王澤源

摘要：隨著近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于水利的需求越來(lái)越高，對(duì)水利建筑的各方面質(zhì)量要求也越來(lái)越高。水利工程是關(guān)系民生的基建工程之一，因此，水工建筑的安全性也一直是備受關(guān)注的問(wèn)題。在進(jìn)行水工建筑作業(yè)之前，要對(duì)水工建筑物的安全性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，關(guān)于水工建筑安全性的監(jiān)測(cè)工作是重中之重，進(jìn)行安全性檢測(cè)的主要工作有兩個(gè)部分，一個(gè)部分主要是從巡視檢查工作入手，另一部分是儀器監(jiān)測(cè)工作。這兩個(gè)部分一個(gè)是從外部情況來(lái)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，一個(gè)是從精確的數(shù)據(jù)來(lái)分析水工建筑物的安全性，缺一不可。目前，我國(guó)在水工建筑物的儀器監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)上還有一些工作局限性，比如只能做到“點(diǎn)檢測(cè)”這種監(jiān)測(cè)形式。不同級(jí)別的水工建筑物應(yīng)該用不同的監(jiān)測(cè)原則來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與把控，這也是我國(guó)目前一些相關(guān)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范所明確要求的水工建筑監(jiān)測(cè)工作重心。但是這里就存在一個(gè)問(wèn)題，就是雖然規(guī)范規(guī)定了不同水工建筑的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但是監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)點(diǎn)并沒(méi)有做出較明確的要求。因而，在實(shí)際的水工建筑物安全監(jiān)測(cè)工作中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布只能依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行實(shí)際操作。這就可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的不合理問(wèn)題。所以，本文針對(duì)研究水工建筑物的安全監(jiān)測(cè)布置優(yōu)化方案就顯得尤為重要。

關(guān)鍵字：水工建筑物；安全監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)；布置優(yōu)化；方法研究；存在問(wèn)題

引言：近年來(lái)我國(guó)的水利工程事業(yè)不斷地發(fā)展進(jìn)步，水利建設(shè)項(xiàng)目也越來(lái)越多，需求量逐年上漲的大環(huán)境下，水利工程的質(zhì)量必須得到保障。因此，水工建筑物安全監(jiān)測(cè)就在監(jiān)控水利建筑物的質(zhì)量與安全性上起到了重要的監(jiān)控作用。總所周知，水利工程的建設(shè)項(xiàng)目規(guī)模都是十分大的，安全性問(wèn)題是十分重要的。一旦發(fā)生了一點(diǎn)安全質(zhì)量問(wèn)題甚至安全隱患，就會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的安全事故以及不可估量的后果與損失。同時(shí)，人們的財(cái)產(chǎn)與人生安全也可能面臨威脅，這是一個(gè)很嚴(yán)肅的問(wèn)題，影響著社會(huì)乃至國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與穩(wěn)定。所以，對(duì)水工建筑物進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)是非常有必要且十分重要的工作。本文首先分析水工建筑物中安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置優(yōu)化方法，然后討論安全監(jiān)測(cè)工作中的空間分布樣本，并且抽取出樣本探究其空間分布的特點(diǎn)。進(jìn)而對(duì)水工建筑物安全監(jiān)測(cè)布置優(yōu)化進(jìn)行細(xì)致的參數(shù)分析與研究。

一、水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的重要性

（一）水工建筑物安全事故的概述。水工建筑物在建筑前的設(shè)計(jì)、建筑過(guò)程中的施工、建成后的維護(hù)與監(jiān)測(cè)，每一個(gè)環(huán)節(jié)的安全性都至關(guān)重要。一旦出現(xiàn)安全事故，都可能會(huì)造成很嚴(yán)重的后果。一些水建筑物中，尤其是堤壩這種重要的水工建筑物。在設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧各方面因素，精心設(shè)計(jì)。施工的時(shí)候要注意各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，精心施工。切記安全第一的原則。但是近年來(lái)任然有水工建筑物的安全事故發(fā)生，究其原因，不外乎種種因素引起的安全隱患事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在第14屆國(guó)際大壩會(huì)議的報(bào)告中指出，在歷年來(lái)已經(jīng)完工建成的堤壩當(dāng)中，有14000個(gè)高于15m的堤壩里，破壞率接近1%。得益于近代以來(lái)社會(huì)的快速發(fā)展與科技的迅猛進(jìn)步，堤壩的可靠性與安全性逐年增高，如今的堤壩破壞率已經(jīng)下降至0.2%左右了。

