南水北調(diào)工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比測方法研究

邊 超 王璐璐

(南水北調(diào)中線信息科技有限公司，北京 100038)

南水北調(diào)中線干線工程是一項跨流域、長距離的特大型調(diào)水工程，工程不僅具有線路長、覆蓋范圍大、地域分布廣的特點，且涉及專業(yè)極多，對自動化集成控制要求高。為確保建筑物安全，可靠掌握水工建筑物的工作性態(tài)，滿足工程實時監(jiān)測和快速反饋需求，必須建立高效、穩(wěn)定且滿足南水北調(diào)工程實際情況的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)[1]。南水北調(diào)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)主要包括四部分:數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)和防雷接地子系統(tǒng)，選擇CR1000系列高性能數(shù)據(jù)采集器為核心的自動化系統(tǒng)設(shè)備，建立分布式監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)[2]，有效解決了監(jiān)測范圍廣、測點數(shù)量龐大、工程規(guī)模巨大等問題。

目前，南水北調(diào)工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)已整體有效運行近10年，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)集成電路電子產(chǎn)品面臨質(zhì)量極限，存在數(shù)據(jù)失真風(fēng)險，為確保安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)可靠有效，按照《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5211—2019)要求，結(jié)合工程實際規(guī)定每年進行至少1次全部測點人工比測工作。目前南水北調(diào)工程采用精度指標法[3]進行人工比測工作，由于《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》對人工比測部分進行重新修訂，需結(jié)合南水北調(diào)工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實際情況，對方差分析法、精度指標法進行重新分析討論。筆者在進行南水北調(diào)中線干線工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比測的過程中發(fā)現(xiàn)，《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5211—2019)中人工比測方法存在諸多問題，而精度指標法則為南水北調(diào)工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比測適宜性方法，并結(jié)合工程實際對精度指標法進行了適用性細化。

1 規(guī)范標準人工比測不適宜性

1.1 規(guī)范比測規(guī)定

《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5211—2019)為進行內(nèi)觀儀器人工比測的方差分析，采用測點試運行期自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測相同時間、相同測次的測值分別組成自動化測值序列Xzi和人工測值序列Xri。每次進行人工及自動化對比測量時的連續(xù)測讀數(shù)宜為3～9次，記錄對應(yīng)測量過程中的中間值Xzi、Xri。按式(1)計算兩個序列之間的偏差δi，按式(2)計算比測偏差序列的均方差δ，按式(3)計算比測偏差控制值σ，取δ≤2σ。

δi=|Xzi-Xri|

(1)

(2)

(3)

式中i——第i次比測；

n——總比測次數(shù)；

σz——自動化測量精度；

σr——人工測量精度。

按式(4)、式(5)計算本次對比測量時該測點的標準差eri、ezi；按式(6)、式(7)計算運行時間內(nèi)該測點的標準差算數(shù)平均值er、ez。

(4)

(5)

(6)

(7)

C值按表1查詢。

表1 極差系數(shù)查詢

1.2 規(guī)范標準中存在的問題

依照南水北調(diào)中線工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)2020年及2021年人工比測實際工作情況，總結(jié)發(fā)現(xiàn)規(guī)范標準存在如下實際問題。

1.2.1 無法獲取試運行期間內(nèi)相同次數(shù)與相同時間的測值

南水北調(diào)工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比測基于先采集自動化數(shù)據(jù)或先采集人工數(shù)據(jù)均不影響數(shù)據(jù)準確性，規(guī)定人工自動化連續(xù)測讀4次滿足規(guī)范標準要求。以先進行人工讀數(shù)為例，人工讀數(shù)由于振弦讀數(shù)儀存在讀數(shù)延遲或無效讀數(shù)，完成一支儀器4次讀數(shù)時長大于1min，后需進行2～3min自動化系統(tǒng)設(shè)置，再進行自動化讀數(shù)；反之先進行自動化讀數(shù)，變更人工讀數(shù)也需清除前序自動化讀數(shù)腳本，系統(tǒng)設(shè)置仍需2～3min，總之單支儀器自動化人工讀數(shù)至少間隔在3min以上，對于高靈敏度傳感器來說，其所采集的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)瞬時變化，無法滿足相同時間條件規(guī)定。

