基于大數(shù)據(jù)的白屈港套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蔡艷媚

(江陰市江堤閘站管理中心，江蘇 江陰 214400)

水利工程項(xiàng)目的施工效果主要體現(xiàn)在其是否與所處水域環(huán)境的實(shí)際需求相契合[1]，而對(duì)于套閘增補(bǔ)項(xiàng)目而言，其主要價(jià)值是提高原有水利工程的安全性和作用效果[2]。白屈港套閘增補(bǔ)項(xiàng)目是一項(xiàng)已經(jīng)順利竣工的系統(tǒng)化工程，不僅完善了原有施工的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也使其自身價(jià)值得到體現(xiàn)[3]。為此，對(duì)所受的揚(yáng)壓力實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)是十分必要的[4]。大數(shù)據(jù)作為信息時(shí)代的一項(xiàng)重要產(chǎn)物，其反饋的信息價(jià)值更加全面化和深層化[5]。將大數(shù)據(jù)應(yīng)用到白屈港套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)中將會(huì)帶來(lái)新的發(fā)展[6]。

為此，本文提出基于大數(shù)據(jù)的白屈港套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，在硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)，并充分考慮了干擾因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的高精度監(jiān)測(cè)。通過(guò)本文的設(shè)計(jì)研究，希望可以幫助相關(guān)水利工程揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展提供有價(jià)值的參考。

1 硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，本文選擇了一種高精度的接觸位移傳感器，利用其實(shí)現(xiàn)對(duì)套閘增補(bǔ)項(xiàng)目所處上下游水位數(shù)據(jù)以及壩前淤泥淤積數(shù)據(jù)的采集。其具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 傳感器裝置

考慮到在實(shí)際運(yùn)行中其受水流的沖擊會(huì)有較大的震動(dòng)性，因此在結(jié)構(gòu)上，使用熱熔成型材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此提高傳感器的抗震動(dòng)等級(jí)，在100Hz的幀頻下，其可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。不僅如此，水下環(huán)境要求其具備較高的防水性能，熱熔成型材料的防水等級(jí)可以達(dá)到IP67，避免了環(huán)境因素對(duì)其應(yīng)用效果的影響。傳感器的頭部和尾部采用緊錮的鍍鎳黃銅金屬材質(zhì)制成，提高了其抗化學(xué)腐蝕能力，確保其使用壽命。在不結(jié)露、不結(jié)冰的情況下，使用環(huán)境溫度/濕度要求為-25～55℃/35%～5%RH。適用EMC指令(2014/30/EU)/IEC 60947- 5- 2:2007IA1:2012，具有良好的數(shù)據(jù)采集效果。在套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，其分布設(shè)置主要以實(shí)際監(jiān)測(cè)需要為基礎(chǔ)進(jìn)行，當(dāng)實(shí)際壓力值不超過(guò)100MPa時(shí)，以20m2的基礎(chǔ)面積進(jìn)行布置即可，當(dāng)實(shí)際壓力值不超過(guò)200MPa時(shí)，以10m2的基礎(chǔ)面積進(jìn)行布置即可。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型

通過(guò)對(duì)套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力的形成方式進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，影響其數(shù)值高低的主要因素為上下游水位的高低[7]，套閘增補(bǔ)項(xiàng)目所處位置的實(shí)際降雨量，套閘增補(bǔ)項(xiàng)目巖基的溫度以及壩前淤泥淤積總量、套閘增補(bǔ)項(xiàng)目的帷幕和排水能力[8]。需要特別注意的是，上述因素都是隨著時(shí)間的變化而相對(duì)以動(dòng)態(tài)的形式存在的。考慮到該特點(diǎn)，在對(duì)套閘增補(bǔ)項(xiàng)目的揚(yáng)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，引入了時(shí)效因子[9]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力的統(tǒng)計(jì)模型為

H=λT(hb+hp+ht+h0)

(1)

式中，Hb—套閘增補(bǔ)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的水位分量；T—時(shí)間，并存在T∈{1，2，3，4，5}，當(dāng)T=1時(shí)，表示的當(dāng)前時(shí)間為監(jiān)測(cè)日，當(dāng)T=2時(shí)，表示的當(dāng)前時(shí)間為監(jiān)測(cè)日前1d，當(dāng)T=3時(shí)，表示的當(dāng)前時(shí)間為監(jiān)測(cè)前2～4d，當(dāng)T=4時(shí)，表示的當(dāng)前時(shí)間為監(jiān)測(cè)前5～15d，當(dāng)T=5時(shí)，表示的當(dāng)前時(shí)間為監(jiān)測(cè)前16～30d；hp—初始監(jiān)測(cè)日各時(shí)段上下游水位的平均值；Ht—降雨分量；h0—初始監(jiān)測(cè)日采集到的各時(shí)段對(duì)應(yīng)的平均降雨量，同樣按照T值，劃分為5個(gè)階段；λ—不同時(shí)段系對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)值。

以此為基礎(chǔ)，按照式(1)構(gòu)建的模型，對(duì)T時(shí)間內(nèi)獲取資料的各個(gè)分項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。

2.2 套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力數(shù)值監(jiān)測(cè)

在上文的基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)對(duì)套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力的有效監(jiān)測(cè)，需要對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，降低干擾因素對(duì)其的影響[10]。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，借助大數(shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模型輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理。

