模糊聚类法在大坝监测资料分析中的应用

王晓云+周鹏

摘要：文章首先简述了模糊聚类分析法的定义，接着剖析了模糊聚类法在我国大坝监测资料分析中的实际应用，又介绍了模糊聚类法在大坝监测资料分析中关键点的预报拟合，并建立模糊相似关系，最后提出了大坝监测点的优化。希望文章可以在一定程度上为相关的专业学者提供参考与借鉴，如有不足之处，还望批评指正。

关键词：大坝监测；资料分析；模糊聚类法；模糊相似关系；预报拟合 文献标识码：A

中图分类号：TV698 文章编号：1009-2374（2017）07-0071-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.033

1 概述

本文对于大坝监测资料分析中模糊聚类法的实践进行探究是顺应经济与科技发展的需要，主要应用模糊聚类分析法来对地下水质监测网进行具体的分析，并对其采取适当的措施予以优化，从而达到较好的聚类效果。要想达到优化水质监测网的目的，并且拥有较好的细致度与全面性，就要建立在模糊聚类分析理论基础之上，然后具体依照各个检测点的情况，对聚类中心向量的具体距离，再与各个检测点的具体化学类型等情况密切结合，将监测点的取舍问题合理解决掉。理论上来说，监测的时间与空间分辨率越高，得到的监测信息也就越完整，但是要注意的是不要把目光仅仅滞留在追求空间与时间监测的高分辨率。总之，对大坝监测资料分析中模糊聚类法的实践进行研究的比较少，可以供相关的工程师与研究人员参考学习。

2 模糊聚类分析法概念

本文探究分析的就是大坝监测资料分析中模糊聚类法的实践，那就要对模糊聚类分析法的概念有一个清晰明确的了解。所谓的模糊聚类分析法指的就是在所研究对象基本特点的基础之上，具体建造出模糊矩阵，并且在这个前提之下再凭借相关的隶属关系将聚类条件等确定下来，确定的具体方法就是通过模糊数学方法，接着就是聚类，聚类还要满足科学性、客观性、精确性的要求。一般而言，开展模糊聚类分析的研究对象，并没有对模型提供任何分类，而主要是依照样本的具体特点进行类别划分，而大坝监测资料分析中模糊聚类法的实践有助于更好地综合运用模糊聚类分析的方法与多元逐步回归分析的方法，来更好地处理大坝有关的资料，从而使得工作效率得以有效的提高，使得大坝的运行情况得以及时的了解。

3 模糊聚类法在大坝监测资料分析中的实际应用

我国目前大多数已建和正在建的最高混凝土面板堆石坝。面板作为最主要的防渗体系，对其变形展开监测显得尤为重要，大坝面板堆石坝同时应用电解液倾斜仪法与光纤陀螺仪（FOG）法两种方法监测面板变形，其中，光纤陀螺仪监测管道铺设在面板上最长的0+212断面，监测仪器布置有二期面板、三期面板、常规测斜仪、光纤陀螺监测管道等。光纤陀螺仪是一种基于sagnac效应的敏感角速度传感器，将FOG安装在运载小车中，小车在监测管道中运行，管道发生变形的时候，FOG能够测量出角速度，对角速度进行二次积分能够得出相应的线位移，最终得到FOG运行轨迹曲线。

4 关键点的预报拟合

本文对于大坝监测资料分析中模糊聚类法的实践进行探究，主要使用的就是多元逐步回归分析对于大坝关键点进行预报拟合，聚类指的就是把数据集分成多个类或者簇，目的就是让不同类之间数据差别应尽可能大，类内之间的数据差别应该减少到最小化，遵循的就是“最大化类内相似性，最小化类间相似性”原则，一般而言，在开展大坝安全监测分析的时候我们主要应用多元逐步回归方法，其的典型特点就是所得结果的精确度比较的高，这种方法的计算较为方便快捷。关键点的预报拟合在自变量具体引入的时候，为了使得各个步骤选入回归方程因子的重要性得以有效的保证，要进行严格的检验，删除方程中不合適的变量，建立统计模型。

5 模糊聚类法用于大坝监测资料分析中的步骤

5.1 聚类效果评价

聚类效果评价在大坝监测资料分析中有着广泛的应用与普及，聚类效果评价选取不一样的阀值就会对应不一样的分类，之所以使用基于平均每期各点间的变形允许差的评价方法就是想要达到更加精准、科学、客观的分类，筛选出最适宜的阀值阿尔法，进而确定最合适的分类。每个监测点的变形数据可以记为矩阵X，其中x（nxm）（i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，m）为第I个点的第J期变形量。设r为对应阿尔法值的分类数，n为第i类样本包含的点数，主要的具体计算步骤如下：（1）确定最佳阀值的阿尔法值，即当E≤1的时候，以分类数最小的原则选取阿尔法，采用模糊聚类分析方法对大坝质量进行评价，可以确定地下水的污染范围，为地下水管理提供科学严谨的依据；（2）计算第s类样本的聚类中心向量x，这是该类样本第k期变形的平均值，这有利于有效地降低监测工作所产生的经济负担，从而使得经济效益得以有效保证；（3）进一步确定每期各点变形间的容许差，并且计算出F=maxf，其中，当f小于等于的时候，该类中所有样本聚为一类合理，无论是从实践的角度还是经济的角度来看，大坝的安全与基础的稳定性密切相关，作为各类科研工作者及工程技术人员常用的数学方法之一，它已经在环境保护、地质勘探、机械工程等领域取得了突破性的进展；（4）最后一个步骤就是计算第i类样本中第j个样本到该类聚类中心的距离d及平均距离。

