大壩安全監測自動化系統人工比測的精度指標法

盧正超，姜云輝，黎利兵

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038； 2.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038)

0 引 言

隨著自動化技術的進步和工程安全管理信息化、智能化的發展，工程安全監測自動化成為大勢所趨。目前大中型的水電站、引調水工程以及橋梁、隧道、邊坡等巖土工程均在一定程度上實現了工程安全監測自動化。工程安全監測自動化系統一般包括自動化采集、傳輸、供電、防雷接地等基于集成電路的子系統。集成電路電子產品本身比較脆弱，正常工作壽命一般為10年左右。受限于設備的工作原理和結構特點以及惡劣的現場工作條件，監測自動化系統不可避免存在數據失真的問題。為確保監測自動化系統的實用可靠，應采用人工比測這種技術手段進行必要的考核檢驗。現行技術標準DL/T 5211—2005《大壩安全監測自動化技術規范》和DL/T 5272—2012《大壩安全監測自動化系統實用化要求及驗收規程》均規定采用人工比測作為監測自動化系統的考核手段。

監測自動化系統人工比測的有關理論和實踐至今仍是一個受關注的問題[1-5]。文獻[2，5]基于數理統計的原理提出了自動化比對方法，但均未考慮工程安全監測中的傳感器精度等實際情況。

筆者在進行南水北調中線干線工程安全監測自動化系統人工比測的過程中發現，上述監測自動化規程規范中關于人工比測定量考核的方差分析方法存在不適用的問題。本文介紹了規范中人工比測的方差分析方法存在的問題及其原因，并基于工程安全監測傳感器實際精度要求，提出了開展內部觀測儀器人工比測的精度指標法。

1 規范中人工比測方法及其存在的問題

對于鋼弦式或差阻式滲壓計、應變計、鋼筋計、土壓力計等內部觀測儀器，通常采用GK403或BGK408、SQ-5等便攜式讀數儀進行人工觀測。按規范要求，便攜式讀數儀應定期進行檢驗。因此，從一般意義上來說，人工觀測讀數在計量上是可溯源的，自動化監測系統的實測數據與同時同條件的人工觀測數據的偏差應保持基本穩定，無趨勢性漂移，且滿足監測精度要求。

根據DL/T 5211—2005《大壩安全監測自動化技術規范》，人工比測可采用過程線比較或方差分析進行比對。過程線比較是取各測點在自動化數據采集和人工采集并行階段中的相同時間、相同測次的自動化測值和人工測值，分別繪出自動化測值過程線和人工測值過程線，進行規律性和測值變化幅度的比較。方差分析是取各測點在自動化數據采集和人工采集并行階段中的相同時間、相同測次的自動化測值和人工測值，分別組成自動化測值序列和人工測值序列，計算其標準差σz和σr，按下式計算兩者之差的標準差

(1)

同組數據的差值δi=xzi-xri按如下標準控制

δi≤2σ

(2)

即所謂的“2σ”準則。

進行南水北調中線干線工程安全監測自動化系統人工比對時發現，規范中的上述比測方法存在如下問題：

(1)對于試運行期獲得的長時間序列，自動化采集測值和人工觀測測值均可能存在粗差，不能直接用于比測。

(2)方差分析的基本前提是，在環境因素及結構性態保持一致的條件下同時進行多次測讀，使得人工和自動化測值系列的均方差可反映各自的精度。對于長達數月甚至一年以上的試用期，長時段測值系列的均方差更多地反映環境因素及結構性態的變化而不是測量精度，而且計算得到的σz、σr及σ一般很大，遠大于傳感器的測量精度要求，再按“2σ”準則進行判斷就失去意義了。因此，方差分析不適用于長時段的人工比測。

