施工期混凝土壩光纖測溫疑點識別準則設計及應用

陳義濤，黃耀英，馬金寶

(1.山東省臨沂市水利勘測設計院，山東臨沂276002；2.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

施工期混凝土壩光纖測溫疑點識別準則設計及應用

陳義濤1，黃耀英2，馬金寶1

(1.山東省臨沂市水利勘測設計院，山東臨沂276002；2.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

由于施工期混凝土溫度測值的影響因素眾多，分布式光纖測溫系統的工作環境復雜多變，分布式光纖測溫系統在獲取海量大壩混凝土溫度實時在線監測數據的同時，難免摻雜一定數量的疑點測值。借鑒大壩安全監控相關理論方法與研究成果，針對疑點測值識別問題，設計了5種常用的適合施工期大壩混凝土光纖測溫測值疑點識別的準則。實踐表明，這些識別準則有效。

混凝土溫度控制；光纖測溫；疑點識別準則；數理統計；平滑估計

0 引 言

分布式光纖測溫系統能夠及時獲取海量大壩混凝土溫度實時在線監測數據，但由于施工期工作環境復雜多變，影響大壩混凝土溫度測值的因素眾多，監測數據中難免會出現一些疑點測值。如何有效識地別出監測數據中的疑點測值，分析疑點測值產生的原因，用準確可靠的溫度監測數據指導大壩混凝土的溫控防裂和質量控制，一直是學術界和工程界關注的熱點和難點。

自吳中如[1，2]提出大壩安全監控測值疑點判別六大準則(時空分析評判準則、力學規律識別準則、監控模型評判準則、監控指標評判準則、日常巡查評判準則、關鍵問題評判準則)以來，許多學者[3-15]對測值疑點判別的方法和判別效果進行研究了研究和驗證，但其研究范圍主要集中在大壩位移變形監測、應力應變監測、滲流滲漏監測中。目前對于大壩混凝土溫度測值疑點識別的報道較少，因此本文結合大壩安全監控測值疑點識別現有的理論方法和研究成果，針對施工期大壩混凝土溫度測值的疑點識別問題進行了探討。

1 識別準則

大壩混凝土的溫控防裂是從監測數據疑點識別、疑點成因分析到溫控決策的循環過程，溫控防裂的決策需要響應監測數據的異常，溫控防裂的決策也會影響著監測數據的變化趨勢。由于溫度監測數據是一個動態增加的過程，需要對同一時間序列的測值重復進行疑點識別，數理統計方法在疑點識別時檢驗值的統計特征值也會不斷變化，很容易出現疑點測值誤判現象。溫控防裂的工程實踐表明，由于施工期混凝土溫度監測的特殊性，其他監測項目的異常診斷方法很難直接應用于溫度測值的疑點識別，借鑒大壩安全監控已有的理論方法和研究成果，類比大壩安全監測中位移變形、應力應變和滲流滲漏監測項目中監測數據異常診斷的方法：統計模型診斷、監控指標診斷、設計允許值診斷、速度加速度診斷、力學原理診斷、時空異常值診斷[16]，溫度監測數據的疑點識別也可以形成設計允許值識別準則、監控指標識別準則、統計模型識別準則、速度加速度識別準則、時空異常值識別準則，疑點識別分析決策的網絡流程見圖1。

圖1 疑點識別分析決策網絡流程

1.1 設計允許值識別準則

根據設計院對大壩混凝土溫度控制施工技術要求的具體規定和說明，把光纖測溫實測值是否在設計規定的監測指標控制范圍之內作為測值數據疑點識別的依據，具體識別流程見圖2。

圖2 設計允許值識別準則網絡流程

1.2 監控指標識別準則

以目標控制溫度(最高溫度、一期冷卻目標溫度、中期冷卻目標溫度、設計封拱溫度等)和允許溫度變化速率為依據，采用置信區間法、最小概率法或最大熵法來擬定齡期控制點之間典型齡期的溫度監控指標(允許溫度和允許溫度變化速率)，把光纖測溫實測值是否在擬定的溫度監控指標的控制范圍之內作為測值數據疑點識別的依據[2，17-19]，具體識別流程見圖3。

