大壩安全監(jiān)測(cè)中的自動(dòng)化比測(cè)方法

花勝?gòu)?qiáng),顧曉峰,高 磊,蔡 杰,鄭健兵

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇南京211106；2.南瑞集團(tuán)公司,江蘇南京211106；3.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇蘇州215128)

大壩安全監(jiān)測(cè)中的自動(dòng)化比測(cè)方法

花勝?gòu)?qiáng)1,2,顧曉峰3,高 磊1,2,蔡 杰1,2,鄭健兵1,2

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇南京211106；2.南瑞集團(tuán)公司,江蘇南京211106；3.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇蘇州215128)

針對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)中自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的驗(yàn)證和校核,提出了一種新型的數(shù)據(jù)比測(cè)方法。首先,基于時(shí)間序列對(duì)人工和自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)次對(duì)齊,降低因樣本本身帶來(lái)的差異性；第二,基于變化閾值統(tǒng)計(jì)二者間超差測(cè)次的數(shù)量和比例；第三,基于方差分析判定二者測(cè)量差值是否滿足2ζ法則；第四,進(jìn)行樣本相關(guān)性及差異性分析,檢定二者互相關(guān)性的強(qiáng)弱,及在多個(gè)顯著性水平上差異是否顯著；最后,基于譜分析對(duì)比二者的規(guī)律性如周期、變幅。通過(guò)多個(gè)維度的比較分析,全面檢定人工和自動(dòng)化測(cè)量結(jié)果的一致性水平,為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證和校核提供了更可靠的依據(jù)。

大壩監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化比測(cè)；方差分析；顯著性檢驗(yàn)；譜分析

0 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,大壩安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化已經(jīng)成為目前行業(yè)發(fā)展的主流。受限于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作原理、生產(chǎn)工藝,以及大壩惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可避免地會(huì)產(chǎn)生測(cè)量失真,因此找到一種可以自動(dòng)校核其測(cè)量可靠性和精度的方法有著重要意義。此外,由中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布的GB/T 22385—2008《大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)收規(guī)范》也突出了以比測(cè)作為自動(dòng)化系統(tǒng)的考核手段,因此提出一種以人工和自動(dòng)化兩種測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行比測(cè)的方法就顯得極為必要了。

本文提出了一種針對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè),基于多維度的分析視角,多階段對(duì)人工和自動(dòng)化測(cè)量數(shù)據(jù)比測(cè)的方法。首先,基于時(shí)間序列對(duì)二者進(jìn)行測(cè)次對(duì)齊,降低因樣本本身帶來(lái)的差異性；第二,基于變化閾值統(tǒng)計(jì)超差測(cè)次的數(shù)量和比例；第三,基于方差分析判定二者間測(cè)量差值是否滿足2ζ法則；第四,進(jìn)行樣本相關(guān)性及差異性分析,檢定二者互相關(guān)性的強(qiáng)弱,及在多個(gè)顯著性水平上差異是否顯著；最后,基于譜分析對(duì)比二者的規(guī)律性如周期、變幅。通過(guò)多個(gè)維度的比較分析,全面檢定人工和自動(dòng)化測(cè)量結(jié)果的一致性水平,為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證和校核提供更可靠的依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)比測(cè)的概念及現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)比測(cè),是對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的測(cè)量值與人工觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比及分析,以驗(yàn)證自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)量穩(wěn)定性和可靠性的過(guò)程。人工觀測(cè)由于其歷史久遠(yuǎn),應(yīng)用廣泛,過(guò)程簡(jiǎn)單等特性,公認(rèn)具有較高的測(cè)量穩(wěn)定性和可信度；相對(duì)的,自動(dòng)化觀測(cè)具有高精度和高頻測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),但其測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性需要得到確認(rèn),由此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于自動(dòng)化系統(tǒng)驗(yàn)收的部分提出了與人工觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比測(cè)的要求。

