模糊聚類法在大壩監(jiān)測資料分析中的應(yīng)用

王曉云+周鵬

摘要：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(jiān)測資料分析中的實(shí)際應(yīng)用，又介紹了模糊聚類法在大壩監(jiān)測資料分析中關(guān)鍵點(diǎn)的預(yù)報(bào)擬合，并建立模糊相似關(guān)系，最后提出了大壩監(jiān)測點(diǎn)的優(yōu)化。希望文章可以在一定程度上為相關(guān)的專業(yè)學(xué)者提供參考與借鑒，如有不足之處，還望批評指正。

關(guān)鍵詞：大壩監(jiān)測；資料分析；模糊聚類法；模糊相似關(guān)系；預(yù)報(bào)擬合 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TV698 文章編號：1009-2374（2017）07-0071-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.033

1 概述

本文對于大壩監(jiān)測資料分析中模糊聚類法的實(shí)踐進(jìn)行探究是順應(yīng)經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展的需要，主要應(yīng)用模糊聚類分析法來對地下水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行具體的分析，并對其采取適當(dāng)?shù)拇胧┯枰詢?yōu)化，從而達(dá)到較好的聚類效果。要想達(dá)到優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)的目的，并且擁有較好的細(xì)致度與全面性，就要建立在模糊聚類分析理論基礎(chǔ)之上，然后具體依照各個(gè)檢測點(diǎn)的情況，對聚類中心向量的具體距離，再與各個(gè)檢測點(diǎn)的具體化學(xué)類型等情況密切結(jié)合，將監(jiān)測點(diǎn)的取舍問題合理解決掉。理論上來說，監(jiān)測的時(shí)間與空間分辨率越高，得到的監(jiān)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(shí)間監(jiān)測的高分辨率?？傊瑢Υ髩伪O(jiān)測資料分析中模糊聚類法的實(shí)踐進(jìn)行研究的比較少，可以供相關(guān)的工程師與研究人員參考學(xué)習(xí)。

2 模糊聚類分析法概念

本文探究分析的就是大壩監(jiān)測資料分析中模糊聚類法的實(shí)踐，那就要對模糊聚類分析法的概念有一個(gè)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(diǎn)的基礎(chǔ)之上，具體建造出模糊矩陣，并且在這個(gè)前提之下再憑借相關(guān)的隸屬關(guān)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(shù)學(xué)方法，接著就是聚類，聚類還要滿足科學(xué)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(diǎn)進(jìn)行類別劃分，而大壩監(jiān)測資料分析中模糊聚類法的實(shí)踐有助于更好地綜合運(yùn)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(guān)的資料，從而使得工作效率得以有效的提高，使得大壩的運(yùn)行情況得以及時(shí)的了解。

3 模糊聚類法在大壩監(jiān)測資料分析中的實(shí)際應(yīng)用

我國目前大多數(shù)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(jiān)測顯得尤為重要，大壩面板堆石壩同時(shí)應(yīng)用電解液傾斜儀法與光纖陀螺儀（FOG）法兩種方法監(jiān)測面板變形，其中，光纖陀螺儀監(jiān)測管道鋪設(shè)在面板上最長的0+212斷面，監(jiān)測儀器布置有二期面板、三期面板、常規(guī)測斜儀、光纖陀螺監(jiān)測管道等。光纖陀螺儀是一種基于sagnac效應(yīng)的敏感角速度傳感器，將FOG安裝在運(yùn)載小車中，小車在監(jiān)測管道中運(yùn)行，管道發(fā)生變形的時(shí)候，F(xiàn)OG能夠測量出角速度，對角速度進(jìn)行二次積分能夠得出相應(yīng)的線位移，最終得到FOG運(yùn)行軌跡曲線。

4 關(guān)鍵點(diǎn)的預(yù)報(bào)擬合

本文對于大壩監(jiān)測資料分析中模糊聚類法的實(shí)踐進(jìn)行探究，主要使用的就是多元逐步回歸分析對于大壩關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)擬合，聚類指的就是把數(shù)據(jù)集分成多個(gè)類或者簇，目的就是讓不同類之間數(shù)據(jù)差別應(yīng)盡可能大，類內(nèi)之間的數(shù)據(jù)差別應(yīng)該減少到最小化，遵循的就是“最大化類內(nèi)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(jiān)測分析的時(shí)候我們主要應(yīng)用多元逐步回歸方法，其的典型特點(diǎn)就是所得結(jié)果的精確度比較的高，這種方法的計(jì)算較為方便快捷。關(guān)鍵點(diǎn)的預(yù)報(bào)擬合在自變量具體引入的時(shí)候，為了使得各個(gè)步驟選入回歸方程因子的重要性得以有效的保證，要進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，刪除方程中不合適的變量，建立統(tǒng)計(jì)模型。

5 模糊聚類法用于大壩監(jiān)測資料分析中的步驟

5.1 聚類效果評價(jià)