（二）水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的意義。之所以要對(duì)水工建筑物進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，其目的就是對(duì)水工建筑物的整體變化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證水工建筑物的各方面參數(shù)維持在正常安全數(shù)值范圍內(nèi)。水工建筑物實(shí)際上是處于動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程中的，宏觀上看水工建筑物的外部是看不出變化情況的，這種動(dòng)態(tài)的變化是十分微小的，需要借助儀器來(lái)對(duì)水工建筑物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在建筑物體上選取不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析等。因此，水工建筑安全監(jiān)測(cè)不論是對(duì)建筑物本身還是對(duì)人們而言都是十分重要的。

二、水工建筑物安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化原則探究

對(duì)于水工建筑物進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)是十分必要的，其目的性也極其明確：就是對(duì)水工建筑物的安全問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這里要注意的是，在對(duì)建筑物進(jìn)行監(jiān)控的工作過(guò)程中，不僅要注意監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，還要考慮到施工水平問(wèn)題。要始終以“安全”為宗旨做好整個(gè)建筑物的安全監(jiān)控工作。下面介紹一下水工建筑物安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)要求：

（一）通過(guò)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)建筑物的整體性狀的變化過(guò)程。首先要說(shuō)明的是，這里提到的水工建筑物的性狀實(shí)際上是包含了多方面的狀態(tài)。一方面是水工建筑物的力學(xué)狀態(tài)，一方面是水工建筑物材料的物理學(xué)狀態(tài)以及化學(xué)狀態(tài)。要明確一點(diǎn)：水工建筑物在其施工和運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中，它并不是靜止地維持在某一固定狀態(tài)下的，相反的，它始終是處在一種不斷運(yùn)動(dòng)以及變化的狀態(tài)當(dāng)中的。通常情況下來(lái)說(shuō)，這種情況的出現(xiàn)并不是異?，F(xiàn)象，而是正常的變化狀態(tài)，當(dāng)然，如果發(fā)生了非正常的變化也是有可能的。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水工建筑物的整體性變化全過(guò)程的監(jiān)測(cè)就尤為重要。

（二）在監(jiān)測(cè)某一水工建筑物時(shí)，注意原音量參數(shù)與效應(yīng)量參數(shù)應(yīng)當(dāng)相互配套。咋一看這二者比較晦澀難懂，實(shí)際上簡(jiǎn)而言之就是說(shuō)，如若在某一個(gè)水工建筑物上選中的那個(gè)重要效應(yīng)量，那么還需要考慮引發(fā)效應(yīng)量產(chǎn)生變化的那些原音量，單一的只分析一個(gè)參數(shù)是不正確的，得到的分析結(jié)果也是有偏差的。不僅如此，還要將二者組合在一起進(jìn)行分析。綜合考慮分析原音量參數(shù)與效應(yīng)量參數(shù)，得到的分析結(jié)果才是最接近水工建筑物監(jiān)測(cè)的實(shí)際安全狀態(tài)。

（三）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要備份。在對(duì)水工建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候，建筑物主要部位的一些關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須進(jìn)行備份，保證搜集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整沒(méi)有丟失。如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)備份還可以在同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量點(diǎn)上，用兩個(gè)同樣的儀器來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。也可以利用不同的技術(shù)方式來(lái)獲取同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?？偠灾O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一定要充足且有效。

（四）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響因素。在對(duì)水工建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候，在以下幾個(gè)工作環(huán)節(jié)上要重點(diǎn)關(guān)注，因?yàn)檫@些環(huán)節(jié)影響著建筑物安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性。其一，水工建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集要注意數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性，不能出現(xiàn)采集缺失，采集錯(cuò)誤，記錄失誤等情況；其二，水工建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。采集好的水工建筑物數(shù)據(jù)比較多也比較雜，有些數(shù)據(jù)可能會(huì)存在偏差，因此要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。采集數(shù)據(jù)要確保有效性，檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)才會(huì)更加精準(zhǔn)；其三，水建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在采集數(shù)據(jù)時(shí)的處理與存儲(chǔ)。采集好的水建筑物安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要做好處理工作，同時(shí)要及時(shí)存儲(chǔ)，防止數(shù)據(jù)采集好之后因?yàn)闆](méi)有及時(shí)存儲(chǔ)而丟失。其四，水建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要進(jìn)行細(xì)致的分析，是判斷水建筑物安全的重要監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)。以上這些都是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候不可缺少的構(gòu)成部分。在自動(dòng)化程度的高低上這些環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)水工建筑物安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全與否有著極其重要的影響。所以，在制定安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案時(shí)，一定要優(yōu)先考慮好自動(dòng)化的問(wèn)題，切不可在設(shè)計(jì)已經(jīng)完成的時(shí)候再去考慮自動(dòng)化程度的高低設(shè)計(jì)，不能舍本逐末。

