多源信息融合技術(shù)在大壩安全監(jiān)測資料合理性診斷中的應(yīng)用

多源信息融合技術(shù)在大壩安全監(jiān)測資料合理性診斷中的應(yīng)用

隨著水庫安全監(jiān)測自動化水平的提高，它為分析水庫運行現(xiàn)狀提供了豐富全面的信息資源。然而，受水庫結(jié)構(gòu)特征的復(fù)雜性、觀測過程中的隨機因素、安全監(jiān)測儀精度和可靠性的限制，根據(jù)水庫安全監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)不反映水庫狀態(tài)的“真實值”，因此存在隨機誤差或系統(tǒng)誤差。監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和合理性直接影響水庫安全診斷和決策的準(zhǔn)確性。因此，水庫安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性分析和診斷具有重要意義。在分析和評估大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征時，結(jié)合多源信息集成技術(shù)，研究了基于大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性診斷模型和典型方法，并將診斷分析系統(tǒng)構(gòu)建為一個整體。1水庫安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征1.1大壩安全監(jiān)測技術(shù)存在的問題大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的復(fù)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(xiàn)在以下幾個方面:(1)結(jié)構(gòu)的不確定性.大壩壩基地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)狀無法準(zhǔn)確勘探,壩體材料參數(shù)(尤其是土石壩)具有很大的分散性,大壩的施工質(zhì)量影響難以評判等,這些都使得大壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)具有很大的不確定性,如材料和結(jié)構(gòu)的非線性、壩體及壩基材料參數(shù)的非均勻性等,監(jiān)測設(shè)施難以準(zhǔn)確全面反映.(2)力學(xué)特性的多元性.由于大壩工作條件和結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,大壩系統(tǒng)呈現(xiàn)出多元特征,荷載的隨機性、裂縫分布的隨機性等,使得大壩結(jié)構(gòu)的力學(xué)機理極其復(fù)雜,為高度非線性.大壩力學(xué)特性的多元性使得其難以用定量概括,監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果與實際必然存在誤差或失真.(3)性態(tài)的漸變性.大壩結(jié)構(gòu)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(chǎn)生變化并逐漸累積,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(shù)據(jù)的變化是否與大壩性態(tài)漸變性吻合,需要進行相關(guān)分析.(4)認(rèn)知的未確知性.由于大壩性態(tài)及作用環(huán)境的復(fù)雜性,受人們認(rèn)知水平的限制,在監(jiān)測設(shè)計及監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取上同時也存在主觀性的不確定性.(5)監(jiān)測技術(shù)的限制性.雖然大量程、高精度的原觀儀器及監(jiān)測技術(shù)在大壩安全監(jiān)測中應(yīng)用越來越廣泛,但仍然存在諸如儀器現(xiàn)場埋設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化等問題,影響大壩安全監(jiān)測成果的可靠性和合理性.1.2隨機誤差和系統(tǒng)誤差水庫大壩根據(jù)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(yīng)力應(yīng)變觀測等.根據(jù)上述分析,受大壩復(fù)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(shù)據(jù)不可避免地存在誤差或失真信息.根據(jù)誤差理論,大壩安全監(jiān)測值x由所監(jiān)測性態(tài)的“真值”和誤差e組成,誤差e根據(jù)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(shù)據(jù)中普遍存在;粗大誤差由于觀測過程中的操作疏忽在數(shù)據(jù)的記錄、復(fù)制和計算處理過程中所產(chǎn)生的過失錯誤,往往表現(xiàn)出明顯的異常,嚴(yán)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(yán)重偏離真實值或既定統(tǒng)計模型,常表現(xiàn)為單側(cè)點數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)形態(tài)上進行準(zhǔn)確判斷.大壩安全監(jiān)測資料合理性分析的主要任務(wù)就是要根據(jù)監(jiān)測資料的數(shù)據(jù)特征,結(jié)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(zhǔn)確識別和處理.2信息融合診斷模式多源信息融合是指協(xié)調(diào)使用多個傳感器,把分布在不同位置的多個同質(zhì)或異質(zhì)傳感器所提供的局部不完整觀測量及相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)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(biāo)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(shù),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(guān)系,運用多種數(shù)據(jù)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(shù)值融合、特征融合與決策融合,采用混聯(lián)型數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu),即一種類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)先通過同一數(shù)據(jù)融合中心進行融合分析,所得出的初級融合結(jié)果與其他類型融合結(jié)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(jié)果.其融合診斷模式如圖2所示.2.1數(shù)值融合.2.2原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理數(shù)值融合是直接對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)本身進行的融合分析.其主要任務(wù)是實現(xiàn)原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理,包括實時判斷并處理上傳時出現(xiàn)的非法、錯誤或不合理數(shù)據(jù),以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的粗差初步識別等.數(shù)值融合盡可能多的保持了監(jiān)測的原始信息,能夠提供細(xì)微信息,其處理數(shù)據(jù)量大.由于在最低層進行,數(shù)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(rèn)識,在融合過程中對復(fù)雜原因引起的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù).2.2特征融合分析特征融合是將各個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)借助特征值分析、相關(guān)性分析等方法進行的融合分析.