基于可靠性理論的水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)方法

毛會(huì)建

(臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276002)

為了更好地對(duì)水庫(kù)大壩加固工程實(shí)施監(jiān)理，保障工程建設(shè)效果，提高監(jiān)理工作的科學(xué)化、信息化，對(duì)水庫(kù)大壩加固工程安全情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并優(yōu)化監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)安全監(jiān)測(cè)儀運(yùn)行精準(zhǔn)度和設(shè)備分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置工程安全監(jiān)測(cè)框架。為了更好地保障實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)大壩工程進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，對(duì)安全加固數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，以保證數(shù)據(jù)采集結(jié)果的完整性[1]。以此為前提進(jìn)行監(jiān)測(cè)規(guī)則的設(shè)置，確保安全監(jiān)測(cè)效果準(zhǔn)確有效。

1 水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)方法

1.1 工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

首先根據(jù)水庫(kù)大壩加固工程建設(shè)方案對(duì)工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。為保障數(shù)據(jù)采集結(jié)果的準(zhǔn)確有效，結(jié)合云平臺(tái)技術(shù)對(duì)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)客戶級(jí)別和需求對(duì)將框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，分別為：應(yīng)用層、平臺(tái)層及基礎(chǔ)層[2]，根據(jù)不同層級(jí)特征標(biāo)準(zhǔn)和功能進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。安全監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)層級(jí)劃分情況如圖1所示。

圖1 安全監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)層級(jí)劃分

基于上述層級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步根據(jù)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)添加數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、資料整編及監(jiān)測(cè)預(yù)警燈模塊，對(duì)水庫(kù)大壩加固標(biāo)準(zhǔn)和沖擊磨損情況進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析管理和數(shù)據(jù)編整處理，獲取大壩整體牢固性系數(shù)、水源沖擊度以及耐腐蝕性等相關(guān)參數(shù)[3]。結(jié)合分布式原理和特征深度挖掘原理進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)牢固性節(jié)點(diǎn)增減變化的實(shí)施跟蹤監(jiān)測(cè)，并存儲(chǔ)至圖1的數(shù)據(jù)庫(kù)中。若發(fā)現(xiàn)異常情況，則立刻進(jìn)行區(qū)域預(yù)警，以便對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行及時(shí)的檢修。為保障數(shù)據(jù)分析的效果，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水庫(kù)大壩加固工程安全數(shù)據(jù)庫(kù)

基于上述結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行采集分析，結(jié)合云平臺(tái)技術(shù)及可靠性理論對(duì)水庫(kù)大壩加固工程監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行提取監(jiān)測(cè)，結(jié)合無(wú)限網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布情況對(duì)采集到的水庫(kù)大壩施工進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，計(jì)算監(jiān)測(cè)匯總數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)所得的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，通過(guò)協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)分布情況對(duì)不同等級(jí)數(shù)據(jù)特征取值范圍進(jìn)行劃分，作為參照依據(jù)[4]。若大壩加固安全監(jiān)測(cè)數(shù)值出現(xiàn)異常情況，則需要在Web顯示界面對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行展示。具體的待展示信息加固內(nèi)容包括：水庫(kù)大壩重力數(shù)值監(jiān)測(cè)、拱壩曲度監(jiān)測(cè)、水庫(kù)大壩地下洞室承重參數(shù)監(jiān)測(cè)、水庫(kù)大壩變形程度監(jiān)測(cè)、水庫(kù)大壩滲流度監(jiān)測(cè)、水庫(kù)大壩應(yīng)力應(yīng)變分類登記監(jiān)測(cè)等[5]。基于上述監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值分類，并結(jié)合回歸算法，制定相應(yīng)的安全需求參照值，建立相應(yīng)的水庫(kù)大壩加固程度分析模型，計(jì)算水庫(kù)大壩加固安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2 安全評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)算法

根據(jù)上述采集到的特征數(shù)值對(duì)等級(jí)評(píng)價(jià)算法進(jìn)行優(yōu)化處理。首先采集水壩加固影響度數(shù)值w1及安全度影響重要性數(shù)值w2，計(jì)算相對(duì)影響因素貢獻(xiàn)度數(shù)值，具體過(guò)程如下：

