水利水電測量誤差控制監(jiān)測系統(tǒng)探討

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摘要：為解決水利工程測量過程中存在輸出結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)偏差較大的問題，開展了基于水利水電測量的誤差控制監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究。硬件設(shè)計(jì)中包括數(shù)據(jù)測量探測裝置、測量誤差診斷芯片選擇等模塊；軟件設(shè)計(jì)中包括水利水電測量的異常數(shù)據(jù)挖掘、異常數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償控制和水利水電測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測等內(nèi)容。至此，完成了誤差控制監(jiān)測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，可有效提高誤差控制的精度，確保后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水利水電工程；測量誤差；控制；監(jiān)測

1前言

在水利工程領(lǐng)域中，人們通過對水利水電的測量給工程施工質(zhì)量、水電機(jī)組運(yùn)行等環(huán)節(jié)提供重要的數(shù)據(jù)支撐條件，以此保證在進(jìn)行水利工程各個(gè)環(huán)節(jié)操作時(shí)，得到更高質(zhì)量的工程效果[1]。當(dāng)前，由于我國水利工程起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比，無論是在測量技術(shù)還是測量設(shè)備上均較為落后。傳統(tǒng)水利工程測量技術(shù)和設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中存在測量精度低、人為干預(yù)較多、自動化程度差等問題[2]。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使得各類測量技術(shù)能夠獲取到更加準(zhǔn)確和直觀的結(jié)果，因此，通過將水利測量技術(shù)引入到對水利工程的測量誤差控制中，具有更高的應(yīng)用價(jià)值。對此，本文開展基于水利水電測量的誤差控制監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究。

2誤差控制監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)測量探測裝置設(shè)計(jì)

為更加方便地對水利水電測量數(shù)據(jù)存在的誤差進(jìn)行控制，本文首先在系統(tǒng)中引入針對數(shù)據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行探測的硬件設(shè)備。在數(shù)據(jù)測量探測裝置中，增加一組數(shù)據(jù)測量結(jié)果探針裝置，并將該探針結(jié)構(gòu)按照相應(yīng)的規(guī)律和屬性，安裝在系統(tǒng)輸出端位置上，以此逐步擴(kuò)大對水利工程水電測量異常數(shù)據(jù)的范圍。本文選用ISD586-21400型號的128G探針，該型號探針采用半導(dǎo)體材料探測，可為本文系統(tǒng)提供低阻、高阻、雙電阻、普通單電阻等多種不同的探測方法。ISD586-21400型號探針的最小重心為8.2N/A，全行程約為（8.2±1.8）mm，工作行程約為（1.8±1.1）mm，彈簧力為240g±。在本文數(shù)據(jù)測量探測裝置中，由于探針結(jié)構(gòu)不會在探測過程中觸碰到水電測量裝置，因此，對其測量結(jié)果不會造成二次誤差，以確保在對數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行控制的過程中，不會影響到水電測量裝置原本的測量精度。本文數(shù)據(jù)測量探測裝置探測流程如圖1所示。當(dāng)通過數(shù)據(jù)測量探測裝置獲取水電測量裝置得出的數(shù)據(jù)結(jié)果時(shí)，將系統(tǒng)中的交換機(jī)和路由器進(jìn)行連接，以此確保測量數(shù)據(jù)能夠更加順利地導(dǎo)出、探測和分析。

2.2測量誤差診斷芯片選擇

為確保本文提出的基于水利水電測量的誤差控制監(jiān)測系統(tǒng)能夠在第一時(shí)間完成對測量誤差的采集和判斷，在本文系統(tǒng)當(dāng)中引入SNDO-28220型號的異常診斷芯片。該型號芯片的電源系列采用4×4封裝結(jié)構(gòu)，運(yùn)行過程中額定功率為550W，符合本文系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的雙重絕緣傳導(dǎo)和輻射要求，并且不需要額外增加外部的數(shù)據(jù)濾波設(shè)備。同時(shí)，SNDO-28220型號異常診斷芯片，能夠接受來自系統(tǒng)的75~188VAC輸入，并且能夠?yàn)橄到y(tǒng)后續(xù)操作提供6個(gè)基本輸出電壓，分別為18V、26V、32V、48V、54V、65V和78V。同時(shí)，采用SNDO-28220型號異常診斷芯片的原因是該芯片中自帶對數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境中85%以上病毒類型的自動防御，以此確保本文系統(tǒng)在對誤差進(jìn)行控制和監(jiān)測的過程中，水利工程相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的安全。

3誤差控制監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1基于水利水電測量的異常數(shù)據(jù)挖掘

