多源信息融合診斷大壩安全監(jiān)測資料合理性

李子陽，馬福恒，華偉南

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029;2.浙江省水利水電工程質量與安全監(jiān)督管理中心，浙江 杭州 310009)

大壩安全監(jiān)測自動化水平的不斷提高，給分析大壩運行現狀、評估大壩安全性態(tài)提供了豐富、全面的信息資源.然而，受大壩結構性態(tài)復雜性、觀測過程中的隨機因素以及安全監(jiān)測儀器精度、可靠性的限制等影響，大壩安全監(jiān)測所獲取的數據并非反映大壩性態(tài)的“真值”，不可避免地存在隨機誤差或系統(tǒng)誤差等.監(jiān)測數據的準確性和合理性直接影響大壩安全診斷和決策的正確性［1］.因此，大壩安全監(jiān)測資料的合理性分析診斷具有重要意義.本文從大壩安全監(jiān)測資料的數據特征分析出發(fā)，結合多源信息融合技術，對大壩安全監(jiān)測資料合理性診斷的模式及其典型方法進行了研究，并對其診斷分析體系進行了架構.

1 大壩安全監(jiān)測資料特征

1.1 監(jiān)測資料的多元性

大壩結構性態(tài)的復雜性決定了大壩安全監(jiān)測難以獲取其性態(tài)的真實反映，主要體現在以下幾個方面:

(1)結構的不確定性.大壩壩基地質構造產狀無法準確勘探，壩體材料參數(尤其是土石壩)具有很大的分散性，大壩的施工質量影響難以評判等，這些都使得大壩的結構性態(tài)具有很大的不確定性，如材料和結構的非線性、壩體及壩基材料參數的非均勻性［2］等，監(jiān)測設施難以準確全面反映.

(2)力學特性的多元性.由于大壩工作條件和結構極其復雜，大壩系統(tǒng)呈現出多元特征［3］，荷載的隨機性、裂縫分布的隨機性等，使得大壩結構的力學機理極其復雜，為高度非線性.大壩力學特性的多元性使得其難以用定量概括，監(jiān)測數據結果與實際必然存在誤差或失真.

(3)性態(tài)的漸變性.大壩結構在外界巨大荷載的作用下，隨著時間的推移和壩齡的增長，性態(tài)不可避免產生變化并逐漸累積［4］，直至演變成病變.大壩安全監(jiān)測儀器是否具有足夠的敏感性以反映大壩性態(tài)變化，或監(jiān)測數據的變化是否與大壩性態(tài)漸變性吻合，需要進行相關分析.

(4)認知的未確知性.由于大壩性態(tài)及作用環(huán)境的復雜性，受人們認知水平的限制，在監(jiān)測設計及監(jiān)測數據的獲取上同時也存在主觀性的不確定性［5］.

(5)監(jiān)測技術的限制性.雖然大量程、高精度的原觀儀器及監(jiān)測技術在大壩安全監(jiān)測中應用越來越廣泛，但仍然存在諸如儀器現場埋設成活率、信號輸出及接受的可靠性和長期穩(wěn)定性，以及儀器的系列化、標準化等問題［6］，影響大壩安全監(jiān)測成果的可靠性和合理性.

1.2 誤差特征分析

水庫大壩根據其建筑物分布及監(jiān)測項目的不同，常需要布置大量的監(jiān)測儀器和實施多項目觀測，包括大壩變形觀測，壩體、壩基滲流觀測，應力應變觀測等.根據上述分析，受大壩復雜性態(tài)和作用環(huán)境影響，以及監(jiān)測儀器及監(jiān)測手段等限制，監(jiān)測數據不可避免地存在誤差或失真信息.根據誤差理論，大壩安全監(jiān)測值x由所監(jiān)測性態(tài)的“真值”［x］和誤差e組成，誤差e根據其成因不同可大致分為隨機誤差、粗大誤差和系統(tǒng)誤差(圖1).隨機誤差主要由各種隨機和偶然因素引起，符合均值為0的正態(tài)分布，在大壩安全監(jiān)測數據中普遍存在;粗大誤差由于觀測過程中的操作疏忽在數據的記錄、復制和計算處理過程中所產生的過失錯誤，往往表現出明顯的異常，嚴重偏離真實值或既定統(tǒng)計模型;系統(tǒng)誤差由相互獨立的偶然因素作用引起的監(jiān)測儀器故障等所造成的誤差，也嚴重偏離真實值或既定統(tǒng)計模型，常表現為單側點數據異常波動，并可能具有一定的連續(xù)性和階段性.

