中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)分析理論和方法的研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，為保證大壩安全運(yùn)行發(fā)揮了巨大的作用，本文基于筆者多年從事大壩安全分析的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析為研究對(duì)象，探討了安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的意義和內(nèi)容，給出了安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法，全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。
1 大壩安全監(jiān)測的意義
大壩所具有的潛在安全問題既是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問題，也是一個(gè)日益突出的公共安全問題，因此，我國對(duì)大壩安全越來越重視。隨著壩工理論和技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，為了更好地實(shí)現(xiàn)水資源的進(jìn)一步開發(fā)利用，我國的大壩建設(shè)正向著更高更大方向發(fā)展，如三峽重力壩、小灣拱壩（最大壩高294.5 m），拉西瓦拱壩（最大壩高250 m）、溪洛渡拱壩（最大壩高285.5 m）等，這些工程的建設(shè)將為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，也將推動(dòng)我國的壩工理論和技術(shù)水平上升到一個(gè)新的高度。但是，這些工程一旦失事，將是不可想象的毀滅性災(zāi)難，因此，大壩安全問題就顯得日益突出和重要。保證大壩安全的措施可分為工程措施和非工程措施兩種，兩者相互依存，缺一不可。
回顧大壩安全監(jiān)測的發(fā)展歷史，最早可追溯到19世紀(jì)90年代，1891年德園的挨施巴赫重力壩開展了大壩位移觀測，隨后于1903年美國新洋西州Boont.n重力壩開展了溫度觀測，1908年澳大利亞新南威爾土州巴倫杰克溪薄拱壩開展了變形觀測，1925年美國愛達(dá)荷州亞美尼加一佛爾茲壩開展了揚(yáng)壓力觀測，1826年美國墾務(wù)局在Stevenson—creek試驗(yàn)拱壩上開展了應(yīng)力及應(yīng)變觀測，這是最早開展安全監(jiān)測的幾個(gè)實(shí)例。
我國從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行安全監(jiān)測工作，大壩安全監(jiān)測的作用是逐斷被人們認(rèn)識(shí)的，將大壩安全監(jiān)測的發(fā)展歷程劃分為以下3個(gè)階段。
（1）1891年至1964年，原型觀測階段原型觀測的主要目的是研究大壩設(shè)計(jì)計(jì)算方法，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)壩工理論；
（2）1964年至1985年，由原型觀測向安全監(jiān)測的過度階段，接連發(fā)生的大壩失事，讓人們逐漸認(rèn)識(shí)到大壩安全的重要性，逐步把保證大壩安全運(yùn)行作為主要目的；
（3）1985年至今，安全監(jiān)測階段，此階段，大壩安全監(jiān)測已經(jīng)成為人們的共識(shí)隨著監(jiān)測儀器、監(jiān)測技術(shù)和資料分析方法的不斷進(jìn)步、發(fā)展與完善，將逐步實(shí)現(xiàn)大壩的安全監(jiān)控。
2 大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析概述
大壩安全監(jiān)測取得的大量數(shù)據(jù)為評(píng)價(jià)大壩運(yùn)行狀態(tài)提供了基礎(chǔ)，但是，原始觀測數(shù)據(jù)往往不能直觀清晰地展示大壩性態(tài)，需要對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分辨、解析、提煉和概括，從繁多的觀測資料中找出關(guān)鍵問題，深刻地揭示規(guī)律并作出判斷，這就需要進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。
2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的意義
大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以從原始數(shù)據(jù)中提取包含的信息，為大壩的建設(shè)和運(yùn)行管理提供有價(jià)值的科學(xué)依據(jù)。大量工程實(shí)踐表明：大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏了豐富的反映壩體結(jié)構(gòu)性態(tài)的信息，做好觀測資料分析工作既有工程應(yīng)用價(jià)值又有科學(xué)研究意義。大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的意義表現(xiàn)在如下幾方面：
（1）原始觀測數(shù)據(jù)本身既包含著大壩實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的信息，又帶有觀測誤差及外界隨機(jī)因素所造成的干擾。必須經(jīng)過誤差分析及干擾辨析，才能揭示出真實(shí)的信息。
（2）觀測值是影響壩體狀態(tài)的多種內(nèi)外因素交織在一起的綜合效應(yīng)，也必須對(duì)測值作分解和剖析，將影響因素加以分解，找出主要因素及各個(gè)因素的影響程度。
