大坝安全监控的灰色综合评价模型研究
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摘要
本文应用灰色系统理论，并结合数学、力学和坝工知识对大坝的变形状
况、结构性态和安全状况进行了系统地分析和研究，提出了一些具有实际意
义的大坝安全监控方面的新模型和新方法，其主要内容如下：
1．在研究分析了灰色系统理论建模的理论背景和几种常见的灰色模型
的基础上，探讨了建立GM（1,N）模型的一般步骤，并建立了基于灰色关联
度的较优的GM（1,N）模型。实例分析表明，该模型的精度要比逐步回归模
型高。
2．针对SCGM(1，h）c模型在某些情况下精度较低的问题，提出了利用残
差建立SCGM(1，h）c模型用于修正原模型的方法。研究表明，修正后的模型的
精度比原模型有了较大的提高。
3．将大坝安全监控模型中的参数和实测数据均视为灰色，利用灰色系统
方法对灰参数进行了辨识，并对大坝的监测效应量给出了灰色区间预报值。
4．基于控制论，建立了大坝坝顶位移和坝踵应力的灰色过程模型，并以
此模型研究了大坝的结构性态。
5．利用灰色系统中的灰色聚类方法，并结合数学、力学知识，对大坝在
各种荷载组合作用下的安全性态作了分评价。
6．基于灰色系统的基本理论，研究了用灰色聚类分析方法建立大坝监测
物理量的预测模型。根据该模型，可以利用环境量来预测观测物理量，且效
果较好。
The Grey System Theory is applied to analyze the deformation condition, structure behavior and safety behavior of dams combined mathematics, mechanics and dam engineering knowledge. In this paper, some new effective models and methods are presented. The main contents are described as follows:
1. On the basis of analyzing the theoretical background of grey models and current grey models, the procedure for building GM(1,N) Model is proposed. For it has some disadvantages, this model is improved by using correlative degrees. The study shows that the precision of the improved model is better than the stepwise regression model.
2. Because the precision of SCGM(l,h)c Model is not satisfactory in some situations, the way of building SCGM(l,h)c Model utilizing residual error series is presented to correct the former SCGM(l,h)c Model. The merit of the improved model is revealed by the example in this paper.
3. Both parameters and observed values are considered as grey in dam safety monitoring models. Grey parameters are identified by the means of the Grey System Theory and then forecasting values are given hi the format of grey interval.
4. Based on the Control Theory, the Grey Process Model is built using the displacement of the dam crest and the stress of the dam heel, and the model can be used to analyze the structure behavior and stability of dams.
5. Utilizing the grey clustering method, mathematics and mechanics knowledge, the safety states of dams under typical load combinations are analyzed and evaluated.
6. Based on the grey clustering method, the forecasting model of dam safety monitoring values is built. By using the model, dam safety monitoring values can be forecasted by environmental values and the result is satisfactory.
况、结构性态和安全状况进行了系统地分析和研究，提出了一些具有实际意
义的大坝安全监控方面的新模型和新方法，其主要内容如下：
1．在研究分析了灰色系统理论建模的理论背景和几种常见的灰色模型
的基础上，探讨了建立GM（1,N）模型的一般步骤，并建立了基于灰色关联
度的较优的GM（1,N）模型。实例分析表明，该模型的精度要比逐步回归模
型高。
2．针对SCGM(1，h）c模型在某些情况下精度较低的问题，提出了利用残
差建立SCGM(1，h）c模型用于修正原模型的方法。研究表明，修正后的模型的
精度比原模型有了较大的提高。
3．将大坝安全监控模型中的参数和实测数据均视为灰色，利用灰色系统
方法对灰参数进行了辨识，并对大坝的监测效应量给出了灰色区间预报值。
4．基于控制论，建立了大坝坝顶位移和坝踵应力的灰色过程模型，并以
此模型研究了大坝的结构性态。
5．利用灰色系统中的灰色聚类方法，并结合数学、力学知识，对大坝在
各种荷载组合作用下的安全性态作了分评价。
6．基于灰色系统的基本理论，研究了用灰色聚类分析方法建立大坝监测
物理量的预测模型。根据该模型，可以利用环境量来预测观测物理量，且效
果较好。
The Grey System Theory is applied to analyze the deformation condition, structure behavior and safety behavior of dams combined mathematics, mechanics and dam engineering knowledge. In this paper, some new effective models and methods are presented. The main contents are described as follows:
1. On the basis of analyzing the theoretical background of grey models and current grey models, the procedure for building GM(1,N) Model is proposed. For it has some disadvantages, this model is improved by using correlative degrees. The study shows that the precision of the improved model is better than the stepwise regression model.