由于儀器監(jiān)測方式的不同及多重因素的干擾作用，在大壩安全監(jiān)測原位資料中上述3種誤差或失真信息均有可能存在，往往難以簡單從數據形態(tài)上進行準確判斷.大壩安全監(jiān)測資料合理性分析的主要任務就是要根據監(jiān)測資料的數據特征，結合大壩性態(tài)、所處環(huán)境、外界荷載、監(jiān)測儀器、監(jiān)測方法等多源信息，采用多源信息融合分析方法判別誤差信息，并對異常信息進行準確識別和處理.

圖1 誤差特征示意圖Fig.1 Error characteristics

2 信息合理性診斷融合模式

多源信息融合是指協(xié)調使用多個傳感器，把分布在不同位置的多個同質或異質傳感器所提供的局部不完整觀測量及相關聯數據庫中的相關信息加以綜合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，降低其不確定性，獲得對物體或環(huán)境的一致性描述的過程.多源信息融合可有效利用多源信息提供的互補性，進行多級別、多方面、多層次的處理，從而可以獲得被測目標更為全面的信息.

多源信息融合診斷大壩安全監(jiān)測資料的合理性即利用信息融合技術，通過對不同監(jiān)測環(huán)境、監(jiān)測儀器、監(jiān)測類別測點在信息上存在的相互印證、補充關系，運用多種數據融合方法，完成對原始監(jiān)測信息的可靠性檢驗及信息融合，從而對大壩安全監(jiān)測資料的合理性進行綜合診斷.

按照分析的順序及信息融合程度，大壩安全監(jiān)測資料合理性的融合診斷模式可分為3個層次進行，即數值融合、特征融合與決策融合，采用混聯型數據融合結構［7］，即一種類型的監(jiān)測數據先通過同一數據融合中心進行融合分析，所得出的初級融合結果與其他類型融合結果再進行融合分析，組合得出信息合理性的最終融合診斷分析結果.其融合診斷模式如圖2所示.

2.1 數值融合

數值融合是直接對原始監(jiān)測數據進行的處理分析，是一種最低層次的融合，主要是對單測點數據本身進行的融合分析.其主要任務是實現原始監(jiān)測數據的預處理，包括實時判斷并處理上傳時出現的非法、錯誤或不合理數據，以及監(jiān)測數據的粗差初步識別等.數值融合盡可能多的保持了監(jiān)測的原始信息，能夠提供細微信息，其處理數據量大.由于在最低層進行，數值融合對原始信息的不確定性、不完全性和不穩(wěn)定性缺少較為全面的認識，在融合過程中對復雜原因引起的數據變化難以把握，糾錯處理能力不強，僅能處理一些單一的粗大誤差數據.

圖2 信息融合診斷模式Fig.2 Pattern of information fusion diagnosis

2.2 特征融合

特征融合是將各個數據源中提取的整編信息進行綜合處理和分析的過程，是中層融合，主要是對同類型測點數據借助特征值分析、相關性分析等方法進行的融合分析.其功能在于實現信息的統(tǒng)計分析，提供的特征信息直接與合理性分析相關.特征融合分析信息和合理性的基本步驟一般是:首先對單測點進行特征值統(tǒng)計、相關性分析及建模分析(統(tǒng)計建模、時間序列建模、灰模型及混合模型等)，并融合同類型測點監(jiān)測信息，構建壩體空間模型，從時空角度量化分析大壩工作性態(tài).