三、水工建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的點(diǎn)集劃劃分方法與步驟

（一）劃分點(diǎn)集合的組成方法。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法找出體系中主要因素與各因素之間的相互關(guān)系，也就是所謂的主成分分析方法。這種方法可以將高空間的問(wèn)題轉(zhuǎn)化到低維空間里去分析處理，這種方法的一般思路是：設(shè)樣本集X 有 n 個(gè) p維樣本，即 X = { x1，x2，？，xn} ；Rp，xi= （ xi1，xi2，？，xip） T∈ Rp，因此，希望可以找到 Rp的一個(gè)子空間 Rm（ m < p），y1，y2，？，ym∈ Rm為x1，x2，？，xn在子空間 Rm上的投影，使得用 y1，y2，？，ym來(lái)描述 x1，x2，？，xn時(shí)信息損失量，以期信息損失量達(dá)到最小值。

水工建筑物安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)在空間上的分布，構(gòu)成了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)曲面，我們可以采用主成分析法進(jìn)行曲面區(qū)域的劃分，用不間斷的折面進(jìn)行逼近，從而使得信息損失達(dá)到最小。以x，y，z為三個(gè)方向上的變量值，如果有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么樣本的資料數(shù)據(jù)矩陣應(yīng)該為X為n×3階矩陣。因此，結(jié)點(diǎn)的協(xié)方差矩陣為S： S =1n - 1（ HTH） ，n 為點(diǎn)集中點(diǎn)的個(gè)數(shù)，H 是矩陣。

（二）點(diǎn)集合的歐式距離聚類劃分。通過(guò)上文的分析，我們知道，主成分劃分方法是指在曲面主要變化方向上進(jìn)行劃分，如果說(shuō)曲面在主平面方向上的面積特別大，則主平面很有可能包括某幾個(gè)點(diǎn)之間的空間距離過(guò)大的點(diǎn)。為了將局部上所有的點(diǎn)聚集到一起，就需要減小插值，對(duì)誤差進(jìn)行擬合，按照空間距離對(duì)向量e進(jìn)行聚類劃分。在聚類劃分中，通常用歐式距離。

這里筆者主要采用歐氏距離聚類法，來(lái)對(duì)點(diǎn)集進(jìn)行再劃分的算法。一般的思路是：假定要對(duì)點(diǎn)集 C進(jìn)行劃分，為了把點(diǎn)集 C 劃分為集合c1和c2，定義兩個(gè)點(diǎn) P1= c2-νmax和 P2= c1 + νmax。其中c 是點(diǎn)集C 的中心，Vmax= | λmax| emax。根據(jù)式（ 7） 分別計(jì)點(diǎn)集C 中所有點(diǎn)x與P1、P2的歐氏距離d1k、d2k。如果樣點(diǎn)xk與P1的距離比較大，即d1k≥d2k，則將樣點(diǎn) xk劃分到點(diǎn)集 c1中；反之，如果 d1k

（三）水工建筑安全監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的評(píng)價(jià)。所謂的水工建筑安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，也就是說(shuō)，在布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)候，要遵循用最少點(diǎn)有效反應(yīng)水工建筑物體空間變化情況原則。因此，當(dāng)前我國(guó)在這方面的研究重心之一就是如何用最少的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)用最優(yōu)化的布置方法來(lái)反映水工建筑物的安全性與工作狀態(tài)。這也是水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)難題之一。

布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)候，要選擇盡可能少的點(diǎn)，監(jiān)測(cè)建筑物典型部位的空間分布變化情況?？梢杂靡粋€(gè)形象點(diǎn)的建模來(lái)比喻：用最少的監(jiān)測(cè)點(diǎn)建立的曲面模型問(wèn)題。這樣一來(lái)，可以通過(guò)曲面建模的誤差監(jiān)測(cè)法，來(lái)對(duì)水工建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置的分析與相關(guān)評(píng)價(jià)。

