盧正超，姜云輝，黎利兵

(1.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038)

0 引 言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)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(cè)自動(dòng)化成為大勢(shì)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(shí)現(xiàn)了工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)一般包括自動(dòng)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(diǎn)以及惡劣的現(xiàn)場(chǎng)工作條件，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)不可避免存在數(shù)據(jù)失真的問(wèn)題。為確保監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用可靠，應(yīng)采用人工比測(cè)這種技術(shù)手段進(jìn)行必要的考核檢驗(yàn)?，F(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5211—2005《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5272—2012《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)用化要求及驗(yàn)收規(guī)程》均規(guī)定采用人工比測(cè)作為監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的考核手段。

監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)人工比測(cè)的有關(guān)理論和實(shí)踐至今仍是一個(gè)受關(guān)注的問(wèn)題[1-5]。文獻(xiàn)[2，5]基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理提出了自動(dòng)化比對(duì)方法，但均未考慮工程安全監(jiān)測(cè)中的傳感器精度等實(shí)際情況。

筆者在進(jìn)行南水北調(diào)中線干線工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)人工比測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，上述監(jiān)測(cè)自動(dòng)化規(guī)程規(guī)范中關(guān)于人工比測(cè)定量考核的方差分析方法存在不適用的問(wèn)題。本文介紹了規(guī)范中人工比測(cè)的方差分析方法存在的問(wèn)題及其原因，并基于工程安全監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)際精度要求，提出了開(kāi)展內(nèi)部觀測(cè)儀器人工比測(cè)的精度指標(biāo)法。

1 規(guī)范中人工比測(cè)方法及其存在的問(wèn)題

對(duì)于鋼弦式或差阻式滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、土壓力計(jì)等內(nèi)部觀測(cè)儀器，通常采用GK403或BGK408、SQ-5等便攜式讀數(shù)儀進(jìn)行人工觀測(cè)。按規(guī)范要求，便攜式讀數(shù)儀應(yīng)定期進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，從一般意義上來(lái)說(shuō)，人工觀測(cè)讀數(shù)在計(jì)量上是可溯源的，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與同時(shí)同條件的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的偏差應(yīng)保持基本穩(wěn)定，無(wú)趨勢(shì)性漂移，且滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)精度要求。

根據(jù)DL/T 5211—2005《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》，人工比測(cè)可采用過(guò)程線比較或方差分析進(jìn)行比對(duì)。過(guò)程線比較是取各測(cè)點(diǎn)在自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和人工采集并行階段中的相同時(shí)間、相同測(cè)次的自動(dòng)化測(cè)值和人工測(cè)值，分別繪出自動(dòng)化測(cè)值過(guò)程線和人工測(cè)值過(guò)程線，進(jìn)行規(guī)律性和測(cè)值變化幅度的比較。方差分析是取各測(cè)點(diǎn)在自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和人工采集并行階段中的相同時(shí)間、相同測(cè)次的自動(dòng)化測(cè)值和人工測(cè)值，分別組成自動(dòng)化測(cè)值序列和人工測(cè)值序列，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差σz和σr，按下式計(jì)算兩者之差的標(biāo)準(zhǔn)差

(1)

同組數(shù)據(jù)的差值δi=xzi-xri按如下標(biāo)準(zhǔn)控制

δi≤2σ

(2)

即所謂的“2σ”準(zhǔn)則。

進(jìn)行南水北調(diào)中線干線工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)人工比對(duì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，規(guī)范中的上述比測(cè)方法存在如下問(wèn)題：

(1)對(duì)于試運(yùn)行期獲得的長(zhǎng)時(shí)間序列，自動(dòng)化采集測(cè)值和人工觀測(cè)測(cè)值均可能存在粗差，不能直接用于比測(cè)。

(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(shí)進(jìn)行多次測(cè)讀，使得人工和自動(dòng)化測(cè)值系列的均方差可反映各自的精度。對(duì)于長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至一年以上的試用期，長(zhǎng)時(shí)段測(cè)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(cè)量精度，而且計(jì)算得到的σz、σr及σ一般很大，遠(yuǎn)大于傳感器的測(cè)量精度要求，再按“2σ”準(zhǔn)則進(jìn)行判斷就失去意義了。因此，方差分析不適用于長(zhǎng)時(shí)段的人工比測(cè)。

