本發(fā)明屬于尾礦庫智能排水控制，具體是一種基于智能感知的尾礦庫排水斜槽柵欄調(diào)控系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、尾礦庫的排洪系統(tǒng)是保障其安全穩(wěn)定的關(guān)鍵構(gòu)筑物之一。在遇到極端天氣的時候，如遇汛期時，尾礦庫會面臨著嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。排水斜槽作為排洪系統(tǒng)的重要組成部分，其井口通常采用柵欄進行封堵，以有效防止樹枝等較大尺寸物體進入至排水斜槽中，并能有效避免其發(fā)生堵塞的情況。一旦排水斜槽發(fā)生堵塞的情況，尾礦庫將難以進行有效的排水作業(yè)，進而會導(dǎo)致庫內(nèi)水位的上升，使得壩體的壓力增大。此時，尾礦庫將面臨兩方面的重大風(fēng)險：一是尾礦庫漫頂，二是尾礦庫潰壩。因此，必須高度重視極端天氣下尾礦庫排水斜槽堵塞的風(fēng)險管控，并在必要時及時采取有效的應(yīng)對措施以防范漫頂和潰壩事故的發(fā)生，確保尾礦庫的安全穩(wěn)定運行。

2、然而，傳統(tǒng)的柵欄通過采用固定網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，存在著諸多問題。一方面，當(dāng)網(wǎng)孔尺寸過大時，大尺寸異物(如樹枝、石塊等)容易進入排水斜槽導(dǎo)致堵塞；另一方面，當(dāng)網(wǎng)孔尺寸過小時，小尺寸異物(如樹葉、泥沙等)又會堵塞網(wǎng)孔，增加排水斜槽堵塞的風(fēng)險。這種固定網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的柵欄無法根據(jù)不同的異物類型和堵塞程度進行靈活調(diào)整，從而難以有效防范極端天氣下尾礦庫水位上升、壩體壓力增大所引發(fā)的漫頂和潰壩風(fēng)險。

3、此外，傳統(tǒng)柵欄的維護方式也存在明顯的不足，柵欄表面容易被異物堵塞，需要定期進行人工清理。這種人工維護方式不僅效率低下，還存在一定的安全隱患，且無法及時響應(yīng)堵塞問題，進一步加劇了排水系統(tǒng)的不穩(wěn)定。更為重要的是，傳統(tǒng)柵欄缺乏智能感知能力，無法根據(jù)實時堵塞狀態(tài)動態(tài)調(diào)整網(wǎng)孔尺寸，從而難以確保尾礦庫的安全穩(wěn)定運行。

4、因此，為了有效確保尾礦庫的安全穩(wěn)定運行，亟需一種能夠根據(jù)異物類型和堵塞程度自動調(diào)節(jié)下水孔尺寸，并能進行及時預(yù)警的調(diào)控系統(tǒng)及方法，以能對尾礦庫的排水狀態(tài)進行動態(tài)地調(diào)整，并能進行遠端的及時預(yù)警提醒。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于智能感知的尾礦庫排水斜槽柵欄調(diào)控系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)智能化程度高，投入成本低，其具備實時感知排水井口處是否發(fā)生堵塞及處于何種堵塞狀態(tài)的能力，并能夠通過自動地調(diào)整下水孔尺寸的方式來初步解決堵塞問題，同時，能在堵塞問題無法通過調(diào)節(jié)下水孔尺寸時向位于遠端的管理人員及時發(fā)出示警提醒；該方法智能化程度高，其能有效管控尾礦庫在極端天氣汛期時因排水斜槽堵塞導(dǎo)致的水位上升、壩體壓力增大以及漫頂和潰壩的風(fēng)險，提升現(xiàn)有排水系統(tǒng)的智能化水平和穩(wěn)定性。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于智能感知的尾礦庫排水斜槽柵欄調(diào)控系統(tǒng)及方法，包括尾礦庫、排水涵洞、排水斜槽、斜臥封堵體、可調(diào)柵欄機構(gòu)、智能感知模塊和智能控制模塊；所述斜臥封堵體封堵在排水斜槽的斜側(cè)開口端；在斜臥封堵體的頂部和排水斜槽之間開設(shè)有排水井口；