目前,行業(yè)內(nèi)關(guān)于大壩安全數(shù)據(jù)比測(cè)的方式方法及分析手段并無(wú)明確規(guī)定,實(shí)際應(yīng)用中,以人工操作方式,設(shè)定二者測(cè)量差值上下限的闕值法較為普遍,此外,通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件繪制二者過(guò)程線,人工比對(duì)曲線的周期、趨勢(shì)等進(jìn)而得出結(jié)論也較為常見(jiàn)。然而這些方案無(wú)論是數(shù)據(jù)的人工預(yù)處理,還是數(shù)據(jù)間內(nèi)在聯(lián)系的分析挖掘,乃至比對(duì)結(jié)果的說(shuō)服力,都存在的一定的不足,主要有：①未考慮測(cè)次對(duì)齊,影響比測(cè)結(jié)論,因?yàn)槲磳?duì)齊的測(cè)值序列將導(dǎo)致在判斷監(jiān)測(cè)量信號(hào)特征和趨勢(shì)方面出現(xiàn)較大偏差；人工進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊,不僅極為繁瑣,也易出錯(cuò),導(dǎo)致偏差。②僅利用一種或兩種比較淺層、直觀的數(shù)據(jù)對(duì)比方法,分析能力較弱。實(shí)際應(yīng)用中,通常僅采用閾值法或過(guò)程線法,來(lái)處理短時(shí)序小樣本的比測(cè)工況。③對(duì)數(shù)據(jù)挖掘不夠全面、深入,結(jié)論缺乏說(shuō)服力。例如,在小樣本的工況下即便二者測(cè)量差值在誤差范圍內(nèi),仍不能量化地說(shuō)明其差異性水平及存在的系統(tǒng)誤差風(fēng)險(xiǎn)。④以人工操作為主,耗時(shí)耗力,且計(jì)算能力較弱,不適合處理長(zhǎng)時(shí)序大樣本的工況。

2 方法原理

本文方法按照數(shù)據(jù)預(yù)處理、超限分析、方差分析、差異性分析、相關(guān)性分析、規(guī)律性分析的步驟,逐步給出數(shù)據(jù)比測(cè)的檢驗(yàn)結(jié)果,其詳細(xì)技術(shù)方案及流程如下。

2.1 基于時(shí)序的測(cè)次對(duì)齊

大壩的工作形態(tài)隨著時(shí)間而不斷發(fā)生變化,在某些部位如閘門、管道、臨近廠房等處變化頻率相對(duì)較高。為了保證比測(cè)的合理性,須使人工測(cè)量與自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)量時(shí)序盡可能一致,因此對(duì)二者形成的測(cè)值序列,進(jìn)行測(cè)次對(duì)齊是非常必要的。

測(cè)次對(duì)齊的策略為：以自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間值為基準(zhǔn),在給定的有效時(shí)間范圍內(nèi),尋找與自身時(shí)間值最為接近的人工觀測(cè)值；如果沒(méi)有找到,則丟棄該自動(dòng)化測(cè)量值,這樣就形成了兩組時(shí)序一致、數(shù)量相等的樣本組。

2.2 超限分析

根據(jù)預(yù)先設(shè)定的變化閾值,判斷每批同測(cè)次的人工和自動(dòng)化測(cè)值的差值是否超出閾值,此步驟輸出差值超限的總數(shù)量和百分比率。

2.3 方差分析

記人工觀測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度為ζM,自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的測(cè)量精度為ζN,二者皆可由設(shè)備廠商提供的設(shè)備率定資料得到,自動(dòng)化測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的人工觀測(cè)值的絕對(duì)差值Δ應(yīng)滿足

(1)

此步驟輸出超限的測(cè)值數(shù)量及所占有效樣本數(shù)的百分比。

2.4 相關(guān)性及差異性分析

對(duì)于同一監(jiān)測(cè)量的一致時(shí)序的兩組測(cè)值序列,如其均值、方差無(wú)顯著性差異,且序列具有較高的相關(guān)性,則可以認(rèn)定,雖然監(jiān)測(cè)方式不同,但是二者測(cè)量結(jié)果一致。記有效樣本數(shù)量為K；自動(dòng)化觀測(cè)序列為M,均值為EM,標(biāo)準(zhǔn)差為σM；人工觀測(cè)序列為N,均值為EN,標(biāo)準(zhǔn)差為σN。

(1)兩個(gè)系列均值的差異性檢驗(yàn)。假設(shè)M與N均值無(wú)顯著性差異,建立零假設(shè)H0∶EM=EN,構(gòu)建檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量

(2)

即統(tǒng)計(jì)量n符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,如果規(guī)定顯著性水平為a,則拒絕域?yàn)?(-∞,-Za/2)和(Za/2,+∞),Za/2值可查正態(tài)分布表得到,這樣即可輸出在各顯著性水平下的接受或拒絕結(jié)論。

