基于雙測(cè)量機(jī)器人的土石壩智能變形監(jiān)測(cè)信息集成與整編

張玉炳 汪曉東 楊明化 高全

摘要：測(cè)量機(jī)器人相較于人工觀測(cè)等監(jiān)測(cè)方法，在測(cè)量精度、適應(yīng)不規(guī)則建筑物形狀、變形觀測(cè)量程、建設(shè)和運(yùn)行成本等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別適合土石壩智能變形監(jiān)測(cè)。結(jié)合雙測(cè)量機(jī)器人應(yīng)用于土石壩智能變形監(jiān)測(cè)的實(shí)例，闡述了監(jiān)測(cè)信息的集成和分析方法，研究了變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整編分析技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)誤差修正、整理與計(jì)算。在集成測(cè)量機(jī)器人表面變形信息的基礎(chǔ)上，研發(fā)了滿足監(jiān)測(cè)整編分析的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能化分析。

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測(cè);大壩安全;整編分析;雙測(cè)量機(jī)器人;系統(tǒng)集成;土石壩

中圖法分類號(hào)：TV698

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2020.05.013

隨著水利信息化建設(shè)的快速發(fā)展，自動(dòng)化、信息化、智能化的大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為大壩安全監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展方向。土石壩是世界大壩工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛一種壩型，其表面變形監(jiān)測(cè)是重要安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，表面變形監(jiān)測(cè)是判斷大壩安全狀態(tài)的重要途徑之一。水庫(kù)大壩的表面變形監(jiān)測(cè)一般采用人工觀測(cè)，這種觀測(cè)方法在觀測(cè)場(chǎng)景，測(cè)量精度、觀測(cè)量程等方面均具有明顯短板?；陔p測(cè)量機(jī)器人的土石壩智能變形監(jiān)測(cè)成套技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人值守”的現(xiàn)代水庫(kù)管理模式。在保證觀測(cè)精度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了大壩安全自動(dòng)化監(jiān)管，有效改善了大壩表面變形觀測(cè)的難題。結(jié)合應(yīng)用實(shí)例觀測(cè)信息進(jìn)行大壩表面變形智能變形監(jiān)測(cè)分析與系統(tǒng)集成顯得尤為重要。研究變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整編分析方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)誤差修正、整理與計(jì)算、整編分析和數(shù)據(jù)發(fā)布，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能化分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大壩安全分析，預(yù)測(cè)大壩變形趨勢(shì)，進(jìn)行預(yù)警報(bào)警，加強(qiáng)安全監(jiān)管，可彌補(bǔ)工程管理信息化短板。

1 系統(tǒng)組成

雙測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)組成包括基站、參考點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、計(jì)算機(jī)和安防系統(tǒng)[1]?；居捎^測(cè)墩、測(cè)量機(jī)器人、觀測(cè)房組成，測(cè)量機(jī)器人架設(shè)于基點(diǎn)上，基準(zhǔn)點(diǎn)組成控制網(wǎng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在變形體表面，由觀測(cè)墩、正對(duì)基站的棱鏡、數(shù)字式溫度計(jì)和氣壓計(jì)組成。根據(jù)工程實(shí)際和規(guī)范要求，監(jiān)測(cè)點(diǎn)較均勻地布設(shè)于變形體有代表性的橫縱斷面上。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件通過(guò)光纜與測(cè)量機(jī)器人通信，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量、轉(zhuǎn)換、計(jì)算和存儲(chǔ)等功能。智能化大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

2 信息集成

信息集成主要是實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、傳輸、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)為業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)所用，并為后期的資料整編和分析評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。

測(cè)量機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)清晰、便于后期的調(diào)試與維護(hù)。主要有GeoCOM連接、參數(shù)設(shè)置、測(cè)站配置、測(cè)量控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)接收解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理7個(gè)功能模塊，各模塊通過(guò)Visual Studi0 2015開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)界面操作實(shí)現(xiàn)，其業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

