裘明華

(浙江頤川科技有限公司，杭州 310000)

1 概 述

隨著科技進步，全世界已經(jīng)步入信息時代，水利行業(yè)亦開始大規(guī)模應用計算機網(wǎng)絡、現(xiàn)代通信、智能控制以及數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)，來實現(xiàn)高效管理水利工程的目的[1-3]。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)最早是應用于商業(yè)管理領域，隨著信息化的發(fā)展，將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應用于水利工程的研究成為未來水利行業(yè)信息化發(fā)展的一個重要趨勢。付曉旭、韓紅旗、李瓊等[4-6]展開對數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在水利工程信息化管理應用中的可行性。許惠君、張弛等[7-8]深入探討數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在水庫調(diào)度與防洪過程中的應用。此外，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在我國水利工程安全管理中也逐漸得到重視。阿米娜古[9]指出，水利工程安全管理系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)水利工程中數(shù)據(jù)的高效篩選與合理分析，實現(xiàn)水利工程的科學化、專業(yè)化、信息化、高效化、自動化。楊獻志等[10]深入探討了水利工程管理中數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應用可行性及前景，并指出數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠使得水利工程項目管理更加科學化。

綜上所述，現(xiàn)有的關(guān)于我國水利工程安全監(jiān)測與管理的研究主要是從管理制度或方向方面提出，而缺乏對新型技術(shù)引用的研究。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是基于某大數(shù)據(jù)庫發(fā)掘有效有價值的數(shù)據(jù)并加以利用的新型技術(shù)，目前被廣泛應用到各個領域中。因此，發(fā)展數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在水利工程安全維護管理中的應用，對于促進我國水利工程管理現(xiàn)代化、建設高效暢通的安全管理體系具有十分重要的意義。

2 工程背景

田家灣水庫位于浙江省湖州市田家灣村，項目區(qū)冬季寒冷干燥，春季濕潤多風，夏季高溫多雨,秋季旱澇無常。水庫工程屬長江流域支流水利工程，水庫控制流域面積為97 km2，總庫容為942.5×104m3。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，由于水庫大壩工程年久失修，因此部分溢洪道泄洪能力出現(xiàn)問題，不能滿足下游山西省高校新校區(qū)防洪的限泄要求。因此，展開對該水利工程的安全監(jiān)測、管理與風險評價具有重要意義。為合理布置實施田家灣水庫除險加固工程，現(xiàn)需要對該水庫各溢洪道的實際情況展開監(jiān)測與安全管理。見圖1。

圖1 田家灣水庫

3 基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的風險評級模型

3.1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

傳統(tǒng)的信息處理側(cè)重于關(guān)鍵詞查詢與關(guān)鍵信息統(tǒng)計分析，而對一些“次要”的指標所隱含的信息則選擇忽略。數(shù)據(jù)挖掘即指從長時間所堆積的大量歷史數(shù)據(jù)中提取人們有興趣、有價值的數(shù)據(jù)知識的過程。這些數(shù)據(jù)不僅包括關(guān)鍵的、重要的信息，同時也包括大量數(shù)據(jù)中所隱含的信息，這些信息對管理措施決策可能具有重要意義。數(shù)據(jù)挖掘是通過對某個數(shù)據(jù)庫中的每個數(shù)據(jù)展開分析，從而探索獲得大量數(shù)據(jù)中基礎規(guī)律的技術(shù)。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)準備、規(guī)律探尋以及規(guī)律確定這3個項目。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要方法見表1。

表1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要方法

3.2 數(shù)據(jù)處理與相似度分析

由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有完整性差、噪點多等劣勢，從設計監(jiān)理單位所獲取的數(shù)據(jù)不全為有效數(shù)據(jù)，因此需要對數(shù)據(jù)進行預處理以獲得真實有效的數(shù)據(jù)，使得試驗研究樣本更加真實，以保證數(shù)據(jù)挖掘的正確性。數(shù)據(jù)預處理主要包括數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)補充及數(shù)據(jù)整合標準化3個步驟。在對數(shù)據(jù)展開聚類分析時，通常采用分類統(tǒng)計量距離來描述不同數(shù)據(jù)之間的相似度。常見的距離統(tǒng)計量有以下幾種：Manhattan距離、Euclidean距離以及Chebychev距離。本次研究采用Manhattan距離(也稱絕對值距離)進行距離計算及相似度分析，假設某個樣本中具有n個樣品，其基本計算方法如下：