(1)

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水庫(kù)大壩安全度經(jīng)驗(yàn)判斷原理對(duì)安全度進(jìn)行精確計(jì)算，結(jié)合特征混合原理獲取安全權(quán)重?cái)?shù)值n，然后計(jì)算水庫(kù)大壩區(qū)域受力特征向量數(shù)值，具體過(guò)程如下：

受力特征量為：

(2)

判斷矩陣為：

(3)

在公式(3)中，將水壩加固安全等級(jí)劃分為4個(gè)級(jí)別，針對(duì)不同級(jí)別進(jìn)行特征判斷和評(píng)估[6]?；谏鲜鏊惴▽?duì)水庫(kù)大壩安全加固最小誤差數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，具體方法如下：

(4)

基于上述算法對(duì)水庫(kù)大壩加重權(quán)數(shù)進(jìn)行客觀賦值。假設(shè)大壩加固原始變量為f，變換分量為g，原始變量線性權(quán)重?cái)?shù)值為g，在安全度影響因素的變化過(guò)程中，施工過(guò)程產(chǎn)生的相伴變量數(shù)值為g。E為待評(píng)價(jià)對(duì)象的原始采集樣本，且樣本中存在k個(gè)特征值，大壩安全度貢獻(xiàn)率取值范圍為：

(5)

基于上述算法，對(duì)相應(yīng)的特征向量組合進(jìn)行規(guī)范，將其原值影響度向量權(quán)重記為(x，y，z)，結(jié)合歸一原理對(duì)水壩安全監(jiān)測(cè)的時(shí)間尺度進(jìn)行規(guī)范，若其時(shí)間尺幅取值范圍為(1，t)，可采集到的監(jiān)控信息數(shù)據(jù)量為λ，則每間隔5s對(duì)水庫(kù)大壩承重?cái)?shù)值變化情況進(jìn)行采集，以此構(gòu)成信息熵?cái)?shù)學(xué)模型公式，即

(6)

若p表示在固定時(shí)間段內(nèi)采集所得的監(jiān)控信息，t3s表示在3s內(nèi)監(jiān)測(cè)所得的均勻數(shù)據(jù)，H3s表示在3s監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)采集所得的預(yù)警信號(hào)數(shù)量[7- 8]，f3s表示3s監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)采集得到的預(yù)警文本，(xi，yi，zi)為監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)隨機(jī)采集得到的一個(gè)數(shù)據(jù)文本項(xiàng)，則對(duì)預(yù)警文本異常信息修正范圍進(jìn)行計(jì)算，即

(7)

基于上述算法可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)值的有效修正。

1.3 加固工程安全監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

基于前文算法，對(duì)水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)遞階層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合層次分析法，對(duì)水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)影響因素間及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化及層級(jí)劃分處理[9]，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)遞階層次結(jié)構(gòu)模型，以便對(duì)不同區(qū)域的不同信息進(jìn)行更加精準(zhǔn)的分層監(jiān)測(cè)，具體模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)遞階結(jié)構(gòu)劃分

基于上述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)遞階層次結(jié)構(gòu)模型，對(duì)水庫(kù)大壩加固工程監(jiān)測(cè)內(nèi)容的上下層結(jié)構(gòu)及隸屬度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合層次排序及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過(guò)程中需要進(jìn)一步對(duì)排序處理步驟進(jìn)行判斷比較，為簡(jiǎn)化處理步驟，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)原理對(duì)區(qū)域預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理，結(jié)合多指標(biāo)綜合輔助決策方法對(duì)不同層級(jí)所得到信息的模糊特性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)置，并計(jì)算區(qū)域檢測(cè)實(shí)際值。進(jìn)一步對(duì)水壩加固安全的多個(gè)影響指標(biāo)隸屬等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)判斷，計(jì)算數(shù)值變化區(qū)間，以保證水庫(kù)大壩加固工程安全等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，具體步驟如圖4所示。

