盧正超，姜云輝，黎利兵

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038； 2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京100038)

0 引 言

隨著自動化技術(shù)的進步和工程安全管理信息化、智能化的發(fā)展，工程安全監(jiān)測自動化成為大勢所趨。目前大中型的水電站、引調(diào)水工程以及橋梁、隧道、邊坡等巖土工程均在一定程度上實現(xiàn)了工程安全監(jiān)測自動化。工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)一般包括自動化采集、傳輸、供電、防雷接地等基于集成電路的子系統(tǒng)。集成電路電子產(chǎn)品本身比較脆弱，正常工作壽命一般為10年左右。受限于設(shè)備的工作原理和結(jié)構(gòu)特點以及惡劣的現(xiàn)場工作條件，監(jiān)測自動化系統(tǒng)不可避免存在數(shù)據(jù)失真的問題。為確保監(jiān)測自動化系統(tǒng)的實用可靠，應(yīng)采用人工比測這種技術(shù)手段進行必要的考核檢驗?，F(xiàn)行技術(shù)標準DL/T 5211—2005《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5272—2012《大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化要求及驗收規(guī)程》均規(guī)定采用人工比測作為監(jiān)測自動化系統(tǒng)的考核手段。

監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比測的有關(guān)理論和實踐至今仍是一個受關(guān)注的問題[1-5]。文獻[2，5]基于數(shù)理統(tǒng)計的原理提出了自動化比對方法，但均未考慮工程安全監(jiān)測中的傳感器精度等實際情況。

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)，上述監(jiān)測自動化規(guī)程規(guī)范中關(guān)于人工比測定量考核的方差分析方法存在不適用的問題。本文介紹了規(guī)范中人工比測的方差分析方法存在的問題及其原因，并基于工程安全監(jiān)測傳感器實際精度要求，提出了開展內(nèi)部觀測儀器人工比測的精度指標法。

1 規(guī)范中人工比測方法及其存在的問題

對于鋼弦式或差阻式滲壓計、應(yīng)變計、鋼筋計、土壓力計等內(nèi)部觀測儀器，通常采用GK403或BGK408、SQ-5等便攜式讀數(shù)儀進行人工觀測。按規(guī)范要求，便攜式讀數(shù)儀應(yīng)定期進行檢驗。因此，從一般意義上來說，人工觀測讀數(shù)在計量上是可溯源的，自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)與同時同條件的人工觀測數(shù)據(jù)的偏差應(yīng)保持基本穩(wěn)定，無趨勢性漂移，且滿足監(jiān)測精度要求。

根據(jù)DL/T 5211—2005《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》，人工比測可采用過程線比較或方差分析進行比對。過程線比較是取各測點在自動化數(shù)據(jù)采集和人工采集并行階段中的相同時間、相同測次的自動化測值和人工測值，分別繪出自動化測值過程線和人工測值過程線，進行規(guī)律性和測值變化幅度的比較。方差分析是取各測點在自動化數(shù)據(jù)采集和人工采集并行階段中的相同時間、相同測次的自動化測值和人工測值，分別組成自動化測值序列和人工測值序列，計算其標準差σz和σr，按下式計算兩者之差的標準差

(1)

同組數(shù)據(jù)的差值δi=xzi-xri按如下標準控制

δi≤2σ

(2)

即所謂的“2σ”準則。

進行南水北調(diào)中線干線工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比對時發(fā)現(xiàn)，規(guī)范中的上述比測方法存在如下問題：

(1)對于試運行期獲得的長時間序列，自動化采集測值和人工觀測測值均可能存在粗差，不能直接用于比測。

(2)方差分析的基本前提是，在環(huán)境因素及結(jié)構(gòu)性態(tài)保持一致的條件下同時進行多次測讀，使得人工和自動化測值系列的均方差可反映各自的精度。對于長達數(shù)月甚至一年以上的試用期，長時段測值系列的均方差更多地反映環(huán)境因素及結(jié)構(gòu)性態(tài)的變化而不是測量精度，而且計算得到的σz、σr及σ一般很大，遠大于傳感器的測量精度要求，再按“2σ”準則進行判斷就失去意義了。因此，方差分析不適用于長時段的人工比測。

