阅读说明：本技术 一种大坝廊道温湿风在线监测及智能控制系统 (Dam corridor warm and humid air on-line monitoring and intelligent control system ) 是由 汪志林 陈文夫 林鹏 周孟夏 牟荣峰 高向友 李明 宁泽宇 谭尧升 杨宁 刘春风 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种大坝廊道温湿风在线监测及智能控制系统,包括数据采集及温湿风控制硬件系统、云平台系统和人机查询与控制界面。该系统可以实时在线监测廊道内小气候变化,包括廊道内温度、湿度和风速,并将采集的数据通过无线网络传输至云端以供查询及决策,通过超声波加湿器、入口封闭预警等手段动态调控廊道内小气候。本系统能及时有效地进行廊道内温湿度风速的动态监控,降低廊道开裂风险,同时减少人力成本。(The invention provides a dam corridor warm and humid air online monitoring and intelligent control system which comprises a data acquisition and warm and humid air control hardware system, a cloud platform system and a man-machine query and control interface. The system can monitor microclimate changes in the corridor in real time on line, including temperature, humidity and wind speed in the corridor, transmits collected data to the cloud end through a wireless network for inquiry and decision making, and dynamically regulates and controls microclimate in the corridor through ultrasonic humidifiers, entrance closed early warning and other means. The system can effectively monitor the temperature, humidity and wind speed in the gallery in time, reduce the cracking risk of the gallery and reduce the labor cost.)

一种大坝廊道温湿风在线监测及智能控制系统

技术领域

本发明属于水利水电技术领域，具体涉及一种大坝廊道温湿风在线监测及智能控制系统。

背景技术

对大型水电枢纽来说，确保主体建筑物大坝混凝土质量至关重要。水工混凝土表面或特殊细部结构开裂不仅会影响工程结构的外观与正常运行，还影响工程长期安全及耐久性。在实际大坝建设运行过程中，大坝廊道是容易产生裂缝的部位之一。廊道开裂的原因有混凝土凝结时间、结构约束或变化导致的应力集中、环境温度、湿度和风速变化引起的附加应力等。其中廊道内小环境的温度、湿度和风速直接影响廊道混凝土本身强度的增长及外荷载的作用，是廊道混凝土防裂的重要工序。

传统的大坝廊道小环境控制方法为人工定期测量，人工喷水养护，人工把门值守，该方式不仅耗费大量人力物力，还存在数据采集不连续，调控不及时，数据不透明等诸多缺陷。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种大坝廊道温湿风在线监测及智能控制系统，包括数据采集及温湿风控制硬件系统、云平台系统和人机查询与控制界面。该系统可以实时在线监测廊道内小气候变化，包括廊道内温度、湿度和风速，并将采集的数据通过无线网络传输至云端以供查询及决策，通过超声波加湿器、入口封闭预警等手段动态调控廊道内小气候。本系统能及时有效地进行廊道内温湿度风速的动态监控，降低廊道开裂风险，同时减少人力成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种大坝廊道温湿风在线监测及智能控制系统，所述系统包括数据采集及温湿风控制硬件系统、云平台系统和人机查询与控制界面，各部分通过无线或有线网络相连。

进一步地，所述数据采集及温湿风控制硬件系统布设于廊道内，包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器、超声波加湿器、引线及集成控制柜组成。

进一步地，所述温度传感器、湿度传感器、风速传感器采用站立式或壁挂式按需分布于廊道各区域，通过引线接入集成控制柜，可实时监测廊道内温度、湿度、风速数据。

进一步地，所述云平台系统通过无线或有线网络一端连接所述集成控制柜，一端连接人机查询与控制界面平台，从而完成对廊道温度、湿度、风速数据的实时采集、传输、储存和数据分析，同时执行多场闭环控制流程。

进一步地，所述数据分析算法以实时采集的廊道不同时刻、不同区位的温度、湿度、风速监测数据作为输入，通过建立廊道的几何模型，基于计算流体动力学基本理论，内嵌现有CFD软件，执行仿真计算，生成廊道内温度场、湿度场和风速场的分布。基本计算公式包括：

(1)热传导方程(Fourier's Law)：

式中，T为温度值；t为时间变量；a为热扩散系数；ρ为密度；c为比热容；

为微元体单位体积的内部热源发热功率。

(2)湿度扩散方程(Fick's second law)：

式中，h为相对湿度值；t为时间变量；D(h)为混凝土湿度扩散系数。

(3)气体运动方程(Navier-Stokes equation)：

式中，u为流体速度；p为流体压力；ρ为流体密度，μ是流体动力粘度。

进一步地，所述多场闭环控制流程包括：将廊道内温度、湿度、风速场的仿真分析成果与预设目标场进行对比，按偏差度完成单场的闭环控制，基本控制手段包括：周围浇筑仓的智能温控、超声波加湿器的功率和方向，通过人机查询与控制界面推送预警信息。

进一步地，所述人机查询与控制界面包括移动端及PC端，包括但不限于基于微信平台的应用程序；所述人机查询与控制界面通过网络与云平台系统相连，供管理人员实时在线查询温度、湿度、风速全时段的监测数据，查询结果将以包括但不限于表格、曲线图的形式展示；同时所述人机查询与控制界面还允许用户远程控制加湿器的工作状态。

