基于主成分分析的水利工程質(zhì)量可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

肖 濤

（梅州市梅縣區(qū)水利水電工程質(zhì)量安全技術(shù)中心，廣東 梅州 514700）

當(dāng)前水資源整體呈現(xiàn)出空間分布不均勻、 時(shí)程差異性較大的問(wèn)題， 同時(shí)水資源的短缺及時(shí)空分布的不足也是造成水資源開(kāi)發(fā)和利用無(wú)法得到有效發(fā)展的主要原因。近幾年來(lái)，為進(jìn)一步解決水資源存在的上述問(wèn)題，并保證更加合理、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的利用，我國(guó)開(kāi)展了一系列水利工程建設(shè)項(xiàng)目［1］。 當(dāng)前，大部分的水利工程都為線性分布，沿線涉及的地域相對(duì)較廣，各類設(shè)施的種類復(fù)雜、數(shù)量繁多，長(zhǎng)期監(jiān)控水利工程的質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的可視化管理，若能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步預(yù)測(cè)和評(píng)估， 是當(dāng)前保證水利工程運(yùn)行質(zhì)量安全的有效手段［2］。對(duì)此，本文開(kāi)展基于主成分分析的水利工程質(zhì)量可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究。

1 主成分分析

主成分分析（PCA）是Hotelling提出的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法， 通過(guò)降維將多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的數(shù)值指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)互不相關(guān)的綜合指標(biāo)。

用原始數(shù)據(jù)矩陣X的p個(gè)變量X1，…，Xp作線性組合Y=UX，即

2 基于主成分分析的水利工程質(zhì)量可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 建立水利工程建設(shè)信息可視化BIM模型

在實(shí)施對(duì)工程質(zhì)量的可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，本章提出一種建立水利工程建設(shè)信息可視化BIM模型的方式，此種方式的核心在于，通過(guò)模型集成多種主成分信息，并以此達(dá)到對(duì)信息集成或信息資源關(guān)鍵內(nèi)容交互的功能［3］。 在此過(guò)程中，應(yīng)先對(duì)水利工程中相關(guān)信息進(jìn)行提取，提取過(guò)程中，利用工程的信息更新條件，綜合BIM技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新處理。 并利用模型中的資源共享平臺(tái)，對(duì)工程信息進(jìn)行公開(kāi)與共享，確保所有資源在模型中均具備一定的交互性。 綜合上述分析，在BIM技術(shù)的引導(dǎo)下，對(duì)水利工程建設(shè)信息可視化模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1。

圖1 水利工程建設(shè)信息可視化BIM模型

如圖1所示的結(jié)構(gòu)，在模型支撐下，應(yīng)將水利工程實(shí)施過(guò)程中保障建設(shè)信息獲取的全面性作為前提條件， 獲取并定位水利工程中的規(guī)劃信息、 組織信息、方案信息、工程購(gòu)進(jìn)設(shè)備信息、施工執(zhí)行信息、物資信息、運(yùn)營(yíng)信息、經(jīng)營(yíng)信息、傳遞信息、通信信息等。 在多種信息支撐下，可視化BIM模型應(yīng)全面考慮到水利工程建設(shè)方單位、施工方單位、購(gòu)進(jìn)方、運(yùn)營(yíng)方、設(shè)備使用方等進(jìn)行物資采集。 此過(guò)程中，應(yīng)同步使用Revit建模工具，對(duì)信息進(jìn)行融合指令，并將水利工程的建設(shè)實(shí)施劃分為多個(gè)工程階段。 包括水利工程建設(shè)施工段、執(zhí)行段、管理段等。

根據(jù)上述對(duì)水利工程建設(shè)信息可視化BIM模型的功能與結(jié)構(gòu)劃分，通過(guò)將通信設(shè)備、智能設(shè)備等設(shè)備引進(jìn)模型應(yīng)用的方式， 實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM模型的建設(shè)與構(gòu)建。

