大壩安全監(jiān)測中自動化比測方法的應(yīng)用研究

唐宏華

湖南五凌電力科技有限公司，湖南懷化 419635

在信息技術(shù)快速發(fā)展帶動下，大壩安全實時監(jiān)測已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，但由于受到設(shè)備、工藝和大壩所處環(huán)境等因素的影響，使自動化系統(tǒng)難免出現(xiàn)失真。所以，找到一種能對自動化系統(tǒng)所得監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行自動校核，并確定精度與可靠性的方法至關(guān)重要。

1 數(shù)據(jù)比測基本概念與現(xiàn)狀分析

對于大壩安全監(jiān)測，其數(shù)據(jù)比測是指對由自動化系統(tǒng)得出的測量結(jié)果和由人工觀測得出的結(jié)果進(jìn)行比對與分析，用于驗證所設(shè)自動化系統(tǒng)是否穩(wěn)定與可靠。人工觀測因歷史較為久遠(yuǎn)，有著十分廣泛的應(yīng)用，且過程簡單，所以是公認(rèn)的有很高穩(wěn)定性及可信度的方法；而自動化系統(tǒng)雖然也有很高的測量與頻率，但可靠性與穩(wěn)定性均需驗證。因此，國家標(biāo)準(zhǔn)提出了需要對這兩個結(jié)果實施對比的基本要求[1]。

就目前來看，行業(yè)中對大壩安全數(shù)據(jù)進(jìn)行比測的具體方法與相關(guān)分析手段還沒有明確的規(guī)定，在實際應(yīng)用過程中，采用人工進(jìn)行操作和閾值法相對普遍，另外，借助數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行過程線的繪制，并用人工對曲線的走勢及周期進(jìn)行對比，也十分常見。但以上方法在很多方面都存在缺陷，比如：沒有對測次對齊予以充分考慮，對比測的結(jié)果造成一定影響，這主要是因為沒有保持對齊的序列會使對監(jiān)測量信號進(jìn)行判斷時產(chǎn)生很大的偏差，而且采用人工將數(shù)據(jù)對齊，既煩瑣，又容易出錯，也會出現(xiàn)偏差；只采用不超過兩種較為直觀且淺層的對比方式，在分析能力上還較為欠缺。在實際應(yīng)用過程中，一般以閾值法為主，對段時序小樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)比測；數(shù)據(jù)挖掘有待提升，所得結(jié)果的說服力不足；必須采用人工進(jìn)行操作，費時費力，而且計算能力不強，無法對長時序大樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)比測。

2 比測方法基本原理與應(yīng)用

2.1 方法原理

比測流程如圖1所示。

圖1 比測流程

2.1.1 以時序為基礎(chǔ)的測次對齊

對大壩而言，在不同時間有不同的實際工作形態(tài)，尤其是關(guān)鍵部位，變化頻率更高。為有效保證數(shù)據(jù)比測結(jié)果的合理性，兩種測量方式的時序必須保持一致，所以在形成序列后，必須開展測次對齊。其方法為：將自動化系統(tǒng)所得測量數(shù)據(jù)對應(yīng)的時間值作為基準(zhǔn)，基于有效時間要求，找到和自身時間值最相近的觀測結(jié)果；若未找到，則將這一自動化系統(tǒng)的實測結(jié)果丟棄，從而形成數(shù)量完全相等且時序保持一致的最佳樣本組[2]。

2.1.2 超限分析

以預(yù)設(shè)變化閾值為依據(jù)，對每批相同測次兩個結(jié)果差值進(jìn)行判斷，確認(rèn)是否處在閾值范圍內(nèi)，此時將超限數(shù)量與所占百分比輸出。

2.1.3 方差分析

這一步驟將超限的測值總數(shù)和所占百分比輸出。

2.1.4 相關(guān)性與差異性

相同監(jiān)測量在相同時序中采用兩系統(tǒng)的測值序列，若方差和均值都沒有明顯差異，同時序列高度相關(guān)，則認(rèn)為盡管監(jiān)測方式有所不同，但所得結(jié)果完全一致。將樣本數(shù)量記作K，采用自動化系統(tǒng)所得觀測序列記作M，其均值記作EM，標(biāo)準(zhǔn)差記作 ；人工觀測序列記作N，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別記作EN、 。

①對系列均值進(jìn)行差異性檢驗，若M和N沒有明顯差異，則可建立零假設(shè)，即EM=EN，進(jìn)而可得以下檢驗統(tǒng)計量：

可見，n滿足準(zhǔn)正態(tài)分布，若將顯著性水平設(shè)為a，可將拒絕域表示為 與，其中， 可通過查表獲得，此時能輸出不同顯著性水平對應(yīng)的接受結(jié)論及拒絕結(jié)論。

