具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例中，智能湿度调控大坝布设在西部高海拔地区，属大陆性北温带及寒温带气候。气候干燥，春秋季短，冬夏季长。夏季较凉爽，冬季多严寒，气温年较差悬殊。工程所在地地理纬度高，太阳辐射量小。水利枢纽工程拦河坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高240m，坝址多年平均气温为2.8℃；极端最高气温36.6℃；极端最低气温-45℃；多年平均降水量为203.8mm；实测最大日降水量为41.2mm，多年平均蒸发量为1447.5mm；多年平均水面蒸发量为883mm；多年平均风速2.4m/s；最大风速35.1m/s。

如图1所示，智能湿度调控大坝，包括混凝土坝体1以及布设在其中的湿度节点调控单元2、介质供应管路4、中继介质压强调控单元5、混凝土强度监测装置6。

介质补偿源7布置在智能湿度调控大坝的坝顶，它根据大坝主动调控需要提供温度可变的调控介质，所提供调控介质的温度和大坝混凝土的温度相近，避免对大坝混凝土的温度产生扰动，产生温度差和温度应力。

实施例中，根据智能湿度调控大坝分仓位浇筑的时间特征以及坝体的结构特征，将坝体划分为混凝土网格。在大坝各仓位分区布置混凝土强度监测装置6。在网格节点上布设湿度节点调控单元2、温度传感器和应力传感器，分别在混凝土网格内部和网格节点上布设湿度传感器3，湿度节点调控单元2与介质供应管路4连接。介质供应管路4采用树状结构，在介质供应管路4的主干管道上间隔设置有中继介质压强调控单元5。介质供应管路4的输入端与介质补偿源7连接。实施例中，调控介质为水。

湿度节点调控单元2的控制端与控制机构连接，坝体中的湿度传感器3、温度传感器、应力传感器的输出端与数据处理器连接，数据处理器的输出端与控制机构连接，数据处理器对输入的信号分别进行一致性判断，过滤信号中的噪声、异常数据，并根据信号数值大小确定其对应的数值区间。

如图7所示，控制机构包括决策机、知识库、数据库，知识库中存储用于推理、决策的规则，规则包括规则前件即前提条件和规则后件即结论；决策机与数据处理器连接，决策机根据实时采集的各个网格的传感器数据的数值区间，结合知识库的规则进行正向推理，找到与传感器数据最匹配的规则前件，将对应的规则后件作为决策结果并输出到湿度调控工控机，中继介质压强控制单元、介质补偿源的控制器分别与湿度调控工控机连接。无线通讯基站8经数据总线与湿度调控工控机连接。

如图4和图5所示，湿度节点调控单元2为球形结构，包括气化器21、电控阀22和8片湿度扩散瓦23；湿度扩散瓦23分别经电控阀与气化器的输出口连接；湿度节点调控单元2内设有节点控制器和无线通讯模块，气化器的控制端、电控阀分别与节点控制器连接，节点控制器经无线通讯模块与无线通讯基站8通讯连接，即节点控制器经无线网络与湿度调控工控机连接。气化器21布置在湿度节点调控单元2内部中心，它与介质供应管路4连接，接收来自介质补偿源7的调控介质。气化器21经8根导管分别与8片湿度扩散瓦23连接，每根导管上设有电控阀22。湿度节点调控单元的8片湿度扩散瓦沿球面均匀分布，每片湿度扩散瓦23的扩散面朝向湿度扩散瓦23所在的混凝土网格的中心。湿度扩散瓦23的外侧采用双层结构，内层为透气不透水材料膜状结构231，便于让调控介质气体穿透、扩散至周围混凝土中；外层为坚固材料形成的网状结构232，用于保护湿度节点调控单元外侧，防止混凝土浇筑过程中对其产生破坏。如图6所示，开启湿度节点调控单元2的湿度扩散瓦23的电磁阀时，调控介质穿透湿度扩散瓦23的扩散面，向混凝土内定向扩散。

实施例中，介质供应管路4与每个湿度节点调控单元2的气化器21连接位置都安装有稳压阀，稳压阀确保每个湿度节点调控单元的调控介质的压力保持稳定，避免调控介质压力过大对湿度扩散瓦透气膜产生损伤，避免调控介质压力过小影响调控介质的气化效果。