(3)對于短時段人工比測的方差分析，規(guī)范中未規(guī)定比測次數(shù)和對同時性的要求。結(jié)合實際情況，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)人工比對時，筆者按照如下方式進行：①比測時，對各測點交替進行6次自動化采集數(shù)據(jù)(xzi，i=1～6)和6次人工采集數(shù)據(jù)(xri，i=1～6)，稱為一次比測。每次比測的前后歷時，對16通道MCU在2 h內(nèi)；對32通道MCU在4 h內(nèi)。②每次自動化采集數(shù)據(jù)(xzi)和相應(yīng)人工采集數(shù)據(jù)(xri)稱為一組數(shù)據(jù)，同組數(shù)據(jù)的采集時間間隔，對16通道MCU不大于15 min；對32通道MCU不大于30 min。③分別用自動化采集數(shù)據(jù)系列(xzi，i=1～6)和人工采集數(shù)據(jù)系列(xri，i=1～6)計算各自的標準差σz和σr，再按式(1)計算兩者差值的均方差σ，同組數(shù)據(jù)的偏差δi=xzi-xri按“2σ”準則判斷，全部滿足為合格，否則為不合格?；菽锨f管理處679支內(nèi)觀儀器實際比對結(jié)果表明，不合格率在94%以上。主要原因是讀數(shù)儀和自動化采集單元的精度很高且測值很穩(wěn)定，計算得到的均方差σ很小，遠小于傳感器精度。按“2σ”準則，自動化采集儀單元與人工觀測讀數(shù)儀的精度越高測值越穩(wěn)定，σ越小，理論上傳感器(或通道)被判斷為不合格的可能性越高。實際上，自動化采集儀單元與人工觀測讀數(shù)儀是兩種不同類型的儀器儀表，在進行人工比測時，人工讀數(shù)儀為完全隔離絕緣的設(shè)備，而MCU的測值則可能受到絕緣降低的某些傳感器的不利影響。此外，人工測讀和自動化測讀也不可能完全滿足同時性條件，一般時間間隔在數(shù)小時以上，因此理論上自動化采集儀單元與人工觀測讀數(shù)儀之間存在一定偏差是正常的，只要兩者的偏差在傳感器的精度范圍內(nèi)，完全可以認為是滿足工程安全監(jiān)測要求的。綜上，方差分析也不適用于按照上述公式(1)和(2)進行監(jiān)測自動化系統(tǒng)短時段人工比測的考核。

(4)規(guī)范中沒有明確是采用頻模、溫度等原始物理量還是換算后的工程量(如滲壓、應(yīng)變、應(yīng)力等)進行比對。對于鋼弦式傳感器，如采用換算后的工程量進行比對，受溫度修正的影響，頻模通道正常而溫度通道不正常的傳感器會被判斷為不合格。實際上頻模通道正常，溫度測值不正常但附近有可替代的溫度測值或溫度測值存在常差，從分析的角度來看，傳感器的讀數(shù)是有效、可用的，不宜判斷為不合格。

(5)對于過程線比較，規(guī)范中沒有給出定量的標準，因此評價結(jié)果受限于實際操作人員的經(jīng)驗。

2 建議的人工比測精度指標法

綜上所述，DL/T 5211—2005《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5272—2012《大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化要求及驗收規(guī)程》中所述的方差分析方法不適用于自動化監(jiān)測系統(tǒng)的人工比測。針對實際工程人工比對發(fā)現(xiàn)的問題，建議監(jiān)測自動化系統(tǒng)的人工比對采用如下方式：

(1)人工比測，按原始物理量進行對比。

(2)作為試運行期的考核方式的人工比測，遵循定性和定量相結(jié)合的原則，采用過程線比較，自動化測值和人工測值偏差判斷標準應(yīng)基于傳感器的測量精度而不是前述“2σ”準則。同組測值的偏差δi應(yīng)滿足如下條件

δi=xzi-xri

(3)

δi≤2σ標

(4)

式中，σ標為傳感器的標稱技術(shù)指標。例如，某支BGK4911鋼弦式鋼筋計，測量范圍為100 kN，標稱精度0.25%FS，儀器系數(shù)G=0.045 172 kN/digit，則頻模通道的標稱技術(shù)指標σ標=100×0.25%÷0.045 172=5.5個模數(shù)。上述方法需要用到各傳感器的量程和儀器系數(shù)等資料，實際使用起來比較麻煩。為簡化起見，對于鋼弦式傳感器的頻模通道，可采用表1所示的廠家提供的參考精度，按下述標準進行評價

δi≤σ精

(5)

式中，σ精為傳感器的精度指標。對于鋼弦式儀器的溫度通道，可使用下述標準進行評價

δi≤1.0 ℃

(6)

