大壩安全監(jiān)測評價(jià)中異常測值的識別與分析

大壩安全監(jiān)測評價(jià)中異常測值的識別與分析

1大壩安全監(jiān)測評價(jià)水庫監(jiān)測數(shù)據(jù)是水庫運(yùn)行狀態(tài)的直接反映。測量值的變化與水庫運(yùn)行的環(huán)境壓力和水庫本身的結(jié)構(gòu)狀況有關(guān)。同時(shí),監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是重要的影響因素。隨著大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)的普及,如何通過計(jì)算機(jī)及時(shí)捕捉異常測值并分析其產(chǎn)生的原因是大壩安全監(jiān)測評價(jià)首先面臨的問題。大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常一般由結(jié)構(gòu)性態(tài)變化、環(huán)境量異常、系統(tǒng)改造、人為誤測、誤計(jì)或系統(tǒng)故障等原因引起。對于監(jiān)測系統(tǒng)造成的異常測值應(yīng)予以剔除或作其他處理;對于結(jié)構(gòu)性態(tài)變化引起的測值異常則要予以密切關(guān)注,并采取適當(dāng)措施。監(jiān)測效應(yīng)量是受多種外界因素影響的,不能將監(jiān)測效應(yīng)量視為孤立的數(shù)據(jù),必須結(jié)合環(huán)境量對其進(jìn)行分析。同時(shí),監(jiān)測效應(yīng)量和環(huán)境量可認(rèn)為是隨機(jī)序列,因此,可以通過概率分布檢驗(yàn)的方法,在給出一定概率條件下,確定數(shù)據(jù)系列的小概率測值,由此實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常值的識別,剔除監(jiān)測數(shù)據(jù)中由于人為原因或監(jiān)測系統(tǒng)故障造成的異常值,這不但能有效降低監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的工作量,而且有利于進(jìn)一步識別異常測值是由結(jié)構(gòu)性態(tài)變化引起,還是由環(huán)境量變化造成。2隨機(jī)變量的監(jiān)測每年某一時(shí)間的環(huán)境量與監(jiān)測效應(yīng)量是隨機(jī)序列。通過概率統(tǒng)計(jì)可以確定隨機(jī)序列中每一測值的出現(xiàn)概率。通過概率對測值的識別,可以確定某一時(shí)間的環(huán)境量和效應(yīng)量值的異常或正常。將監(jiān)測效應(yīng)量與相應(yīng)環(huán)境量的多年監(jiān)測數(shù)據(jù)按一定的時(shí)間段(視具體觀測情況而定,取最小的觀測時(shí)間間隔日期)分別組成樣本空間Xm={Xm1,Xm2,…,Xmn}。用概率分布檢驗(yàn)法識別隨機(jī)變量(監(jiān)測效應(yīng)量、環(huán)境量)的分布類型,可采用K-S法或A-D法。運(yùn)用小概率法,在給定顯著性水平α(一般為1%～5%)下找出監(jiān)測效應(yīng)量與相應(yīng)環(huán)境量的異常值分布區(qū)間。然后,將監(jiān)測效應(yīng)量與相應(yīng)環(huán)境量進(jìn)行對比分析,從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常值成因的初步識別。3異常監(jiān)測結(jié)果的處理步驟步驟1:在已有的實(shí)測資料中,對同一測點(diǎn)的多年監(jiān)測數(shù)據(jù)及相應(yīng)環(huán)境量按月或一定時(shí)間段進(jìn)行抽樣,分別組成樣本空間:Xm={Xm1,Xm2,?,Xmn}(1)Xm={Xm1,Xm2,?,Xmn}(1)通常Xm是一個(gè)小子樣樣本空間,可用下式估計(jì)其統(tǒng)計(jì)特征值:ˉX=1nn∑i=1Xmi(2)σx=√1n-1(n∑i=1X2mi-nˉX2)(3)Xˉˉˉ=1n∑i=1nXmi(2)σx=1n?1(∑i=1nX2mi?nXˉˉˉ2)?????????????????√(3)步驟2:對監(jiān)測數(shù)據(jù)及相應(yīng)環(huán)境量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用K-S法或A-D法識別其分布類型,確定其概率密度f(x)的分布函數(shù)F(x)(如正態(tài)分布和極值Ⅰ型分布等)。步驟3:運(yùn)用小概率法確定監(jiān)測數(shù)據(jù)及相應(yīng)環(huán)境量異常值的分布區(qū)間,從而找到異常值。取顯著性水平α=5%,根據(jù)α由Xmi的分布函數(shù)直接求出:Xmax=F-1(ˉX,σx,α/2)(4)Xmin=F-1(ˉX,σx,1-α/2)(5)Xmax=F?1(Xˉˉˉ,σx,α/2)(4)Xmin=F?1(Xˉˉˉ,σx,1?α/2)(5)當(dāng)X>Xmax或X<Xmin時(shí),則認(rèn)為X是異常的。步驟4:檢查大壩是否進(jìn)行過監(jiān)測系統(tǒng)的改造。對于由系統(tǒng)改造引起的異常測值不予剔除,只進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?如基準(zhǔn)調(diào)整等。