圖3 監控指標識別準則網絡流程

1.3 統計模型識別準則

針對施工期混凝土溫度變化規律，采用周期項作為環境氣溫因子，累加兩個指數函數來考慮水化熱溫升和通水冷卻的影響，初始溫度由常數項來表示，建立施工期大壩混凝土溫度統計模型[20]。由光纖測溫實測值確定統計模型參數，根據光纖測溫實測值是否在統計模型計算值的控制范圍之內進行監測數據性質的判別，具體識別流程見圖4。

圖4 統計模型識別準則網絡流程

1.4 速度加速度識別準則

假設大壩混凝土溫度和齡期滿足函數關系y=f(x)，且f(x)連續可導，f(x)存在一階導數f′(x)和二階導數f″(x)，那么f′(x)代表著溫度變化的速度，f″(x)代表溫度變化的加速度。分布式光纖測溫系統具有實時在線監測、測次密集的特點，其測值序列構成的歷時曲線可認為連續可導。若大壩混凝土溫度測值發生異常，必然會在溫度變化的速度和加速度上有異常，因此可以根據加速度的異常狀態來識別測值中的疑點測值，具體識別流程見圖5。

圖5 速度加速度識別準則網絡流程

1.5 時空異常值識別準則

時空異常值識別準則的基本思想是假設正常測值構成的歷時曲線是平滑的，包含疑點測值的歷時曲線是非平滑的，可以通過歷時曲線平滑程度來區分疑點測值。根據施工期混凝土溫度變化規律，對光纖測溫測值序列進行中位數平滑估計[21]，把光纖測溫實測值是否在平滑估計值的控制范圍之內作為測值數據疑點識別的依據，具體識別流程見圖6。

圖6 時空異常值識別準則網絡流程

2 工程實例

西南某建設中的特高拱壩位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內的金沙江干流上，攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程610 m，最大壩高285.5 m，大壩共分為31個壩段。為控制大壩混凝土產生裂縫的風險，及時了解和掌握大壩混凝土的溫度狀況，在澆筑倉埋設常規溫度計，并在河床部位15號和16號壩段以及岸坡部位5號和23號壩段分別埋設分布式光纖進行混凝土溫度監測。

為將施工期混凝土溫度降至封拱灌漿溫度，該拱壩嚴格按照朱伯芳提出的“小溫差、早冷卻、緩冷卻”通水理念進行通水冷卻。選擇典型壩段澆筑倉光纖測溫測值，將溫度歷時過程轉化為溫度齡期過程，繪制光纖測溫實測值過程線見圖7，采用設計允許值識別準則共識別出10個疑點測值。

圖7 實測溫度過程線

采用小概率法或最大熵法對每個典型齡期的溫度測值擬定對應的溫度監控指標，此過程比較復雜，本文基于統計模型計算值采用置信區間法來取得溫度監控指標，通過實測溫度求得統計模型相關參數并確定溫度監控指標，實測溫度及監控指標過程線見圖8，用監控指標識別準則共識別出16個疑點測值，包含10個疑點測值和6個誤判的正常測值，6個誤判的正常測值齡期均小于2 d，主要是由于該時段統計模型計算值的偏差造成置信區間偏移產生誤判，對起始時段的監控指標進行整后即可消除誤判的現象。

圖8 實測溫度及監控指標過程線

統計模型計算值和實測溫度過程線如圖9所示，疑點識別閥值初始值可基于殘差的數理統計特征值取值，采用統計模型識別準則共識別出12個疑點測值，包含10個疑點測值和2個誤判的正常測值。疑點測值的數量會影響殘差的數理統計特征值，將識別出的疑點測值用統計模型計算值替代，重新確定統計模型并統計殘差的數理統計特征值，對疑點識別閥值進行修正，即可避免誤判出現。

