湯小飛

(江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321)

我國(guó)高水頭水利工程建設(shè)規(guī)模已躍居世界第一。水頭的逐漸提高對(duì)閘門(mén)的要求也日益提高，對(duì)閘門(mén)的靈活性、安全性和耐久性都有了極高的要求[1- 2]。在水利工程中的閘門(mén)，分為平板閘門(mén)、弧形閘門(mén)、人字閘門(mén)、圓通閘門(mén)等，用的最多的為平板閘門(mén)和弧形閘門(mén)[3]?；⌒伍l門(mén)具有受力合理、質(zhì)量可靠、啟動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，但存在著不便檢修、造價(jià)較高、占地空間大的缺點(diǎn)[4]。平板閘門(mén)由于其占地空間小、運(yùn)行建設(shè)方便、便于檢修等優(yōu)點(diǎn)，同樣應(yīng)用廣泛[5]，直升式平板閘門(mén)為平板閘門(mén)中應(yīng)用最廣泛的型式[6]為本文的研究對(duì)象。

閘門(mén)作為水工建筑物中的主要擋水設(shè)施，其穩(wěn)定性決定著水利樞紐的運(yùn)行壽命與安全，閘門(mén)的失穩(wěn)直接威脅水工建筑物的安全，直接影響著居民的人身安全[7]。由于閘門(mén)上下游水位的不斷變化，同時(shí)受到水躍、冰壓力等作用的影響，閘門(mén)易受到脈動(dòng)壓力的影響，從而引起閘門(mén)振動(dòng)，造成閘門(mén)裂縫，引發(fā)閘門(mén)失穩(wěn)[8]?，F(xiàn)有的研究基本集中在對(duì)閘門(mén)振動(dòng)的原型觀測(cè)和數(shù)值模擬中[9- 10]，對(duì)閘門(mén)振動(dòng)的預(yù)測(cè)模型研究較少。本文通過(guò)原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并基于ELM預(yù)測(cè)模型對(duì)閘門(mén)振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為閘門(mén)設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)觀測(cè)與研究方法

1.1 閘門(mén)振動(dòng)試驗(yàn)觀測(cè)

對(duì)于閘門(mén)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，針對(duì)平板閘門(mén)主要受力部位主梁和縱向隔板的監(jiān)測(cè)，如圖1所示共設(shè)置40個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)水位下，閘門(mén)所受振動(dòng)壓力隨著部位的不同呈現(xiàn)不同的分布特征，監(jiān)測(cè)閘門(mén)啟閉過(guò)程中，其振動(dòng)脈動(dòng)壓力與位移變化，從而得出長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)，為閘門(mén)安全運(yùn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)模型建立提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 閘門(mén)測(cè)試點(diǎn)分布圖

1.2 閘門(mén)振動(dòng)ELM預(yù)測(cè)模型建立

傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型存在訓(xùn)練速度慢、易陷入局部最優(yōu)等缺點(diǎn)。ELM模型可以很好地克服這些缺點(diǎn)。其具有收斂速度快、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，在回歸檢驗(yàn)、模型預(yù)測(cè)領(lǐng)域已得到了極大的應(yīng)用[11]。圖2為ELM模型的基本原理圖，ELM模型主要可分為輸入層、隱含層和輸出層3部分。首先通過(guò)輸入層輸入所求變量，通過(guò)與隱含層之間的權(quán)重ωij，計(jì)算出輸出層權(quán)重βjk和輸出變量矩陣，得出最終結(jié)果。

圖2 ELM模型計(jì)算原理圖

極限學(xué)習(xí)算法將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出權(quán)重過(guò)程分為2步。在初始階段，假定所求權(quán)重為β，假設(shè)初始輸入權(quán)重為ai和輸入偏置bi，輸入層矩陣用H0表示，通過(guò)式(1)計(jì)算輸出權(quán)重β0為:

(1)

(2)

式中，β0—輸出權(quán)重；H0—輸入層矩陣；T0—變量矩陣。

對(duì)于輸出權(quán)重βi，可由下式計(jì)算：

(3)

(4)

根據(jù)求得的輸出權(quán)重，與輸出變量進(jìn)行運(yùn)算，最終求得極限學(xué)習(xí)機(jī)算法的最終模擬結(jié)果。

本文中ELM模型算法采用Matlab2013a軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，詳細(xì)運(yùn)算過(guò)程與代碼形式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12]。