（3）只有將多測點(diǎn)的多測次的多種觀測量放在一起綜合考察，相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，才能全面了解測值在空間分布上和時(shí)間發(fā)展上的相互聯(lián)系，了解大壩的變化過程和發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)變動(dòng)特殊的部位和薄弱環(huán)節(jié)。
（4）為了對(duì)大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)作出合理的物理解釋，為了預(yù)測大壩未來的變化趨勢，也都離不開監(jiān)測數(shù)據(jù)分析工作。因此，大壩監(jiān)測資料分析是實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測最終目的的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的內(nèi)容
監(jiān)測資料分析的內(nèi)容通常包括：認(rèn)識(shí)規(guī)律、查找問題、預(yù)測變化、判斷安全。
（1）認(rèn)識(shí)規(guī)律：分折測值的發(fā)展過程以了解其隨時(shí)間而變化的情況，如周期性趨勢、變化類型、發(fā)展速度、變動(dòng)幅度等；分析測值的空間分布以了解它在不同部位的特點(diǎn)和差異，掌握它的分布特點(diǎn)及代表性測點(diǎn)的位置；分析測值的影響因素以了解各種外界條件及內(nèi)部因索對(duì)所測物理量的作用程度、主次關(guān)系。通過這些分析，掌握壩的運(yùn)行狀況，認(rèn)識(shí)壩的各個(gè)部位上各種測值的變化規(guī)律。
（2）查找問題：對(duì)監(jiān)測變量在發(fā)展過程和分布關(guān)系上發(fā)現(xiàn)的特殊或突出測值，聯(lián)系荷載條件及結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行考查，了解其是否符合正常變化規(guī)律或是否在正常變化范圍之內(nèi)，分析原因，找出問題。
（3）預(yù)測變化：根據(jù)所掌握的規(guī)律，預(yù)測未來一定條件下測值的變化范圍或取值：對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問題，估計(jì)其發(fā)展趨勢、變化速度和可能后果。
（4）判斷安全：基于對(duì)測值的分析，判斷過去一段時(shí)期內(nèi)壩的運(yùn)行狀態(tài)是否安全并對(duì)今后可能出現(xiàn)的最不利條件組合下壩的安全作出預(yù)先判斷。
一般來講，大壩監(jiān)測資料分析可分為正分析和反演分析兩個(gè)方面。正分析是指由實(shí)測資料建立原型物理觀測量的數(shù)學(xué)模型，井應(yīng)用這些模型監(jiān)控大壩的運(yùn)行。反演分析是仿效系統(tǒng)識(shí)別的思想，以正分析成果為依據(jù)，通過相應(yīng)的理論分析，反求大壩材料的物理力學(xué)參數(shù)和項(xiàng)源（如壩體混凝土溫度、拱壩實(shí)際梁荷載等）。吳院士提到通過大壩監(jiān)測資料分析可以實(shí)現(xiàn)反饋設(shè)計(jì)，即“綜合原型觀測資料正分析和反演分析的成果，通過理論分析計(jì)算成歸納總結(jié)，從中尋找某些規(guī)律和信息，及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)，施工和運(yùn)行中去，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)，施工和運(yùn)行的目的，并補(bǔ)充和完善現(xiàn)行水工設(shè)計(jì)和施工規(guī)范"。綜上所述，大壩監(jiān)測資料正分析中數(shù)學(xué)模型的研究與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測及資料分析的目的和意義的基礎(chǔ)與根本。
3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法
大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析涉及到多學(xué)科交叉的許多方法和理論，目前，常用的大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法主要有如下幾種：多元回歸分析、時(shí)間序列分析、灰色理論分析、頻譜分析、Kalman濾波法、有限元法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波分析法、系統(tǒng)論方法等
等，（圖1）
3.1 多元回歸分析
多元回歸分析方法是大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中應(yīng)用最為廣泛的方法之一，最常用的方法就是逐步回歸分析方法，基于該方法的回歸統(tǒng)計(jì)模型廣泛應(yīng)用于各類監(jiān)測變量的分析建模工作。以大壩變形監(jiān)測的分析為例，取變形（如各種位移值）為因變量（又稱效應(yīng)量），取環(huán)境量（如水壓、溫度等）為自變量（又稱影響因子），根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論建立多元線性回歸模型，用逐步回歸分析方法就可以得到效應(yīng)量與環(huán)境量之間的函數(shù)模型，然后就可以進(jìn)行變形的物理解釋和預(yù)報(bào)。