如图2和图3所示，混凝土强度监测装置6包括成对布置在大坝混凝土体中的信号发射器61、信号接收器62，信号接收器接收信号发射器产生的信号，根据接收信号的强弱变化来监测随混凝土龄期增长的混凝土强度变化；信号接收器62包括压电陶瓷片623、环氧树脂保护膜622和不锈钢壳体624，压电陶瓷片623的输出端经线缆621与数据处理器连接。信号发射器61与信号接收器62的结构相同。

上述智能湿度调控大坝的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：利用混凝土强度监测装置实时采集大坝各仓位分区的混凝土强度数据，利用湿度传感器、温度传感器、应力传感器实时采集仓位分区各个混凝土网格的混凝土湿度、温度、应力数据；利用数据处理器对输入的信号分别进行一致性判断，过滤信号中的噪声、异常数据，并根据信号数值大小确定其对应的数值区间，根据各仓位分区混凝土强度监测装置实时采集各仓位分区混凝土强度数值；

仓位分区的混凝土处于不同龄期时具有不同的强度，混凝土强度检测装置检测到的信号能量值均不相同，混凝土强度检测装置的信号发射器产生的信号穿透混凝土体并由信号接收器接收，混凝土强度不同时，接收的信号的损耗程度不相同，计算信号接收器的检测信号的能量比值R₁表示当前时刻信号接收器接收信号的能量与发射信号能量的比值，E_a表示混凝土强度检测装置的信号接收器的实时检测信号的能量值，E表示信号发射器的发射信号的能量值，R₁的倒数即反应混凝土强度大小。

实施例中，以大坝混凝土相同的混凝土配合比制作试验混凝土体，并在其中布置混凝土强度监测装置，采集计算试验混凝土体处于不同龄期时混凝土强度监测装置的信号接收器接收信号的能量与发射信号能量的比值并拟合出能量比值与混凝土强度的曲线方程。数据处理器根据实时采集计算的各仓位分区混凝土的强度监测装置实时采集数据，结合能量比值计算得到各仓位分区混凝土实施强度数值。

步骤2：结合传感器实时采集得到的湿度、温度和应力数据，利用有限元计算大坝的湿度分布场、温度分布场、应力分布场；

步骤3：根据大坝各个混凝土分区的混凝土强度和大坝防裂需求，确定各个混凝土分区的湿度调控目标；

步骤4：根据混凝土网格的实时湿度、温度、应力、应变数据和混凝土分区的湿度调控目标，确定混凝土网格的湿度调控策略；

步骤5：依次单独开启混凝土网格的多个湿度节点调控单元的湿度扩散瓦，根据混凝土网格中湿度传感器采集的实时湿度数据，计算湿度节点调控单元的湿度扩散瓦单独开启时混凝土网格的湿度变化率；

步骤6：根据混凝土网格的湿度调控需求，分别控制混凝土网格的多个湿度节点调控单元的湿度扩散瓦，实施混凝土网格的湿度调控；

步骤7：对网格的湿度扩散过程进行仿真，利用网格的湿度传感器采集的数据实时计算湿度变化率，并与仿真结果相比较，若实时湿度变化率与仿真结果不一致，判断是湿度节点调控单元故障还是网格内混凝土体结构出现异常；

步骤8：实时计算混凝土网格的温度分布场、湿度分布场以及应力分布场，将采集的数据输入决策机，根据决策机的决策结果，对混凝土网格的湿度控制进行实时调整，减小混凝土体的湿度梯度和温度梯度，控制湿度应变增量、温度应变增量以及湿度、温度引起的应力增量，防止混凝土体出现裂纹。

湿度在混凝土中的扩散满足下列方程：

m＝-D×grad(P) (1)

式中m为湿度流量；D为湿度扩散系数：P为驱动力即相对湿度；grad()表示梯度算子；

由式(1)及湿度守恒可得湿度扩散方程如下：

式中h＝h(x,y,z,t)为混凝土相对湿度分布；D为湿度扩散系数；为自干燥相对湿度损失速率，是由混凝土凝胶水化反应消耗水分引起的，其值主要依赖于化合物自身的特性；

