大壩安全監測自動化系統人工比測的精度指標法研究

曾志群

（國家能源集團萬安水力發電廠，江西 萬安343800）

當前自動化技術飛速發展，已經在橋梁、水電站、隧道等工程中得到廣泛應用，使工程安全監測效率得到顯著提升。但是，電子產品自身較為脆弱，一般使用壽命在10 年左右。受到設備結構與工作原理等因素影響，監測自動化系統很容易出現數據誤差。為了提高系統測量精準度，采用人工比測技術進行考核檢驗，在精度指標法的使用下，使測量精度充分符合標準。

1 數據比測概念與原理

1.1 數據比測

在大壩安全監測工作中，數據比測主要是指對自動測值與人工測值進行對比，以此檢驗自動化系統測值精準度的過程。人工觀測法應用范圍較廣、過程較為簡單，在測量穩定性方面占有一定優勢；自動化測值具有高頻測量、高精度測量等特點，但是在測量可靠性方面需要進一步確認。對此，國家頒布相關標準，針對自動化系統驗收提出與人工測值對比的要求。當前，在對比與分析方法方面并沒有明確規定。在實際應用中，大多采用人工操作的方式設置二者測量誤差范圍，或者通過繪制二者過程線的方式，對曲線周期、趨勢進行對比。但是在實際應用中存在些許弊端，例如在比測過程中忽視測次對齊，導致比測結果不夠客觀精準，或者數據對比方式較為單一導致誤差增加等等，需要采取有效措施對比測方式進行優化，為大壩的安全保駕護航。

1.2 方法原理

1.2.1 數據預處理。隨著時間的推移，大壩工作性態逐漸發生變化，局部變化頻率相對較高，如管道、閘門以及與廠房相近之處等等。為了確保比測合理，應使人工與自動化測量時序盡量相同，由此形成測值序列。因此，在數據預處理環節進行測次對齊十分必要。具體措施為：將自動化測量數據時間為基準，在規定有效時間內，尋找與時間值最為貼近的人工觀測值；如若未能找到這一數值，則將自動測值剔除，由此便可形成時序相同、數量一致的樣本組。

1.2.3 相關性與差異性。針對監測量與時序相同的兩組序列來說，在方差、均值等方面沒有明顯的差異，且序列之間帶有較高關聯性。由此可見，雖然監測方式存在差別，但二者的測量結果相同。在均值差異檢驗方面，如若自動化序列與人工序列之間沒有顯著差異，建立零架設H0:EM＝EN，則檢驗統計量為：

式中，n 代表的是統計量；EM代表的是自動化測值均值；EN代表的是人工觀測均值；K 代表的是有效樣本數量；σN代表的是標準差。

在相關性檢驗方面，一般情況下，主要針對兩個序列的線性相關程度進行分析。如若相關程度越緊密，則相似性與趨同性便會越高，可利用皮爾遜公式對相關系數進行計算，公式為：

式中，Mi代表的是標準差；EM代表的是自動化序列均值；EN代表的是人工觀測均值；c 代表的是相關程度[1]。

2 大壩安全監測人工比測精度指標法

2.1 人工比測法

對于鋼筋計、應變計、滲壓計等內部觀測器，一般采用GK403 讀數儀進行人工觀測。根據相關規定，應定期對讀數儀的工作狀態進行校驗。從一般意義上看，人工觀測讀數在計量方面是可溯源的，在條件相同的情況下，自動化比測與人工觀測的數據誤差基本穩定，均可滿足監測精度規定。根據大壩安全監測相關規定可知，人工比測主要通過方差或過程線對比的方式實現。其中，前者是分析各個測點在兩種采集模式下的數值，分別組成自動化測值與人工測值兩個序列，對標準差進行計算，二者的標準差公式為：

2.2 精度指標法

針對上文分析可知，規范中的方差分析法無法應用于自動化系統人工比測之中。對于實際工程人工比對困難的情況，可在監測自動化系統的應用下采用精度指標法，具體措施為：

2.2.1 人工比測，根據原始物理量進行對比分析；

式中，σ標代表的是傳感器技術指標。以BGK4911 型號的鋼筋計為例，其測量范圍在100kN 以內，標稱精度為0.25%FS，儀器系數為0.045172kN/digit，頻模通道的技術指標為5.5 個模數。為了精簡計算量，可根據廠家提供的參考精度進行評價，參考精度如下表1 所示，評價公式為：δi≤ σ精式中，σ精代表的是精度指標。對于鋼弦式儀器來說，其溫度通道的評價標準應低于1.0℃。

表1 鋼弦式儀器頻模測值參考精度

2.2.3 在設備運行期間每間隔半年或者一次實施一次人工比測，可根據規定要求開展短期穩定性測試，在2h 內連續測讀15 次，誤差應與廠家標稱指標相符。在2h 內連續3 次人工測讀，自動化測讀間隔時長低于15-30min，二者的偏差應符合傳感器精度標準；

2.2.4 自動化與人工測值序列中，相同組的測值間隔應控制在4-8h 之間。針對二者存在的誤差應在對比之前消除，因其在傳感器的基礎上測出實際精度，被稱為精度標準法。

3 大壩安全監測中人工比測應用案例

本文以某工程為例，對安全監測系統的運行情況進行分析。該項目共計設置4 個測站，自動化采集單元23 臺，接入內部觀測點679 個，包括280 支鋼筋計、50 支無應力計、18 支測縫計、51 支滲壓計。除了溫度計之外，其他均為鋼弦式儀器。大部分儀器均埋設于2006-2008 年間，自動化監測設備是在2012 年10月開始試運行。在2019 年中旬，針對該工程接入自動化的所有測點進行比測與分析，共計采用四種方式對自動化、人工測值進行對比和評價。

一是長時方差法。在2019 年1 月-6 月期間，在相同條件下開展自動化數據測量與人工觀測，結合方差分析法進行評價。實際得到的2 σ數值較大，通常有幾十甚至上百個模數，遠遠超過儀器測量精度，合格率為92.7%。如若將一些質量不佳的測點與人工測值時不確定因素去除后，合格率會變得更高；

二是短時方差法。根據上文中闡述的人工比測方差分析法，針對各個測點分別進行6 次自動化數據采集與人工采集，按照“2 ”準則進行評價。實際得到的2 數值較小，大多不超過1 個模數，低于測量精度的較多，合格率為5.3%；

三是精度標準法。該項目采用精度標準法進行測值，以表1中的傳感器精度指標為依據，結合上文列舉公式進行評價，得到最終合格率為74.0%；

四是過程線檢查法。將全部序列中的自動化測值與人工測值的過程線進行繪制，并對規律性、測值變化幅度進行對比。根據經驗判斷是否合格，最終合格率達到86.3%。由此可見，因第二種方法的要求過于嚴格導致合格率最低，第一種方法因要求過寬導致合格率最高；第四種因缺乏定量標準，所得結果變化較大；第三種方法與實際情況最為相符，是最佳選擇。

4 結論

綜上所述，在自動化系統運行校核中比測工作十分重要，應引起相關人員的高度重視。當前，業內應用較為普遍的是人工方式獲取短期內的樣本運行差值進行對比，此種方式操作簡單但結論可信度較低。對此，本文提出精度指標法進行人工比測定量考核，可有效避免以往差值分析法存在的弊端，能夠與實際情況充分符合，取得最佳評價效果。將其應用到大壩安全監測中，有助于測值精度提升，工程項目更加穩定持久。