2.3 決策融合

決策融合屬最高層次上的融合分析，是對所有監(jiān)測類型監(jiān)測信息的融合分析.通過相關處理對不同監(jiān)測類型的特征融合結果應用模式識別或模糊評判等方法，分析每一數據類型支持某種大壩綜合性態(tài)決策的程度，通過綜合推理求解方式對所有信息源數據的支持程度進行證據組合，將定量分析和定性分析結果綜合起來，對大壩安全監(jiān)測資料合理性進行綜合評價.由于決策融合是對信息的綜合調用，可以實現不同監(jiān)測類型的信息互補，因而具有良好的容錯性，在一個或幾個傳感器同時失效時仍能給出準確判斷.

3 典型診斷方法

借助多種信息融合方法，可以有效實現監(jiān)測資料是否失真及誤差的判定，對監(jiān)測資料的合理性進行診斷.結合大壩監(jiān)測數據特點和多源信息融合分析方法，可采取多種方法進行監(jiān)測數據合理性的分析診斷，主要采用的方法有比較法、繪圖法、特征值統(tǒng)計、統(tǒng)計模型及統(tǒng)計診斷、力學模型以及證據組合分析法等.

3.1 比 較 法

水庫大壩各建筑物在一定外界條件下的性態(tài)具有相對穩(wěn)定性和規(guī)律性，表現在同一類監(jiān)測項目之間存在一定的內在聯系，這種內在聯系的規(guī)律，在日常監(jiān)測數據的處理中，可以將其作為衡量監(jiān)測數據合理性、可靠性的依據.如在一定條件下大壩的變形、滲流、應力應變以及溫度等的大小應在一定范圍內，相差甚大、符號相反、超越儀器測量范圍(量程)的測值即首先予以剔除.此外，與水庫大壩工作狀況明顯不符的也為測值不合理.

比較法主要包括監(jiān)測物理量的相互對比、監(jiān)測成果與理論或試驗成果的對比、與警戒界限值的對比等，如與設計計算值比較、同一物理量的各次測值比較、同一測次鄰近同類物理量的比較等.此外，還包括與類似工程的類比.比較法可貫穿于從數值融合到決策融合的全過程，是監(jiān)測資料和理性分析最實用的方法之一，不僅可以實現粗差的判斷，而且對由測點或基點的不穩(wěn)定造成的系統(tǒng)誤差也有很好的識別能力.

3.2 繪 圖 法

由測值繪制相應的過程線、相關圖、分析圖、綜合分析圖等，可直觀地了解和分析測值變化大小和規(guī)律，包括測值隨時間變化的過程線、測值沿壩軸線分布、測值沿斷面分布、測值空間分布、測值沿壩高分布等.以滲流壓力監(jiān)測為例，可以繪制滲壓計測值與庫水位的過程線、滲壓計測值與庫水位的相關圖、沿壩軸線法向分布的滲壓計測值分布圖、沿斷面分布的滲壓計測值(類似于浸潤線)、整個樞紐區(qū)的滲壓計測值分布圖(可表征滲流場)等，可直觀了解滲流壓力監(jiān)測物理量的變化規(guī)律，辨識監(jiān)測資料有無異常.

3.3 特征值統(tǒng)計

特征值統(tǒng)計法的一般內容是對各觀測量歷年的極值(包括出現時間)、變差、周期、年均值及年變化率等進行統(tǒng)計，此外還包括極端環(huán)境量下的測值統(tǒng)計等.將測值與特征值出現的時間進行相互間的對比，考察各觀測物理量之間在數量變化方面具有的一致性，從而判定測值的合理性.

3.4 統(tǒng)計模型及統(tǒng)計診斷

建立表達觀測物理量的原因量(庫水位、氣溫、降雨量、時效等)與效應量(變形、滲流、應力應變等)之間關系的數學模型，對于觀測資料序列較長的大壩，可建立統(tǒng)計模型進行回歸分析，定量分析測值的規(guī)律性和合理性.對于一般監(jiān)測序列，可建立考慮水壓、溫度、降雨及時效等綜合影響的統(tǒng)計模型.對于測值中出現的因更換觀測儀器引起的測點測值突變，可在時效分量公式中引用單位階躍函數.另外，通過對監(jiān)測項目時空影響因素的分析，利用監(jiān)測資料，也可以建立時空分布模型及空間位移場模型［8］等.