(3)

即統(tǒng)計(jì)量χ2符合卡方分布,如果規(guī)定顯著性水平為a,可查卡方分布表得到其拒絕域,這樣即可輸出在各顯著性水平下的接受或拒絕結(jié)論。

(3)兩個(gè)系列的相關(guān)性檢驗(yàn)。通常情況,主要研究的是兩個(gè)序列間的線性相關(guān)性大小。如果二者的線性相關(guān)性越緊密,則二者相似性和趨同性越高。計(jì)算二者相關(guān)性的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

(4)

這樣即可輸出在二者的線性相關(guān)系數(shù)。

2.5 規(guī)律性分析

規(guī)律性分析主要是將監(jiān)測(cè)量的變化視為隨機(jī)過(guò)程,將二組時(shí)間序列數(shù)值視為離散信號(hào)量,在此基礎(chǔ)上,通過(guò)基于快速傅里葉變換的譜分析,將二組信號(hào)的所包含周期、振幅及相位等特征量輸出,并進(jìn)行對(duì)比。本處使用Cooley-Tukey FFT算法。

3 實(shí) 例

以東北某混凝土壩2002年～2008年壩頂絕對(duì)水平位移監(jiān)測(cè)為例,其自動(dòng)化系統(tǒng)使用的是南瑞集團(tuán)公司的雙向電容式引張線儀,定時(shí)測(cè)量的周期為非汛期每天一次,汛期8 h一次；人工觀測(cè)采用視準(zhǔn)測(cè)量,一周左右測(cè)量一次。采用本文提出的比測(cè)方法，以8 h為有效時(shí)間間隔,進(jìn)行測(cè)序?qū)R后,共得到442對(duì)人工和自動(dòng)化測(cè)值,比測(cè)結(jié)果如下：根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo),進(jìn)行超限和方差分析,得到相同的6個(gè)超限測(cè)次,超限比率為1.3%。根據(jù)對(duì)應(yīng)的巡檢日志可知,原因?yàn)橐龔埦€儀某些段的防凍液揮發(fā)導(dǎo)致浮力不足或者凍住,從而使測(cè)量失準(zhǔn)；兩個(gè)序列的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.97,具有較好的正相關(guān)性；人工觀測(cè)序列的均值為0.10 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為1.1,自動(dòng)化觀察序列的均值為0.097 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為1.17,其均值差異統(tǒng)計(jì)量值為0.057,在95%的置信度下不拒絕原假設(shè),方差統(tǒng)計(jì)量值為500.04,在95%的置信度下不拒絕原假設(shè)。由以上分析可知,南瑞雙向電容式引張線儀自動(dòng)化觀察系統(tǒng)與人工觀測(cè)在測(cè)量數(shù)據(jù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)性方面,都有較好的檢驗(yàn)性能。

4 小 結(jié)

由于比測(cè)在自動(dòng)化系統(tǒng)在系統(tǒng)驗(yàn)收和運(yùn)行期校核中的重要性,應(yīng)當(dāng)引起行業(yè)內(nèi)的重視和研究。目前業(yè)內(nèi)較為常見(jiàn)的比測(cè)方法是通過(guò)人工的方式,取短時(shí)間內(nèi)一定量(數(shù)天乃至數(shù)個(gè)月,甚至不到一個(gè)運(yùn)行周期,樣本量在數(shù)十條至數(shù)百條間)的樣本進(jìn)行差值比較,方法簡(jiǎn)易但執(zhí)行繁瑣,結(jié)論可信度和說(shuō)服力都有較大的提高空間。

本文提出的方法在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了多維度的自動(dòng)化數(shù)據(jù)比測(cè),其優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

(1)通過(guò)自動(dòng)化比測(cè)的方式,消除了比測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)模的限制,極大提高了比測(cè)結(jié)論的精度。

(2)在進(jìn)行比測(cè)前進(jìn)行了自動(dòng)測(cè)次對(duì)齊操作,提高了樣本質(zhì)量,增強(qiáng)了可信度。

(3)從方差精度、差異性、相關(guān)性及規(guī)律性方面全面分析挖掘了人工與自動(dòng)化測(cè)量數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián),得出的比測(cè)結(jié)論更為全面,并兼具校核作用。

