大坝安全监测自动化系统人工比测的精度指标法

卢正超，姜云辉，黎利兵

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038； 2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038)

0 引 言

随着自动化技术的进步和工程安全管理信息化、智能化的发展，工程安全监测自动化成为大势所趋。目前大中型的水电站、引调水工程以及桥梁、隧道、边坡等岩土工程均在一定程度上实现了工程安全监测自动化。工程安全监测自动化系统一般包括自动化采集、传输、供电、防雷接地等基于集成电路的子系统。集成电路电子产品本身比较脆弱，正常工作寿命一般为10年左右。受限于设备的工作原理和结构特点以及恶劣的现场工作条件，监测自动化系统不可避免存在数据失真的问题。为确保监测自动化系统的实用可靠，应采用人工比测这种技术手段进行必要的考核检验。现行技术标准DL/T 5211—2005《大坝安全监测自动化技术规范》和DL/T 5272—2012《大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程》均规定采用人工比测作为监测自动化系统的考核手段。

监测自动化系统人工比测的有关理论和实践至今仍是一个受关注的问题[1-5]。文献[2，5]基于数理统计的原理提出了自动化比对方法，但均未考虑工程安全监测中的传感器精度等实际情况。

笔者在进行南水北调中线干线工程安全监测自动化系统人工比测的过程中发现，上述监测自动化规程规范中关于人工比测定量考核的方差分析方法存在不适用的问题。本文介绍了规范中人工比测的方差分析方法存在的问题及其原因，并基于工程安全监测传感器实际精度要求，提出了开展内部观测仪器人工比测的精度指标法。

1 规范中人工比测方法及其存在的问题

对于钢弦式或差阻式渗压计、应变计、钢筋计、土压力计等内部观测仪器，通常采用GK403或BGK408、SQ-5等便携式读数仪进行人工观测。按规范要求，便携式读数仪应定期进行检验。因此，从一般意义上来说，人工观测读数在计量上是可溯源的，自动化监测系统的实测数据与同时同条件的人工观测数据的偏差应保持基本稳定，无趋势性漂移，且满足监测精度要求。

根据DL/T 5211—2005《大坝安全监测自动化技术规范》，人工比测可采用过程线比较或方差分析进行比对。过程线比较是取各测点在自动化数据采集和人工采集并行阶段中的相同时间、相同测次的自动化测值和人工测值，分别绘出自动化测值过程线和人工测值过程线，进行规律性和测值变化幅度的比较。方差分析是取各测点在自动化数据采集和人工采集并行阶段中的相同时间、相同测次的自动化测值和人工测值，分别组成自动化测值序列和人工测值序列，计算其标准差σz和σr，按下式计算两者之差的标准差

(1)

同组数据的差值δi=xzi-xri按如下标准控制

δi≤2σ

(2)

即所谓的“2σ”准则。

进行南水北调中线干线工程安全监测自动化系统人工比对时发现，规范中的上述比测方法存在如下问题：

(1)对于试运行期获得的长时间序列，自动化采集测值和人工观测测值均可能存在粗差，不能直接用于比测。

(2)方差分析的基本前提是，在环境因素及结构性态保持一致的条件下同时进行多次测读，使得人工和自动化测值系列的均方差可反映各自的精度。对于长达数月甚至一年以上的试用期，长时段测值系列的均方差更多地反映环境因素及结构性态的变化而不是测量精度，而且计算得到的σz、σr及σ一般很大，远大于传感器的测量精度要求，再按“2σ”准则进行判断就失去意义了。因此，方差分析不适用于长时段的人工比测。