进一步地，所述集成控制柜由柜体、电源单元、网络单元、数据采集单元和加湿器控制单元组成；所述柜体用于容纳上述单元；所述电源单元对整个硬件系统进行供电；所述网络单元可通过无线或有线网络与所述云平台系统进行数据传输；所述数据采集单元可按设定的间隔自动对接入的传感器进行数据采集；所述加湿器控制单元依据温湿度监测数据和远程人工指令控制超声波加湿器调控廊道内湿度；所述集成控制柜可同时接入多个传感器及超声波加湿器。

本发明的优点是：

1、可实时连续采集廊道内温湿度、风速数据，数据精确及时且减少了人力消耗；

2、可实时在线查询监测结果；

3、可进行监测数据的初步处理，方便决策；

4、可智能进行廊道温度、湿度、风速的调控，提高了调控效率。

附图说明

图1是本发明各组成部分的逻辑关系示意图；

图2是本发明的云平台内嵌仿真计算与智能调控算法流程；

图3是本发明的云平台生成的多场控制策略库；

图4是本发明的数据采集及湿度控制硬件系统实际布置三维示意图；

图5是本发明的数据采集及湿度控制硬件系统实际布置平面示意图；

图6是本发明实施例的人机查询与控制界面；

图7是本发明实施例的廊道内风速场仿真分析结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种大坝廊道温湿风在线监测及智能控制系统，包括数据采集及温湿风控制硬件系统、云平台系统和人机查询与控制界面三部分。数据采集及温湿风控制硬件系统负责感知大坝廊道内温湿度、风速数据，云平台系统完成监测数据的采集、储存、处理及反馈控制超声波加湿器，人机查询与控制界面可以实时在线查询多种形式的监测数据并可远程控制超声波加湿器的工作状态，作为云平台系统控制功能的补充。三个子系统共同实现了大坝廊道温湿度、风速的实时在线监测，并组成了可对廊道湿度进行实时感知、分析、控制的湿度智能控制系统。

如图2、3所示，本发明的云平台系统通过以实时采集的廊道不同时刻、不同区位的温度、湿度、风速监测数据作为输入，通过建立廊道的几何模型，基于计算流体动力学基本理论，内嵌现有CFD软件，执行仿真计算，生成廊道内温度场、湿度场和风速场的分布，并进一步执行多场闭环控制流程：将廊道内温度、湿度、风速场的仿真分析成果与预设目标场进行对比，按偏差度完成单场的闭环控制，基本控制手段包括但不限于周围浇筑仓的智能温控、超声波加湿器的功率和方向，通过人机查询与控制界面推送预警信息等。

如图4、5所示，本发明通过温度传感器、湿度传感器、风速传感器实时采集廊道内部各测点的温湿度、风速数据。在实施例中采用湿度、温度、风速的集成监测设备，采用站立式或壁挂式，在不破坏廊道混凝土的情况下进行安装，通过引线接入集成控制柜。监测设备一般布置于廊道交汇处或等间隔布置。超声波加湿器布置于廊道内，通过引线接入集成控制柜。集成控制柜也位于廊道内部，具有多个传感器及超声波加湿器的接入能力，优先通过无线网络完成与云平台系统的通信，在信号较差处可考虑采用光纤进行通信。云平台系统和人机查询与控制界面之间通过运营商网络连接。

如图4、5所示，在实施例中温湿度、风速传感器采用集成监测设备2，等间隔布置在廊道1中。超声波加湿器3则布设在廊道交汇处，以提高加湿效果。集成监测设备与超声波加湿器均采用站立式布置，多个超声波加湿器与集成监测设备通过引线4接入同一个集成控制柜5。

如图6所示，在实施例中人机查询与控制界面基于微信企业号应用，允许用户实时在线查询全时段廊道各测点的温度、湿度、风速监测数据，并以曲线图和表格的形式展示。人机查询与控制界面提供了远程控制加湿器工作状态的功能。

温湿度及风速的实时在线采集具体实现方式为集成控制柜按预先设置的时间间隔自动采集接入本集成控制柜的传感器数据，并利用网络单元将数据实时上传到云平台系统，云平台系统完成数据的储存、处理与展示。

廊道内温度、湿度、风速场的单场闭环智能控制具体实现为依据廊道不同部位的细部结构预设目标场，当仿真分析输出结果与预设温度、湿度、风速场有偏差时，通过集成控制柜调节超声波加湿器的工作状态，以控制此部位的廊道湿度满足要求；通过智能调节廊道周围浇筑仓的温度状态，降低廊道表面混凝土内外温差；当出现危害性穿堂风或风速超过预设目标场阈值时，启动智能预警，提醒现场施工人员及时检查并关闭廊道入口。

如图7所示，基于某时刻某坝廊道内风速监测数据，采用内嵌CFD仿真分析软件，具体采用的是FDS(Fires Dynamics Simulator)，输出了廊道内的风速分布。据计算结果可知，廊道内出现了大范围的穿堂风，风速较大，通过预警反馈及时关闭廊道周围7个入风口后，廊道内风速显著降低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。