大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)人工比測(cè)的精度指標(biāo)法研究

曾志群

（國(guó)家能源集團(tuán)萬安水力發(fā)電廠，江西 萬安343800）

當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)飛速發(fā)展，已經(jīng)在橋梁、水電站、隧道等工程中得到廣泛應(yīng)用，使工程安全監(jiān)測(cè)效率得到顯著提升。但是，電子產(chǎn)品自身較為脆弱，一般使用壽命在10 年左右。受到設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理等因素影響，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差。為了提高系統(tǒng)測(cè)量精準(zhǔn)度，采用人工比測(cè)技術(shù)進(jìn)行考核檢驗(yàn)，在精度指標(biāo)法的使用下，使測(cè)量精度充分符合標(biāo)準(zhǔn)。

1 數(shù)據(jù)比測(cè)概念與原理

1.1 數(shù)據(jù)比測(cè)

在大壩安全監(jiān)測(cè)工作中，數(shù)據(jù)比測(cè)主要是指對(duì)自動(dòng)測(cè)值與人工測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以此檢驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)值精準(zhǔn)度的過程。人工觀測(cè)法應(yīng)用范圍較廣、過程較為簡(jiǎn)單，在測(cè)量穩(wěn)定性方面占有一定優(yōu)勢(shì)；自動(dòng)化測(cè)值具有高頻測(cè)量、高精度測(cè)量等特點(diǎn)，但是在測(cè)量可靠性方面需要進(jìn)一步確認(rèn)。對(duì)此，國(guó)家頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)驗(yàn)收提出與人工測(cè)值對(duì)比的要求。當(dāng)前，在對(duì)比與分析方法方面并沒有明確規(guī)定。在實(shí)際應(yīng)用中，大多采用人工操作的方式設(shè)置二者測(cè)量誤差范圍，或者通過繪制二者過程線的方式，對(duì)曲線周期、趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比。但是在實(shí)際應(yīng)用中存在些許弊端，例如在比測(cè)過程中忽視測(cè)次對(duì)齊，導(dǎo)致比測(cè)結(jié)果不夠客觀精準(zhǔn)，或者數(shù)據(jù)對(duì)比方式較為單一導(dǎo)致誤差增加等等，需要采取有效措施對(duì)比測(cè)方式進(jìn)行優(yōu)化，為大壩的安全保駕護(hù)航。

1.2 方法原理

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理。隨著時(shí)間的推移，大壩工作性態(tài)逐漸發(fā)生變化，局部變化頻率相對(duì)較高，如管道、閘門以及與廠房相近之處等等。為了確保比測(cè)合理，應(yīng)使人工與自動(dòng)化測(cè)量時(shí)序盡量相同，由此形成測(cè)值序列。因此，在數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)次對(duì)齊十分必要。具體措施為：將自動(dòng)化測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間為基準(zhǔn)，在規(guī)定有效時(shí)間內(nèi)，尋找與時(shí)間值最為貼近的人工觀測(cè)值；如若未能找到這一數(shù)值，則將自動(dòng)測(cè)值剔除，由此便可形成時(shí)序相同、數(shù)量一致的樣本組。

1.2.3 相關(guān)性與差異性。針對(duì)監(jiān)測(cè)量與時(shí)序相同的兩組序列來說，在方差、均值等方面沒有明顯的差異，且序列之間帶有較高關(guān)聯(lián)性。由此可見，雖然監(jiān)測(cè)方式存在差別，但二者的測(cè)量結(jié)果相同。在均值差異檢驗(yàn)方面，如若自動(dòng)化序列與人工序列之間沒有顯著差異，建立零架設(shè)H0:EM＝EN，則檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

式中，n 代表的是統(tǒng)計(jì)量；EM代表的是自動(dòng)化測(cè)值均值；EN代表的是人工觀測(cè)均值；K 代表的是有效樣本數(shù)量；σN代表的是標(biāo)準(zhǔn)差。

在相關(guān)性檢驗(yàn)方面，一般情況下，主要針對(duì)兩個(gè)序列的線性相關(guān)程度進(jìn)行分析。如若相關(guān)程度越緊密，則相似性與趨同性便會(huì)越高，可利用皮爾遜公式對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式為：

式中，Mi代表的是標(biāo)準(zhǔn)差；EM代表的是自動(dòng)化序列均值；EN代表的是人工觀測(cè)均值；c 代表的是相關(guān)程度[1]。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)人工比測(cè)精度指標(biāo)法

2.1 人工比測(cè)法

對(duì)于鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、滲壓計(jì)等內(nèi)部觀測(cè)器，一般采用GK403 讀數(shù)儀進(jìn)行人工觀測(cè)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，應(yīng)定期對(duì)讀數(shù)儀的工作狀態(tài)進(jìn)行校驗(yàn)。從一般意義上看，人工觀測(cè)讀數(shù)在計(jì)量方面是可溯源的，在條件相同的情況下，自動(dòng)化比測(cè)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)誤差基本穩(wěn)定，均可滿足監(jiān)測(cè)精度規(guī)定。根據(jù)大壩安全監(jiān)測(cè)相關(guān)規(guī)定可知，人工比測(cè)主要通過方差或過程線對(duì)比的方式實(shí)現(xiàn)。其中，前者是分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)在兩種采集模式下的數(shù)值，分別組成自動(dòng)化測(cè)值與人工測(cè)值兩個(gè)序列，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，二者的標(biāo)準(zhǔn)差公式為：