(3)对于短时段人工比测的方差分析，规范中未规定比测次数和对同时性的要求。结合实际情况，在进行南水北调中线干线工程安全监测自动化系统人工比对时，笔者按照如下方式进行：①比测时，对各测点交替进行6次自动化采集数据(xzi，i=1～6)和6次人工采集数据(xri，i=1～6)，称为一次比测。每次比测的前后历时，对16通道MCU在2 h内；对32通道MCU在4 h内。②每次自动化采集数据(xzi)和相应人工采集数据(xri)称为一组数据，同组数据的采集时间间隔，对16通道MCU不大于15 min；对32通道MCU不大于30 min。③分别用自动化采集数据系列(xzi，i=1～6)和人工采集数据系列(xri，i=1～6)计算各自的标准差σz和σr，再按式(1)计算两者差值的均方差σ，同组数据的偏差δi=xzi-xri按“2σ”准则判断，全部满足为合格，否则为不合格。惠南庄管理处679支内观仪器实际比对结果表明，不合格率在94%以上。主要原因是读数仪和自动化采集单元的精度很高且测值很稳定，计算得到的均方差σ很小，远小于传感器精度。按“2σ”准则，自动化采集仪单元与人工观测读数仪的精度越高测值越稳定，σ越小，理论上传感器(或通道)被判断为不合格的可能性越高。实际上，自动化采集仪单元与人工观测读数仪是两种不同类型的仪器仪表，在进行人工比测时，人工读数仪为完全隔离绝缘的设备，而MCU的测值则可能受到绝缘降低的某些传感器的不利影响。此外，人工测读和自动化测读也不可能完全满足同时性条件，一般时间间隔在数小时以上，因此理论上自动化采集仪单元与人工观测读数仪之间存在一定偏差是正常的，只要两者的偏差在传感器的精度范围内，完全可以认为是满足工程安全监测要求的。综上，方差分析也不适用于按照上述公式(1)和(2)进行监测自动化系统短时段人工比测的考核。

(4)规范中没有明确是采用频模、温度等原始物理量还是换算后的工程量(如渗压、应变、应力等)进行比对。对于钢弦式传感器，如采用换算后的工程量进行比对，受温度修正的影响，频模通道正常而温度通道不正常的传感器会被判断为不合格。实际上频模通道正常，温度测值不正常但附近有可替代的温度测值或温度测值存在常差，从分析的角度来看，传感器的读数是有效、可用的，不宜判断为不合格。

(5)对于过程线比较，规范中没有给出定量的标准，因此评价结果受限于实际操作人员的经验。

2 建议的人工比测精度指标法

综上所述，DL/T 5211—2005《大坝安全监测自动化技术规范》和DL/T 5272—2012《大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程》中所述的方差分析方法不适用于自动化监测系统的人工比测。针对实际工程人工比对发现的问题，建议监测自动化系统的人工比对采用如下方式：

(1)人工比测，按原始物理量进行对比。

(2)作为试运行期的考核方式的人工比测，遵循定性和定量相结合的原则，采用过程线比较，自动化测值和人工测值偏差判断标准应基于传感器的测量精度而不是前述“2σ”准则。同组测值的偏差δi应满足如下条件

δi=xzi-xri

(3)

δi≤2σ标

(4)

式中，σ标为传感器的标称技术指标。例如，某支BGK4911钢弦式钢筋计，测量范围为100 kN，标称精度0.25%FS，仪器系数G=0.045 172 kN/digit，则频模通道的标称技术指标σ标=100×0.25%÷0.045 172=5.5个模数。上述方法需要用到各传感器的量程和仪器系数等资料，实际使用起来比较麻烦。为简化起见，对于钢弦式传感器的频模通道，可采用表1所示的厂家提供的参考精度，按下述标准进行评价

δi≤σ精

(5)

式中，σ精为传感器的精度指标。对于钢弦式仪器的温度通道，可使用下述标准进行评价

δi≤1.0 ℃

(6)

(3)运行期半年或一年一次的人工比测，可按照规范要求进行监测自动化系统短期稳定性测试，2 h 内连续测读15次，其中，误差应满足厂家的标称技术指标，同时2 h内连续3次进行人工测读(与自动化测读的间隔时间不大于15～30 min)，自动化测值的算术平均值和人工测值的算术平均值两者的偏差应满足上述基于传感器测量精度的控制标准。