GeoCOM是一個(gè)用于建立通信的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，該連接模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與全站儀之間的通訊，用戶可通過(guò)界面改變系統(tǒng)的串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)碼和協(xié)議等4個(gè)參數(shù)。

測(cè)量模塊是智能測(cè)量系統(tǒng)的核心模塊，用于數(shù)據(jù)測(cè)量工作。可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能：

（1）執(zhí)行測(cè)量命令，并將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到繪圖模塊和數(shù)據(jù)顯示與管理模塊。

（2）采用循環(huán)監(jiān)控的方式，實(shí)時(shí)顯示儀器角度參數(shù)（垂直角、水平角），便于用戶隨時(shí)了解當(dāng)前全站儀望遠(yuǎn)鏡的位置。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊通過(guò)ADO接口實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件的讀寫操作。

數(shù)據(jù)顯示與處理模塊用于將水平角H、垂直角V、斜距、高程、北坐標(biāo)、東坐標(biāo)等測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在MSFLXGRD網(wǎng)格上，以及通過(guò)內(nèi)部算法計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)北坐標(biāo)、東坐標(biāo)、高程上的位置關(guān)系。

測(cè)量機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行解析后存儲(chǔ)到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，既要能滿足表面變形觀測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)利用的需要，又要符合數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則，存儲(chǔ)表結(jié)構(gòu)及關(guān)系如圖3所示。

（1）表面垂直位移監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)基點(diǎn)或水準(zhǔn)工作（起測(cè)）基點(diǎn)表（表名DSM_ DFR_SRVRDSBP），用于存儲(chǔ)表面垂直位移監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)基點(diǎn)或工作（起測(cè)）基點(diǎn)的考證信息。

（2）表面垂直位移表（表名DSM_ DFR_SRVRDS），用于存儲(chǔ)表面垂直位移測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)成果。

（3）表面垂直位移測(cè)點(diǎn)表（表名DSM_DFR_SRVRDSMP），用于存儲(chǔ)表面垂直位移測(cè)點(diǎn)的考證信息。

3 資料整理整編

各種觀測(cè)數(shù)據(jù)為水庫(kù)大壩的運(yùn)行工況提供了第一手資料。通過(guò)對(duì)第一手資料進(jìn)行去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里處理，才能作出正確的判斷，獲得規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，保證水庫(kù)安全和合理運(yùn)用，為設(shè)計(jì)、施工、管理和科學(xué)研究提供依據(jù)。以上工作統(tǒng)稱為資料整理整編，其重點(diǎn)是計(jì)算、查證原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

監(jiān)測(cè)資料整理整編工作主要包括歷史數(shù)據(jù)補(bǔ)錄、原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算、閾值法數(shù)據(jù)剔除、粗大誤差清洗以及特征值計(jì)算等[2]。

（1）歷史數(shù)據(jù)補(bǔ)錄。基于數(shù)據(jù)鉆取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化可視化整編，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失時(shí)段時(shí)，應(yīng)利用人工觀測(cè)記錄進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)補(bǔ)錄。

（2）原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，將頻率、溫度、模數(shù)等原始物理量轉(zhuǎn)換為結(jié)果值，確定并錄入儀器基準(zhǔn)值。

（3）閾值法數(shù)據(jù)剔除。通過(guò)設(shè)定監(jiān)測(cè)儀器測(cè)值變化范圍，自動(dòng)查找不滿足閾值范圍的測(cè)值及對(duì)應(yīng)時(shí)間，通過(guò)顏色標(biāo)注，并支持用戶編輯。

（4）粗大誤差清洗。通過(guò)尖峰識(shí)別法（見(jiàn)圖4）、標(biāo)準(zhǔn)差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)測(cè)值進(jìn)行誤差分析，對(duì)粗差進(jìn)行自動(dòng)判別及剔除。對(duì)隨機(jī)誤差或偶然誤差，按正態(tài)分布規(guī)律，采用常規(guī)誤差理論進(jìn)行分析處理。對(duì)于系統(tǒng)誤差，可通過(guò)校正儀器來(lái)消除。