2.2 水利工程建設(shè)信息管理

使用上述設(shè)計(jì)的水利工程建設(shè)信息可視化BIM模型，通過(guò)對(duì)工程建設(shè)信息的有效管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的備份與綜合評(píng)估， 以此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程建設(shè)信息的有效管理。 綜合上文對(duì)此方面開(kāi)展的相關(guān)研究，結(jié)合模型為信息管理的量化處理工具，對(duì)信息在WEB終端進(jìn)行展示， 展示過(guò)程中要求建設(shè)信息以全面的方式呈現(xiàn)在顯示端［4］。 根據(jù)不同階段量化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)控制與處理， 進(jìn)行參數(shù)的管理。 管理過(guò)程中，需要將模型容量作為管理的前提條件，通過(guò)控制數(shù)據(jù)容量的方式， 對(duì)建設(shè)信息的實(shí)際占有量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方式如式（2）。

式中 Ci為水利工程建設(shè)過(guò)程中，由建設(shè)信息對(duì)容量所構(gòu)成的占用空間；i為建設(shè)信息的種類量；k為一個(gè)管理周期；Mi為針對(duì)不同建設(shè)信息，在模型中的不同檢索方式；δ 為信息在管理中可能存在的丟失；n為多種工程支撐性建設(shè)物資。 綜合上述對(duì)容量的計(jì)算，采用BIM技術(shù)， 對(duì)建設(shè)信息的應(yīng)用進(jìn)行決策分配處理。處理過(guò)程中，應(yīng)將水利工程順利實(shí)施作為前提條件，在完成管理信息中核心信息的提取后， 建立建設(shè)信息數(shù)據(jù)定量表格，用于記錄建設(shè)信息內(nèi)容，與此同時(shí)備份數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注與索引處理，避免建設(shè)信息存在丟失問(wèn)題［5］。 在此基礎(chǔ)上，對(duì)建設(shè)信息中的設(shè)備信息進(jìn)行庫(kù)存保存，同樣以此種方式，對(duì)庫(kù)存信息進(jìn)行備份。 以此實(shí)現(xiàn)并完成對(duì)水利工程中建設(shè)信息的有效管理。

2.3 基于主成分分析的水利工程質(zhì)量評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)

在完成對(duì)水利工程建設(shè)信息管理后， 為確保水利工程項(xiàng)目的質(zhì)量滿足未來(lái)持續(xù)運(yùn)行且不出現(xiàn)問(wèn)題，還需要結(jié)合主成分分析實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程質(zhì)量的評(píng)價(jià)，并預(yù)測(cè)出水利工程質(zhì)量在未來(lái)的變化趨勢(shì)［6］。 由于水利工程質(zhì)量安全狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程， 因此在評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)具備多樣性和時(shí)空性。 在水利工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)， 布設(shè)多個(gè)不同功能的監(jiān)測(cè)設(shè)備， 用于對(duì)水利工程在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各類參數(shù)進(jìn)行采集，例如水利工程中的建筑物沉降、連接縫合度、結(jié)構(gòu)應(yīng)變等。將上述提出的各個(gè)物理量作為主成分分析指標(biāo)，在構(gòu)建評(píng)價(jià)體系時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際工程的安全監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)情況，按照上述不同物理量的類別對(duì)一級(jí)主成分分析指標(biāo)進(jìn)行劃分。由于相同功能和類型的監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)量并不統(tǒng)一，因此根據(jù)其具體布設(shè)情況， 對(duì)二級(jí)主成分分析評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行劃分，并將指標(biāo)與每一個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)值對(duì)應(yīng)。為保證質(zhì)量評(píng)估和后續(xù)預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的可靠性，還需要對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)中的置信區(qū)域進(jìn)行劃分，其公式為：

式中 P為水利工程質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的置信范圍；α為顯著水平；θ1為置信水平的最小值；θ2為置信水平的最大值；θ為置信水平。

