大坝安全监测自动化系统人工比测的精度指标法研究

曾志群

（国家能源集团万安水力发电厂，江西 万安343800）

当前自动化技术飞速发展，已经在桥梁、水电站、隧道等工程中得到广泛应用，使工程安全监测效率得到显著提升。但是，电子产品自身较为脆弱，一般使用寿命在10 年左右。受到设备结构与工作原理等因素影响，监测自动化系统很容易出现数据误差。为了提高系统测量精准度，采用人工比测技术进行考核检验，在精度指标法的使用下，使测量精度充分符合标准。

1 数据比测概念与原理

1.1 数据比测

在大坝安全监测工作中，数据比测主要是指对自动测值与人工测值进行对比，以此检验自动化系统测值精准度的过程。人工观测法应用范围较广、过程较为简单，在测量稳定性方面占有一定优势；自动化测值具有高频测量、高精度测量等特点，但是在测量可靠性方面需要进一步确认。对此，国家颁布相关标准，针对自动化系统验收提出与人工测值对比的要求。当前，在对比与分析方法方面并没有明确规定。在实际应用中，大多采用人工操作的方式设置二者测量误差范围，或者通过绘制二者过程线的方式，对曲线周期、趋势进行对比。但是在实际应用中存在些许弊端，例如在比测过程中忽视测次对齐，导致比测结果不够客观精准，或者数据对比方式较为单一导致误差增加等等，需要采取有效措施对比测方式进行优化，为大坝的安全保驾护航。

1.2 方法原理

1.2.1 数据预处理。随着时间的推移，大坝工作性态逐渐发生变化，局部变化频率相对较高，如管道、闸门以及与厂房相近之处等等。为了确保比测合理，应使人工与自动化测量时序尽量相同，由此形成测值序列。因此，在数据预处理环节进行测次对齐十分必要。具体措施为：将自动化测量数据时间为基准，在规定有效时间内，寻找与时间值最为贴近的人工观测值；如若未能找到这一数值，则将自动测值剔除，由此便可形成时序相同、数量一致的样本组。

1.2.3 相关性与差异性。针对监测量与时序相同的两组序列来说，在方差、均值等方面没有明显的差异，且序列之间带有较高关联性。由此可见，虽然监测方式存在差别，但二者的测量结果相同。在均值差异检验方面，如若自动化序列与人工序列之间没有显著差异，建立零架设H0:EM＝EN，则检验统计量为：

式中，n 代表的是统计量；EM代表的是自动化测值均值；EN代表的是人工观测均值；K 代表的是有效样本数量；σN代表的是标准差。

在相关性检验方面，一般情况下，主要针对两个序列的线性相关程度进行分析。如若相关程度越紧密，则相似性与趋同性便会越高，可利用皮尔逊公式对相关系数进行计算，公式为：

式中，Mi代表的是标准差；EM代表的是自动化序列均值；EN代表的是人工观测均值；c 代表的是相关程度[1]。

2 大坝安全监测人工比测精度指标法

2.1 人工比测法

对于钢筋计、应变计、渗压计等内部观测器，一般采用GK403 读数仪进行人工观测。根据相关规定，应定期对读数仪的工作状态进行校验。从一般意义上看，人工观测读数在计量方面是可溯源的，在条件相同的情况下，自动化比测与人工观测的数据误差基本稳定，均可满足监测精度规定。根据大坝安全监测相关规定可知，人工比测主要通过方差或过程线对比的方式实现。其中，前者是分析各个测点在两种采集模式下的数值，分别组成自动化测值与人工测值两个序列，对标准差进行计算，二者的标准差公式为：

2.2 精度指标法

针对上文分析可知，规范中的方差分析法无法应用于自动化系统人工比测之中。对于实际工程人工比对困难的情况，可在监测自动化系统的应用下采用精度指标法，具体措施为：

2.2.1 人工比测，根据原始物理量进行对比分析；

式中，σ标代表的是传感器技术指标。以BGK4911 型号的钢筋计为例，其测量范围在100kN 以内，标称精度为0.25%FS，仪器系数为0.045172kN/digit，频模通道的技术指标为5.5 个模数。为了精简计算量，可根据厂家提供的参考精度进行评价，参考精度如下表1 所示，评价公式为：δi≤ σ精式中，σ精代表的是精度指标。对于钢弦式仪器来说，其温度通道的评价标准应低于1.0℃。

表1 钢弦式仪器频模测值参考精度

2.2.3 在设备运行期间每间隔半年或者一次实施一次人工比测，可根据规定要求开展短期稳定性测试，在2h 内连续测读15 次，误差应与厂家标称指标相符。在2h 内连续3 次人工测读，自动化测读间隔时长低于15-30min，二者的偏差应符合传感器精度标准；

2.2.4 自动化与人工测值序列中，相同组的测值间隔应控制在4-8h 之间。针对二者存在的误差应在对比之前消除，因其在传感器的基础上测出实际精度，被称为精度标准法。

3 大坝安全监测中人工比测应用案例

本文以某工程为例，对安全监测系统的运行情况进行分析。该项目共计设置4 个测站，自动化采集单元23 台，接入内部观测点679 个，包括280 支钢筋计、50 支无应力计、18 支测缝计、51 支渗压计。除了温度计之外，其他均为钢弦式仪器。大部分仪器均埋设于2006-2008 年间，自动化监测设备是在2012 年10月开始试运行。在2019 年中旬，针对该工程接入自动化的所有测点进行比测与分析，共计采用四种方式对自动化、人工测值进行对比和评价。

一是长时方差法。在2019 年1 月-6 月期间，在相同条件下开展自动化数据测量与人工观测，结合方差分析法进行评价。实际得到的2 σ数值较大，通常有几十甚至上百个模数，远远超过仪器测量精度，合格率为92.7%。如若将一些质量不佳的测点与人工测值时不确定因素去除后，合格率会变得更高；

二是短时方差法。根据上文中阐述的人工比测方差分析法，针对各个测点分别进行6 次自动化数据采集与人工采集，按照“2 ”准则进行评价。实际得到的2 数值较小，大多不超过1 个模数，低于测量精度的较多，合格率为5.3%；

三是精度标准法。该项目采用精度标准法进行测值，以表1中的传感器精度指标为依据，结合上文列举公式进行评价，得到最终合格率为74.0%；

四是过程线检查法。将全部序列中的自动化测值与人工测值的过程线进行绘制，并对规律性、测值变化幅度进行对比。根据经验判断是否合格，最终合格率达到86.3%。由此可见，因第二种方法的要求过于严格导致合格率最低，第一种方法因要求过宽导致合格率最高；第四种因缺乏定量标准，所得结果变化较大；第三种方法与实际情况最为相符，是最佳选择。

4 结论

综上所述，在自动化系统运行校核中比测工作十分重要，应引起相关人员的高度重视。当前，业内应用较为普遍的是人工方式获取短期内的样本运行差值进行对比，此种方式操作简单但结论可信度较低。对此，本文提出精度指标法进行人工比测定量考核，可有效避免以往差值分析法存在的弊端，能够与实际情况充分符合，取得最佳评价效果。将其应用到大坝安全监测中，有助于测值精度提升，工程项目更加稳定持久。