2.2 精度指標(biāo)法

針對(duì)上文分析可知，規(guī)范中的方差分析法無法應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)人工比測(cè)之中。對(duì)于實(shí)際工程人工比對(duì)困難的情況，可在監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用下采用精度指標(biāo)法，具體措施為：

2.2.1 人工比測(cè)，根據(jù)原始物理量進(jìn)行對(duì)比分析；

式中，σ標(biāo)代表的是傳感器技術(shù)指標(biāo)。以BGK4911 型號(hào)的鋼筋計(jì)為例，其測(cè)量范圍在100kN 以內(nèi)，標(biāo)稱精度為0.25%FS，儀器系數(shù)為0.045172kN/digit，頻模通道的技術(shù)指標(biāo)為5.5 個(gè)模數(shù)。為了精簡(jiǎn)計(jì)算量，可根據(jù)廠家提供的參考精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，參考精度如下表1 所示，評(píng)價(jià)公式為：δi≤ σ精式中，σ精代表的是精度指標(biāo)。對(duì)于鋼弦式儀器來說，其溫度通道的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)低于1.0℃。

表1 鋼弦式儀器頻模測(cè)值參考精度

2.2.3 在設(shè)備運(yùn)行期間每間隔半年或者一次實(shí)施一次人工比測(cè)，可根據(jù)規(guī)定要求開展短期穩(wěn)定性測(cè)試，在2h 內(nèi)連續(xù)測(cè)讀15 次，誤差應(yīng)與廠家標(biāo)稱指標(biāo)相符。在2h 內(nèi)連續(xù)3 次人工測(cè)讀，自動(dòng)化測(cè)讀間隔時(shí)長(zhǎng)低于15-30min，二者的偏差應(yīng)符合傳感器精度標(biāo)準(zhǔn)；

2.2.4 自動(dòng)化與人工測(cè)值序列中，相同組的測(cè)值間隔應(yīng)控制在4-8h 之間。針對(duì)二者存在的誤差應(yīng)在對(duì)比之前消除，因其在傳感器的基礎(chǔ)上測(cè)出實(shí)際精度，被稱為精度標(biāo)準(zhǔn)法。

3 大壩安全監(jiān)測(cè)中人工比測(cè)應(yīng)用案例

本文以某工程為例，對(duì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。該項(xiàng)目共計(jì)設(shè)置4 個(gè)測(cè)站，自動(dòng)化采集單元23 臺(tái)，接入內(nèi)部觀測(cè)點(diǎn)679 個(gè)，包括280 支鋼筋計(jì)、50 支無應(yīng)力計(jì)、18 支測(cè)縫計(jì)、51 支滲壓計(jì)。除了溫度計(jì)之外，其他均為鋼弦式儀器。大部分儀器均埋設(shè)于2006-2008 年間，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備是在2012 年10月開始試運(yùn)行。在2019 年中旬，針對(duì)該工程接入自動(dòng)化的所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比測(cè)與分析，共計(jì)采用四種方式對(duì)自動(dòng)化、人工測(cè)值進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)。

一是長(zhǎng)時(shí)方差法。在2019 年1 月-6 月期間，在相同條件下開展自動(dòng)化數(shù)據(jù)測(cè)量與人工觀測(cè)，結(jié)合方差分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)際得到的2 σ數(shù)值較大，通常有幾十甚至上百個(gè)模數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過儀器測(cè)量精度，合格率為92.7%。如若將一些質(zhì)量不佳的測(cè)點(diǎn)與人工測(cè)值時(shí)不確定因素去除后，合格率會(huì)變得更高；

二是短時(shí)方差法。根據(jù)上文中闡述的人工比測(cè)方差分析法，針對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行6 次自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與人工采集，按照“2 ”準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)際得到的2 數(shù)值較小，大多不超過1 個(gè)模數(shù)，低于測(cè)量精度的較多，合格率為5.3%；

三是精度標(biāo)準(zhǔn)法。該項(xiàng)目采用精度標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行測(cè)值，以表1中的傳感器精度指標(biāo)為依據(jù)，結(jié)合上文列舉公式進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到最終合格率為74.0%；

四是過程線檢查法。將全部序列中的自動(dòng)化測(cè)值與人工測(cè)值的過程線進(jìn)行繪制，并對(duì)規(guī)律性、測(cè)值變化幅度進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷是否合格，最終合格率達(dá)到86.3%。由此可見，因第二種方法的要求過于嚴(yán)格導(dǎo)致合格率最低，第一種方法因要求過寬導(dǎo)致合格率最高；第四種因缺乏定量標(biāo)準(zhǔn)，所得結(jié)果變化較大；第三種方法與實(shí)際情況最為相符，是最佳選擇。

4 結(jié)論

綜上所述，在自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行校核中比測(cè)工作十分重要，應(yīng)引起相關(guān)人員的高度重視。當(dāng)前，業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為普遍的是人工方式獲取短期內(nèi)的樣本運(yùn)行差值進(jìn)行對(duì)比，此種方式操作簡(jiǎn)單但結(jié)論可信度較低。對(duì)此，本文提出精度指標(biāo)法進(jìn)行人工比測(cè)定量考核，可有效避免以往差值分析法存在的弊端，能夠與實(shí)際情況充分符合，取得最佳評(píng)價(jià)效果。將其應(yīng)用到大壩安全監(jiān)測(cè)中，有助于測(cè)值精度提升，工程項(xiàng)目更加穩(wěn)定持久。