 物理量和效應量之間的基本關聯性質，針對南水北調中線高填方滲漏特點，提出基于多梯 度場融合的滲漏檢測方法，滲漏水流會逐步帶走滲漏通道中較細的土壤顆粒，從而導致隱 患處介質的含水率增高，介質的導電性能變好，渠道滲漏處與周圍介質之間存在明顯導電 性能差異；高填方滲漏會導致渠道滲漏處與周圍介質之間存在明顯溫度和濕度差異；高填 方滲漏會是渠坡發生變形和移位；因此，將電流場梯度、溫度場和濕度場梯度和形變梯度場 進行融合處理，采用基于徑向基（RBF)的神經網絡方法融合處理，得出高填方渠道滲漏的具 體位置，提高滲漏點檢測的精度，能夠更加準確及時地對監測點進行識別和智能控制，更有 效地對高填方段滲漏進行處理。
[0013]
【專利附圖】
【附圖說明】： 圖1為本發明基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏檢測方法流程圖； 圖2為本發明的高填方段滲漏硬件檢測平臺示意圖； 圖3為本發明實施例一 ZigBee子節點采集單元結構示意圖； 圖4為本發明實施例一 GPRS節點采集單元結構示意圖； 圖5為本發明的滲漏檢測數據融合神經網絡示意圖。
[0014]
【具體實施方式】： 圖中標號1代表殼體，標號2代表電源模塊，標號3代表GPS模塊，標號4代表ZigBee 模塊，標號5代表溫濕度傳感器模塊，標號6代表滲流電阻，標號7代表錐形尖部，標號8代 表GPRS模塊，標號9、10、12、13、14分別代表ZigBee子節點采集單元，標號11代表GPRS節 點傳輸模塊，標號15代表監測站。
[0015] 下面結合附圖和技術方案對本發明作進一步詳細的說明，并通過優選的實施例詳 細說明本發明的實施方式，但本發明的實施方式并不限于此。
[0016] 實施例一，參見圖廣5所示，一種基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏檢 測方法，包含如下步驟： 步驟一.建立高填方段滲漏硬件檢測平臺，包含節點采集單元及與節點采集單元相互 信號通訊的監測中心； 步驟二·通過步驟一中節點采集單元采集到的當前測點η數據，計算得出高填方渠道 坡面當前測點η的溫度場和濕度場的梯度分布、GPS位移變形梯度分布、滲流電流場分布； 步驟三·將步驟二中得到的當前測點η的溫度場和濕度場的梯度分布、GPS位移變形 梯度分布、滲流電流場分布進行數據融合，得到高填方渠道當前測點η的滲流場分布，計算 出當前測點η的滲漏發生的概率值L ; 步驟四·判斷步驟三得到的概率值L是否大于產生的閾值，若是，則記錄當前測點η滲 漏點產生的溫度、濕度、GPS位移、滲流電流值，進入下一步驟，否則，直接進入下一步驟； 步驟五·通過GPRS無線通信，將當前測點 η滲漏點產生的溫度、濕度、GPS位移、滲流 電流值傳輸至監測中心，進入下一個測點，返回步驟二，直至各個測點測量結束。
[0017] 上述的，步驟二中計算得出高填方渠道坡面當前測點η的溫度場和濕度場的梯度 分布、GPS位移變形梯度分布、滲流電流場分布的計算過程為：獲取當前時刻t的當前測點 η的溫度值W(t)n和上一測點η-l的溫度值、濕度值H(t)n和上一測點n-l的濕度值 Ha)^、GPS位移值S(t)n和上一測點η-l的GPS位移值SO：：^、電流值I (t)n和上一測點 η-l的電流值I(t)n-i ;將當前時刻t的當前測點n與上一測點n-丨的值進行梯度運算，得 出聞填方渠道坡面當如測點η的溫度場的梯度分布D w= W(t)n- 、濕度場的梯度分布
【權利要求】
1. 一種基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏檢測方法，其特征在于：包含如下 步驟： 步驟一.建立高填方段滲漏硬件檢測平臺，包含節點采集單元及與節點采集單元相通 訊的監測中心； 步驟二.通過步驟一中節點采集單元采集到的當前測點n數據，計算得出高填方渠 道坡面當前測點n的溫度場和濕度場的梯度分布、GPS位移變形梯度分布、滲流電流場分 布； 步驟三.將步驟二中得到的當前測點n的溫度場和濕度場的梯度分布、GPS位移變形 梯度分布、滲流電流場分布進行數據融合，得到高填方渠道當前測點n的滲流場分布，計算 出當前測點n的滲漏發生的概率值L; 步驟四.判斷步驟三得到的概率值L是否大于產生的閾值，若是，則記錄當前測點n滲 漏點產生的溫度、濕度、GPS位移、滲流電流值，進入下一步驟，否則，直接進入下一步驟； 步驟五.通過GPRS無線通信，將當前測點n滲漏點產生的溫度、濕度、GPS位移、滲流 電流值傳輸至監測中心，進入下一個測點，返回步驟二，直至各個測點測量結束。
2. 根據權利要求1所述的基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏檢測方法，其特 征在于：步驟二中計算得出高填方渠道坡面當前測點n的溫度場和濕度場的梯度分布、GPS 位移變形梯度分布、滲流電流場分布的計算過程為：獲取當前時刻t的當前測點n的溫度值 W(t)n和上一測點n-1的溫度值W(t)n_i、濕度值H(t)n和上一測點n-1的濕度值H(t)n_i、GPS 位移值S(t)n和上一測點n-1的GPS位移值S(t)n_i、電流值I(t)n和上一測點n-1的電流值 I(Olri ;將當前時刻t的當前測點n與上一測點n-1的值進行梯度運算，得出高填方渠道坡 面當前測點n的溫度場的梯度分布Dw、濕度場的梯度分布DH、GPS位移變形梯度分布Ds、滲 流電流場分布Dp
3. 根據權利要求2所述的基于多梯度場融合的南水北調高填方段 滲漏檢測方法，其特征在于：所述步驟三中的數據融合，計算公式為：
,其中，％.是第j個隱含層節點的輸出A是輸入的各個梯度場樣本值； P為神經元個數；Cj是高斯基函數的中心值；〇」是密度；Cp 〇」和p為標定值。
4. 根據權利要求3所述的基于多梯度場融合的南水北調高填方段滲漏檢測方法， 其特征在于：所述步驟三中的計算出當前測點n的滲漏發生的概率值L，計算公式為：
，其中，P為神經元個數，Wij為網絡輸出的擬定加權值，是第j個 隱含層節點的輸出。
5. 根據權利要求1所述的基于多梯度場融合的南北水調高填方段滲漏檢測方法，其 特征在于：所述節點采集單元包括殼體及設于殼體內且與電源模塊相連接的ZigBee模塊、 GPS模塊、溫濕度傳感器模塊、滲流電阻，GPS模塊與ZigBee模塊相通訊連接，滲流電阻和溫 濕度傳感器模塊相連接，溫濕度傳感器模塊與ZigBee模塊相通訊連接，GPS模塊和ZigBee 模塊分別與GPRS節點采集單元相連接。
6. 根據權利要求5所述的基于多梯度場融合的南北水調高填方段滲漏檢測方法，其特 征在于：所述節點采集單元還包含處理節點采集單元數據的單片機及用于發送數據至監測 站的GPRS天線。
【文檔編號】G08C17/02GK104268431SQ201410547799
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】劉明堂, 孫新娟, 鄭輝, 姚建斌, 王怡素, 劉雪梅, 田壯壯, 司孝平, 王世志, 宋東東, 劉帥 申請人:華北水利水電大學