對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。將大數(shù)據(jù)中的揚(yáng)壓力數(shù)值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層[11]，其中包含的數(shù)據(jù)參數(shù)包括水位、降雨、溫度和時(shí)效向量值，同時(shí)最終輸出層的輸出結(jié)果為套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力。在此基礎(chǔ)上，采用Kolmogrov定理構(gòu)建包含擬實(shí)數(shù)編碼信息的的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)的權(quán)值和閾值進(jìn)行約束，其中權(quán)值的標(biāo)記方式為：

(2)

式中，W—各參數(shù)的權(quán)值；h—參數(shù)的指標(biāo)信息。對(duì)應(yīng)地，參數(shù)的閾值可以表示為：

D=[Wmaxh，Wminh]

(3)

式中，Wmax、Wmin—參數(shù)的最大權(quán)值和最小權(quán)值，通過(guò)式(2)可以看出，其主要取決于大數(shù)據(jù)中各個(gè)影響因素的參數(shù)指標(biāo)。

對(duì)于完成訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就可以應(yīng)用其實(shí)現(xiàn)對(duì)2.1部分構(gòu)建的套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型的輸出結(jié)果進(jìn)行校正，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對(duì)模型中的4個(gè)參量進(jìn)行編碼處理。為了降低后續(xù)計(jì)算的難度，提高數(shù)據(jù)處理的效率，采用實(shí)數(shù)編碼的方式實(shí)現(xiàn)編碼，通過(guò)這樣的方式也提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在更大空間范圍內(nèi)的搜索。然后對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度函數(shù)的確定。需要注意的是，采用預(yù)測(cè)輸出對(duì)個(gè)體適應(yīng)度值進(jìn)行設(shè)置時(shí)，最終的結(jié)果會(huì)與期望輸出之間產(chǎn)生一定的誤差。因此本文對(duì)適應(yīng)度值的設(shè)置方式為：

(4)

式中，g—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)度參數(shù)值；f、f′—套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力的預(yù)測(cè)輸出結(jié)果和期望輸出輸出結(jié)果。完成對(duì)適應(yīng)度參數(shù)的設(shè)置后，本文采用輪盤賭法實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的選擇操作。假設(shè)對(duì)每個(gè)個(gè)體被選擇概率是完全一致的，那么在任意個(gè)體參數(shù)中，適應(yīng)度值都是以定值存在的，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層級(jí)也是以該適應(yīng)度值為連接存在的。此時(shí)即可進(jìn)行套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力影響因素參量的交叉操作，得出校正后的揚(yáng)壓力值，其可以表示為：

H′=a(1-g)H

(5)

式中，H′—最終的套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果；a—交叉系數(shù)。

3 工程實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 監(jiān)測(cè)環(huán)境概況

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用分析測(cè)試，以白屈港套閘增補(bǔ)項(xiàng)目為測(cè)試對(duì)象，其實(shí)際構(gòu)造如圖2所示。

圖2 白屈港套閘增補(bǔ)項(xiàng)目構(gòu)造

已知其為碾壓構(gòu)造的混凝土結(jié)構(gòu)，壩高最大值為110.35m，項(xiàng)目全長(zhǎng)為334.20m，項(xiàng)目頂端的程高為156.50m。在此基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力的監(jiān)測(cè)管理，分別在縱向基礎(chǔ)廊道上布置了10個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔，編號(hào)Z1—Z10，在3個(gè)橫向廊道上布置了15個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔，編號(hào)為S1—S15，具體如圖3所示。

圖3 揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔設(shè)置

按照?qǐng)D3所示的方式構(gòu)建監(jiān)測(cè)孔后，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)立了對(duì)應(yīng)的人工監(jiān)測(cè)，并以人工監(jiān)測(cè)的結(jié)果為基準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行分析。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為了提高監(jiān)測(cè)效果，首先對(duì)系統(tǒng)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練設(shè)置，最終因素相關(guān)系數(shù)值設(shè)置為0.9876。以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展為期10d的監(jiān)測(cè)工作。得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果與人工采集結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的誤差不超過(guò)0.04MPa，具有較高的準(zhǔn)確性。不僅如此，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)整體誤差趨勢(shì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)始終處于略高于人工監(jiān)測(cè)結(jié)果的狀態(tài)下，表明其具有較高的穩(wěn)定性。這是因?yàn)楸疚睦么髷?shù)據(jù)對(duì)校正監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，提高了校正的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

揚(yáng)壓力值的高低影響著套閘增補(bǔ)項(xiàng)目的安全性，為了能對(duì)套閘增補(bǔ)項(xiàng)目的揚(yáng)壓力值進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，本文將大數(shù)據(jù)作為技術(shù)支撐，設(shè)計(jì)了一種白屈港套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)構(gòu)建的套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)壓力值的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，對(duì)水利工程項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)提供有力的技術(shù)支持。由于時(shí)間的限制，本文研究還存在許多不足，在接下來(lái)的研究中，將完善對(duì)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，減少外界因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響，提高對(duì)揚(yáng)壓力值監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)套閘增補(bǔ)項(xiàng)目揚(yáng)壓力值更準(zhǔn)確的檢測(cè)，確保水利工程項(xiàng)目的安全性，進(jìn)而保障國(guó)民的生命財(cái)產(chǎn)安全。