3、所述可調(diào)柵欄機構(gòu)安裝在排水井口中，可調(diào)柵欄機構(gòu)包括座體框架、固定柵條蓋板、滑動?xùn)艞l蓋板和橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)；所述座體框架中心開設(shè)有下水通道，并于下水通道上部的外圍開設(shè)有橫向滑槽，同時，在橫向滑槽的外側(cè)開設(shè)有驅(qū)動機構(gòu)安裝空間；所述驅(qū)動機構(gòu)安裝空間通過連通通道與橫向滑槽連通；所述固定柵條蓋板的外輪廓呈矩形，固定柵條蓋板由位于寬度方向的兩根固定外邊框和沿長度方向依次等間距地固定連接在兩根固定外邊框之間的多根固定柵條組成，且相鄰兩根固定柵條之間形成的固定條形下水孔的寬度與固定柵條的寬度相同；固定柵條蓋板固定安裝在下水通道內(nèi)部空間的下側(cè)；所述滑動?xùn)艞l蓋板由位于寬度方向的兩根滑動外邊框和沿長度方向依次等間距地固定連接在兩根滑動外邊框之間的多根滑動?xùn)艞l組成，且相鄰兩根滑動?xùn)艞l之間形成的滑動條形下水孔的寬度與滑動?xùn)艞l的寬度相同；滑動?xùn)艞l蓋板和固定柵條蓋板的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)完全相同，且可滑動地安裝在橫向滑槽中；所述橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)固定安裝在驅(qū)動機構(gòu)安裝空間中，其伸縮部分的端部通過連通通道伸入至橫向滑槽中，并與滑動?xùn)艞l蓋板的一端固定連接；

4、所述智能感知模塊包括集成式監(jiān)測傳感器組和高清攝像裝置；所述集成式監(jiān)測傳感器組安裝在排水斜槽的上部，且位于排水井口的上游一側(cè)，其包括超聲波流速儀、激光濁度傳感器和微壓差傳感器；所述高清攝像裝置固定支設(shè)在排水斜槽上方的一側(cè)，其圖像采集方向朝向排水井口處；所述智能控制模塊分別與智能感知模塊和橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)連接。

5、進一步，為了能確保具有較大的推動力和拉動力，以有效應(yīng)對有異物卡阻在滑動?xùn)艞l蓋板和固定柵條蓋板之間的情況，所述橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)的數(shù)量為三個，且沿座體框架寬度方向依次均勻地分布在驅(qū)動機構(gòu)安裝空間中。

6、作為一種優(yōu)選，所述橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)為直線電動推桿，其外部設(shè)置有防水罩體。

7、進一步，為了能使調(diào)控系統(tǒng)能通過無線通信的方式與遠端進行實時交互通信，同時，為了具有本地報警功能，還包括無線通信模塊、本地報警模塊和電源模塊，所述智能控制模塊分別與無線通信模塊、本地報警模塊和電源模塊連接。