其功能在于實現(xiàn)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(guān).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(guān)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(gòu)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支持一種大壩綜合性態(tài)決策的程度確定方法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(guān)處理對不同監(jiān)測類型的特征融合結(jié)果應(yīng)用模式識別或模糊評判等方法,分析每一數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的支持程度進行證據(jù)組合,將定量分析和定性分析結(jié)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(diào)用,可以實現(xiàn)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(zhǔn)確判斷.3大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性分析診斷技術(shù)方法借助多種信息融合方法,可以有效實現(xiàn)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(jié)合大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xué)模型以及證據(jù)組合分析法等.3.1數(shù)據(jù)分析的利用.監(jiān)測結(jié)果從一般的角度進行分析.與水庫大壩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(xiàn)在同一類監(jiān)測項目之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系,這種內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律,在日常監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理中,可以將其作為衡量監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性、可靠性的依據(jù).如在一定條件下大壩的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變以及溫度等的大小應(yīng)在一定范圍內(nèi),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(shè)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(shù)值融合到?jīng)Q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(xiàn)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壩高、滲流壓力分布監(jiān)測數(shù)據(jù)分析由測值繪制相應(yīng)的過程線、相關(guān)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(guān)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測值與特征值的統(tǒng)計特征值統(tǒng)計法的一般內(nèi)容是對各觀測量歷年的極值(包括出現(xiàn)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(xiàn)的時間進行相互間的對比,考察各觀測物理量之間在數(shù)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)計模型的建立建立表達(dá)觀測物理量的原因量(庫水位、氣溫、降雨量、時效等)與效應(yīng)量(變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)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(xiàn)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(shù).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(zhǔn)則,或?qū)埐钸M行標(biāo)準(zhǔn)化處理后根據(jù)其值大小采用假設(shè)檢驗判別誤差類型等;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(shù)據(jù)融合進行系統(tǒng)誤差識別和監(jiān)測故障判別等.3.5心墻防滲能力測算與分析對于不符合一般規(guī)律但測值穩(wěn)定性較好的測值,可結(jié)合相應(yīng)的力學(xué)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(xiàn)出測值高于庫水位的“異?！爆F(xiàn)象.鑒于此,利用土力學(xué)知識,首先利用有限元模型模擬相應(yīng)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(jié)果可判定:心墻滲壓計測值高于庫水位的現(xiàn)象是由于施工時產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力未完全消散引起的,測值是合理的.3.6d-s證據(jù)理論由于影響大壩安全因素的復(fù)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(dá)到預(yù)期效果,還需運用諸如證據(jù)組合等其他模糊分析評價手段進行綜合分析.D-S證據(jù)理論應(yīng)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(xiàn),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(shù)據(jù)源數(shù)據(jù),而且評價更為準(zhǔn)確.因此,以D-S證據(jù)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(xiàn)流程為:在評價過程中首先根據(jù)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(jù)不同方法來確定信息的合理性程度,然后通過證據(jù)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(shù)獲得其總的合理性概率等).證據(jù)組合評價模型如圖3所示.4粗差識別分析根據(jù)上述分析,從大壩安全監(jiān)測資料特征分析出發(fā),結(jié)合多源信息融合技術(shù),構(gòu)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(shù)據(jù)的數(shù)值融合分析,可以實現(xiàn)粗差識別;通過同一監(jiān)測類型數(shù)據(jù)的特征融合,可以實現(xiàn)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(fù)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(jié)合,更能增加監(jiān)測資料合理性診斷的直觀性和準(zhǔn)確性.5大壩安全監(jiān)測資料合理性分析的數(shù)值融合和決策融合本文結(jié)合大壩安全監(jiān)測資料的數(shù)據(jù)特征,從結(jié)構(gòu)的不確定性、力學(xué)特性的多元性、性