(4)算法清晰,魯棒性好,易于編程實(shí)現(xiàn),滿足長(zhǎng)時(shí)序大樣本比測(cè)的要求。

綜上所述,本方法能更充分地利用測(cè)量數(shù)據(jù),更全面和深入地挖掘和分析對(duì)于同一監(jiān)測(cè)量不同觀測(cè)手段的結(jié)果之間的聯(lián)系和差異,為自動(dòng)化系統(tǒng)的驗(yàn)收和運(yùn)行提供更可靠的驗(yàn)證和校核手段。

[1]吳中如. 水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M]. 北京: 高等教育出版社, 2003．

[2]郭晨, 馬迅, 賀晨鴻. 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 水力發(fā)電, 2002(7)： 68- 69．

[3]劉觀標(biāo). 混凝土大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向[J]. 水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè), 2004, 28(2): 1- 5．

[4]方衛(wèi)華. 大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化中的人工比測(cè)研究[J]. 大壩與安全, 2003(5): 29- 32．

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

云南萬(wàn)家口子水電站工程初期蓄水驗(yàn)收工作完成

萬(wàn)家口子水電站是北盤江上游的龍頭水庫(kù)電站，壩址位于北盤江上游河段革香河上，水庫(kù)正常蓄水位為1 450 m，總庫(kù)容2.79億m3，電站裝機(jī)容量180 MW，碾壓混凝土雙曲拱壩最大壩高167.5 m，是我國(guó)在建的最高碾壓混凝土雙曲拱壩。受云南省、貴州省發(fā)展和改革委員會(huì)的委托，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院會(huì)同兩省發(fā)展和改革委員會(huì)、能源局等部門和有關(guān)單位組織開(kāi)展云南萬(wàn)家口子水電站工程蓄水驗(yàn)收工作。

工程蓄水驗(yàn)收委員會(huì)會(huì)議于2017年1月16日在昆明召開(kāi)，會(huì)議聽(tīng)取了工程建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位關(guān)于工程建設(shè)和下閘蓄水準(zhǔn)備情況的匯報(bào)，云南省、貴州省移民主管部門關(guān)于下閘蓄水階段建設(shè)征地移民安置專項(xiàng)驗(yàn)收情況的匯報(bào)，國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心關(guān)于工程蓄水安全鑒定主要結(jié)論的匯報(bào)，以及蓄水驗(yàn)收專家組結(jié)論意見(jiàn)的匯報(bào)。驗(yàn)收委員檢查審閱了工程驗(yàn)收文件和有關(guān)資料，就工程建設(shè)情況、工程蓄水驗(yàn)收條件進(jìn)行了認(rèn)真討論，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析研究，提出了處理意見(jiàn)。經(jīng)會(huì)議討論審議，形成了《云南萬(wàn)家口子水電站工程蓄水驗(yàn)收鑒定書(shū)》。驗(yàn)收委員會(huì)認(rèn)為，云南萬(wàn)家口子水電站工程基本具備下閘蓄水條件，同意2017年1月下旬導(dǎo)流洞擇機(jī)下閘蓄水，2017年汛期控制初期蓄水位1 415 m。

(杜小凱)

Automatic-comparison Measurement Method in Dam Safety Monitoring

HUA Shengqiang1,2, GU Xiaofeng3, GAO Lei1,2, CAI Jie1,2, ZHENG Jianbing1,2

(1. State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211106, Jiangsu, China;2. NARI Group Corporation, Nanjing 211106, Jiangsu, China;3. Jiagsu Taihu Water Resources Planning & Design Institute Co., Ltd., Suzhou 215128, Jiangsu, China)

A new comparison measurement model is proposed for the validation and verification of automatic dam safety monitoring system. Firstly, both manual and automatic data are aligned based on measuring time to reduce deviation. Secondly, the amount and ratio of overrun-difference data is calculated. Thirdly, whether the difference of two data meets the 2ζ law is checked based on variance analysis. Fourthly, the correlation strength and whether the difference is significant on specified significance level are examined. Finally, the regularity of two data such as period and amplitude is compared based on spectrum analysis. By multi-dimension comparing, the validation and verification of automatic dam monitoring system would be more reliable under this model．

dam monitoring; automatic-comparison measurement; variance analysis; significance test; spectrum analysis

2016- 08- 08

花勝?gòu)?qiáng)(1982—),男,江蘇靖江人,工程師,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘與建模．

TP698.1

A

0559- 9342(2017)03- 0120- 03