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重力坝变形监控的智能分析方法研究

李斌  
【摘要】:重力坝变形监测数据包含了大坝变形过程的重要信息,对其信息挖掘、分析预测、安全评价是掌握大坝安全性态至关重要的技术方法。随着大坝安全监控的发展,监测数据的采集方式越来越全面、越来越智能,数据量也越来越大,这就对数据的分析处理能力提出了更高的要求。如何在海量数据中挖掘更多的有用信息,是了解大坝运行性态的基础;如何对海量数据进行预处理,是提高数据质量的前提;而对效应量保持长期精准的预测以及科学合理的安全评价,是大坝安全管理的重要内容。因此,在人工智能快速发展的时代背景下,本文以重力坝变形监测相关数据为研究对象,引入数据挖掘、智能算法、机器学习等方法,用于监测数据的异常值检测、预测预报、安全评价等分析方法的研究。主要研究内容和成果如下:(1)通过理论分析与实测数据验证,总结了重力坝变形的一般规律。首先,对空间维度的面板数据进行了相关分析,结果表明不同坝段之间均具有高度线性相关性;在此基础上,提出了形状相似系数,用于描述不同测点在变形幅度上的大小关系,计算结果表明:以中间坝段为中心将坝体对称分开,一般情况下,处于对称位置的坝段变形相似度较高,同时相邻坝段的变形相似度也较高。然后,对时间维度的单测点数据进行了自相关和偏自相关分析,从而得知某个数据与其前1时刻、前2时刻、或前3时刻有显著相关性。最后,从整体、局部和空间3个方面对重力坝变形监测数据的变化特征进行了分析和总结,以期研究适合该类数据特征的异常值检测算法。(2)对重力坝变形监测数据中的异常值进行了定义,并总结了异常值的分类与特征。然后分析了基于距离的异常值检测算法在重力坝变形监测数据分析中的适用性,并借鉴该类算法的思想,提出了多重局部异常系数法,该方法通过提取待检测值前k个数据组成的局部窗口数据,并根据设定的判别准则,可简单、快速地进行异常值实时检测。该算法主要针对原位监测数据中异常值的预处理检测,目的是为了获得高质量数据,便于后续建模分析。(3)改进了自适应差分进化算法关于初始解的选择方式,得到了改进的自适应差分进化算法(Improved Self-Adaptive Differential Evolution Algorithm,ISADE),这提高了该算法的全局优化能力,然后将其用于在线极限学习机(Online Sequential Extreme Learning Machine,OSELM)的优化,提出并建立了基于ISADE-OSELM的重力坝变形预测模型。该模型仅通过训练最新数据便可更新已有模型的参数,可实现模型的自我更新,改善了传统模型的更新方式,同时结合优化算法,提高了模型的精度和泛化性。实例计算结果表明:ISADE-OSELM模型的综合性能优于逐步回归模型、ELM模型和OSELM模型。(4)在传统置信区间法拟定监控指标的基础上,考虑了监测数据的随机性和模糊性,将云模型融入其中,使得一个具有明确边界的置信区间,拓展为一个以区间为边界的置信区间。提出并建立了云置信区间法的重力坝变形监控指标,该方法以ISADE-OSELM预测模型的误差为研究对象,因此可随着ISADE-OSELM模型的更新而更新,这使得监控指标的拟定方式更加高效。实例计算结果表明,云置信区间不仅具有传统置信区间的功能,还可按一定隶属度评价接近置信区间边界数据的安全性,这种评价方式更符合实际情况,对大坝的变形监控更加合理。


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