聚類效果評價(jià)在大壩監(jiān)測資料分析中有著廣泛的應(yīng)用與普及，聚類效果評價(jià)選取不一樣的閥值就會對應(yīng)不一樣的分類，之所以使用基于平均每期各點(diǎn)間的變形允許差的評價(jià)方法就是想要達(dá)到更加精準(zhǔn)、科學(xué)、客觀的分類，篩選出最適宜的閥值阿爾法，進(jìn)而確定最合適的分類。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)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(gè)點(diǎn)的第J期變形量。設(shè)r為對應(yīng)阿爾法值的分類數(shù)，n為第i類樣本包含的點(diǎn)數(shù)，主要的具體計(jì)算步驟如下：（1）確定最佳閥值的阿爾法值，即當(dāng)E≤1的時(shí)候，以分類數(shù)最小的原則選取阿爾法，采用模糊聚類分析方法對大壩質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，可以確定地下水的污染范圍，為地下水管理提供科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊罁?jù)；（2）計(jì)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(jiān)測工作所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，從而使得經(jīng)濟(jì)效益得以有效保證；（3）進(jìn)一步確定每期各點(diǎn)變形間的容許差，并且計(jì)算出F=maxf，其中，當(dāng)f小于等于的時(shí)候，該類中所有樣本聚為一類合理，無論是從實(shí)踐的角度還是經(jīng)濟(jì)的角度來看，大壩的安全與基礎(chǔ)的穩(wěn)定性密切相關(guān)，作為各類科研工作者及工程技術(shù)人員常用的數(shù)學(xué)方法之一，它已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)勘探、機(jī)械工程等領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展；（4）最后一個(gè)步驟就是計(jì)算第i類樣本中第j個(gè)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(jù)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)到對應(yīng)聚類中心向量的歐幾里得距離即利用數(shù)據(jù)來確定待分類對象的模糊相似關(guān)系，通常運(yùn)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(dòng)態(tài)直接聚類法。通常之所以將R轉(zhuǎn)換為模糊等價(jià)關(guān)系矩陣t（R），就是因?yàn)橛媚：嗨凭仃囎骶垲惙治龅慕Y(jié)果不夠科學(xué)準(zhǔn)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(jià)關(guān)系，轉(zhuǎn)換之后再進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚類，用平均法求t（R），依次計(jì)算R、R1、R2、R3、……，給定一個(gè)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(diǎn)的分類情況，進(jìn)而及時(shí)掌握大壩的真實(shí)運(yùn)行狀況，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

5.3 建立模糊相似關(guān)系

X=（x1，x2，x3，…，xn）為n個(gè)變形監(jiān)測點(diǎn)，每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)x有m期變形量。模糊相似矩陣R中相似系數(shù)r表示點(diǎn)的相似程度，根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣中的基元，對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)求得模糊關(guān)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(gè)需要進(jìn)行類型劃分的對象，而且可以確定各個(gè)對象都有p個(gè)可以量化的具體指標(biāo)，矩陣X稱為原始資料矩陣，這個(gè)計(jì)算方法各種各樣（例如數(shù)量積法、相關(guān)系數(shù)法、指數(shù)相似系數(shù)法），要嚴(yán)格遵循“實(shí)事求是，因地制宜”的原則?？偠灾Ｍ嚓P(guān)的專業(yè)人員將模糊聚類法普及到大壩監(jiān)測資料的分析中去，建立起科學(xué)合理的模糊相似關(guān)系，為同類工程檢測資料分析提供一種新的數(shù)學(xué)模型與理論依據(jù)。

6 工程概況

本文所采取的實(shí)例是我國的某一個(gè)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(gè)壩段。壩區(qū)出露地層為白堊系河口統(tǒng)紅色巖層，巖性以砂巖、砂質(zhì)礫巖為主。各種的巖層的分布規(guī)律也是逐層、不等的進(jìn)行分布，層理十分清晰。壩址區(qū)的主要構(gòu)造以垂直升降運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的正段層比較繁多，斷裂構(gòu)造以構(gòu)造裂隙為主，大多沒有填充物或者是有少量未結(jié)膠的鈣質(zhì)、石膏、砂土填充，所以基礎(chǔ)巖體都具有裂縫介質(zhì)的屬性。

7 大壩監(jiān)測點(diǎn)的優(yōu)化

在模糊聚類的基礎(chǔ)之上，接下來要做的就是從整體上綜合考慮各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水化學(xué)類型，選出關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)，有效地對大壩監(jiān)測資料分析預(yù)報(bào)，然后將各個(gè)具體監(jiān)測點(diǎn)以及相應(yīng)的中心向量指標(biāo)等的參數(shù)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(biāo)的數(shù)值以及在聚類之中的具體的檢測數(shù)值。在進(jìn)行相同水化學(xué)類型監(jiān)測點(diǎn)的選取過程之中，應(yīng)該選擇離聚類中心向量距離最近的點(diǎn)，將其當(dāng)作這類的代表點(diǎn)來應(yīng)用，更加充分及時(shí)地利用豐富的監(jiān)測信息，得到相應(yīng)的動(dòng)態(tài)聚類結(jié)果。總之，監(jiān)測點(diǎn)的優(yōu)化旨在選擇出科學(xué)的大壩監(jiān)測點(diǎn)，并將其作為水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化升級之后的監(jiān)

測點(diǎn)。

8 結(jié)語

綜上所述，對大壩開展安全監(jiān)測主要是為了科學(xué)、有效地了解大壩的具體運(yùn)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(jiān)測資料分析中模糊聚類法的實(shí)踐進(jìn)行探究分析具有重要的現(xiàn)實(shí)性意義。監(jiān)測的數(shù)據(jù)量隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展也不斷增大，大壩的檢測點(diǎn)也更加細(xì)致全面，模糊聚類分析法之所以應(yīng)用到大壩監(jiān)測資料分析之中就在于它能夠最大化地提高監(jiān)測資料分析效率，節(jié)省人力及時(shí)間，及時(shí)地掌握大壩的運(yùn)行狀況，進(jìn)一步降低運(yùn)行成本與資金。希望相關(guān)的專業(yè)人員定期對壩址區(qū)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測與分析，對當(dāng)前的地下水質(zhì)量檢測等進(jìn)行適當(dāng)?shù)男畔⒎答伵c分析，通過創(chuàng)新以及優(yōu)化等方法使得質(zhì)量檢測更具科學(xué)性，從而使得大壩檢測與社會經(jīng)濟(jì)的動(dòng)態(tài)平衡得以更好的

維持。

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

（責(zé)任編輯：蔣建華）