基于多傳感器信號(hào)融合的大型水利壩體變形檢測研究

葉 輝，蔣麗珠，楊 昊

(1.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)，杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，杭州 310020；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020；4.永康市黃墳水庫管理所，浙江 永康 321313；5.浙江省麗水市蓮都區(qū)城東水利服務(wù)中心站，浙江 麗水 323000)

0 引 言

水資源是人們賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，但是受到氣候、地理位置、地形以及地勢等環(huán)境的影響，有的地區(qū)水資源并不充足，甚至出現(xiàn)季節(jié)性干旱等問題，因此如何提高水資源的利用率至關(guān)重要。修建大型水利大壩是提高水資源利用的重要舉措之一。通過水利大壩可以在多雨的季節(jié)進(jìn)行蓄水，在少雨的季節(jié)利用存儲(chǔ)的水資源來緩解干旱問題，從而進(jìn)行調(diào)節(jié)水平衡。此外，還可以利用大壩泄洪、發(fā)電、灌溉等，因此大壩是重要的水利工程。

然而受到水流長年累月的侵蝕、沖擊以及地形地勢的變化等因素的影響，大型水利壩體會(huì)逐漸發(fā)生變形，導(dǎo)致壩體安全性下降。水壩變形表現(xiàn)在多個(gè)方面，如位移、沉降，傾斜、斷層等，一旦大壩的變形程度超過一定的界線，就意味著大壩失去了安全性和穩(wěn)定性，亟待進(jìn)行維修或者拆除重建[1]。在上述背景下，從大壩建成并投入使用開始，每年定期都會(huì)進(jìn)行8～10次的壩體變形檢測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。

大型水壩檢測一直是水利工程建造領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，最開始的檢測方法是通過人工進(jìn)行定期測量，然后對比之前的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生變形。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率不高、準(zhǔn)確度也不足。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，很多專家和學(xué)者提出了較為先進(jìn)的檢測方法。盧獻(xiàn)健、羅樂、胡應(yīng)劍等構(gòu)建了一種監(jiān)測模型，首先利用傳感器對大壩進(jìn)行監(jiān)測，獲得大量的水平位移測量數(shù)據(jù)；然后以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用基于GA-PSO-BP構(gòu)建模型進(jìn)行大壩變形預(yù)測和分析[2]。任秋兵、李明超、沈揚(yáng)等以東北地區(qū)某混凝土重力壩為研究對象，在其上布設(shè)測點(diǎn)，獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)；然后從這些數(shù)據(jù)的變形時(shí)序相關(guān)性和空間關(guān)聯(lián)性出發(fā)，利用基于門控循環(huán)單元(GRU)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型對大壩變形進(jìn)行監(jiān)測[3]。陳竹安、熊鑫、游宇垠以江西省某蓄能水電廠2010-2014年大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，在經(jīng)過變分模態(tài)分解的處理后，以此為輸入，通過長短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行檢測，以預(yù)測該大壩未來時(shí)間內(nèi)大壩變形情況[4]。

雖然以上研究都取得了一定的成功，但是準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步提升。因?yàn)樯鲜鲅芯渴褂玫臋z測方法多是以一種監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)來進(jìn)行挖掘和分析的，但是有時(shí)一種監(jiān)測數(shù)據(jù)所包含變形信息并不全面，因此依靠一種監(jiān)測信息進(jìn)行變形檢測，得到的檢測結(jié)果也可能存在誤差。針對這種現(xiàn)象，本文提出一種基于多傳感器信號(hào)融合的大型水利壩體變形檢測方法，嘗試通過該研究來提高大型水利壩體變形檢測的準(zhǔn)確性，為大壩安全監(jiān)控提供新的方法和手段。