(1)

3.3 評價模型構(gòu)建

采用K-means聚類算法進行計算，其基本原則是優(yōu)化初始聚類中心，使選取的初始聚類中心的距離盡量遠[11-12]。本次研究采用“聚類-分級”的層次聚類分析方法(圖2)來處理水庫不同安全監(jiān)測點的分級管理問題。

圖2 AGNES層次聚類分析法

其具體實現(xiàn)過程主要分為4個步驟：

1)獲取水庫溢洪道安全相關(guān)監(jiān)測點的具體數(shù)據(jù)并進行預處理，以得到真實、有效的數(shù)據(jù)。

2)認為設定K值，基于改進的K-means算法將安全因素分為K個簇(K即為期望劃分的等級數(shù))，計算簇間距離并得到劃分為K個簇的數(shù)據(jù)庫。

3)計算聚類后的每個簇內(nèi)數(shù)據(jù)的總均值Sj，Sj值可由下式計算：

(2)

式中：i為監(jiān)測點編號(1,2,…,n)；j為簇數(shù)編號(1,2…,k)；Q為溢洪道在的安全效能值；R為監(jiān)測點風險因素修復率，%；N為監(jiān)測點沉降量，mm；E為監(jiān)測點偏移量，m。

4)根據(jù)Sj的值，按照大小順序?qū)⒈O(jiān)測點的效能劃分為k個等級。

4 工程應用

經(jīng)過現(xiàn)場觀察和調(diào)查，田家灣水庫溢洪道存在一定的安全風險，主要表現(xiàn)在溢洪道不同部位出現(xiàn)混凝土破裂，上覆土層位移變形，嚴重影響溢洪道工作效率。為合理分析溢洪道不同部位的安全運行，本次研究選取田家灣水庫中溢洪道20個安全監(jiān)控點的數(shù)據(jù)作為樣本進行研究，經(jīng)過預處理得到基本數(shù)據(jù)，見表2。

表2 田家灣水庫20個安全監(jiān)測點數(shù)據(jù)

按照上節(jié)所述具體流程與步驟，選定分級簇總數(shù)k為4；再利用Matlab等數(shù)據(jù)分析軟件，最終得到基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的分級結(jié)果見表3。

表3 基于改進K-means算法的分級結(jié)果

綜上可知，按照4個等級機制，則該水庫中按次序每個等級安全監(jiān)測點的數(shù)目分別為2、10、3和5個。由此可見，該水庫溢洪道安全監(jiān)測點中有8個監(jiān)測點反映出安全性較低(Ⅲ、Ⅳ級)，需要進行修復或更換。根據(jù)K-means算法輸出結(jié)果，可以得到Ⅲ、Ⅳ級需要修復的監(jiān)測點編號，其中Ⅲ級的有監(jiān)測點2號、4號和11號，Ⅳ級的有1號、7號、8號、10號和16號，因此需要采取措施針對對應編號尤其是Ⅳ級簇內(nèi)的監(jiān)測點展開及時的修復。

5 結(jié) 論

為研究數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在水利工程安全監(jiān)測管理中的應用，本文基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立了水利工程溢洪道安全等級劃分基本方法，并以我國浙江省田家灣灣水庫為例開展了深入研究。主要結(jié)論如下：

1)基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的聚類分析法，并采用改進的K-means算法建立水利工程安全監(jiān)測管理等級劃分基本方法，該方法具有高效、可處理復雜數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，能夠適用于我國水利工程安全監(jiān)測管理工作中。

2)基于水利工程溢洪道等級劃分基本方法，得到田家灣水庫溢洪道安全監(jiān)測點中按次序每個等級的監(jiān)測點數(shù)目分別2、10、3和5個，且能夠快速確定每個等級的對應序號。其中，等級為Ⅲ、Ⅳ級的安全監(jiān)測點反映出嚴重問題，需要及時進行修復或更換，該區(qū)域需要修復的位置總數(shù)為8個。