（5）特征值計(jì)算。通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的最大值、最小值、最大變幅、超歷史最高等特征值，結(jié)合數(shù)據(jù)變化過(guò)程，判斷特征值合理性。

4 數(shù)據(jù)分析方法

監(jiān)測(cè)資料分析方法包括比較法、作圖法、特征值統(tǒng)計(jì)法、數(shù)學(xué)模型法等，具體內(nèi)容包括時(shí)序分析、相關(guān)性分析、回歸分析、專項(xiàng)分析等，并為資料整編分析報(bào)告提供數(shù)據(jù)支撐[3]。

4.1 時(shí)序分析

時(shí)序分析主要是以分析時(shí)間序列的發(fā)展過(guò)程、方向和趨勢(shì)，預(yù)測(cè)將來(lái)時(shí)域可能達(dá)到目標(biāo)的方法，分析效應(yīng)量隨時(shí)間的變化規(guī)律和在空間分布上的特點(diǎn)。

（1）以相關(guān)歷史資料數(shù)據(jù)為依據(jù)，區(qū)別不規(guī)則變動(dòng)、循環(huán)變動(dòng)、季節(jié)變動(dòng)等不同時(shí)間的動(dòng)勢(shì)，特別是連續(xù)的長(zhǎng)期動(dòng)勢(shì)，并整理繪出統(tǒng)計(jì)圖。

（2）從系統(tǒng)原則出發(fā)，綜合分析時(shí)間序列，反映因果聯(lián)系及影響，分析各種作用力的綜合作用。圖5為某次防洪調(diào)度過(guò)程中，當(dāng)閘門開(kāi)啟后入庫(kù)流量、出庫(kù)流量和水庫(kù)水位之間的時(shí)序變化關(guān)系。

（3）運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，如移動(dòng)平均法、季節(jié)系數(shù)法、指數(shù)平滑法求出時(shí)間序列以及將來(lái)時(shí)態(tài)的各項(xiàng)預(yù)測(cè)值。時(shí)序分析適用以數(shù)據(jù)量化的時(shí)序系統(tǒng)，主要是以概率統(tǒng)計(jì)分析隨時(shí)間變化的隨機(jī)系統(tǒng)。

4.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是通過(guò)分析效應(yīng)量的主要影響因素及其定量關(guān)系和變化規(guī)律，以尋求效應(yīng)量異常的主要原因，考察效應(yīng)量與原因量相關(guān)關(guān)系的穩(wěn)定性[4]。

為確定相關(guān)變量之間的關(guān)系，首先收集由時(shí)間、測(cè)值組成的成對(duì)數(shù)據(jù)，然后在直角坐標(biāo)系上描述這些點(diǎn)，形成“散點(diǎn)圖”。根據(jù)散點(diǎn)圖，當(dāng)自變量取某一值時(shí)，因變量對(duì)應(yīng)為一概率分布。如果對(duì)于所有自變量取值的概率分布都相同，則說(shuō)明因變量和自變量不存在相關(guān)關(guān)系，反之亦然。

圖6是將上游水位變化與管水位變化進(jìn)行相關(guān)性分析。選取時(shí)間，上游水位和時(shí)間，管水位數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行組合形成散點(diǎn)圖，樣本數(shù)為827個(gè)，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)r=0.899 2，回歸方程為Y=0.498X+25.687 5。

4.3 回歸分析

回歸分析主要是預(yù)報(bào)效應(yīng)量的發(fā)展趨勢(shì)并判斷其是否影響工程的安全運(yùn)行，并分析效應(yīng)量觀測(cè)值的特征值和異常值等。