首先，給定數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù) t（ 1，2，？，m × n） 因此，樣條曲線形成曲面的矩陣形式為：TG = P （ 8） 在上述公式中： T 為（ m × n） ×（ r × s） 階矩陣，含有兩個(gè) B 樣條基函數(shù)的乘積；而 G 是（ r × s） × 3 階矩陣，含有未知曲面控制頂點(diǎn)的坐標(biāo)；P 則是（ m × n） × 3 階矩陣。

按照解析幾何的相關(guān)解方程的相關(guān)方法，上述方程式的解可以表示為：G = [TTT-1TTP，從而可以將每一點(diǎn)的誤差矢量用矩陣的形式表示，其矩陣表達(dá)式是哦：e = P-G = P-T[TTT-1T；P =[I-T[TTT-1TT]P = RP。

四、結(jié)論

從上面的這些分析來(lái)看，我們不難得出如下的一些結(jié)論：

（1）借用有限元的成果來(lái)作為理論分析的依據(jù)，依照“小曲率區(qū)域保留下最少的點(diǎn)，大曲率區(qū)域則應(yīng)當(dāng)保留多一點(diǎn)的點(diǎn)”這個(gè)原則，通過(guò)對(duì)水建筑物監(jiān)測(cè)的曲面主要成分和聚類分析與發(fā)現(xiàn)，能夠提取建筑物各個(gè)效應(yīng)量的空間分布特征，從而通過(guò)點(diǎn)集劃分，提出水工建筑物安全監(jiān)測(cè)布置優(yōu)化方法。

（2）關(guān)于水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)指標(biāo)在文中已經(jīng)做了詳盡的分析，即：在以B樣條曲線而形成的曲面誤差的基礎(chǔ)之上，用相關(guān)規(guī)定明確指出的范圍內(nèi)可以允許存在的誤差容許值來(lái)進(jìn)行分析，從而對(duì)水工建筑物安全監(jiān)測(cè)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）在水工建筑物的設(shè)計(jì)中，實(shí)際上已經(jīng)廣泛采用了有限元分析的方法，所以，可以采用設(shè)計(jì)分析成果來(lái)進(jìn)行水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的優(yōu)化布置，與此同時(shí)，在不增加設(shè)計(jì)工作量的情況下，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置的優(yōu)化。

結(jié)束語(yǔ)： 綜上所述，要想做好水工建筑物的安全監(jiān)測(cè)，不僅要做好監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，還要做好監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置等工作。目前來(lái)說(shuō)，水工建筑物的安全監(jiān)測(cè)也一直是現(xiàn)代企業(yè)與有關(guān)單位正在面臨的技術(shù)難題。做好水工建筑物安全監(jiān)測(cè)布置優(yōu)化意義重大，同時(shí)，水工建筑物安全監(jiān)測(cè)也是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的歷史性的任務(wù)。比如大壩的安全監(jiān)測(cè)、水利事業(yè)中水庫(kù)等建筑物的安全監(jiān)測(cè)、不管是對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還是與人們的生活都是息息相關(guān)的。本文在利用數(shù)理學(xué)的有關(guān)方法的同時(shí)，還結(jié)合了水工建筑物安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)原則，闡述了優(yōu)化水工建筑物監(jiān)測(cè)的一些行之有效的方法。以期能夠有助于提高水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的水平。

參考文獻(xiàn)

[1]陳飛.張華.水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題初探[j]城市建設(shè)理論研究.2011年第30期.

[2]董雪明. 簡(jiǎn)論水工建筑物安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)思想[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008（12）

[3]鄭東健，遠(yuǎn)近. 水工建筑物安全監(jiān)測(cè)布置優(yōu)化方法研究[J]. 水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2012（31）

[4]A. 瓦西里耶夫斯基等. 已建水工建筑物的安全監(jiān)測(cè)[J]. 水利水電快報(bào)，2008（24）

[5]周綠，林享，鐘約先，等。曲面重構(gòu)中測(cè)量點(diǎn)云精簡(jiǎn)方法的研究[J]。中國(guó)制造業(yè)信息化，2004，33（5）：102 - 104.

[6]金濤，童水光，等.逆向工程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.