圖9 實測溫度及統計模型計算值過程線

以圖7中溫度過程線上相鄰兩點的斜率代表中點溫度變化的速度，以速度過程線上相鄰兩點的斜率代表中點溫度變化的加速度，求得實測溫度變化的加速度過程線見圖10，疑點識別閥值初始值基于檢驗值的數理統計特征值取值，采用速度加速度識別準則共識別出31個疑點測值，包含10個疑點測值和21個誤判的正常測值，其中21個誤判的正常測值中有18個均為疑點測值緊鄰的測值，去掉識別出的10個疑點測值，重新計算溫度變化的速度加速度，根據檢驗值的數理統計特征值修正疑點識別閥值，即可避免正常測值誤判的現象。

圖10 實測溫度變化加速度過程線

從實測溫度序列中依次取出5個相鄰測值采用中位數法構造序列1，從序列1中依次取出3個相鄰數值采用中位數法構造序列2，從序列2中依次取出3個相鄰數值分別按照0.25、0.5、0.25的權重求和構成平滑估計值序列，實測溫度與其平滑估計值過程線見圖11，求實測溫度與其對應的平滑估計值殘差，平滑估計閥值初始值基于殘差的數理統計特征值取值，采用時空異常值識別準則共識別出10個疑點測值。以平滑估計值替代識別出的10個疑點測值，重新進行平滑估計，根據殘差的數理統計特征值對平滑估計閥值進行修正，避免出現誤判現象。

圖11 實測溫度及其平滑估計過程線

3 結 論

為有效解決施工期混凝土壩溫度監測數據疑點識別問題，本文設計了5種常用的溫度測值疑點識別準則。設計允許值識別準則是測值疑點識別的根本依據，較為精煉直觀，但不便于編程實現溫度測值的快速疑點識別；監控指標識別準則疑點識別的可靠性主要依賴于監控指標擬定的精確性，如何才能快速擬定出準確可靠的監控指標仍有待進一步研究；統計模型識別準則是監測規范推薦的方法，比較簡單，但是隨著監測數據的劇增和溫控措施的改變，統計模型的預測精度就會受到影響，尤其是一些突發事件很容易導致識別準則誤判的現象；速度加速度識別準則對疑點測值中的粗差和突變較為敏感，很容易將疑點測值的緊鄰正常測值誤判為疑點測值；時空異常值識別準則主要根據監測物理量的時空分布平滑程度來進行疑點識別，對疑點測值中的粗差和異常測值識別效果較好，而對趨勢性變化異常疑點測值的識別效果較差。

工程實踐表明：5個識別準則均能有效識別出所有疑點測值。多種識別準則聯合識別，或者重復疑點識別，基于檢驗值的數理統計特征值對疑點識別閥值進行適當的修正均能有效避免正常測值被誤判的現象。識別出的疑點測值是粗差還是能夠反映大壩混凝土溫度異常的真實測值，仍有待監測環境資料、監測數據、巡查記錄等監測資料綜合分析確定。

[1]吳中如，顧沖時. 大壩安全綜合評價專家系統[M]. 北京：北京科學技術出版社，1997.

[2]顧沖時，吳中如. 大壩與壩基安全監控理論和方法及其應用[M]. 南京：河海大學出版社，2006.

[3]李嘯嘯，蔣敏，吳震宇，等. 大壩安全監測數據粗差識別方法的比較與改進[J]. 中國農村水利水電，2011(3)：102-105.

[4]鄭曉紅，何金平. 大壩安全監測中離群測值的檢驗分析方法[J]. 大壩與安全，2001(3)：35-37.

[5]萬程輝，歐陽平. 大壩變形監測數據的小波分析處理方法[J]. 北京測繪，2010(1)：32-34.

[6]陶家祥，曹其光，張博，等. 大壩變形監測數據異常值的判斷與處理[C]∥中國原水論壇專輯. 北京：中國水利學會，2010.