(3)對(duì)于短時(shí)段人工比測(cè)的方差分析，規(guī)范中未規(guī)定比測(cè)次數(shù)和對(duì)同時(shí)性的要求。結(jié)合實(shí)際情況，在進(jìn)行南水北調(diào)中線干線工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)人工比對(duì)時(shí)，筆者按照如下方式進(jìn)行：①比測(cè)時(shí)，對(duì)各測(cè)點(diǎn)交替進(jìn)行6次自動(dòng)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(chēng)為一次比測(cè)。每次比測(cè)的前后歷時(shí)，對(duì)16通道MCU在2 h內(nèi)；對(duì)32通道MCU在4 h內(nèi)。②每次自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)(xzi)和相應(yīng)人工采集數(shù)據(jù)(xri)稱(chēng)為一組數(shù)據(jù)，同組數(shù)據(jù)的采集時(shí)間間隔，對(duì)16通道MCU不大于15 min；對(duì)32通道MCU不大于30 min。③分別用自動(dòng)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(jì)算各自的標(biāo)準(zhǔn)差σz和σr，再按式(1)計(jì)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(zhǔn)則判斷，全部滿(mǎn)足為合格，否則為不合格?；菽锨f管理處679支內(nèi)觀儀器實(shí)際比對(duì)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(dòng)化采集單元的精度很高且測(cè)值很穩(wěn)定，計(jì)算得到的均方差σ很小，遠(yuǎn)小于傳感器精度。按“2σ”準(zhǔn)則，自動(dòng)化采集儀單元與人工觀測(cè)讀數(shù)儀的精度越高測(cè)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(shí)際上，自動(dòng)化采集儀單元與人工觀測(cè)讀數(shù)儀是兩種不同類(lèi)型的儀器儀表，在進(jìn)行人工比測(cè)時(shí)，人工讀數(shù)儀為完全隔離絕緣的設(shè)備，而MCU的測(cè)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(cè)讀和自動(dòng)化測(cè)讀也不可能完全滿(mǎn)足同時(shí)性條件，一般時(shí)間間隔在數(shù)小時(shí)以上，因此理論上自動(dòng)化采集儀單元與人工觀測(cè)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(rèn)為是滿(mǎn)足工程安全監(jiān)測(cè)要求的。綜上，方差分析也不適用于按照上述公式(1)和(2)進(jìn)行監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)短時(shí)段人工比測(cè)的考核。

(4)規(guī)范中沒(méi)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(jìn)行比對(duì)。對(duì)于鋼弦式傳感器，如采用換算后的工程量進(jìn)行比對(duì)，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(huì)被判斷為不合格。實(shí)際上頻模通道正常，溫度測(cè)值不正常但附近有可替代的溫度測(cè)值或溫度測(cè)值存在常差，從分析的角度來(lái)看，傳感器的讀數(shù)是有效、可用的，不宜判斷為不合格。

(5)對(duì)于過(guò)程線比較，規(guī)范中沒(méi)有給出定量的標(biāo)準(zhǔn)，因此評(píng)價(jià)結(jié)果受限于實(shí)際操作人員的經(jīng)驗(yàn)。

2 建議的人工比測(cè)精度指標(biāo)法

綜上所述，DL/T 5211—2005《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5272—2012《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)用化要求及驗(yàn)收規(guī)程》中所述的方差分析方法不適用于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人工比測(cè)。針對(duì)實(shí)際工程人工比對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，建議監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的人工比對(duì)采用如下方式：

(1)人工比測(cè)，按原始物理量進(jìn)行對(duì)比。

(2)作為試運(yùn)行期的考核方式的人工比測(cè)，遵循定性和定量相結(jié)合的原則，采用過(guò)程線比較，自動(dòng)化測(cè)值和人工測(cè)值偏差判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)基于傳感器的測(cè)量精度而不是前述“2σ”準(zhǔn)則。同組測(cè)值的偏差δi應(yīng)滿(mǎn)足如下條件

δi=xzi-xri

(3)

δi≤2σ標(biāo)

(4)

式中，σ標(biāo)為傳感器的標(biāo)稱(chēng)技術(shù)指標(biāo)。例如，某支BGK4911鋼弦式鋼筋計(jì)，測(cè)量范圍為100 kN，標(biāo)稱(chēng)精度0.25%FS，儀器系數(shù)G=0.045 172 kN/digit，則頻模通道的標(biāo)稱(chēng)技術(shù)指標(biāo)σ標(biāo)=100×0.25%÷0.045 172=5.5個(gè)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(shí)際使用起來(lái)比較麻煩。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)

δi≤σ精

(5)

式中，σ精為傳感器的精度指標(biāo)。對(duì)于鋼弦式儀器的溫度通道，可使用下述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)

δi≤1.0 ℃

(6)

(3)運(yùn)行期半年或一年一次的人工比測(cè)，可按照規(guī)范要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)短期穩(wěn)定性測(cè)試，2 h 內(nèi)連續(xù)測(cè)讀15次，其中，誤差應(yīng)滿(mǎn)足廠家的標(biāo)稱(chēng)技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)2 h內(nèi)連續(xù)3次進(jìn)行人工測(cè)讀(與自動(dòng)化測(cè)讀的間隔時(shí)間不大于15～30 min)，自動(dòng)化測(cè)值的算術(shù)平均值和人工測(cè)值的算術(shù)平均值兩者的偏差應(yīng)滿(mǎn)足上述基于傳感器測(cè)量精度的控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 基康鋼弦式儀器頻模測(cè)值參考精度