1.3 預(yù)測(cè)模型精度指標(biāo)體系建立

Nash-Sutcliffe系數(shù)(CD)、逐日相對(duì)均方根誤差(RMSE)和決定系數(shù)(R2)可以較好地反映長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)序列與實(shí)測(cè)值的誤差和一致性，是系統(tǒng)性較好的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，CD與R2的值越大、RMSE的值越小，模型算法與實(shí)測(cè)值的一致性越好、計(jì)算精度越高，RMSE和CD具體公式如下，R2采用EXCEL表計(jì)算取得：

(5)

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 閘門(mén)水流脈動(dòng)壓力觀測(cè)

圖3為閘門(mén)脈動(dòng)壓力隨時(shí)間及閘門(mén)開(kāi)度的變化過(guò)程。圖3顯示，閘門(mén)所受壓力隨著閘門(mén)開(kāi)度的增大而增大，在試驗(yàn)原型監(jiān)測(cè)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)測(cè)得的最大脈動(dòng)壓力出現(xiàn)在閘門(mén)開(kāi)度為8.0m時(shí)，之后隨著閘門(mén)開(kāi)度的增大，閘門(mén)所受脈動(dòng)壓力有所降低，最大脈動(dòng)壓力均方根值達(dá)到了1.16m水柱，按3倍均方根值估計(jì)最大值，則最大脈動(dòng)壓力約為3.48m水柱。

由閘門(mén)典型測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力功率譜密度曲線(xiàn)可知，閘門(mén)所受的脈動(dòng)水壓力在5s和15s左右時(shí)為正值，其余基本為負(fù)值，表明閘門(mén)承受的主要能量來(lái)自于5s和15s左右的范圍內(nèi)。

圖3 閘門(mén)脈動(dòng)壓力變化過(guò)程監(jiān)測(cè)

2.2 閘門(mén)振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)

圖4為閘門(mén)振動(dòng)位移與加速度隨時(shí)間的變化過(guò)程。圖4顯示，閘門(mén)振動(dòng)位移的頻率較低，主頻為5～10Hz，加速度的頻率較高，頻帶較寬，主頻達(dá)到了20～30Hz，同時(shí)閘門(mén)振動(dòng)位移在20s左右達(dá)到最高值，為1.547mm，加速度在15～20s附近達(dá)到最高值，已有研究表明平均振動(dòng)位移為0～0.0508mm時(shí)可忽略不計(jì)，在0.0508～0.2540mm之間為微小振動(dòng)，在0.2540～0.5080mm之間為中等振動(dòng)，大于0.5080mm為嚴(yán)重振動(dòng)[13]，本研究在監(jiān)測(cè)閘門(mén)振動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)閘門(mén)振動(dòng)的平均振動(dòng)位移為1.36mm，屬于嚴(yán)重振動(dòng)，因此，該閘門(mén)的振動(dòng)安全存在隱患，應(yīng)優(yōu)化閘門(mén)結(jié)構(gòu)，采取措施增強(qiáng)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的整體性，提高結(jié)構(gòu)的剛度和自振頻率，以減小其振動(dòng)響應(yīng)。

圖4 閘門(mén)振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程分析

2.3 ELM模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析

圖5為ELM模型預(yù)測(cè)值的脈動(dòng)壓力與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。圖5顯示，按0～15s的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，驗(yàn)證15～30s的數(shù)據(jù)，模擬出的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值的擬合效果較好，模擬值同樣在5s和15s左右時(shí)為正值，同時(shí)對(duì)模擬值進(jìn)行精度指標(biāo)檢驗(yàn)可知，模擬值與實(shí)測(cè)值的RMSE值僅為0.207，而CD與R2分別達(dá)到了0.824和0.898，且與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，表明預(yù)測(cè)模型結(jié)果表現(xiàn)出了較高的一致性與較低的誤差，可充分反映該模型的預(yù)測(cè)精度，該模型可作為閘門(mén)振動(dòng)預(yù)測(cè)的模型使用。

圖5 預(yù)測(cè)模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3 結(jié)論

(1)閘門(mén)所受壓力隨著閘門(mén)開(kāi)度的增大而增大，閘門(mén)開(kāi)度為8.0m時(shí)，所受壓力達(dá)到最大值，閘門(mén)所受的脈動(dòng)水壓力在5s和15s左右時(shí)為正值，其余基本為負(fù)值，表明閘門(mén)承受的主要能量來(lái)自于5s和15s左右的范圍內(nèi)；

(2)監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，閘門(mén)振動(dòng)的平均振動(dòng)位移為1.36mm，屬于嚴(yán)重振動(dòng)，應(yīng)及時(shí)采取措施；

(3)對(duì)閘門(mén)脈動(dòng)壓力進(jìn)行ELM預(yù)測(cè)可知，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值的RMSE值僅為0.207，而CD與R2分別達(dá)到了0.824和0.898，精度較高，可作為閘門(mén)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型使用。