(3)對于短時段人工比測的方差分析，規范中未規定比測次數和對同時性的要求。結合實際情況，在進行南水北調中線干線工程安全監測自動化系統人工比對時，筆者按照如下方式進行：①比測時，對各測點交替進行6次自動化采集數據(xzi，i=1～6)和6次人工采集數據(xri，i=1～6)，稱為一次比測。每次比測的前后歷時，對16通道MCU在2 h內；對32通道MCU在4 h內。②每次自動化采集數據(xzi)和相應人工采集數據(xri)稱為一組數據，同組數據的采集時間間隔，對16通道MCU不大于15 min；對32通道MCU不大于30 min。③分別用自動化采集數據系列(xzi，i=1～6)和人工采集數據系列(xri，i=1～6)計算各自的標準差σz和σr，再按式(1)計算兩者差值的均方差σ，同組數據的偏差δi=xzi-xri按“2σ”準則判斷，全部滿足為合格，否則為不合格。惠南莊管理處679支內觀儀器實際比對結果表明，不合格率在94%以上。主要原因是讀數儀和自動化采集單元的精度很高且測值很穩定，計算得到的均方差σ很小，遠小于傳感器精度。按“2σ”準則，自動化采集儀單元與人工觀測讀數儀的精度越高測值越穩定，σ越小，理論上傳感器(或通道)被判斷為不合格的可能性越高。實際上，自動化采集儀單元與人工觀測讀數儀是兩種不同類型的儀器儀表，在進行人工比測時，人工讀數儀為完全隔離絕緣的設備，而MCU的測值則可能受到絕緣降低的某些傳感器的不利影響。此外，人工測讀和自動化測讀也不可能完全滿足同時性條件，一般時間間隔在數小時以上，因此理論上自動化采集儀單元與人工觀測讀數儀之間存在一定偏差是正常的，只要兩者的偏差在傳感器的精度范圍內，完全可以認為是滿足工程安全監測要求的。綜上，方差分析也不適用于按照上述公式(1)和(2)進行監測自動化系統短時段人工比測的考核。

(4)規范中沒有明確是采用頻模、溫度等原始物理量還是換算后的工程量(如滲壓、應變、應力等)進行比對。對于鋼弦式傳感器，如采用換算后的工程量進行比對，受溫度修正的影響，頻模通道正常而溫度通道不正常的傳感器會被判斷為不合格。實際上頻模通道正常，溫度測值不正常但附近有可替代的溫度測值或溫度測值存在常差，從分析的角度來看，傳感器的讀數是有效、可用的，不宜判斷為不合格。

(5)對于過程線比較，規范中沒有給出定量的標準，因此評價結果受限于實際操作人員的經驗。

2 建議的人工比測精度指標法

綜上所述，DL/T 5211—2005《大壩安全監測自動化技術規范》和DL/T 5272—2012《大壩安全監測自動化系統實用化要求及驗收規程》中所述的方差分析方法不適用于自動化監測系統的人工比測。針對實際工程人工比對發現的問題，建議監測自動化系統的人工比對采用如下方式：

(1)人工比測，按原始物理量進行對比。

(2)作為試運行期的考核方式的人工比測，遵循定性和定量相結合的原則，采用過程線比較，自動化測值和人工測值偏差判斷標準應基于傳感器的測量精度而不是前述“2σ”準則。同組測值的偏差δi應滿足如下條件

δi=xzi-xri

(3)

δi≤2σ標

(4)

式中，σ標為傳感器的標稱技術指標。例如，某支BGK4911鋼弦式鋼筋計，測量范圍為100 kN，標稱精度0.25%FS，儀器系數G=0.045 172 kN/digit，則頻模通道的標稱技術指標σ標=100×0.25%÷0.045 172=5.5個模數。上述方法需要用到各傳感器的量程和儀器系數等資料，實際使用起來比較麻煩。為簡化起見，對于鋼弦式傳感器的頻模通道，可采用表1所示的廠家提供的參考精度，按下述標準進行評價

δi≤σ精

(5)

式中，σ精為傳感器的精度指標。對于鋼弦式儀器的溫度通道，可使用下述標準進行評價

δi≤1.0 ℃

(6)