初始条件为：

h(x，y,z,0)＝h₀(x,y,z) (3)

式中h₀(x,y,z)为混凝土初始相对湿度分布；

湿度场边界条件分为三类：

1)混凝土表面湿度是时间的已知函数：

h(x,y,z,t)＝f(x,y,z,t) (4)

2)绝湿边界：

3)对于在空气中的混凝土边界条件为：

式中f(x,y,z,t)为随时间变化的已知函数；为干燥表面上沿边界单位法向的湿度梯度；f为表面水分交换系数h_s为表面相对湿度；h_e为环境相对湿度；

根据变分原理，要求解满足(1)-(5)式的解答与求解下述泛函的极值min I(h)等价：

式中α表示湿度扩散系数，H_0i为第i区最大水化消耗量，为自干燥相对湿度损失速率，λ为表面湿度交换系数，h为表面湿度值，h_a为空气湿度值；

将R_t区域用有限元离散，并取每个单元的湿度模式为：

其中m为单元节点数，N_i为单元形函数，H_i为单元节点温度。

利用有限元求解R_t区域的湿度场。

湿度扩散瓦的湿度扩散方程如下：

式中h＝h(x,y,z,t)为混凝土初始相对湿度分布；D为湿度扩散系数；为自干燥相对湿度损失速率，是由混凝土凝胶水化反应消耗水分引起的，其值主要依赖于化合物自身的特性，为湿度扩散瓦打开时补充湿度的增加速率。

步骤2中，网格体积R_i(i＝1,2，……,n)中混凝土温度场的定解方程为：

式中τ表示时间，为导温系数，θ_0i为第i个混凝土网格的最大绝热温升，T_i0为第个混凝土网格的初始温度，T_iw为第i个混凝土网格的介质供应管路的介质温度，φ_i为介质供应管路降温函数，Ψ_i为等效负热源函数；

R_i的边界S_i包括三类边界：

S_i＝S_i1∪S_i2∪S_i3 (11)

第一类边界S_i1上温度为已知，边界条件为：

T＝T_b(t) (12)

其中T_b为给定温度，如已知的地温、水温；

第二类边界S_i2为绝热边界，边界条件可表示为：

第三类边界S_i3上，温度梯度与内外温差成比例，可表示为：

其中λ为导热系数，T_a为气温，β为表面放热系数；

根据变分原理，要求解满足(10)-(14)式的解与求解下述泛函的极值min I(T)等价：

将R_i网格区域用有限元离散，并取每个单元的温度模式为：

其中m为单元节点数，N_i为单元形函数，T_i为单元节点温度；

利用有限元求出R_i网格区域的温度场。

考虑湿度荷载、温度荷载与混凝土徐变影响，按有限元隐式解法求徐变应力场，其基本方程为：

式中[K]表示刚度矩阵；{Δδ_n}表示结点位移增量向量；{ΔP_n}表示外荷载增量；表示湿度引起的荷载增量；表示温度引起的荷载增量；表示干缩应变增量；表示自身体积变形引起的荷载增量。

应力增量Δσ由下式计算：

式中[D_n]表示弹性矩阵；[B]表示几何矩阵；表示湿度应变增量；表示徐变应变增量；表示温度应变增量；表示自身体积变形；

对每个时间步，按式(18)求解应力增量，并与上一时间步的应力叠加，得到：

{σ_n}＝{σ_n-1)+{Δσ_n} (19)

针对仿真分析的第i个时刻，在大坝混凝土分区区域Γ内，其子区域j内的温度增量、湿度增量为目标，建立目标函数：

f_TH-i＝w_TΔT_ij+w_HΔH_ij (20)

式中f_TH-i表示i时刻子区域j温度增量、湿度增量的加权和，ΔT_ij为i时刻子区域j的温度增量；ΔH_ij为i时刻子区域j的湿度增量。W_T、w_H分别表示温度增量、湿度增量的权重因子，w_T+w_H＝1。

温度增量与湿度增量对区域j的共同作用为应变，则可采用式(21)消除温度、湿度增量之间量纲的影响，假定温度应变与湿度应变均为线性关系，则有：

求得温度增量与湿度增量的权重因子。

考虑到混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，故温湿度增量共同引起的负应变较为不利。因此需搜索i时刻混凝土分区区域Γ内由温湿度增量共同造成的最大负应变情况下的目标函数作为效用函数：