1 基于多傳感器信號(hào)融合的大壩變形檢測方法

大壩受到水壓、溫度、地形以及降水等因素的影響，會(huì)逐漸發(fā)生變形，脫離原有的位置，發(fā)生位移、沉降等問題，使得大壩失去穩(wěn)定性和安全。為解決上述問題，從大壩建成開始，就會(huì)定期進(jìn)行變形檢測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，在突破安全臨界點(diǎn)前進(jìn)行維修。當(dāng)前，大壩變形檢測方法多是借助各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測與分析[5]。這些方法雖然都在一定程度上得到了檢測結(jié)果，但是一種傳感器本身就存在一定的缺點(diǎn)，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)全面性和準(zhǔn)確性不足，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。針對上述問題，在待檢測大壩上布設(shè)多種傳感器，以彌補(bǔ)單一傳感器的缺陷，使得采集到數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確和完整，然后將采集的數(shù)據(jù)融合在一起，為后續(xù)大壩變形檢測提供參考。

1.1 多傳感器采集大型水利壩體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

大型水利壩體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集工作是變形檢測工作的首要環(huán)節(jié)。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集主要通過布設(shè)傳感器來完成。由于單一傳感器采集到數(shù)據(jù)不完整、不準(zhǔn)確，因此選用多種傳感器來彌補(bǔ)彼此的不足[6]。水利壩體變形典型表現(xiàn)之一就是發(fā)生位移，位移的發(fā)生在空間上來說是任意方向的，因此在本研究中選擇3種類型的傳感器，即水平位移傳感器、垂直位移傳感器以及傾斜傳感器，來進(jìn)行全方位的變形數(shù)據(jù)采集。

1.1.1 水平位移傳感器采集水利壩體變形數(shù)據(jù)

水平位移傳感器就是監(jiān)測水平方向位移數(shù)據(jù)的傳感器。這種傳感器類型多樣，主要通過真空激光準(zhǔn)直儀來采集水平方向的位移數(shù)據(jù)。真空激光準(zhǔn)直儀采集過程如下：首先將半導(dǎo)體激光器固定到一個(gè)具體位置，然后發(fā)出一束單橫模的激光，并讓激光通過倒置的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)形成一條直徑很細(xì)的“光闌”，讓該條光闌照射到四象限光電池上，通過四象限光電池確定激光束相對于壩體的偏差值[7]。

利用真空激光準(zhǔn)直儀監(jiān)測布設(shè)好的水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)位，獲取每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后組成時(shí)間序列，即可明確每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)是否隨著時(shí)間推移發(fā)生位移情況。

1.1.2 垂直位移傳感器采集水利壩體變形數(shù)據(jù)

垂直位移傳感器就是監(jiān)測垂直方向位移數(shù)據(jù)的傳感器，簡單地說，就是監(jiān)測壩體沉降數(shù)據(jù)。在這里選擇的垂直位移傳感器為靜力水準(zhǔn)儀。工作原理是通過每個(gè)測點(diǎn)液位變化的高度來計(jì)算位移。原理公式如下：

(1)

與水平位移傳感器一樣，在安裝好靜力水準(zhǔn)儀之后，監(jiān)測垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)位，獲取每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直方向的位移高程變化數(shù)據(jù)。

1.1.3 傾斜傳感器采集水利壩體變形數(shù)據(jù)

傾斜傳感器主要是采集非徑向(軸向)位移變化量的傳感器，簡而言之，就是監(jiān)測既不是水平方面，也不是垂直方向上的位移。通過傾斜傳感器能夠有效彌補(bǔ)水平位移傳感器和垂直位移傳感器漏檢的情況。本研究中采用的傾斜傳感器為斜測儀。首先將斜測儀埋設(shè)到固定的基準(zhǔn)點(diǎn)位置處，然后觀測儀器在埋設(shè)管道中的角度變化，最后借助三角函數(shù)方法，求出任意一個(gè)方向上位移變化量。原理公式如下：

Si=Fisinαi

(2)

式中：Si為基準(zhǔn)點(diǎn)i處壩體傾斜位移量；Fi為測段長度值；αi為基準(zhǔn)點(diǎn)i處測段的傾斜角。

通過上述真空激光準(zhǔn)直儀、靜力水準(zhǔn)儀、斜測儀3種傳感器，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)方向上的壩體變形位移量的測量，為后續(xù)分析提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 多傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 缺失值填補(bǔ)