由于它是一種統(tǒng)計(jì)分析方法，需要因變量和自變量具有較長且一致性較好的觀測值序列。如果回歸模型的環(huán)境變量之間存在多重共線性，可能會(huì)引起回歸模型參數(shù)估計(jì)的不正確，如果觀測數(shù)據(jù)序列長度不足且數(shù)據(jù)中所含隨機(jī)噪聲偏大，則可能會(huì)引起回歸模型的過擬合現(xiàn)象，而破壞模型的穩(wěn)健性。在回歸分析法中，當(dāng)環(huán)境量之間相關(guān)性較大時(shí)，可采用主成分分析或嶺回歸分析，為了解決和改善回歸模型中因子多重相關(guān)性和欠擬合問題，則可采用偏回歸模型，該模型具有多元線性回歸、相關(guān)分析和主成分分析的性能，在某些情況下甚至優(yōu)于常用的逐步線性回歸模型，例如在應(yīng)用偏回歸模型進(jìn)行大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)分析時(shí)，還采用遺傳算法進(jìn)行模型的參數(shù)估計(jì)，取得了較好的效果。
3.2 時(shí)間序列分析
大壩安全監(jiān)測過程中，各監(jiān)測變量的實(shí)測數(shù)據(jù)自然組成了一個(gè)離散隨機(jī)時(shí)間序列，因此，可以用時(shí)間序列分析理論與方法建立模型。一般認(rèn)為時(shí)間序列分析方法是一種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的參數(shù)化時(shí)域分析方法，它通過對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型階次和參數(shù)估計(jì)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以了解這些數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和特性，從而對(duì)數(shù)據(jù)變化趨勢做出判斷和預(yù)測，具有良好的短期預(yù)測效果。
進(jìn)行時(shí)間序列分析時(shí)一般要求數(shù)據(jù)為平穩(wěn)隨機(jī)過程，否則，需要進(jìn)行協(xié)整分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，或者采用誤差修正模型。例如，利用時(shí)間序列分析方法，對(duì)大壩變形觀測資料進(jìn)行分析建模得到一個(gè)AR（2）模型，并對(duì)大壩變形進(jìn)行了預(yù)報(bào)，結(jié)果表明具有良好的預(yù)測精度。也利用時(shí)間序列對(duì)大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效地提高了模型對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合能力和預(yù)測能力。
3.3 灰色理論分析
當(dāng)觀測數(shù)據(jù)的樣本數(shù)不多時(shí)，不能滿足時(shí)間序列分析或者回歸分析模型對(duì)于數(shù)據(jù)長度的要求，此時(shí)，可采用灰色系統(tǒng)理論建模。該理論于20世紀(jì)80年代由鄧先生首次提出，該方法通過將原始數(shù)列利用累加生成法變換為生成數(shù)列，從而減弱數(shù)據(jù)序列的隨機(jī)性，增強(qiáng)規(guī)律性。例如，在大壩變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析時(shí)，也可以大壩變形的灰微分方程來提取趨勢項(xiàng)后建立組合模型。一般時(shí)間序列分析都是針對(duì)單測點(diǎn)的數(shù)據(jù)序列，如果考慮各測點(diǎn)之間的相關(guān)性而進(jìn)行多測點(diǎn)的關(guān)聯(lián)分析，有可能會(huì)取得更好的效果。1991年，等人詳述了灰色系統(tǒng)理論在水工觀測資料分析中的應(yīng)用情況，并對(duì)其應(yīng)用時(shí)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等問題進(jìn)行：了探討。同年，利用灰色系統(tǒng)模型對(duì)某重力壩的實(shí)測應(yīng)力分析證明了灰色模型具有理論合理、嚴(yán)謹(jǐn)、成果精度較高的特點(diǎn)。
3.4 頻譜分析
大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析主要在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行，利用Fourier變換將監(jiān)測數(shù)據(jù)序列由時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)進(jìn)行分析，通過計(jì)算各諧波頻率的振幅，最大報(bào)幅所對(duì)應(yīng)的主頻可以揭示監(jiān)測量的變化周期，這樣，有時(shí)在時(shí)城內(nèi)看不清的數(shù)據(jù)信息在頻域內(nèi)可以很容易看清楚。例如，將測點(diǎn)的變形量作為輸出，相關(guān)的環(huán)境因子作為輸入，通過估計(jì)相干函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和響應(yīng)譜函數(shù)，就可以通過分析輸入輸出之間的相關(guān)性進(jìn)行變形的物理解釋，確定輸入的貢獻(xiàn)和影響變形的主要因子。
將大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)由時(shí)城信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域信號(hào)進(jìn)行分析的研究應(yīng)用并不多，主要是由于該方法在應(yīng)用時(shí)要求樣本數(shù)量要足夠多，而且要求數(shù)據(jù)是平穩(wěn)的，系統(tǒng)是線性的，頻譜分析從整個(gè)頻域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行考慮，局部化性能差。