回歸分析是確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，分為一元回歸和多元回歸分析。

線性回歸使用最佳的擬合直線（也就是回歸線）在因變量y和一個(gè)或多個(gè)自變量X之間建立一種關(guān)系。多元線性回歸可表示為Y=a+blXi +b2X2+e，其中a表示截距，b表示直線的斜率，e是誤差項(xiàng)。多元線性回歸可以根據(jù)給定的預(yù)測(cè)變量s來(lái)預(yù)測(cè)目標(biāo)變量的值。

圖7為上游水位、下游水位與管水位之間的多元線性回歸結(jié)果，樣本數(shù)為443個(gè)，回歸系數(shù)分別為0.261 6和0.130 3，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.853 8。

4.4 專項(xiàng)分析

專項(xiàng)分析是根據(jù)工程需要和工程特性，針對(duì)建筑物的某一特性采取綜合分析的一種方法，例如歷次巡視檢查對(duì)比分析、壩體浸潤(rùn)線分析、滲透坡降分析等，專項(xiàng)分析更加直觀具體，針對(duì)性更強(qiáng)，能為后期的分析評(píng)價(jià)提供更有效的依據(jù)[5]。如花涼亭水庫(kù)2002，2006，2014年和2015年的典型監(jiān)測(cè)斷面浸潤(rùn)線的變化過(guò)程，通過(guò)對(duì)比分析其滲透坡降的變化趨勢(shì);分析某水庫(kù)典型監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)浸潤(rùn)分布，對(duì)大壩安全有很重要的參考價(jià)值。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于雙測(cè)量機(jī)器人的土石壩智能變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在安徽省花涼亭水庫(kù)得到成功應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人信息集成的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程需要，采用了部分監(jiān)測(cè)資料分析方法，完成了以安全監(jiān)測(cè)資料整編分析為核心的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)研發(fā)。系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)整理、資料整編、時(shí)序分析、相關(guān)分析、回歸分析和資料整編報(bào)告生成等功能。該系統(tǒng)可為管理人員提供簡(jiǎn)單易操作的專業(yè)整編分析功能[6]。

系統(tǒng)采用Springboot后端框架，按照分布式SOA技術(shù)架構(gòu)，以面向服務(wù)的組件模式，為管理單位提供在線的資料整編分析技術(shù)服務(wù)。利用業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的功能，通過(guò)對(duì)花涼亭水庫(kù)典型斷面的分析發(fā)現(xiàn)，其上游高程82.5 m馬道、壩頂上游向和下游向、下游高程82.0 m馬道均有不同程度地下降，下降趨勢(shì)較緩。

6 結(jié)語(yǔ)

基于雙測(cè)量機(jī)器人的土石壩智能變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在花涼亭水庫(kù)得到成功應(yīng)用，為水庫(kù)管理單位表面變形觀測(cè)提供有效手段，提高了土石壩變形監(jiān)測(cè)的效率及準(zhǔn)確性，減輕了管理人員的工作強(qiáng)度，推進(jìn)了大壩自動(dòng)化、智能化管理。

本文闡述了基于雙測(cè)量機(jī)器人以土石壩表面變形監(jiān)測(cè)信息的集成方法，研究了變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整編分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)誤差修正、整理與計(jì)算，研發(fā)了具有監(jiān)測(cè)整編分析功能的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能化分析。工程實(shí)際應(yīng)用表明，以大壩安全監(jiān)測(cè)整編分析為核心的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)彌補(bǔ)了水庫(kù)大壩安全監(jiān)管信息化短板，突破水庫(kù)管理人員技術(shù)能力瓶頸，實(shí)用價(jià)值較高。

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（編輯：唐湘茜）

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于大數(shù)據(jù)的大壩安全診斷與預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)”（2018YFC0407106）;國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目“土石壩表面變形智能監(jiān)測(cè)成套技術(shù)研究”（ CX2017231）

作者簡(jiǎn)介：張玉炳，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利信息化工作。E-mail：zhangyubing@cjwsjy.com.cn