(3)運行期半年或一年一次的人工比測，可按照規范要求進行監測自動化系統短期穩定性測試，2 h 內連續測讀15次，其中，誤差應滿足廠家的標稱技術指標，同時2 h內連續3次進行人工測讀(與自動化測讀的間隔時間不大于15～30 min)，自動化測值的算術平均值和人工測值的算術平均值兩者的偏差應滿足上述基于傳感器測量精度的控制標準。

表1 基康鋼弦式儀器頻模測值參考精度

(4)自動化測值和人工測值的序列中同組測值的測時間隔不大于4～8 h。

(5)對自動化測值和人工測值的序列存在的粗差，對比前應剔除。上述方法基于傳感器的實際精度，因此可稱之為精度標準法。

3 不同方法的人工比測結果分析

南水北調中線干線工程惠南莊管理處工程安全監測自動化系統，設4個測站，自動化采集單元(美國基康Micro-1000)23臺，接入內部觀測儀器測點679個，包括鋼筋計280支、應變計246支、無應力計50支、土壓力計28支、測縫計18支、滲壓計51支和溫度計6支，除溫度計外，均為基康公司的鋼弦式儀器。除少數儀器埋設于2009年～2010年外，絕大多數儀器埋設于2006年5月～2008年5月。監測自動化系統于2012年10月開始試運行。

2017年7月，在前期工作的基礎上我們對惠南莊管理處接入自動化的全部測點進行了系統的比測和分析，采用了下述4種方法對自動化和人工測值序列進行分析評價：

(1)短時方差法。即按照前面第1節中所述的短時段人工比測的方差分析方法，對各測點交替進行6次自動化采集數據和6次人工采集數據，按“2σ”準則進行評價。實際得到的2σ很小，一般均小于1個模數，小于儀器測量精度甚多，總體合格率僅為5.3%。

(2)長時方差法。對2017年1月1日至2017年6月30日期間的同時同條件的人工觀測數據和自動化數據，按照方差分析方法“2σ”準則進行評價。實際得到的2σ很大，一般幾十甚至上百個模數，遠超過儀器測量精度，總體合格率為92.7%。部分不合格的測點還有人工測值不可靠的因素。扣除該因素影響，合格率會更高。

(3)過程線檢查法。繪制全序列的自動化測值過程線和人工測值過程線，進行規律性和測值變化幅度的比較，根據經驗判斷是否合格，總體合格率為86.3%。

(4)精度標準法。用本文提出的精度標準法，參照表1的傳感器的精度指標，按照公式(5)和(6)進行評價，總體合格率為74.0%。

可以看到，短時方差法“2σ”準則過嚴導致合格率過低，長時方差法“2σ”準則過寬導致合格率過高，均和實際狀況不符；過程線檢查缺乏定量標準，得到的結論因人而異；精度標準法與實際情況比較吻合。

4 結 語

(1)目前大壩安全監測自動化相關規程規范中人工比測定量考核的方差分析方法2σ標準，存在長時段測值序列方差過大、短時段測值序列方差過小的問題，與傳感器的測量精度未能建立有效的聯系，“2σ”準則或過嚴導致合格率過低，或過寬導致合格率過高，與實際狀況不符，不適用于自動化監測系統的人工比測。本文建議采用精度指標法取代方差分析方法進行人工比測定量考核。現場比對工作表明，精度指標法評價結果與實際情況較為吻合。

(2)建議對DL/T 5211—2005《大壩安全監測自動化技術規范》和DL/T5272—2012《大壩安全監測自動化系統實用化要求及驗收規程》關于人工比測的內容進行必要的修改：①監測自動化系統比測指標應滿足的標準為，自動化監測系統的實測數據與同時同條件的人工觀測數據的偏差應保持基本穩定，無趨勢性漂移，且滿足監測精度要求。②人工比測宜采用原始物理量過程線進行比較，剔除粗差，同組測值的測時間隔不宜大于4～8 h，自動化測值和人工測值偏差合格判斷標準應基于傳感器的測量精度。

(3)進行人工比對時，為加快進度，可根據傳感器型號規格，系統收集廠家提供的參考精度。

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