8、作為一種優(yōu)選，所述智能控制模塊為plc控制器。

9、作為一種優(yōu)選，所述高清攝像裝置通過立式支柱固定支設(shè)在排水斜槽上方的一側(cè)。

10、本發(fā)明中，在座體框架中心下水通道的下側(cè)空間固定安裝固定柵條蓋板，可以起到對較大尺寸異物起到基本的過濾和阻擋功能。在座體框架的上部于下水通道的外圍開設(shè)有橫向滑槽，再將滑動?xùn)艞l蓋板滑動地裝配于橫向滑槽中，可以使滑動?xùn)艞l蓋板能具有相對于固定柵條蓋板的橫向滑動能力，從而能滑動到與固定柵條蓋板相對齊疊合的狀態(tài)，也能滑動到與固定柵條蓋板相錯位的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，使相鄰兩根固定柵條之間形成的固定條形下水孔寬度與固定柵條的寬度相同，使相鄰兩根滑動?xùn)艞l之間形成的滑動條形下水孔寬度與滑動?xùn)艞l的寬度相同，并使固定柵條蓋板與滑動?xùn)艞l蓋板完全相同，這樣，當(dāng)滑動?xùn)艞l蓋板與固定柵條蓋板相對齊疊合狀態(tài)時，固定條形下水孔和滑動條形下水孔相對齊，所形成的下水孔尺寸為最大狀態(tài)。當(dāng)滑動?xùn)艞l蓋板與固定柵條蓋板相錯位狀態(tài)時，可以控制滑動?xùn)艞l和固定柵條的錯位程度來控制對固定條形下水孔的遮擋面積，進而能逐步縮小下水孔的尺寸，通過對下水孔尺寸的調(diào)節(jié)可以適合不同的下水需求。在橫向滑槽端部外側(cè)開設(shè)驅(qū)動機構(gòu)安裝空間，并使安裝于其中的橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)的伸縮部分穿過連通通道與滑動?xùn)艞l蓋板連接，可以便于利用橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)的伸縮動作來自動化地調(diào)節(jié)滑動?xùn)艞l蓋板相對于固定柵條蓋板的橫向位置，進而達到調(diào)節(jié)下水孔尺寸的目的。通過在排水井口的上游一側(cè)設(shè)置集成有超聲波流速儀、激光濁度傳感器和微壓差傳感器的集成式監(jiān)測傳感器，可以便于在排水斜槽接收排水過程中，同步采集到流速信號、濁度信號和壓力信號，進而可以獲得流速數(shù)據(jù)、濁度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)，進一步可以基于所獲得的流速數(shù)據(jù)、濁度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)得到水流動力學(xué)特征，從而能準(zhǔn)確地判斷出是否出現(xiàn)堵塞情況，以及在出現(xiàn)堵塞情況時有效地判斷出堵塞等級，有利于根據(jù)不同的工況采取不同的應(yīng)對措施。通過高清攝像裝置的設(shè)置，可以便于采集排水井口處的圖像數(shù)據(jù)，進而可以根據(jù)圖像處理技術(shù)對圖像進行分析，以識別出形成堵塞物體的尺寸，進而根據(jù)識別出堵塞物的尺寸給出正確的應(yīng)對決策。

11、該系統(tǒng)智能化程度高，投入成本低，其具備實時感知排水井口處是否發(fā)生堵塞及處于何種堵塞狀態(tài)的能力，并能夠通過自動地調(diào)整下水孔尺寸的方式來初步解決堵塞問題，同時，能在堵塞問題無法通過調(diào)節(jié)下水孔尺寸時向位于遠端的管理人員及時發(fā)出示警提醒，從而使管理人員能夠及時采取有效的應(yīng)對措施。采用該調(diào)控系統(tǒng)能實時監(jiān)測排水斜槽的堵塞狀態(tài)，在極端天氣時起到了有效降低尾礦庫排水斜槽堵塞的風(fēng)險，能避免因排水斜槽因異物堵塞導(dǎo)致的水位上升和壩體壓力增大，有利于防范尾礦庫漫頂和潰壩事故的發(fā)生，確保了尾礦庫的安全穩(wěn)定運行。

12、本發(fā)明還提供了一種基于智能感知的尾礦庫排水斜槽柵欄調(diào)控方法，采用一種基于智能感知的尾礦庫排水斜槽柵欄調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步驟：

13、步驟一：在尾礦庫的排水井口處安裝相適配的可調(diào)柵欄機構(gòu)，在排水井口的上游側(cè)在排水斜槽上安裝集成式監(jiān)測傳感器組，在排水井口上方的一側(cè)固定支設(shè)立式支柱，并在立式支柱的上部安裝高清攝像裝置，同時，使高清攝像裝置的圖像采集方向朝向排水井口中處；

14、步驟二：建立智能控制模塊與橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)、集成式監(jiān)測傳感器組和高清攝像裝置之間的通信連接；控制橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)的伸縮部分向外部伸出設(shè)定距離，使滑動?xùn)艞l蓋板由原來與固定柵條蓋板相對齊疊合的狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c固定柵條蓋板半錯位的狀態(tài)，即使每根滑動?xùn)艞l寬度方向一半的尺寸進入至對應(yīng)的固定條形下水孔中，以將固定條形下水孔的尺寸變?yōu)樵瓉沓叽绲亩种唬?/p>

15、步驟三：利用集成式監(jiān)測傳感器組中的超聲波流速儀、激光濁度傳感器和微壓差傳感器分別實時采集上游側(cè)水流的流速信號、濁度信號和壓力信號，并發(fā)送至智能控制模塊；利用高清攝像裝置按照設(shè)定采集頻率采集可調(diào)柵欄機構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)，并發(fā)送至智能控制模塊；