對于非系統(tǒng)改造原因引起的異常值,將監(jiān)測效應(yīng)量與相應(yīng)環(huán)境量進(jìn)行對比分析:相應(yīng)的環(huán)境量正常,則認(rèn)為監(jiān)測效應(yīng)量異常值可能是由于人為原因或監(jiān)測系統(tǒng)故障造成的,應(yīng)進(jìn)行觀測系統(tǒng)檢查,確認(rèn)后將其剔除;否則,應(yīng)進(jìn)一步分析其是否由于結(jié)構(gòu)性態(tài)變化引起。相應(yīng)的環(huán)境量異常,則進(jìn)一步分析其相關(guān)關(guān)系,判斷監(jiān)測效應(yīng)量是否符合隨環(huán)境量的變化而變化的規(guī)律,并進(jìn)一步分析測值的變化趨勢,以確保工程安全。4方法的驗(yàn)證和應(yīng)用結(jié)合某重力壩壩頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對4#測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常值進(jìn)行識別,4#測點(diǎn)每月中旬監(jiān)測一次。為驗(yàn)證該方法的可行性,對4#測點(diǎn)已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)中的6月份測值進(jìn)行分析,并隨機(jī)抽取1個(gè)測值,將其替換為錯(cuò)誤的測值(1995年6月11日實(shí)測值-3.54mm,替換為-6.00mm,然后用上述算法對其進(jìn)行識別)。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。4.1異常值的計(jì)算(1)對多年監(jiān)測數(shù)據(jù)抽取6月份測值,形成樣本空間X7,由式(2)和式(3)計(jì)算得到其統(tǒng)計(jì)特征值為:ˉX7=0.47Xˉˉˉ7=0.47mm,σx=3.03mm。(2)用K-S法識別其分布類型,經(jīng)檢驗(yàn)X7服從正態(tài)分布。其概率密度f(x)的分布函數(shù)F(x)為:F(x)=∫x-∞f(x)dx=∫x-∞13.03√2πexp[-12×(3.03)2(x-0.47)2]dxF(x)=∫x?∞f(x)dx=∫x?∞13.032π??√exp[?12×(3.03)2(x?0.47)2]dx(3)運(yùn)用小概率法確定監(jiān)測效應(yīng)量異常值的分布區(qū)間。取顯著性水平α=5%,由式(4)和式(5)分別求出:Xmax=F-1(0.526,2.295,0.025)=6.41mm;Xmin=F-1(0.526,2.925,0.095)=-5.47mm。當(dāng)X>6.41mm或X<-5.47mm時(shí),Pα<5%,則認(rèn)為X是異常的。從而找出異常測值:-7.32mm(1981年6月15日),-6.00mm(1984年6月13日),-6.00mm(1995年6月11日)。經(jīng)檢查在該運(yùn)行期間內(nèi)未進(jìn)行過監(jiān)測系統(tǒng)的改造。4.2y1、y2、y3異常值的計(jì)算及描述由文獻(xiàn)及監(jiān)測資料分析可知,混凝土重力壩壩頂水平位移主要受壩前水位、氣溫及時(shí)效的影響。由于壩體溫度相對氣溫的滯后性,且氣溫變化相對平穩(wěn),通常不會引起測值的突變;同時(shí),時(shí)效也不會造成壩頂水平位移的突變,故本文僅對壩前水位進(jìn)行分析。從壩前水位的多年監(jiān)測資料中按監(jiān)測效應(yīng)量異常值所對應(yīng)的日期進(jìn)行抽樣,形成樣本空間:Y1、Y2、Y3分別對應(yīng)異常測值-7.32mm(1981年6月15日),-6.00mm(1984年6月13日),-6.00mm(1995年6月11日)。以Y1為例進(jìn)行分析:(1)由式(2)和式(3)計(jì)算得到其統(tǒng)計(jì)特征值為:ˉY1=100.02m?σy=5.98m。(2)用K-S法識別其分布類型,經(jīng)檢驗(yàn),Y1服從正態(tài)分布。其概率密度f(y)的分布函數(shù)F(y)為:F(y)=∫x-∞f(y)dy=∫x-∞15.98√2π.exp[-12×(5.98)2(y-100.02)2]dx(3)確定異常值分布區(qū)間,由式(4)和式(5)分別求出:Ymax=F-1(100.02,5.98,0.03)=111.74mYmin=F-1(100.02,5.98,0.99)=88.30m當(dāng)Y>111.74m或Y<88.30m時(shí),Pα<5%,則認(rèn)為Y是異常的。其他水位統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表2。4.3環(huán)境量環(huán)境量異常經(jīng)計(jì)算所得結(jié)果如表3所示。由上述分析可以看出,監(jiān)測效應(yīng)量異常值的識別結(jié)果可以分為以下幾類:(1)監(jiān)測效應(yīng)量異常值所對應(yīng)的環(huán)境量也異常,如-7.32mm(1981年6月15日),超低水位將導(dǎo)致壩頂水平位移傾向上游,需要通過進(jìn)一步分析,來判斷該測值是否異常。(2)監(jiān)測效應(yīng)量異常值所對應(yīng)的環(huán)境量在正常變化范圍內(nèi),如-6.00mm(1984年6月13日)。(3)人為加入的替換測值如果超出正常的分布范圍,也能夠通過該方法檢查到,如1995年6月11日的測值-3.54mm的替換值-6.00mm。5監(jiān)測數(shù)據(jù)特征值初步識別本文通過