建立時空統(tǒng)計模型后，即可借助統(tǒng)計診斷的多種方法進行合理性分析，如最常用3準則，或將殘差進行標準化處理后根據其值大小采用假設檢驗判別誤差類型［9］等;也可通過集成多測點的信息來模擬專家思維，完成異常診斷和分析，包括對觀測值進行異常值探測以及異常趨勢識別，利用多傳感器數據融合進行系統(tǒng)誤差識別和監(jiān)測故障判別［10］等.

3.5 力學模型

對于不符合一般規(guī)律但測值穩(wěn)定性較好的測值，可結合相應的力學知識分析，從而評價其合理性.以某工程心墻部位的滲壓計為例，測值過程線非常穩(wěn)定，但表現出測值高于庫水位的“異?！爆F象［11］.鑒于此，利用土力學知識，首先利用有限元模型模擬相應的施工及加載過程，計算該部位的孔隙水壓力分布情況，從而得到真正庫水位的影響程度，得到描述心墻防滲能力的滲壓計測值過程線.通過計算結果可判定:心墻滲壓計測值高于庫水位的現象是由于施工時產生的超靜孔隙水壓力未完全消散引起的，測值是合理的.

3.6 證據組合

由于影響大壩安全因素的復雜性和影響不確定性，僅憑特定的理論分析對大壩安全監(jiān)測資料合理性進行評價有時難以達到預期效果，還需運用諸如證據組合等其他模糊分析評價手段進行綜合分析［12］.

D－S證據理論應用對于處理不確定性、模糊性問題具有明顯優(yōu)勢，其計算可以通過計算機實現，計算方法較為簡單;D－S合成公式可以綜合不同專家的知識或不同數據源數據，而且評價更為準確.因此，以D－S證據理論方法來綜合評價大壩安全監(jiān)測資料合理性是一種更加有效的手段.其基本實現流程為:在評價過程中首先根據系統(tǒng)工程理論與層次分析法，確定需要評價的監(jiān)測項目和監(jiān)測資料，根據不同方法來確定信息的合理性程度，然后通過證據組合規(guī)則合成，確定最終的合理性程度(如可采用隸屬函數獲得其總的合理性概率等).證據組合評價模型如圖3所示.

圖3 證據組合評價模型Fig.3 Model of evidence combination evaluation

4 信息合理性診斷體系架構

根據上述分析，從大壩安全監(jiān)測資料特征分析出發(fā)，結合多源信息融合技術，構建大壩安全監(jiān)測資料合理性融合診斷的體系框圖見圖4.

通過單測點數據的數值融合分析，可以實現粗差識別;通過同一監(jiān)測類型數據的特征融合，可以實現對系統(tǒng)誤差的判斷和識別，尤其是單測點儀器故障等造成的測值變化等;對于由觀測基點造成的系統(tǒng)誤差或由于大壩病變等復雜原因造成的測值的特殊變化，可通過決策融合予以評判.多種融合方法相結合，更能增加監(jiān)測資料合理性診斷的直觀性和準確性.

圖4 大壩安全監(jiān)測資料合理性融合診斷體系Fig.4 System of dam safety monitoring data rationality fusion diagnosis

5 結語

本文結合大壩安全監(jiān)測資料的數據特征，從結構的不確定性、力學特性的多元性、性態(tài)的漸變性、認知的未確定性、監(jiān)測技術的限制性等方面分析了大壩監(jiān)測資料的不確定性，并由此對誤差組成和分類進行了分析研究.繼而結合多源信息融合技術，構建了大壩安全監(jiān)測資料合理性分析的數值融合→特征融合→決策融合的3級模式，并給出了各級融合的典型實現方法，包括比較法、繪圖法、特征值統(tǒng)計、統(tǒng)計模型及統(tǒng)計診斷、力學模型以及證據組合分析法等.由此構建了大壩安全監(jiān)測資料合理性診斷的體系架構，以結合監(jiān)測數據之間的互補性，實現多種復雜原因形成的監(jiān)測數據的合理性分析，為大壩現狀分析提供合理可信的依據，對評估大壩安全具有重要意義.

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