16、步驟四：進行水流動力學(xué)特征的監(jiān)測；智能控制模塊根據(jù)流速信號、濁度信號和壓力信號分別獲得流速數(shù)據(jù)v、濁度數(shù)據(jù)t和壓力數(shù)據(jù)p，并根據(jù)公式(1)計算出流速變化率δv，根據(jù)公式(2)計算出濁度梯度dt/dt，根據(jù)公式(3)計算出壓力波動指數(shù)σp；

17、δv＝(v0-vt)/v0×100％?(1)；

18、dt/dt＝(tt-tt-δt)/δt???(2)；

19、

20、式中，v0表示初始時間的流速數(shù)據(jù)，vt表示t時刻的流速數(shù)據(jù)，tt表示t時刻的濁度數(shù)據(jù)，δt表示監(jiān)測間隔時間，tt-δt表示t-δt時刻的濁度數(shù)據(jù)，pi表示第i個壓力數(shù)據(jù)，i＝1、2、3、……、n，n表示所采集壓力數(shù)據(jù)的個數(shù)，pavg表示n個壓力數(shù)據(jù)的平均值；

21、步驟五：智能控制模塊基于所獲得的流速變化率δv、濁度梯度dt/dt和壓力波動指數(shù)σp進行水流動力學(xué)特征分級，并判斷出當(dāng)前狀態(tài)；

22、若σp≥0.8kpa時，無需關(guān)注dt/dt，繼續(xù)關(guān)注δv，當(dāng)δv＜30％時，則判定為一級堵塞，直接執(zhí)行步驟六，當(dāng)δv≥30％時，則判定當(dāng)前為不確定狀態(tài)，持續(xù)進行堵塞等級的判斷；

23、若σp＜0.8kpa，先關(guān)注δv，當(dāng)δv＜30％時，再關(guān)注dt/dt，如果dt/dt≥50ntu/min時，則判定為二級堵塞，此時，存在大量異物進入排水涵洞的情況，直接執(zhí)行步驟七，如果dt/dt＜50ntu/min，則判定當(dāng)前為不確定狀態(tài)，持續(xù)進行堵塞等級的判斷，當(dāng)δv≥30％時，則判定為正常狀態(tài)，維持現(xiàn)狀不變；

24、當(dāng)不確定狀態(tài)持續(xù)時間超過設(shè)定時間閾值時，判定為異常狀態(tài)，直接通過通信模塊向位于遠端的手持終端發(fā)出異常示警信息，以提醒持有手持終端的管理人員及時安排作業(yè)人員到現(xiàn)場進行異常原因的確認(rèn)及排除；

25、步驟六：智能控制模塊基于內(nèi)置的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對排水井口中處的堵塞物進行分類識別，若堵塞物中大尺寸異物的占比大于等于50％，則判斷為大尺寸異物型堵塞，此時，則維持當(dāng)前固定條形下水孔的尺寸不變，同時，通過通信模塊向位于遠端的手持終端發(fā)出大尺寸異物堵塞示警信息，以提醒持有手持終端的管理人員及時安排作業(yè)人員到現(xiàn)場進行大尺寸異物的清理作業(yè)，當(dāng)?shù)竭_正常狀態(tài)時，執(zhí)行步驟八；

26、若堵塞物中小尺寸異物占比大于等于50％，則判斷為小尺寸異物型堵塞，此時，控制橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)進行回縮動作，使滑動?xùn)艞l蓋板向與固定柵條蓋板相對齊疊合的方向移動，即使每根滑動?xùn)艞l向脫離固定條形下水孔的方向移動，以增大固定條形下水孔的尺寸，使小尺寸異物在水流的沖擊下透過條形下水孔進入排水涵洞中，直至滑動?xùn)艞l蓋板恢復(fù)至與固定柵條蓋板相對齊疊合的狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_正常狀態(tài)時，執(zhí)行步驟八；

27、步驟七：智能控制模塊控制橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)進行伸出動作，使滑動?xùn)艞l蓋板向與固定柵條蓋板完全錯位的方向移動，直至固定條形下水孔的尺寸變?yōu)樵瓉沓叽绲乃姆种粫r停止，以有效防止過多異物通過固定條形下水孔進入至排水涵洞中，同時，通過通信模塊向位于遠端的手持終端發(fā)出異物進入示警信息，以提醒持有手持終端的管理人員及時安排作業(yè)人員到達現(xiàn)場進行異物的清理作業(yè)，當(dāng)?shù)竭_正常狀態(tài)時，執(zhí)行步驟八；