在對水利水電測量異常數(shù)據(jù)挖掘時(shí)，主要針對其水位測量結(jié)果、流速測量結(jié)果和流量測量結(jié)果進(jìn)行挖掘[3]。在對水利水電測量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差控制前，需要對判斷數(shù)據(jù)誤差的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，結(jié)合水利工程施工特點(diǎn)，得出如下定義表達(dá)式：（1）式中：W為通過本文定義并量化后的數(shù)據(jù)誤差標(biāo)準(zhǔn)；e為誤差數(shù)據(jù)不確定性統(tǒng)計(jì)平均值；q為水利水電測量過程中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的具體概率；n為在某一水利水電測量裝置當(dāng)中共包含的信息元和概率事件個(gè)數(shù)。對于水利水電測量數(shù)據(jù)包含的各類內(nèi)容及特征屬性，其具體的取值范圍需要根據(jù)特定的測量施加間隔決定[4]。因此，本文結(jié)合水利水電測量技術(shù)中的量化方式，對異常數(shù)據(jù)可能存在的分布特征進(jìn)行量化。對異常數(shù)據(jù)特征分布的松散度進(jìn)行量化，以此獲取到測量設(shè)備在輸出異常數(shù)據(jù)時(shí)，做出的相應(yīng)變化反應(yīng)。再對異常數(shù)據(jù)的所有屬性特征進(jìn)行定義，用M表示。再用Pij表示為第i個(gè)異常數(shù)據(jù)特征屬性的第j個(gè)取值大小。在對水利水電測量結(jié)果中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘時(shí)，得出如下表達(dá)式：（2）式中：γ為某一屬性i的所有測量結(jié)果數(shù)據(jù)；zi為某一屬性i當(dāng)中所有對應(yīng)的異常數(shù)據(jù)數(shù)量。根據(jù)式（2）得出的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在系統(tǒng)下次進(jìn)行監(jiān)測的時(shí)間間隔內(nèi)完成對異常數(shù)據(jù)的預(yù)測。同時(shí)，在水利水電測量分配數(shù)值遞減時(shí)，可通過引入加權(quán)平均算法的方式，對測量數(shù)據(jù)結(jié)果的誤差進(jìn)行預(yù)測。以此，進(jìn)一步提高對誤差控制前預(yù)測結(jié)果的精度。

3.2異常數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償控制

完成對異常數(shù)據(jù)的挖掘后，對其進(jìn)行相應(yīng)的誤差補(bǔ)償控制，再結(jié)合傳感器測量裝置獲取到相應(yīng)的壓力參數(shù)后，傳感器的輸出不僅會與壓力之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，同時(shí)還會受到水利工程周圍環(huán)境溫度的影響[5]。因此，為避免周圍環(huán)境溫度對誤差補(bǔ)償造成的影響，系統(tǒng)還需要結(jié)合溫度變化情況對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補(bǔ)償，并在控制的過程中根據(jù)壓力的改變對補(bǔ)償值進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)上述補(bǔ)償控制目的，本文結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)定系統(tǒng)對測量裝置中傳感器的輸入以及周圍環(huán)境溫度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中對任何非線性逼近的能力，實(shí)現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的誤差補(bǔ)償。在進(jìn)行補(bǔ)償前，還需要在不同壓力和溫度條件下，利用多組傳感器輸出數(shù)據(jù)與對應(yīng)的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)連接，引入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，并以標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)測得的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)輸出模式，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，從而確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出值能夠符合某種映射關(guān)系。當(dāng)完成對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練后，由于其具有一定的泛化能力，因此即使輸入的數(shù)據(jù)為未經(jīng)過訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，也同樣能夠使系統(tǒng)輸出合理的結(jié)果。

3.3水利水電測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測

為保證測量誤差補(bǔ)償控制的持續(xù)性，還需要在本文系統(tǒng)當(dāng)中引入對水利水電測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊。通過本文系統(tǒng)中引入端口掃描、測量設(shè)備掃描、測量數(shù)據(jù)材料等操作和行為，會造成誤差補(bǔ)償出現(xiàn)異常現(xiàn)象。為有效避免該現(xiàn)象，在本文系統(tǒng)中對測量得到的數(shù)據(jù)對應(yīng)的傳輸協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和計(jì)算，從而對出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性匹配，確保判斷異常數(shù)據(jù)類型的準(zhǔn)確性。在水利工程管理中線，管理人員可以通過上位機(jī)終端和手機(jī)APP對水利水電測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲取各個(gè)測量點(diǎn)的水雨情，輔助完成對發(fā)電機(jī)組設(shè)備的管理，可以有效提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。

4對比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出的基于水利水電測量的誤差控制監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是否具有更良好的應(yīng)用效果，選擇某水利工程作為實(shí)驗(yàn)對象，分別利用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)對該水利工程測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差控制，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該水利工程匯總包含了6個(gè)水泵裝置、2組電機(jī)設(shè)備以及其他相關(guān)水電設(shè)備。在該水利工程中，由于采用的設(shè)備均為已經(jīng)出現(xiàn)老化問題，因此，得出的相關(guān)測量結(jié)果存在一定的誤差，需要通過本文系統(tǒng)或傳統(tǒng)系統(tǒng)對其進(jìn)行誤差補(bǔ)償。設(shè)置一次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間間隔為30min，共完成對5組不同測量結(jié)果的誤差控制，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比見表1.根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，在對水位測量、流速測量和流量測量這3種不同類型數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償控制時(shí)，本文系統(tǒng)補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際數(shù)值更加接近，而傳統(tǒng)系統(tǒng)補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)結(jié)果相差較大。因此，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，本文提出的基于水利水電測量的誤差控制監(jiān)測系統(tǒng)具有更高的誤差控制精度，值得廣泛應(yīng)用和推廣。

5結(jié)語

在水利工程中，通過測量技術(shù)能夠獲取到眾多不同類型的數(shù)據(jù)信息，以此保證水利工程的順利實(shí)施。本文針對傳統(tǒng)誤差控制監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合水利水電測量技術(shù)，提出一種全新的系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢。在后續(xù)的研究中，還將針對更多測量數(shù)據(jù)類型的誤差控制與監(jiān)測進(jìn)行深入研究，為水利工程的數(shù)字化、智能化提供新思路。

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作者：唐碧輝 吳帥 范鵬程 李珍木 單位：高克勘察測繪有限公司 連云港不動產(chǎn)交易登記中心