基于數(shù)據(jù)流的水閘安全監(jiān)測分析

蘭玉廷

(新疆昌源水務(wù)庫爾勒銀泉供水有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

為保障水閘、大壩等水利工程安全可靠運(yùn)行，要定期且準(zhǔn)確觀測和分析水工建筑物的沉降、裂縫、滲壓等，以能夠及時(shí)掌握工程健康狀況與薄弱環(huán)節(jié)，為后期加固維修提供可靠資料[1- 3]。傳統(tǒng)以人工定期觀測方式為主，室外觀測任務(wù)重、測量周期長、人為誤差影響大，監(jiān)測效率與精度無法保證[4]。隨著信息化與智能化要求的提高，充分利用先進(jìn)傳感器、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)進(jìn)行各類水工建筑物的安全自動(dòng)監(jiān)測成為必然選擇[5- 6]。

自動(dòng)監(jiān)測在觀測頻次、精度上的顯著優(yōu)勢可以保證水閘工程安全狀況的連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測要求，能夠長期記錄各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和比對，發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致事故的異常參數(shù)并及時(shí)報(bào)警。在工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線分析時(shí)，通常是設(shè)定不同告警等級及相應(yīng)的上下限閾值，當(dāng)在線測量數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值范圍時(shí)系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的告警動(dòng)作。另一方面，由于各類監(jiān)測數(shù)據(jù)被長期保存至數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)一般會(huì)提供歷史數(shù)據(jù)的查詢與數(shù)據(jù)變化趨勢對比界面或分析工具，采用的是離線查詢與分析方式。

本文將多通道數(shù)據(jù)流的在線相關(guān)分析與聚類方法應(yīng)用于水閘工程安全監(jiān)測領(lǐng)域，通過在線挖掘多個(gè)感興趣測點(diǎn)通道數(shù)據(jù)流之間的聯(lián)系來發(fā)現(xiàn)潛在的工程安全問題或傳感器故障，以期豐富基于閾值判斷告警等常用的在線安全監(jiān)測手段。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水閘工程常態(tài)觀測項(xiàng)目一般包括垂直位移、揚(yáng)壓力、伸縮縫、水位以及流量等，觀測工作應(yīng)按照規(guī)定的項(xiàng)目、測次、順序和時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場觀測。為了改進(jìn)以人工定期觀測為主的水閘工程安全監(jiān)測工作，前期針對某水閘工程，研究開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)測系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)層面對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集層主要從工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集箱和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，匯集相關(guān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)發(fā)布接口提供給上層數(shù)據(jù)分析層調(diào)用和處理。數(shù)據(jù)服務(wù)層則通過開發(fā)功能服務(wù)及人機(jī)界面，供用戶來觀測系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

圖1 水閘安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為能夠進(jìn)一步挖掘感興趣測點(diǎn)通道數(shù)據(jù)流之間的聯(lián)系，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)潛在的工程安全問題或傳感器故障，本文重點(diǎn)研究多數(shù)據(jù)流的在線相關(guān)分析與聚類方法。研究內(nèi)容處于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析層，主要包括多數(shù)據(jù)流獲取、數(shù)據(jù)流統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算、在線相關(guān)分析與聚類3個(gè)過程。多數(shù)據(jù)流的分析結(jié)果可進(jìn)一步交由監(jiān)測預(yù)警模塊進(jìn)行推理及執(zhí)行預(yù)警動(dòng)作。

2 多通道數(shù)據(jù)流在線分析

2.1 基本概念及數(shù)學(xué)描述

數(shù)據(jù)流是一種帶有時(shí)間戳、按序到達(dá)、數(shù)值動(dòng)態(tài)變化的無限數(shù)據(jù)序列[7]。通過在多個(gè)通道上按相同頻率記錄數(shù)據(jù)，并在時(shí)間軸上進(jìn)行對齊，得到多通道數(shù)據(jù)流。由于數(shù)據(jù)流是按時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，在線分析數(shù)據(jù)流時(shí)后到達(dá)數(shù)據(jù)的重要程度往往要高于先前到達(dá)的數(shù)據(jù)，因此引入衰減系數(shù)對數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)逐步遺忘。為提高計(jì)算速度與節(jié)省存儲(chǔ)資源，只需計(jì)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)特征。

2.2 數(shù)據(jù)流相關(guān)分析

為從多通道數(shù)據(jù)流中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)流之間發(fā)展趨勢的一致性，采用相關(guān)系數(shù)計(jì)算2個(gè)數(shù)據(jù)流的相關(guān)性[8- 9]。

2.3 數(shù)據(jù)流聚類

水閘工程安全監(jiān)測會(huì)涉及眾多不同類型測點(diǎn)的數(shù)據(jù)流。為在線將相關(guān)度高的數(shù)據(jù)流自動(dòng)分組，以發(fā)現(xiàn)可能存在的工程安全問題或傳感器故障，采用基于密度聚類的DBSCAN算法[10- 11]對多數(shù)據(jù)流進(jìn)行聚類分析。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 基本情況

