模糊聚類法在大壩監測資料分析中的應用

王曉云 周 鵬

（國網江西省電力公司柘林水電廠，江西 九江 332000）

模糊聚類法在大壩監測資料分析中的應用

王曉云 周 鵬

（國網江西省電力公司柘林水電廠，江西 九江 332000）

文章首先簡述了模糊聚類分析法的定義，接著剖析了模糊聚類法在我國大壩監測資料分析中的實際應用，又介紹了模糊聚類法在大壩監測資料分析中關鍵點的預報擬合，并建立模糊相似關系，最后提出了大壩監測點的優化。希望文章可以在一定程度上為相關的專業學者提供參考與借鑒，如有不足之處，還望批評指正。

大壩監測；資料分析；模糊聚類法；模糊相似關系；預報擬合

1 概述

本文對于大壩監測資料分析中模糊聚類法的實踐進行探究是順應經濟與科技發展的需要，主要應用模糊聚類分析法來對地下水質監測網進行具體的分析，并對其采取適當的措施予以優化，從而達到較好的聚類效果。要想達到優化水質監測網的目的，并且擁有較好的細致度與全面性，就要建立在模糊聚類分析理論基礎之上，然后具體依照各個檢測點的情況，對聚類中心向量的具體距離，再與各個檢測點的具體化學類型等情況密切結合，將監測點的取舍問題合理解決掉。理論上來說，監測的時間與空間分辨率越高，得到的監測信息也就越完整，但是要注意的是不要把目光僅僅滯留在追求空間與時間監測的高分辨率。總之，對大壩監測資料分析中模糊聚類法的實踐進行研究的比較少，可以供相關的工程師與研究人員參考學習。

2 模糊聚類分析法概念

本文探究分析的就是大壩監測資料分析中模糊聚類法的實踐，那就要對模糊聚類分析法的概念有一個清晰明確的了解。所謂的模糊聚類分析法指的就是在所研究對象基本特點的基礎之上，具體建造出模糊矩陣，并且在這個前提之下再憑借相關的隸屬關系將聚類條件等確定下來，確定的具體方法就是通過模糊數學方法，接著就是聚類，聚類還要滿足科學性、客觀性、精確性的要求。一般而言，開展模糊聚類分析的研究對象，并沒有對模型提供任何分類，而主要是依照樣本的具體特點進行類別劃分，而大壩監測資料分析中模糊聚類法的實踐有助于更好地綜合運用模糊聚類分析的方法與多元逐步回歸分析的方法，來更好地處理大壩有關的資料，從而使得工作效率得以有效的提高，使得大壩的運行情況得以及時的了解。

3 模糊聚類法在大壩監測資料分析中的實際應用

我國目前大多數已建和正在建的最高混凝土面板堆石壩。面板作為最主要的防滲體系，對其變形展開監測顯得尤為重要，大壩面板堆石壩同時應用電解液傾斜儀法與光纖陀螺儀（FOG）法兩種方法監測面板變形，其中，光纖陀螺儀監測管道鋪設在面板上最長的0+212斷面，監測儀器布置有二期面板、三期面板、常規測斜儀、光纖陀螺監測管道等。光纖陀螺儀是一種基于sagnac效應的敏感角速度傳感器，將FOG安裝在運載小車中，小車在監測管道中運行，管道發生變形的時候，FOG能夠測量出角速度，對角速度進行二次積分能夠得出相應的線位移，最終得到FOG運行軌跡曲線。

4 關鍵點的預報擬合

本文對于大壩監測資料分析中模糊聚類法的實踐進行探究，主要使用的就是多元逐步回歸分析對于大壩關鍵點進行預報擬合，聚類指的就是把數據集分成多個類或者簇，目的就是讓不同類之間數據差別應盡可能大，類內之間的數據差別應該減少到最小化，遵循的就是“最大化類內相似性，最小化類間相似性”原則，一般而言，在開展大壩安全監測分析的時候我們主要應用多元逐步回歸方法，其的典型特點就是所得結果的精確度比較的高，這種方法的計算較為方便快捷。關鍵點的預報擬合在自變量具體引入的時候，為了使得各個步驟選入回歸方程因子的重要性得以有效的保證，要進行嚴格的檢驗，刪除方程中不合適的變量，建立統計模型。

5 模糊聚類法用于大壩監測資料分析中的步驟

5.1 聚類效果評價

聚類效果評價在大壩監測資料分析中有著廣泛的應用與普及，聚類效果評價選取不一樣的閥值就會對應不一樣的分類，之所以使用基于平均每期各點間的變形允許差的評價方法就是想要達到更加精準、科學、客觀的分類，篩選出最適宜的閥值阿爾法，進而確定最合適的分類。每個監測點的變形數據可以記為矩陣X，其中x（nxm）（i＝1，2，3，…，n；j＝1，2，3，…，m）為第I個點的第J期變形量。設r為對應阿爾法值的分類數，n為第i類樣本包含的點數，主要的具體計算步驟如下：（1）確定最佳閥值的阿爾法值，即當E≤1的時候，以分類數最小的原則選取阿爾法，采用模糊聚類分析方法對大壩質量進行評價，可以確定地下水的污染范圍，為地下水管理提供科學嚴謹的依據；（2）計算第s類樣本的聚類中心向量x，這是該類樣本第k期變形的平均值，這有利于有效地降低監測工作所產生的經濟負擔，從而使得經濟效益得以有效保證；（3）進一步確定每期各點變形間的容許差，并且計算出F＝maxf，其中，當f小于等于的時候，該類中所有樣本聚為一類合理，無論是從實踐的角度還是經濟的角度來看，大壩的安全與基礎的穩定性密切相關，作為各類科研工作者及工程技術人員常用的數學方法之一，它已經在環境保護、地質勘探、機械工程等領域取得了突破性的進展；（4）最后一個步驟就是計算第i類樣本中第j個樣本到該類聚類中心的距離d及平均距離。