表1 基康钢弦式仪器频模测值参考精度

(4)自动化测值和人工测值的序列中同组测值的测时间隔不大于4～8 h。

(5)对自动化测值和人工测值的序列存在的粗差，对比前应剔除。上述方法基于传感器的实际精度，因此可称之为精度标准法。

3 不同方法的人工比测结果分析

南水北调中线干线工程惠南庄管理处工程安全监测自动化系统，设4个测站，自动化采集单元(美国基康Micro-1000)23台，接入内部观测仪器测点679个，包括钢筋计280支、应变计246支、无应力计50支、土压力计28支、测缝计18支、渗压计51支和温度计6支，除温度计外，均为基康公司的钢弦式仪器。除少数仪器埋设于2009年～2010年外，绝大多数仪器埋设于2006年5月～2008年5月。监测自动化系统于2012年10月开始试运行。

2017年7月，在前期工作的基础上我们对惠南庄管理处接入自动化的全部测点进行了系统的比测和分析，采用了下述4种方法对自动化和人工测值序列进行分析评价：

(1)短时方差法。即按照前面第1节中所述的短时段人工比测的方差分析方法，对各测点交替进行6次自动化采集数据和6次人工采集数据，按“2σ”准则进行评价。实际得到的2σ很小，一般均小于1个模数，小于仪器测量精度甚多，总体合格率仅为5.3%。

(2)长时方差法。对2017年1月1日至2017年6月30日期间的同时同条件的人工观测数据和自动化数据，按照方差分析方法“2σ”准则进行评价。实际得到的2σ很大，一般几十甚至上百个模数，远超过仪器测量精度，总体合格率为92.7%。部分不合格的测点还有人工测值不可靠的因素。扣除该因素影响，合格率会更高。

(3)过程线检查法。绘制全序列的自动化测值过程线和人工测值过程线，进行规律性和测值变化幅度的比较，根据经验判断是否合格，总体合格率为86.3%。

(4)精度标准法。用本文提出的精度标准法，参照表1的传感器的精度指标，按照公式(5)和(6)进行评价，总体合格率为74.0%。

可以看到，短时方差法“2σ”准则过严导致合格率过低，长时方差法“2σ”准则过宽导致合格率过高，均和实际状况不符；过程线检查缺乏定量标准，得到的结论因人而异；精度标准法与实际情况比较吻合。

4 结 语

(1)目前大坝安全监测自动化相关规程规范中人工比测定量考核的方差分析方法2σ标准，存在长时段测值序列方差过大、短时段测值序列方差过小的问题，与传感器的测量精度未能建立有效的联系，“2σ”准则或过严导致合格率过低，或过宽导致合格率过高，与实际状况不符，不适用于自动化监测系统的人工比测。本文建议采用精度指标法取代方差分析方法进行人工比测定量考核。现场比对工作表明，精度指标法评价结果与实际情况较为吻合。

(2)建议对DL/T 5211—2005《大坝安全监测自动化技术规范》和DL/T5272—2012《大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程》关于人工比测的内容进行必要的修改：①监测自动化系统比测指标应满足的标准为，自动化监测系统的实测数据与同时同条件的人工观测数据的偏差应保持基本稳定，无趋势性漂移，且满足监测精度要求。②人工比测宜采用原始物理量过程线进行比较，剔除粗差，同组测值的测时间隔不宜大于4～8 h，自动化测值和人工测值偏差合格判断标准应基于传感器的测量精度。

(3)进行人工比对时，为加快进度，可根据传感器型号规格，系统收集厂家提供的参考精度。

[1] 方卫华. 大坝监测自动化中的人工比测研究[J]. 大坝与安全, 2003(5)： 29- 32．

[2] 顾冲时, 王建, 郑东健, 等. 不同监测方法下大坝安全监测资料差异性检验[J]. 水利学报, 2004, 35(4)： 101- 104．

[3] 焦绪志, 焦绪涛, 高彦国. 大黑汀大坝自动化监测系统运行状况初步分析[J]. 海河水利, 2008(5)： 61- 63．

[4] 罗正英, 陆嘉斌. 龚嘴、 铜街子电站渗流自动化监测应用探讨[J]. 水电与新能源, 2011(6)： 43- 45．

[5] 花胜强, 顾晓峰, 高磊, 等. 大坝安全监测中的自动化比测方法[J]. 水力发电, 2017, 43(3)： 120- 122．