28、步驟八：控制橫向伸縮驅(qū)動機構(gòu)動作，使滑動?xùn)艞l蓋板與固定柵條蓋板重新恢復(fù)至半錯位的狀態(tài)，以將固定條形下水孔的尺寸變?yōu)樵瓉沓叽绲亩种唬?/p>

29、步驟九：循環(huán)執(zhí)行步驟三至步驟八，持續(xù)進行水流動力學(xué)特征的監(jiān)測、狀態(tài)分級和處理作業(yè)。

30、作為一種優(yōu)選，在步驟二中，所述集成式監(jiān)測傳感器組位于于排水井口上游1.5～2.0m處。

31、進一步，為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，在步驟二中，所述超聲波流速儀的采集精度為±0.02m/s；所述激光濁度傳感器的量程為0～1000ntu；所述微壓差傳感器的量程為0～10kpa。

32、進一步，為了能對附近的作業(yè)人員進行有效的提醒，在步驟六中，當(dāng)判斷出為大尺寸異物型堵塞時，智能控制模塊控制與其相連接的本地報警模塊進行聲光報警提醒，以提醒位于附近的相關(guān)作業(yè)人員進行大尺寸異物的清理工作。

33、本發(fā)明中，利用集成式監(jiān)測傳感器組實時監(jiān)測上游側(cè)水流的流速信號、濁度信號和壓力信號，再通過智能控制模塊根據(jù)流速信號、濁度信號和壓力信號獲得速變化率δv濁度梯度dt/dt和壓力波動指數(shù)σp，可以全面獲得水流動力學(xué)特征，進而可以根據(jù)水流動力學(xué)特征對是否發(fā)生堵塞及堵塞等級進行準(zhǔn)確有效的判斷。由于在堵塞發(fā)生時，排水處的壓力波動會異常，因此，首先關(guān)注壓力波動指數(shù)可以有效判斷出是否發(fā)生堵塞的情況，在此基礎(chǔ)上，進一步對流速變化率進行關(guān)注，可以通過流速變化率來進一步輔助判斷出是否發(fā)生堵塞的情況，在堵塞發(fā)生時流速變化率通常較小。另外，當(dāng)流速變化率較小時，有利于對濁度情況進行準(zhǔn)確的分析，通過對濁度梯度的分析可以判斷出排水中所含有的異物濃度，進而可以判斷出進入排水涵洞中異物的情況。本發(fā)明通過多級協(xié)同控制與運維成本的優(yōu)化，構(gòu)建了“水流動力學(xué)特征分級-異物識別-網(wǎng)孔動態(tài)調(diào)整-遠程預(yù)警”的四級協(xié)同的控制體系，顯著提升了尾礦庫排水系統(tǒng)的智能化水平和運行效率，有效降低極端天氣下尾礦庫排水斜槽因異物堵塞導(dǎo)致的水位上升和壩體壓力增大的風(fēng)險，避免了尾礦庫漫頂和潰壩事故的發(fā)生，確保尾礦庫的安全穩(wěn)定運行。同時，大幅降低了人工干預(yù)頻次和運維成本，顯著提升了尾礦庫排水系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟性。

34、該方法智能化程度高，其通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)實時監(jiān)測柵欄前上游水流動力學(xué)特征(流速、濁度、壓力)，并結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對堵塞物進行精準(zhǔn)識別分類，進而能根據(jù)不同的情況采取不同的處置措施，對于可通過調(diào)節(jié)下水孔尺寸解決的堵塞問題，其能實現(xiàn)排水過程的動態(tài)調(diào)節(jié)，對于通過調(diào)節(jié)下水孔尺寸不能解決的問題，其能及時通過遠程預(yù)警的方式及時提醒相關(guān)管理人員采取有效的應(yīng)對措施，以便于時及時解決尾礦庫所面臨的風(fēng)險，為尾礦庫的穩(wěn)定運行提供了可靠的保障，使得尾礦庫的安全防護效能得到了顯著提升。同時，該方法能有效管控尾礦庫在極端天氣汛期時因排水斜槽堵塞導(dǎo)致的水位上升、壩體壓力增大以及漫頂和潰壩的風(fēng)險，提升現(xiàn)有排水系統(tǒng)的智能化水平和穩(wěn)定性。