5.2 模糊聚類

采取模糊相似矩陣作聚類分析，一般情況之下，根據各個監測點到對應聚類中心向量的歐幾里得距離即利用數據來確定待分類對象的模糊相似關系，通常運用的模糊聚類分析方法包括四種，分別是最大樹法、傳遞閉包法、FCM法以及動態直接聚類法。通常之所以將R轉換為模糊等價關系矩陣t（R），就是因為用模糊相似矩陣作聚類分析的結果不夠科學準確，并且它只滿足對稱性與自反性，這并不是真正的模糊等價關系，轉換之后再進行動態聚類，用平均法求t（R），依次計算R、R1、R2、R3、……，給定一個分類情況，可以得到R的阿爾法截集，最終求得該重力壩各測點的分類情況，進而及時掌握大壩的真實運行狀況，促進經濟的可持續發展。

5.3 建立模糊相似關系

X＝（x1，x2，x3，…，xn）為n個變形監測點，每一個監測點x有m期變形量。模糊相似矩陣R中相似系數r表示點的相似程度，根據相關系數矩陣中的基元，對標準化后的數據，通過計算相關系數求得模糊關系矩陣R，將具體的聚類對象給明確下來，如果說總共有n個需要進行類型劃分的對象，而且可以確定各個對象都有p個可以量化的具體指標，矩陣X稱為原始資料矩陣，這個計算方法各種各樣（例如數量積法、相關系數法、指數相似系數法），要嚴格遵循“實事求是，因地制宜”的原則。總而言之，希望相關的專業人員將模糊聚類法普及到大壩監測資料的分析中去，建立起科學合理的模糊相似關系，為同類工程檢測資料分析提供一種新的數學模型與理論依據。

6 工程概況

本文所采取的實例是我國的某一個水電站，這一水電站樞紐主要是由左右岸灌溉引水管、左岸壩后式電站廠房、左右岸混凝土副壩、右岸混凝土重力式溢流壩等所組成，在本工程之中一共具有20個壩段。壩區出露地層為白堊系河口統紅色巖層，巖性以砂巖、砂質礫巖為主。各種的巖層的分布規律也是逐層、不等的進行分布，層理十分清晰。壩址區的主要構造以垂直升降運動所產生的正段層比較繁多，斷裂構造以構造裂隙為主，大多沒有填充物或者是有少量未結膠的鈣質、石膏、砂土填充，所以基礎巖體都具有裂縫介質的屬性。

7 大壩監測點的優化

在模糊聚類的基礎之上，接下來要做的就是從整體上綜合考慮各個監測點的水化學類型，選出關鍵監測點，有效地對大壩監測資料分析預報，然后將各個具體監測點以及相應的中心向量指標等的參數歐幾里德距離d確定下來，逐步引入因子、剔除因子以獲得多元逐步回歸方程，它主要包括的還有具體的檢測指標的數值以及在聚類之中的具體的檢測數值。在進行相同水化學類型監測點的選取過程之中，應該選擇離聚類中心向量距離最近的點，將其當作這類的代表點來應用，更加充分及時地利用豐富的監測信息，得到相應的動態聚類結果。總之，監測點的優化旨在選擇出科學的大壩監測點，并將其作為水質監測網優化升級之后的監測點。

8 結語

綜上所述，對大壩開展安全監測主要是為了科學、有效地了解大壩的具體運行情況，清楚地了解各檢測量具體的變化狀況，本文對大壩監測資料分析中模糊聚類法的實踐進行探究分析具有重要的現實性意義。監測的數據量隨著科學技術的不斷發展也不斷增大，大壩的檢測點也更加細致全面，模糊聚類分析法之所以應用到大壩監測資料分析之中就在于它能夠最大化地提高監測資料分析效率，節省人力及時間，及時地掌握大壩的運行狀況，進一步降低運行成本與資金。希望相關的專業人員定期對壩址區水質進行監測與分析，對當前的地下水質量檢測等進行適當的信息反饋與分析，通過創新以及優化等方法使得質量檢測更具科學性，從而使得大壩檢測與社會經濟的動態平衡得以更好的維持。

[1]何政翔，張慧莉，劉觀標．用模糊聚類分析法分析大壩位移觀測資料——綜合評判與預報[J]．水電自動化與大壩監測，2014，（26）.

[2]蔡德所，董思夢，楊根新．用逐步模糊聚類分析法進行混凝土壩的位移預報[J]．大壩與安全（理論版），2013，（15）.

[3]朱麗娜，周洪波，付成華．大壩壩基揚壓力預測中的模糊聚類分析法[J]．中國工程與建設，2012，（11）.

（責任編輯：蔣建華）

TV698

1009-2374（2017）07-0071-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.033

王曉云（1973-），男，江蘇昆山人，供職于國網江西省電力公司柘林水電廠，研究方向：大壩安全監測方法。

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