大壩安全監測中的自動化比測方法

花勝強,顧曉峰,高 磊,蔡 杰,鄭健兵

(1.國網電力科學研究院,江蘇南京211106；2.南瑞集團公司,江蘇南京211106；3.江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司,江蘇蘇州215128)

大壩安全監測中的自動化比測方法

花勝強1,2,顧曉峰3,高 磊1,2,蔡 杰1,2,鄭健兵1,2

(1.國網電力科學研究院,江蘇南京211106；2.南瑞集團公司,江蘇南京211106；3.江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司,江蘇蘇州215128)

針對大壩安全監測中自動化測量系統的驗證和校核,提出了一種新型的數據比測方法。首先,基于時間序列對人工和自動化觀測數據進行測次對齊,降低因樣本本身帶來的差異性；第二,基于變化閾值統計二者間超差測次的數量和比例；第三,基于方差分析判定二者測量差值是否滿足2ζ法則；第四,進行樣本相關性及差異性分析,檢定二者互相關性的強弱,及在多個顯著性水平上差異是否顯著；最后,基于譜分析對比二者的規律性如周期、變幅。通過多個維度的比較分析,全面檢定人工和自動化測量結果的一致性水平,為自動化監測系統的驗證和校核提供了更可靠的依據。

大壩監測；自動化比測；方差分析；顯著性檢驗；譜分析

0 引 言

隨著信息技術的不斷發展,大壩安全監測的自動化已經成為目前行業發展的主流。受限于自動化監測設備的工作原理、生產工藝,以及大壩惡劣的現場環境,自動化監測系統不可避免地會產生測量失真,因此找到一種可以自動校核其測量可靠性和精度的方法有著重要意義。此外,由中國國家標準化管理委員會發布的GB/T 22385—2008《大壩安全監測系統驗收規范》也突出了以比測作為自動化系統的考核手段,因此提出一種以人工和自動化兩種測量數據為基礎進行比測的方法就顯得極為必要了。

本文提出了一種針對大壩安全監測,基于多維度的分析視角,多階段對人工和自動化測量數據比測的方法。首先,基于時間序列對二者進行測次對齊,降低因樣本本身帶來的差異性；第二,基于變化閾值統計超差測次的數量和比例；第三,基于方差分析判定二者間測量差值是否滿足2ζ法則；第四,進行樣本相關性及差異性分析,檢定二者互相關性的強弱,及在多個顯著性水平上差異是否顯著；最后,基于譜分析對比二者的規律性如周期、變幅。通過多個維度的比較分析,全面檢定人工和自動化測量結果的一致性水平,為自動化監測系統的驗證和校核提供更可靠的依據。

1 數據比測的概念及現狀

大壩安全監測中的數據比測,是對自動化系統的測量值與人工觀測值進行對比及分析,以驗證自動化系統測量穩定性和可靠性的過程。人工觀測由于其歷史久遠,應用廣泛,過程簡單等特性,公認具有較高的測量穩定性和可信度；相對的,自動化觀測具有高精度和高頻測量等優點,但其測量的穩定性和可靠性需要得到確認,由此國家標準中關于自動化系統驗收的部分提出了與人工觀測結果進行比測的要求。

目前,行業內關于大壩安全數據比測的方式方法及分析手段并無明確規定,實際應用中,以人工操作方式,設定二者測量差值上下限的闕值法較為普遍,此外,通過數據處理軟件繪制二者過程線,人工比對曲線的周期、趨勢等進而得出結論也較為常見。然而這些方案無論是數據的人工預處理,還是數據間內在聯系的分析挖掘,乃至比對結果的說服力,都存在的一定的不足,主要有：①未考慮測次對齊,影響比測結論,因為未對齊的測值序列將導致在判斷監測量信號特征和趨勢方面出現較大偏差；人工進行數據對齊,不僅極為繁瑣,也易出錯,導致偏差。②僅利用一種或兩種比較淺層、直觀的數據對比方法,分析能力較弱。實際應用中,通常僅采用閾值法或過程線法,來處理短時序小樣本的比測工況。③對數據挖掘不夠全面、深入,結論缺乏說服力。例如,在小樣本的工況下即便二者測量差值在誤差范圍內,仍不能量化地說明其差異性水平及存在的系統誤差風險。④以人工操作為主,耗時耗力,且計算能力較弱,不適合處理長時序大樣本的工況。

2 方法原理

本文方法按照數據預處理、超限分析、方差分析、差異性分析、相關性分析、規律性分析的步驟,逐步給出數據比測的檢驗結果,其詳細技術方案及流程如下。

2.1 基于時序的測次對齊

大壩的工作形態隨著時間而不斷發生變化,在某些部位如閘門、管道、臨近廠房等處變化頻率相對較高。為了保證比測的合理性,須使人工測量與自動化系統測量時序盡可能一致,因此對二者形成的測值序列,進行測次對齊是非常必要的。

測次對齊的策略為：以自動化系統測量數據的時間值為基準,在給定的有效時間范圍內,尋找與自身時間值最為接近的人工觀測值；如果沒有找到,則丟棄該自動化測量值,這樣就形成了兩組時序一致、數量相等的樣本組。

2.2 超限分析

根據預先設定的變化閾值,判斷每批同測次的人工和自動化測值的差值是否超出閾值,此步驟輸出差值超限的總數量和百分比率。

2.3 方差分析

記人工觀測設備的測量精度為ζM,自動化系統設備的測量精度為ζN,二者皆可由設備廠商提供的設備率定資料得到,自動化測量值與對應的人工觀測值的絕對差值Δ應滿足

(1)