傳感器在采集變形監(jiān)測數(shù)據(jù)過程中難免會(huì)出現(xiàn)漏采的現(xiàn)象，出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失問題[8]。針對上述問題，需要進(jìn)行缺失值填補(bǔ)，具體過程如下：

步驟1：輸入與存在缺失數(shù)據(jù)監(jiān)測樣本以及同類型的所有樣本。。

步驟2：計(jì)算樣本之間的馬氏距離，找出與存在缺失數(shù)據(jù)監(jiān)測樣本最近的K個(gè)最近鄰居樣本。

步驟3：計(jì)算K個(gè)最近鄰居樣本的平均值作預(yù)設(shè)填補(bǔ)值。

步驟4：計(jì)算平均值與存在缺失數(shù)據(jù)監(jiān)測樣本中所有監(jiān)測值之間的距離。

步驟5：根據(jù)距離將監(jiān)測值從小到大排序，選取前N個(gè)監(jiān)測值。

步驟6：計(jì)算前N個(gè)監(jiān)測值的平均值作為填補(bǔ)值。

1.2.2 數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

多傳感器就意味著數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，而異構(gòu)會(huì)帶來量綱的不同，使得數(shù)據(jù)間不能進(jìn)行比較和運(yùn)算。基于此，需要進(jìn)行規(guī)范化處理，統(tǒng)一其量綱，以方便后續(xù)的融合[9]。公式如下：

(3)

式中：x′為規(guī)范化的壩體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)；x為原始監(jiān)測數(shù)據(jù)；xmax、xmin為監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本中的極大值和極小值。

經(jīng)過上述處理后，傳感器采集的水利壩體變形數(shù)據(jù)更符合后續(xù)檢測與分析的需要。

1.3 基于傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的壩體變形檢測實(shí)現(xiàn)

多傳感器采集的數(shù)據(jù)具有多個(gè)特征，每個(gè)特征都蘊(yùn)含了壩體變形的征兆。單獨(dú)處理每一種傳感器采集到的數(shù)據(jù)工作量太大，且準(zhǔn)確性也較低，因此需要將多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，以提高后續(xù)壩體變形檢測準(zhǔn)確性[10]。

多傳感器融合主要分為3種層次，每種融合各種特點(diǎn)，見表1。

表1 多傳感器融合層次功能特點(diǎn)

基于表1，綜合3種融合層次特點(diǎn)，選擇在決策層對多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。引入D-S證據(jù)理論，將多傳感器檢測結(jié)果進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)變形綜合診斷。具體過程如下：

步驟1：特征提取。即從3種傳感器數(shù)據(jù)中提取出各自能夠代表壩體變形的特征。由于采集到的數(shù)據(jù)是具有時(shí)間序列性的，因此主要提取數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的時(shí)域特征，提取公式如下：

(4)

步驟2：構(gòu)造證據(jù)體融合空間。根據(jù)特征參數(shù)構(gòu)造證據(jù)體融合空間，即將3種傳感器數(shù)據(jù)特征組合在一起，構(gòu)成一個(gè)特征融合集合，具體描述如下：

(5)

式中：X為證據(jù)體子空間；X1、X2、X3分別為3種傳感器數(shù)據(jù)樣本特征集合；Xi為第i種傳感器數(shù)據(jù)樣本特征集合；xi1、xi2、xi3、xi4分別為第i種傳感器數(shù)據(jù)樣本的4種時(shí)域特征。

步驟3：局部檢測。利用分類識(shí)別算法，對比識(shí)別框架，進(jìn)行局部檢測。識(shí)別框架見表2。

表2 識(shí)別框架

步驟4：利用基本概率分配函數(shù)對檢測結(jié)果的基本置信度。

步驟5：用Dempster融合規(guī)則融合各傳感器的變形檢測結(jié)果。融合規(guī)則如下：

(6)

式中：f(y)為Dempster融合規(guī)則函數(shù)；ζ為mass 函數(shù)；y1、y2、y2分別為3個(gè)傳感器的檢測結(jié)果；K為歸一化常數(shù)。