5.2 模糊聚类

采取模糊相似矩阵作聚类分析，一般情况之下，根据各个监测点到对应聚类中心向量的欧几里得距离即利用数据来确定待分类对象的模糊相似关系，通常运用的模糊聚类分析方法包括四种，分别是最大树法、传递闭包法、FCM法以及动态直接聚类法。通常之所以将R转换为模糊等价关系矩阵t（R），就是因为用模糊相似矩阵作聚类分析的结果不够科学准确，并且它只满足对称性与自反性，这并不是真正的模糊等价关系，转换之后再进行动态聚类，用平均法求t（R），依次计算R、R1、R2、R3、……，给定一个分类情况，可以得到R的阿尔法截集，最终求得该重力坝各测点的分类情况，进而及时掌握大坝的真实运行状况，促进经济的可持续发展。

5.3 建立模糊相似关系

X=（x1，x2，x3，…，xn）为n个变形监测点，每一个监测点x有m期变形量。模糊相似矩阵R中相似系数r表示点的相似程度，根据相关系数矩阵中的基元，对标准化后的数据，通过计算相关系数求得模糊关系矩阵R，将具体的聚类对象给明确下来，如果说总共有n个需要进行类型划分的对象，而且可以确定各个对象都有p个可以量化的具体指标，矩阵X称为原始资料矩阵，这个计算方法各种各样（例如数量积法、相关系数法、指数相似系数法），要严格遵循“实事求是，因地制宜”的原则。总而言之，希望相关的专业人员将模糊聚类法普及到大坝监测资料的分析中去，建立起科学合理的模糊相似关系，为同类工程检测资料分析提供一种新的数学模型与理论依据。

6 工程概况

本文所采取的实例是我国的某一个水电站，这一水电站枢纽主要是由左右岸灌溉引水管、左岸坝后式电站厂房、左右岸混凝土副坝、右岸混凝土重力式溢流坝等所组成，在本工程之中一共具有20个坝段。坝区出露地层为白垩系河口统红色岩层，岩性以砂岩、砂质砾岩为主。各种的岩层的分布规律也是逐层、不等的进行分布，层理十分清晰。坝址区的主要构造以垂直升降运动所产生的正段层比较繁多，断裂构造以构造裂隙为主，大多没有填充物或者是有少量未结胶的钙质、石膏、砂土填充，所以基础岩体都具有裂缝介质的属性。

7 大坝监测点的优化

在模糊聚类的基础之上，接下来要做的就是从整体上综合考虑各个监测点的水化学类型，选出关键监测点，有效地对大坝监测资料分析预报，然后将各个具体监测点以及相应的中心向量指标等的参数欧几里德距离d确定下来，逐步引入因子、剔除因子以获得多元逐步回归方程，它主要包括的还有具体的检测指标的数值以及在聚类之中的具体的检测数值。在进行相同水化学类型监测点的选取过程之中，应该选择离聚类中心向量距离最近的点，将其当作这类的代表点来应用，更加充分及时地利用丰富的监测信息，得到相应的动态聚类结果。总之，监测点的优化旨在选择出科学的大坝监测点，并将其作为水质监测网优化升级之后的监

测点。

8 结语

综上所述，对大坝开展安全监测主要是为了科学、有效地了解大坝的具体运行情况，清楚地了解各检测量具体的变化状况，本文对大坝监测资料分析中模糊聚类法的实践进行探究分析具有重要的現实性意义。监测的数据量随着科学技术的不断发展也不断增大，大坝的检测点也更加细致全面，模糊聚类分析法之所以应用到大坝监测资料分析之中就在于它能够最大化地提高监测资料分析效率，节省人力及时间，及时地掌握大坝的运行状况，进一步降低运行成本与资金。希望相关的专业人员定期对坝址区水质进行监测与分析，对当前的地下水质量检测等进行适当的信息反馈与分析，通过创新以及优化等方法使得质量检测更具科学性，从而使得大坝检测与社会经济的动态平衡得以更好的

维持。

参考文献

[1] 何政翔，张慧莉，刘观标.用模糊聚类分析法分析大坝位移观测资料——综合评判与预报[J].水电自动化与大坝监测，2014，（26）.

[2] 蔡德所，董思梦，杨根新.用逐步模糊聚类分析法进行混凝土坝的位移预报[J].大坝与安全（理论版），2013，（15）.

[3] 朱丽娜，周洪波，付成华.大坝坝基扬压力预测中的模糊聚类分析法[J].中国工程与建设，2012，（11）.

作者简介：王晓云（1973-），男，江苏昆山人，供职于国网江西省电力公司柘林水电厂，研究方向：大坝安全监测方法。

（责任编辑：蒋建华）