此步驟輸出超限的測值數量及所占有效樣本數的百分比。

2.4 相關性及差異性分析

對于同一監測量的一致時序的兩組測值序列,如其均值、方差無顯著性差異,且序列具有較高的相關性,則可以認定,雖然監測方式不同,但是二者測量結果一致。記有效樣本數量為K；自動化觀測序列為M,均值為EM,標準差為σM；人工觀測序列為N,均值為EN,標準差為σN。

(1)兩個系列均值的差異性檢驗。假設M與N均值無顯著性差異,建立零假設H0∶EM=EN,構建檢驗統計量

(2)

即統計量n符合標準正態分布,如果規定顯著性水平為a,則拒絕域為 (-∞,-Za/2)和(Za/2,+∞),Za/2值可查正態分布表得到,這樣即可輸出在各顯著性水平下的接受或拒絕結論。

(3)

即統計量χ2符合卡方分布,如果規定顯著性水平為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論。

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

(4)

這樣即可輸出在二者的線性相關系數。

2.5 規律性分析

規律性分析主要是將監測量的變化視為隨機過程,將二組時間序列數值視為離散信號量,在此基礎上,通過基于快速傅里葉變換的譜分析,將二組信號的所包含周期、振幅及相位等特征量輸出,并進行對比。本處使用Cooley-Tukey FFT算法。

3 實 例

以東北某混凝土壩2002年～2008年壩頂絕對水平位移監測為例,其自動化系統使用的是南瑞集團公司的雙向電容式引張線儀,定時測量的周期為非汛期每天一次,汛期8 h一次；人工觀測采用視準測量,一周左右測量一次。采用本文提出的比測方法，以8 h為有效時間間隔,進行測序對齊后,共得到442對人工和自動化測值,比測結果如下：根據設計指標,進行超限和方差分析,得到相同的6個超限測次,超限比率為1.3%。根據對應的巡檢日志可知,原因為引張線儀某些段的防凍液揮發導致浮力不足或者凍住,從而使測量失準；兩個序列的皮爾遜相關系數為0.97,具有較好的正相關性；人工觀測序列的均值為0.10 mm,標準差為1.1,自動化觀察序列的均值為0.097 mm,標準差為1.17,其均值差異統計量值為0.057,在95%的置信度下不拒絕原假設,方差統計量值為500.04,在95%的置信度下不拒絕原假設。由以上分析可知,南瑞雙向電容式引張線儀自動化觀察系統與人工觀測在測量數據的均值、標準差、相關性方面,都有較好的檢驗性能。

4 小 結

由于比測在自動化系統在系統驗收和運行期校核中的重要性,應當引起行業內的重視和研究。目前業內較為常見的比測方法是通過人工的方式,取短時間內一定量(數天乃至數個月,甚至不到一個運行周期,樣本量在數十條至數百條間)的樣本進行差值比較,方法簡易但執行繁瑣,結論可信度和說服力都有較大的提高空間。

本文提出的方法在數據預處理的基礎上實現了多維度的自動化數據比測,其優點總結如下：

(1)通過自動化比測的方式,消除了比測數據規模的限制,極大提高了比測結論的精度。

(2)在進行比測前進行了自動測次對齊操作,提高了樣本質量,增強了可信度。

(3)從方差精度、差異性、相關性及規律性方面全面分析挖掘了人工與自動化測量數據的內在關聯,得出的比測結論更為全面,并兼具校核作用。

(4)算法清晰,魯棒性好,易于編程實現,滿足長時序大樣本比測的要求。

綜上所述,本方法能更充分地利用測量數據,更全面和深入地挖掘和分析對于同一監測量不同觀測手段的結果之間的聯系和差異,為自動化系統的驗收和運行提供更可靠的驗證和校核手段。

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

[2]郭晨, 馬迅, 賀晨鴻. 大壩安全監測自動化系統設計中的幾個問題[J]. 水力發電, 2002(7)： 68- 69．

[3]劉觀標. 混凝土大壩安全自動化監測技術的發展方向[J]. 水電自動化與大壩監測, 2004, 28(2): 1- 5．

[4]方衛華. 大壩監測自動化中的人工比測研究[J]. 大壩與安全, 2003(5): 29- 32．

(責任編輯 焦雪梅)

云南萬家口子水電站工程初期蓄水驗收工作完成

萬家口子水電站是北盤江上游的龍頭水庫電站，壩址位于北盤江上游河段革香河上，水庫正常蓄水位為1 450 m，總庫容2.79億m3，電站裝機容量180 MW，碾壓混凝土雙曲拱壩最大壩高167.5 m，是我國在建的最高碾壓混凝土雙曲拱壩。受云南省、貴州省發展和改革委員會的委托，水電水利規劃設計總院會同兩省發展和改革委員會、能源局等部門和有關單位組織開展云南萬家口子水電站工程蓄水驗收工作。

工程蓄水驗收委員會會議于2017年1月16日在昆明召開，會議聽取了工程建設、設計、監理單位關于工程建設和下閘蓄水準備情況的匯報，云南省、貴州省移民主管部門關于下閘蓄水階段建設征地移民安置專項驗收情況的匯報，國家能源局大壩安全監察中心關于工程蓄水安全鑒定主要結論的匯報，以及蓄水驗收專家組結論意見的匯報。驗收委員檢查審閱了工程驗收文件和有關資料，就工程建設情況、工程蓄水驗收條件進行了認真討論，對存在的問題進行分析研究，提出了處理意見。經會議討論審議，形成了《云南萬家口子水電站工程蓄水驗收鑒定書》。驗收委員會認為，云南萬家口子水電站工程基本具備下閘蓄水條件，同意2017年1月下旬導流洞擇機下閘蓄水，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

花勝強(1982—),男,江蘇靖江人,工程師,主要研究方向為數據挖掘與建模．

TP698.1

A

0559- 9342(2017)03- 0120- 03