(4)自動(dòng)化測(cè)值和人工測(cè)值的序列中同組測(cè)值的測(cè)時(shí)間隔不大于4～8 h。

(5)對(duì)自動(dòng)化測(cè)值和人工測(cè)值的序列存在的粗差，對(duì)比前應(yīng)剔除。上述方法基于傳感器的實(shí)際精度，因此可稱(chēng)之為精度標(biāo)準(zhǔn)法。

3 不同方法的人工比測(cè)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(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，設(shè)4個(gè)測(cè)站，自動(dòng)化采集單元(美國(guó)基康Micro-1000)23臺(tái)，接入內(nèi)部觀測(cè)儀器測(cè)點(diǎn)679個(gè)，包括鋼筋計(jì)280支、應(yīng)變計(jì)246支、無(wú)應(yīng)力計(jì)50支、土壓力計(jì)28支、測(cè)縫計(jì)18支、滲壓計(jì)51支和溫度計(jì)6支，除溫度計(jì)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(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)于2012年10月開(kāi)始試運(yùn)行。

2017年7月，在前期工作的基礎(chǔ)上我們對(duì)惠南莊管理處接入自動(dòng)化的全部測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的比測(cè)和分析，采用了下述4種方法對(duì)自動(dòng)化和人工測(cè)值序列進(jìn)行分析評(píng)價(jià)：

(1)短時(shí)方差法。即按照前面第1節(jié)中所述的短時(shí)段人工比測(cè)的方差分析方法，對(duì)各測(cè)點(diǎn)交替進(jìn)行6次自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)和6次人工采集數(shù)據(jù)，按“2σ”準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)際得到的2σ很小，一般均小于1個(gè)模數(shù)，小于儀器測(cè)量精度甚多，總體合格率僅為5.3%。

(2)長(zhǎng)時(shí)方差法。對(duì)2017年1月1日至2017年6月30日期間的同時(shí)同條件的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)化數(shù)據(jù)，按照方差分析方法“2σ”準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)際得到的2σ很大，一般幾十甚至上百個(gè)模數(shù)，遠(yuǎn)超過(guò)儀器測(cè)量精度，總體合格率為92.7%。部分不合格的測(cè)點(diǎn)還有人工測(cè)值不可靠的因素?？鄢撘蛩赜绊?，合格率會(huì)更高。

(3)過(guò)程線檢查法。繪制全序列的自動(dòng)化測(cè)值過(guò)程線和人工測(cè)值過(guò)程線，進(jìn)行規(guī)律性和測(cè)值變化幅度的比較，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷是否合格，總體合格率為86.3%。

(4)精度標(biāo)準(zhǔn)法。用本文提出的精度標(biāo)準(zhǔn)法，參照表1的傳感器的精度指標(biāo)，按照公式(5)和(6)進(jìn)行評(píng)價(jià)，總體合格率為74.0%。

可以看到，短時(shí)方差法“2σ”準(zhǔn)則過(guò)嚴(yán)導(dǎo)致合格率過(guò)低，長(zhǎng)時(shí)方差法“2σ”準(zhǔn)則過(guò)寬導(dǎo)致合格率過(guò)高，均和實(shí)際狀況不符；過(guò)程線檢查缺乏定量標(biāo)準(zhǔn)，得到的結(jié)論因人而異；精度標(biāo)準(zhǔn)法與實(shí)際情況比較吻合。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)目前大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化相關(guān)規(guī)程規(guī)范中人工比測(cè)定量考核的方差分析方法2σ標(biāo)準(zhǔn)，存在長(zhǎng)時(shí)段測(cè)值序列方差過(guò)大、短時(shí)段測(cè)值序列方差過(guò)小的問(wèn)題，與傳感器的測(cè)量精度未能建立有效的聯(lián)系，“2σ”準(zhǔn)則或過(guò)嚴(yán)導(dǎo)致合格率過(guò)低，或過(guò)寬導(dǎo)致合格率過(guò)高，與實(shí)際狀況不符，不適用于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人工比測(cè)。本文建議采用精度指標(biāo)法取代方差分析方法進(jìn)行人工比測(cè)定量考核。現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)工作表明，精度指標(biāo)法評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。

(2)建議對(duì)DL/T 5211—2005《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》和DL/T5272—2012《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)用化要求及驗(yàn)收規(guī)程》關(guān)于人工比測(cè)的內(nèi)容進(jìn)行必要的修改：①監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)比測(cè)指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足的標(biāo)準(zhǔn)為，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與同時(shí)同條件的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的偏差應(yīng)保持基本穩(wěn)定，無(wú)趨勢(shì)性漂移，且滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)精度要求。②人工比測(cè)宜采用原始物理量過(guò)程線進(jìn)行比較，剔除粗差，同組測(cè)值的測(cè)時(shí)間隔不宜大于4～8 h，自動(dòng)化測(cè)值和人工測(cè)值偏差合格判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)基于傳感器的測(cè)量精度。

(3)進(jìn)行人工比對(duì)時(shí)，為加快進(jìn)度，可根據(jù)傳感器型號(hào)規(guī)格，系統(tǒng)收集廠家提供的參考精度。

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