F_i＝Min{f_TH-1，f_TH-2,f_TH-3…f_TH-n} (22)

式中n为混凝土分区区域Γ内子区域的数量。

根据仿真结果，求调温过程中所有时刻的效用函数值，取整个过程中效用函数的最小值为最不利情况，并以该值来评价调控效果：

F_e＝Min{F₀,F₁,F₂…F_m} (23)

即该调控策略的控制效果变量F_e越大，调控过程引起的负应变越小，控制效果越好。

控制机构利用仿真系统进行大坝湿度、温度、应力、应变分布的仿真分析，从仿真结果中提取用于推理、决策的规则。仿真系统基于模型库中的混凝土湿度场、温度场、应力场的数学模型和数据处理器输出的实时采集的混凝土网格的湿度、温度、应力数据，利用蒙特卡洛方法对大坝混凝土相关的不确定性变量进行模拟计算，得到不同控制策略下的大坝混凝土湿度、温度、应力、应变的控制效果数据，利用FP-growth算法从大坝混凝土的效果数据以及对应的混凝土的状态变量、环境变量和控制变量数据中，提取出关联规则，并将规则存入知识库。

采用K-means算法对混凝土网格的湿度、温度、应力数据，对应的混凝土的状态变量、环境变量、控制变量以及大坝湿度调控的效果数据分别进行聚类划分。实施例的K-means算法参照期刊《计算机与数字工程》2019年第8期刊登的王健豪等人的论文“基于K-means算法的案件预测应用”公开的K-means算法。

利用FP-growth算法对聚类划分的大坝混凝土的效果数据以及对应的混凝土的状态变量、环境变量和控制变量数据集中提取关联规则，具体过程如下：

(1)对数据集进行第一次扫描，得到频繁项为1的项目集。定义最小支持度即项目出现最少次数，删除小于最小支持度的项目，然后将原始数据集中的条目按项目集中降序进行排列。

(2)第二次扫描数据集，创建项头表以及FP树。构建FP树时，首先扫描数据集对每个数据进行计数，设定最小支持度为2，按降序重新排列数据集，删除计数小于2的数据，根据数据出现的次数重新对数据清单进行调整并构建FP树，依次加入数据清单。

(3)得到FP树基础后，挖掘频繁项集。首先获得频繁项的前缀路径，然后将前缀路径作为新的数据集构建条件FP树；然后在新的FP树中获得频繁项并以此构建条件FP树，如此反复，直到条件FP树中只有一个频繁项为止。

(4)由频繁项集构建所有可能的规则，然后计算每个规则的置信度，满足大于最小置信度条件的规则为合理的关联规则。

实施例中智能湿度调控大坝的一个仓位成功浇筑一天后，混凝土内部湿度分布情况发生改变，当混凝土内部相对湿度低于80％时，混凝土水化热反应将趋于停止，混凝土在浇筑早期干燥将会影响到混凝土的耐久性能，混凝土强度、抗渗性能将会受到极大的影响。若早期混凝土所处环境没有保持充分的湿度，可能造成混凝土内部水分大量蒸发，一方面因为干燥失水影响水化热反应，一方面因为干缩反应使混凝土在低强度下承受收缩所造成的拉应力，致使混凝土表面发生裂缝，影响混凝土的强度。大坝浇筑1天后，决策机根据数据处理器输出的仓位分区的实时湿度、温度和应力数据及其对应的区间，从知识库中找出最匹配的规则，得到决策结果，输出控制指令至湿度调控工控机，湿度调控工控机分别输出控制信号至仓位分区的各个湿度节点调控单元，开启湿度扩散瓦，对仓位分区的各个混凝土网格进行主动湿度调控，使得仓位分区的各个混凝土网格内混凝土湿度不低于90％。通过对混凝土内部湿度进行控制，使混凝土能够充分进行水化热反应，避免因为水化热反应不完整造成混凝土强度无法达到预期值，进而导致部分区域混凝土因为干缩变形导致的裂缝影响混凝土大坝整体运行安全。