[7]叢培江. 大壩監測數據異常值的概率識別法[J]. 水電能源科學，2005，23(4)：32-34.

[8]鄒曉磊，薛桂玉. 大壩監測數據異常值識別方法探討[J]. 水電能源科學，2009，27(5)：83-85.

[9]馮小磊，華錫生，黃紅女. 觀測值序列的粗差探測方法[J]. 水電自動化與大壩監測，2006，30(3)：56-59.

[10]趙博，徐衛亞，趙亞瓊，等. 數據預處理模型及其應用[J]. 水電能源科學，2012，30(5)：80-82.

[11]景繼，顧沖時. 數學形態濾波在大壩安全監控數據粗差檢測中的應用[J]. 武漢大學學報：信息科學版，2009，34(9)：1126-1129.

[12]黃紅女，華錫生，宋小剛. 土石壩監測數據的未確知濾波[J]. 長江科學院院報，2006，23(3)：32-35.

[13]李波，劉明軍，張治軍. 未確知濾波法和灰色模型在大壩變形預測中的應用[J]. 長江科學院院報，2011，28(10)：86-89.

[14]周元春，甘孝清，李端有. 大壩安全監測數據粗差識別技術研究[J]. 長江科學院院報，2011，28(2)：16-20.

[15]陳義濤，黃耀英，丁月梅，等. 分布式光纖測溫數據粗差識別初探[J]. 人民長江，2014(11)：74-77.

[16]汪亞超，范永，趙二峰，等. 大壩安全監測數據實時異常診斷研究[J]. 水力發電，2009，35(1)：99-102.

[17]黃耀英，瞿立新，周宜紅，等. 混凝土澆筑倉溫度雙控指標擬定的最大熵法[J]. 長江科學院院報，2012，29(11)：104-107.

[18]黃耀英，瞿立新，周宜紅，等. 基于小概率法的混凝土澆筑倉溫度雙控指標擬定及預警研究[J]. 水利水電技術，2013，44(11)：49-52.

[19]叢培江，顧沖時，谷艷昌. 大壩安全監控指標擬定的最大熵法[J]. 武漢大學學報：信息科學版，2008，33(11)：1126-1129.

[20]劉丹丹，王俊，黃耀英，等. 施工期混凝土壩溫度統計模型探討[J]. 水電能源科學，2012，30(2)：76-77.

[21]周元春，甘孝清，李端有. 大壩安全監測數據粗差識別技術研究[J]. 長江科學院院報，2011，28(2)：16-20.

[22]陳義濤. 施工期混凝土壩光纖測溫輔助決策支持系統應用探討[D]. 宜昌：三峽大學，2015.

(責任編輯 王 琪)

Design and Application of Recognition Criterion for Doubtful Concrete Dam Temperature Measurement Data of Distributed Optical Fiber during Construction Period

CHEN Yitao1, HUANG Yaoying2, MA Jinbao1

(1. Linyi Survey and Design Institute of Water Conservancy of Shandong Province, Linyi 276002, Shandong, China; 2. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

The distributed optical fiber temperature measurement system can acquire huge amounts of real-time and online concrete dam temperature monitoring data, but it inevitably mix with a certain amount of doubtful measured values because the concrete temperature measurement during construction period is influenced by numerous factors and the operation environment of distributed optical fiber temperature measurement system is complicated. Aiming at the recognition problem of doubtful points, five recognition criterions for concrete dam temperature measuring value during construction period are designed based on dam safety monitoring theory, methods and research results. The practice shows that the recognition criterions are effective.

concrete temperature control; optical fiber temperature measurement; recognition criterion of doubtful point; statistics; smoothing estimation

2016-03-17

國家自然科學基金項目(51209124)

陳義濤(1988—)，男，湖北鄖西人，工程師，碩士，主要從事水電工程勘察設計工作；黃耀英(通訊作者).

TV698.1

A

0559-9342(2016)12-0060-05