通常情況下， 監(jiān)測(cè)序列并不符合嚴(yán)格的正態(tài)分布，根據(jù)中心極限定理得出，當(dāng)監(jiān)測(cè)序列當(dāng)中的數(shù)值足夠大時(shí)，則符合平均數(shù)和方差的正態(tài)分布，因此給定置信水平可得到對(duì)應(yīng)的置信區(qū)域［7］。 在明確了評(píng)價(jià)結(jié)果的置信區(qū)域后， 對(duì)不同物理量設(shè)置相應(yīng)的波動(dòng)范圍， 并根據(jù)實(shí)際主成分物理量在范圍內(nèi)外的波動(dòng)情況，對(duì)水利工程的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。 同時(shí)，將評(píng)價(jià)結(jié)果引入到CurveExpert曲線生成軟件當(dāng)中， 利用趨勢(shì)識(shí)別的方法， 從上述監(jiān)測(cè)序列的發(fā)展趨勢(shì)角度出發(fā)， 當(dāng)連續(xù)的多個(gè)主成分?jǐn)?shù)值出現(xiàn)變大或變小的情況時(shí)， 則認(rèn)為當(dāng)前監(jiān)測(cè)的主成分?jǐn)?shù)值相對(duì)于上一個(gè)主成分?jǐn)?shù)值變化差異過(guò)大， 認(rèn)為當(dāng)前數(shù)值存在異常現(xiàn)象，以此對(duì)未來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)果的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)水利工程質(zhì)量的預(yù)測(cè)。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本文以某一正在投入使用的水利工程項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 分別利用本文提出的基于主成分分析的水利工程質(zhì)量可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法和文獻(xiàn)［4］的基于SOA的智慧河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此對(duì)比兩種方法的實(shí)際應(yīng)用效果。

3.1 工程實(shí)例分析

該水利工程項(xiàng)目包括大壩、壩頂右岸明溢洪道、圍堰和引水隧洞的施工，工程級(jí)別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬小（1）型。

大壩為混凝土板砌石壩。 水庫(kù)校核洪水位（P=0.1%）967.70m， 總 庫(kù) 容741 萬(wàn)m3， 正 常 蓄 水 位965.00m，相應(yīng)庫(kù)容669萬(wàn)m3，壩頂高程969.00m，最大壩高73.0m。 壩段主要由混凝土塔樓及高層建筑、混凝土面板、墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主要石料及填料組成；混凝土工程量約0.92萬(wàn)m3，鋪設(shè)量約73.95萬(wàn)m3。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

分別在兩種方法的監(jiān)測(cè)下， 提出對(duì)應(yīng)各個(gè)水利工程相關(guān)設(shè)備、物資，以及設(shè)備運(yùn)行、水體變化等參數(shù)信息。 該水利工程項(xiàng)目具有規(guī)模大、線路長(zhǎng)、質(zhì)量監(jiān)測(cè)布置難等特點(diǎn)。 通過(guò)對(duì)該水利工程項(xiàng)目的相關(guān)資料進(jìn)行調(diào)查分析， 并在項(xiàng)目覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)十余個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位， 分別用于對(duì)不同區(qū)域范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行管理，并通過(guò)監(jiān)測(cè)信息的變化情況，利用兩種監(jiān)測(cè)方法預(yù)測(cè)未來(lái)水利工程質(zhì)量的發(fā)展趨勢(shì)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行比較。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1。為確保兩種監(jiān)測(cè)方法的結(jié)果具有可比性， 利用SPSS數(shù)據(jù)處理軟件， 在相同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下預(yù)測(cè)兩種方法的結(jié)果， 并利用軟件自帶的評(píng)價(jià)功能根據(jù)兩種預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)分，給出相應(yīng)的水利工程質(zhì)量安全系數(shù)。

表1 兩種監(jiān)測(cè)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以看出，本文監(jiān)測(cè)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果與該水利工程項(xiàng)目的實(shí)際質(zhì)量安全系數(shù)更加接近，而文獻(xiàn)［4］監(jiān)測(cè)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際質(zhì)量安全系數(shù)相差較大。 因此，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，本文提出的基于主成分分析的水利工程質(zhì)量可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效提高監(jiān)測(cè)精度，并實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程項(xiàng)目未來(lái)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性， 為水利工程建設(shè)提供有力保障。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)開(kāi)展基于主成分分析的水利工程質(zhì)量可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究， 提出一種全新的監(jiān)測(cè)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，本文提出的監(jiān)測(cè)方法具有更高的應(yīng)用價(jià)值。水利工程是一項(xiàng)跨區(qū)域較廣、運(yùn)行周期較長(zhǎng)的項(xiàng)目，因此在其實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)能夠?yàn)樗こ痰目沙掷m(xù)發(fā)展提供保障， 而通過(guò)本文監(jiān)測(cè)方法能夠增強(qiáng)表達(dá)效果， 提高監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)承載能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他相關(guān)信息的集成。