對新疆巴音郭楞蒙古自治州孔雀河流域的某節(jié)制閘2塊底板的揚(yáng)壓力以及翼墻與閘身、2塊底板之間的伸縮縫進(jìn)行監(jiān)測。閘底板揚(yáng)壓力監(jiān)測點(diǎn)共6個(gè)，建筑物表面伸縮縫監(jiān)測共6處。除采集測壓管水位、伸縮縫大小數(shù)據(jù)外，在每個(gè)伸縮縫測點(diǎn)處同時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)。此外，從計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中采集上下游水位。因此，系統(tǒng)中供監(jiān)測與分析的數(shù)據(jù)流的通道總數(shù)為20。不同通道名稱的編碼規(guī)則為YYL，F(xiàn)X，WD，SW分別代表揚(yáng)壓力，縫隙，溫度和水位。

選擇該水閘2017年5月1日—2017年10月31日共184d內(nèi)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫的20個(gè)通道數(shù)據(jù)流進(jìn)行在線回放分析。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的頻度是每個(gè)通道每小時(shí)記錄1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此待分析的每個(gè)通道的數(shù)據(jù)流的總長度為5016。本文主要進(jìn)行2類多數(shù)據(jù)流的相關(guān)分析與聚類：水位數(shù)據(jù)流(包含揚(yáng)壓力與上下游水位)與伸縮縫數(shù)據(jù)流(包含伸縮縫溫度與縫隙大小)。數(shù)據(jù)流統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算公式中，衰減系數(shù)取0.99。聚類算法中閾值取1，鄰域半徑取0.9。當(dāng)數(shù)據(jù)流相關(guān)系數(shù)大于0.9時(shí)，稱數(shù)據(jù)流之間具有強(qiáng)正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)小于-0.9時(shí)，稱數(shù)據(jù)流之間具有強(qiáng)負(fù)相關(guān)性。

3.2 結(jié)果與分析

在線檢測結(jié)果見表1—2。表1顯示了水位與揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)流的在線相關(guān)分析與聚類結(jié)果，表2顯示了溫度與伸縮縫數(shù)據(jù)流的相關(guān)分析與聚類結(jié)果。

表1 水位與揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)流相關(guān)系數(shù)矩陣

注：YYL表示揚(yáng)壓力，SW代表水位，1～ZH為測點(diǎn)。

表2 溫度與伸縮縫數(shù)據(jù)流相關(guān)系數(shù)矩陣

注：WD表示溫度，F(xiàn)X表示伸縮縫，1～6為測點(diǎn)。

從表1可以查看到任意2個(gè)水位數(shù)據(jù)流的相關(guān)系數(shù)。布置于水閘工程2個(gè)斷面上的揚(yáng)壓力測管的水位，表現(xiàn)出較強(qiáng)相關(guān)性，屬正常地下水滲透現(xiàn)象，并且與上、下游水位SW-ZQ和SW-ZH均不相關(guān)，表明水閘地基滲壓大小與上下游水位無直接關(guān)系。因此可以看出，對揚(yáng)壓力測管水位與上下游水位數(shù)據(jù)流進(jìn)行在線相關(guān)分析與聚類，可以有效判斷水閘工程滲壓情況及發(fā)現(xiàn)傳感器故障。

表2顯示了溫度與各伸縮縫大小數(shù)據(jù)流的相關(guān)系數(shù)矩陣?？梢钥闯?，該水閘工程各個(gè)斷面連接處的底板水平伸縮縫隙大小與溫度多表現(xiàn)出強(qiáng)負(fù)相關(guān)特性，其余測點(diǎn)處水平伸縮縫隙大小表現(xiàn)為弱負(fù)相關(guān)特性，相關(guān)系數(shù)取值均落在(-1，1)。因此，對伸縮縫與溫度數(shù)據(jù)流進(jìn)行在線相關(guān)分析與聚類，可以挖掘出伸縮縫與溫度的變化特性。對于所有被歸類為噪聲點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，可被直接用于發(fā)現(xiàn)各類工程安全監(jiān)測傳感器的異常情況。

4 結(jié)論

本文以新疆孔雀河流域某水閘為例，基于水閘安全監(jiān)測多數(shù)據(jù)流在線相關(guān)分析方法，得到如下結(jié)論：

(1)6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)各揚(yáng)壓力測管水位表現(xiàn)出強(qiáng)正相關(guān)，反映出正常地下水滲透現(xiàn)象。各測管水位與水閘上、下游水位均不相關(guān)，表明水閘地基滲壓大小與上下游水位無直接關(guān)系。

(2)6個(gè)伸縮縫測點(diǎn)處縫隙大小與溫度表現(xiàn)出強(qiáng)負(fù)相關(guān)，受溫度變化影響明顯，縫隙大小則受溫度影響較小。

(3)本文提出的多數(shù)據(jù)流在線相關(guān)分析法可以有效挖掘多個(gè)感興趣測點(diǎn)通道數(shù)據(jù)流之間的聯(lián)系，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)潛在的工程安全問題或傳感器故障，豐富了水閘工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線自動(dòng)分析手段。