(3)運行期半年或一年一次的人工比測，可按照規(guī)范要求進行監(jiān)測自動化系統(tǒng)短期穩(wěn)定性測試，2 h 內(nèi)連續(xù)測讀15次，其中，誤差應(yīng)滿足廠家的標稱技術(shù)指標，同時2 h內(nèi)連續(xù)3次進行人工測讀(與自動化測讀的間隔時間不大于15～30 min)，自動化測值的算術(shù)平均值和人工測值的算術(shù)平均值兩者的偏差應(yīng)滿足上述基于傳感器測量精度的控制標準。

表1 基康鋼弦式儀器頻模測值參考精度

(4)自動化測值和人工測值的序列中同組測值的測時間隔不大于4～8 h。

(5)對自動化測值和人工測值的序列存在的粗差，對比前應(yīng)剔除。上述方法基于傳感器的實際精度，因此可稱之為精度標準法。

3 不同方法的人工比測結(jié)果分析

南水北調(diào)中線干線工程惠南莊管理處工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，設(shè)4個測站，自動化采集單元(美國基康Micro-1000)23臺，接入內(nèi)部觀測儀器測點679個，包括鋼筋計280支、應(yīng)變計246支、無應(yīng)力計50支、土壓力計28支、測縫計18支、滲壓計51支和溫度計6支，除溫度計外，均為基康公司的鋼弦式儀器。除少數(shù)儀器埋設(shè)于2009年～2010年外，絕大多數(shù)儀器埋設(shè)于2006年5月～2008年5月。監(jiān)測自動化系統(tǒng)于2012年10月開始試運行。

2017年7月，在前期工作的基礎(chǔ)上我們對惠南莊管理處接入自動化的全部測點進行了系統(tǒng)的比測和分析，采用了下述4種方法對自動化和人工測值序列進行分析評價：

(1)短時方差法。即按照前面第1節(jié)中所述的短時段人工比測的方差分析方法，對各測點交替進行6次自動化采集數(shù)據(jù)和6次人工采集數(shù)據(jù)，按“2σ”準則進行評價。實際得到的2σ很小，一般均小于1個模數(shù)，小于儀器測量精度甚多，總體合格率僅為5.3%。

(2)長時方差法。對2017年1月1日至2017年6月30日期間的同時同條件的人工觀測數(shù)據(jù)和自動化數(shù)據(jù)，按照方差分析方法“2σ”準則進行評價。實際得到的2σ很大，一般幾十甚至上百個模數(shù)，遠超過儀器測量精度，總體合格率為92.7%。部分不合格的測點還有人工測值不可靠的因素?？鄢撘蛩赜绊懀细衤蕰?。

(3)過程線檢查法。繪制全序列的自動化測值過程線和人工測值過程線，進行規(guī)律性和測值變化幅度的比較，根據(jù)經(jīng)驗判斷是否合格，總體合格率為86.3%。

(4)精度標準法。用本文提出的精度標準法，參照表1的傳感器的精度指標，按照公式(5)和(6)進行評價，總體合格率為74.0%。

可以看到，短時方差法“2σ”準則過嚴導(dǎo)致合格率過低，長時方差法“2σ”準則過寬導(dǎo)致合格率過高，均和實際狀況不符；過程線檢查缺乏定量標準，得到的結(jié)論因人而異；精度標準法與實際情況比較吻合。

4 結(jié) 語

(1)目前大壩安全監(jiān)測自動化相關(guān)規(guī)程規(guī)范中人工比測定量考核的方差分析方法2σ標準，存在長時段測值序列方差過大、短時段測值序列方差過小的問題，與傳感器的測量精度未能建立有效的聯(lián)系，“2σ”準則或過嚴導(dǎo)致合格率過低，或過寬導(dǎo)致合格率過高，與實際狀況不符，不適用于自動化監(jiān)測系統(tǒng)的人工比測。本文建議采用精度指標法取代方差分析方法進行人工比測定量考核?，F(xiàn)場比對工作表明，精度指標法評價結(jié)果與實際情況較為吻合。

(2)建議對DL/T 5211—2005《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》和DL/T5272—2012《大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化要求及驗收規(guī)程》關(guān)于人工比測的內(nèi)容進行必要的修改：①監(jiān)測自動化系統(tǒng)比測指標應(yīng)滿足的標準為，自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)與同時同條件的人工觀測數(shù)據(jù)的偏差應(yīng)保持基本穩(wěn)定，無趨勢性漂移，且滿足監(jiān)測精度要求。②人工比測宜采用原始物理量過程線進行比較，剔除粗差，同組測值的測時間隔不宜大于4～8 h，自動化測值和人工測值偏差合格判斷標準應(yīng)基于傳感器的測量精度。

(3)進行人工比對時，為加快進度，可根據(jù)傳感器型號規(guī)格，系統(tǒng)收集廠家提供的參考精度。

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