1.2.2 進行多序列測讀，人工成本巨大

面對南水北調(diào)工程規(guī)模大、線路長、儀器種類數(shù)量繁多的情況，在不考慮是否滿足相同時間的情況下，按照人、車輛等現(xiàn)有實際情況，完成單次單序列人工比測工作需1個月，每增加一組序列采集，工作時長翻倍，按照每年2次人工比測，采集3序列，人工比測工作需6個月，若需采集更多序列，易出現(xiàn)無法滿足工程維護實際條件的情況，局限性大。

1.2.3 公式修訂無效,實際效果不良

人工比測合格性評判為誤差在精度范圍內(nèi)即判定合格，方差分析法滿足δ≤2σ則合格?！洞髩伟踩O(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5211—2019)對誤差值與精度值控制無效，適用性有待考究。

a.儀器狀態(tài)良好，δ誤差值控制方式適得其反。

b.引入標準差e，未對精度值σ起到實際作用。

2 南水北調(diào)工程人工比測適用方法完善內(nèi)容

南水北調(diào)工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比測工作于2020年正式啟用精度指標法對儀器進行合格性評判，合格率符合系統(tǒng)實際情況，并在實踐過程中對精度指標法進行了完善。完善內(nèi)容包括以下四項：一是對于鋼弦式傳感器，頻模通道和溫度通道均滿足精度要求的，傳感器比測結(jié)果為合格；頻模通道合格，溫度測值不合格但附近有可替代的溫度測值或溫度測值存在常差，傳感器的讀數(shù)是有效、可用的，也應(yīng)判為合格。二是人工比測前必須進行測站接地電阻測試。三是對于整編物理量計算不采用溫度修正的儀器可不對溫度通道進行比測。四是嚴格控制不納入儀器，對于可確定失效儀器不納入統(tǒng)計處理，失效儀器表現(xiàn)為：人工自動化均無讀數(shù)，可直接判定失效；人工自動化數(shù)據(jù)跳動劇烈，可判定失效；人工自動化讀數(shù)明顯超頻模范圍，可判定失效。其他留觀儀器均納入統(tǒng)計，保證合格率真實性。

3 南水北調(diào)工程自動化系統(tǒng)人工比測方差分析法與精度指標法結(jié)果比較分析

以南水北調(diào)工程淶涿管理處安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比測作為樣本，采用精度指標法進行人工比測發(fā)現(xiàn)不合格儀器分為以下幾類：人工讀數(shù)穩(wěn)定，自動化無讀數(shù)/跳數(shù)/超限值/經(jīng)驗錯誤值；人工無讀數(shù)/跳數(shù)/超限值/經(jīng)驗錯誤值，自動化讀數(shù)穩(wěn)定；溫度計溫度差值超限不合格；人工自動化讀數(shù)超精度限制。精度指標法可識別頻模大范圍波動、自動化人工讀數(shù)差值為常差等異常情況，需注意人工自動化讀數(shù)盡可能選擇在同一時間點，因為部分儀器精度高，對原始數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高。比如部分應(yīng)變計型號為BGK4200，精度為1.2模數(shù)，控制值較小，易發(fā)生錯判。按照精度指標法進行數(shù)據(jù)分析，有效儀器639支，582支合格，合格率為91.07%。按照方差分析法對淶涿管理處數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計結(jié)果如下：接入有效儀器639支，188支合格，合格率為29.42%，方差法無法體現(xiàn)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實際運行狀態(tài)。

按照《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5211—2019)的規(guī)定，應(yīng)用方差分析法進行南水北調(diào)工程自動化系統(tǒng)人工比測，對大部分儀器來說，放大了誤差值δ，并未有效放大精度控制值σ，無法滿足對南水北調(diào)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)有效評價的要求。

南水北調(diào)工程振弦傳感器裝有熱敏電阻[4]，可同時測量該傳感器所在部位溫度數(shù)值，但經(jīng)過長期運行，溫度通道損壞失效情況較多，理論上應(yīng)與傳感器絕緣性能有關(guān)，但數(shù)據(jù)并不支持理論說法，仍在研究討論當(dāng)中。

4 結(jié) 語

本次南水北調(diào)工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比測方法研究是繼制定精度指標法后的進一步深化，對規(guī)范標準換版后的方差分析進行了說明，進一步細化完善了精度指標法，通過實例證明了精度指標法適用于南水北調(diào)工程的實際情況。