圖4 水庫(kù)大壩加固工程安全等級(jí)評(píng)價(jià)流程

在進(jìn)行水庫(kù)大壩加固工程安全等級(jí)評(píng)價(jià)的過(guò)程中，需要對(duì)監(jiān)測(cè)儀器采集到的水庫(kù)大壩承重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此可間接對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全情況進(jìn)行判斷。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行規(guī)范，就工程建筑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)監(jiān)測(cè)精度、大壩缺測(cè)以及漏測(cè)情況進(jìn)行精準(zhǔn)定位和排查修補(bǔ)處理。在進(jìn)行加固修正過(guò)程中，首先需要對(duì)工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校核，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)誤，結(jié)合專家檢測(cè)方法對(duì)待處理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和反饋，以提高數(shù)據(jù)檢測(cè)和水壩修復(fù)效果。對(duì)水庫(kù)大壩加固安全監(jiān)測(cè)步驟進(jìn)行改善，具體如圖5所示。

圖5 水庫(kù)大壩加固安全監(jiān)測(cè)步驟

基于上述步驟對(duì)監(jiān)控流程及預(yù)警信息進(jìn)行改善，結(jié)合節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)算法對(duì)大壩監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)大壩承重走向趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)加固數(shù)值變化情況規(guī)范安全閾值，并對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)屬性進(jìn)行閾值分割排序，計(jì)算出影響度增益數(shù)值。根據(jù)上述數(shù)值對(duì)安全檢測(cè)修復(fù)步驟進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：

步驟1：將采集到的水庫(kù)大壩加固信息集合記為Sij，且Sij=|xij，yij，zij|。

步驟2：基于信息特征屬性進(jìn)行排序，排序規(guī)則記為S=(Si+Sj+1)/2Sij。

步驟3：建設(shè)信息增益特征子集，記為S1={n|0?n≤1}。

步驟4：對(duì)特征子集進(jìn)行排序，并獲取其離散數(shù)值，獲取最大分割閾值，判斷離散數(shù)值是否大于加固信息集合Sij。

根據(jù)判斷結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行修正，若S>Sij，則說(shuō)明安全數(shù)值符合工程建設(shè)要求，無(wú)需修正，若S1>S≥Sij，則需要參照公式(5)進(jìn)行修正，以保證水庫(kù)大壩加固安全，提高安全監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和合理性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為檢測(cè)基于可靠性理論的水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)方法(文章使用的方法)的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)如下驗(yàn)證過(guò)程。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，將文獻(xiàn)[3]中的水庫(kù)大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法(傳統(tǒng)方法)作為對(duì)比，共同完成性能驗(yàn)證。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為保障檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確有效，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述檢測(cè)環(huán)境分別對(duì)工程安全監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程中的頻譜增益數(shù)值變化情況及信噪比進(jìn)行檢測(cè)，并分別記錄檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 監(jiān)測(cè)信噪比檢測(cè)結(jié)果

圖7 監(jiān)測(cè)頻譜增益變化檢測(cè)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在進(jìn)行工程安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中，頻譜增益數(shù)值變化情況及信噪比對(duì)監(jiān)測(cè)精確度影響最大，在實(shí)驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中，信噪比越大，監(jiān)測(cè)精確度越低，二者成反比，而監(jiān)測(cè)頻譜增益數(shù)值變化越平穩(wěn)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行越穩(wěn)定?；诖?，對(duì)圖6、圖7所示的檢測(cè)結(jié)果分別進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)文章提出的基于可靠性理論的水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)方法的信噪比相對(duì)較低，增益頻譜變化更加穩(wěn)定。由此證實(shí)，基于可靠性理論的水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)方法具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，充分滿足研究要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了更好地保障監(jiān)理工作效果，對(duì)水庫(kù)大壩加固工程施工質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，提出了基于可靠性理論的水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)大壩工程監(jiān)測(cè)儀器分布位置進(jìn)行合理設(shè)置，準(zhǔn)確采集水庫(kù)大壩加固工程檢測(cè)數(shù)值，優(yōu)化工程監(jiān)測(cè)算法。根據(jù)數(shù)值采集結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩工程的有效檢測(cè)，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)證實(shí)，基于可靠性理論的水庫(kù)大壩加固工程安全監(jiān)測(cè)方法具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，充分滿足研究要求。