步驟6：選擇被最多證據(jù)支持的檢測結(jié)果作為壩體變形檢測結(jié)果。

基于上述過程的分析，完成了大型水利壩體變形檢測研究，明確了壩體安全性。

2 實(shí)例分析

為測試所研究檢測方法在大型水利壩體變形檢測中的應(yīng)用效果，以某地區(qū)的水利大壩為例，進(jìn)行實(shí)例測試。

2.1 研究區(qū)

以南方某地區(qū)水利大壩為對象，對其進(jìn)行變形檢測，見圖1。

圖1 水利大壩研究區(qū)圖像

圖1中的大壩為混凝土重力壩，壩長2.680 km以上，底部寬100.12 m，頂部寬42.40 m，高程176.3 m，正常蓄水位180 m。

2.2 傳感器選型

采用激光準(zhǔn)直儀TY155、靜力水準(zhǔn)儀YS100以及便攜式數(shù)字測斜儀PO52SF200作為水平位移、垂直位移以及各個(gè)方向傾斜位移的采集設(shè)備。采集現(xiàn)場見圖2。

圖2 傳感器采集現(xiàn)場圖

1)激光準(zhǔn)直儀TY155。激光準(zhǔn)直儀TY155提供一種自動(dòng)對中和無線解決方案，實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的實(shí)時(shí)測量。

2)靜力水準(zhǔn)儀YS100。靜力水準(zhǔn)儀YS100能夠全天候監(jiān)測，工作效率大。量程大，量程通常在1 000～4 000mm。精度高，壓力傳感器的精度達(dá)到0.1%FS。

3)便攜式數(shù)字測斜儀PO52SF200。便攜式數(shù)字測斜儀PO52SF200采用高強(qiáng)度設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可自如應(yīng)對復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境。

2.3 位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計(jì)

針對圖1中的水利大壩，水平位移監(jiān)測網(wǎng)由10個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成，垂直位移監(jiān)測網(wǎng)由6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成，傾斜位移監(jiān)測網(wǎng)由5個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成，見圖3。

圖3 位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

按照圖3設(shè)計(jì)的位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，將激光準(zhǔn)直儀TY155、靜力水準(zhǔn)儀YS100以及便攜式數(shù)字測斜儀PO52SF200這3種傳感器布設(shè)到基準(zhǔn)點(diǎn)所在位置，以用于采集位移數(shù)據(jù)。

2.4 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

利用3種傳感器采集2020-2021年兩年內(nèi)的水平位移、垂直位移以及各個(gè)方向傾斜位移，用于后續(xù)的變形檢測分析。采集次數(shù)為16次，以某一次傳感器監(jiān)測結(jié)果為例，獲得的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。

表3 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.5 壩體變形檢測結(jié)果

對2020-2021年兩年內(nèi)16次的水平位移、垂直位移以及各個(gè)方向傾斜位移數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并按照1.3一節(jié)進(jìn)行融合，輸出決策層的融合結(jié)果，得出圖1壩體兩年的變形情況。見表4。

表4 壩體變形檢測結(jié)果

從表4中可以看出，圖1中的水利大壩壩體在2020-2021年兩年內(nèi)雖然發(fā)生了一定的變形，但變形程度較小，危險(xiǎn)程度較低，并不需要維修，說明目前該大壩安全性較高。

3 結(jié) 語

綜上所述，水利大壩是重要的水利工程之一，主要作用是蓄水泄洪、調(diào)節(jié)水資源季節(jié)不平衡，以緩解水資源不足。隨著長時(shí)間的使用及受到各種環(huán)境因素的影響，大壩會(huì)逐漸發(fā)生變形，當(dāng)變形超過一定程度，大壩就會(huì)面臨極大的風(fēng)險(xiǎn)。針對這種情況，本文研究一種基于多傳感器信號(hào)融合的大型水利壩體變形檢測方法。該方法通過在大壩上布設(shè)多種傳感器，全面采集其位移數(shù)據(jù)，基于這些位移數(shù)據(jù)，通過D-S證據(jù)理論進(jìn)行融合，得出綜合檢測結(jié)果，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。然而，本研究在實(shí)例分析階段，采集的基礎(chǔ)位移數(shù)據(jù)規(guī)模較小，檢測結(jié)果具有一定的局限性，因此有待進(jìn)一步分析。