②對系列方差進(jìn)行差異性檢驗，若M和N的方差沒有明顯差異，則可建立零假設(shè)，即 ，進(jìn)而可得以下檢驗統(tǒng)計量：

可見，統(tǒng)計量滿足卡方分布，若將顯著性水平設(shè)為a，則可通過查表獲得拒絕域，此時能輸出不同顯著性水平對應(yīng)的接受結(jié)論及拒絕結(jié)論。

③對系列相關(guān)性進(jìn)行檢驗，即分析序列是否具有線性關(guān)系。當(dāng)兩者之間保持的線性關(guān)聯(lián)較為緊密，則說明兩者具有較高的趨同性及相似性，對于相關(guān)系數(shù)，可采用以下公式計算：

此時可將兩個結(jié)果的線性相關(guān)系數(shù)輸出。

2.1.5 判斷規(guī)律性

所謂規(guī)律性的判斷，是指以監(jiān)測量發(fā)生的變化為一個隨機的過程，然后把序列數(shù)值看作離散的信號量，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行傅立葉變換，對不同信號對應(yīng)的特征量進(jìn)行輸出，同時予以對比。

2.2 方法應(yīng)用

以某混凝土大壩為例進(jìn)行分析，該大壩采用雙向電容式自動化測量儀器，如圖2所示，將測量周期確定為：在非汛期時，每天測量一次；在汛期，每8h測量一次。在人工觀測方面，以視準(zhǔn)測量為主，每7d測量一次。利用上述比測方法，時間間隔取8h，將測序?qū)R之后，可獲得共884個結(jié)果，其比測結(jié)果為：以設(shè)計指標(biāo)為依據(jù)開展超限分析與方差分析，超限測次數(shù)量為6，約占1.3%。從巡檢日志中可以看出，其產(chǎn)生原因主要為自動化裝置部分段所用防凍液大量揮發(fā)，使浮力降低或直接被凍住，導(dǎo)致測量結(jié)果失準(zhǔn)；相關(guān)系數(shù)經(jīng)計算等于0.97，說明兩者為正相關(guān)；采用人工觀測所得序列，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.10mm、1.1；采用自動化系統(tǒng)觀察所得序列，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.097mm、1.17，兩者均值對應(yīng)的差異統(tǒng)計量結(jié)果為0.057，當(dāng)置信度為95%時，不拒絕原定假設(shè)，兩者方差對應(yīng)的差異統(tǒng)計量結(jié)果為500.04，當(dāng)置信度為95%時，同樣不拒絕原定假設(shè)。通過上述分析可以看出，該大壩所用兩種測量方式，無論在均值和標(biāo)準(zhǔn)差，還是相關(guān)性上，均具有良好性能，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

圖2 雙向電容式自動化測量儀器

3 結(jié)語

因數(shù)據(jù)比測對自動化觀察結(jié)果驗收及校核均有重要作用，所以在當(dāng)前引起了很多人的重視。目前行業(yè)中最常見的方式就是人工，選取一段時間內(nèi)適量樣本開展差值對比，雖然方法簡單，但具體操作和執(zhí)行十分煩瑣，所得結(jié)果的說服力及可信度均亟待提升。

對此，本文基于數(shù)據(jù)預(yù)處理，提出一種多維度比測方式，通過研究和應(yīng)用，可將其優(yōu)勢特征總結(jié)如下：

首先，利用自動化比測，能打破數(shù)據(jù)規(guī)模帶來的限制，使比測結(jié)果準(zhǔn)確性得以大幅提高；

其次，比測開始前，先進(jìn)行測次對齊，這樣可以在保證樣本質(zhì)量的同時，提高可信度；

再次，在包含方差、差異性、相關(guān)性及與規(guī)律性等在內(nèi)的多個方面對兩種數(shù)據(jù)結(jié)果的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行深度挖掘，所得結(jié)果更加全面，同時還具有校核的功能；

最后，算法十分清晰，具有良好的魯棒性，容易實現(xiàn)，能滿足現(xiàn)在越來越多長時序大樣本對數(shù)據(jù)比測提出的要求。

以此，該方法可以十分充分地整合現(xiàn)有測量數(shù)據(jù)，且更為深入與全面地對相同監(jiān)測量在采用不同方法后所得結(jié)果的差異性及關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，進(jìn)而為大壩自動化系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化提供依據(jù)。