2. Because the precision of SCGM(l,h)c Model is not satisfactory in some situations, the way of building SCGM(l,h)c Model utilizing residual error series is presented to correct the former SCGM(l,h)c Model. The merit of the improved model is revealed by the example in this paper.
3. Both parameters and observed values are considered as grey in dam safety monitoring models. Grey parameters are identified by the means of the Grey System Theory and then forecasting values are given hi the format of grey interval.
4. Based on the Control Theory, the Grey Process Model is built using the displacement of the dam crest and the stress of the dam heel, and the model can be used to analyze the structure behavior and stability of dams.
5. Utilizing the grey clustering method, mathematics and mechanics knowledge, the safety states of dams under typical load combinations are analyzed and evaluated.
6. Based on the grey clustering method, the forecasting model of dam safety monitoring values is built. By using the model, dam safety monitoring values can be forecasted by environmental values and the result is satisfactory.
引文
[1]吴中如等．水工建筑物安全监控理论及其应用，河海大学出版社，1990年
[2]吴中如、顾冲时．大坝安全综合评价专家系统，北京科学技术出版社，1997年12月
[3]邓聚龙．灰色控制系统，国防科技出版社，1985年
[4]邓聚龙．灰色系统理论教程，华中理工大学出版社，1990年11月
[5]邓聚龙．灰色系统基本方法，华中工学院出版社，1987年11月
[6]王清印等．灰色数学基础，华中理工大学出版社，1996年9月
[7]曹洪兴等．灰色系统理论浅述，气象出版社，1988年10月
[8]解可新等．最优化方法，天津大学出版社，1997年1月
[9]吴世伟．结构可靠度分析，河海大学讲义
[10]袁亚湘．非线形规划数值方法，上海科学技术出版社，1993年8月
[11]河海大学、梅山水电站．梅山水电站大坝观测资料分析及结构正反分析报告，1999年5月
[12]李洪兴等．工程模糊数学方法及其应用，天津科学技术出版社，1993年10月
[13]吴中如等．大坝原型反分析及其应用，江苏科学技术出版社，2000年1月
[14]王淑云等．数值分析方法，河海大学出版社，1996年11月
[15]汪树玉等．大坝观测数据序列中的混沌现象，水利学报，1999年7月
[16]尹辉等．灰色动态预测方法及其在变形监测中的应用，武汉测绘科技大学学报，1996年3月
[17]陈一周等．灰色预测模型在微机上的实现，武汉水利电力大学学报，1999年8月
[18]何勇等．随机型时间预测序列方法的研究，系统工程理论与实践，1997年1月
[19]张奇华．匀加速变化型灰色模型及其应用，岩石力学与工程学报，1999年2月
[20]赵斌．大坝安全监控正反分析的新模型和新方法，河海大学博士学位论文，1998年11月
[21]马福恒．复杂结构混凝土坝的安全综合分析和评价模型及应用，河海大学硕士学位论文，1998年11月
[22]李雪红．连拱坝结构性态正反分析模型的研究，河海大学硕士学位论文，2000年1月
[23]宋丁全等．灰色聚类在马尾松子代分级上的应用，系统工程理论方法应用，1994，Vol．3 No．1
[24]熊和金等．控制系统的两类灰色模型，武汉交通科技大学学报，1999年10月
[25]林天健．力学中的灰色系统理论，力学与实践，1987年2月
[26]赵艳林等．模糊灰关联模式识别及其应用，系统工程理论与实践，1999年6月
[27]张建龙等．围岩失稳的灰色预报，武汉水利电力大学学报，1998年8月
[28]李万绪．连续过程的关联度，华中理工大学学报，1991年6月
[29]高宏等．灰色理论在黄河系统科技绩效评估中的应用，系统工程理论与实践，1999年10月
[30]顾冲时等．应用模糊控制论建立新安江3号坝基扬压力的预测模型，大坝观测与土工测试，1996年8月
[31]丰景春等．水利水电工程项目质量控制系统灰色摆动模型，河海大学学报，1999年9月
[32]刘希强．多因素的灰色预测模型，系统工程理论方法应用，1995，Vol．4 No．1
[33]庄恒扬．GM(1，1)建模机理与应用条件分析及其改进方法，系统工程理论方法应用，1993，Vol．2 No．3
[34]马能武．大坝监测资料动平均灰色模型分析方法的研究，河海大学学报，1997年1月
[35]刘洪．非线性系统理论与预测研究新范式预测，1999年第2期
[36]寇进忠．随机性方法与灰色性方法的互补问题，系统辨证学报，1998年4月
[37]段齐骏等．复杂系统可靠性研究中的灰色问题，系统工程理论与实践，1999年12月
[38]刘洪等．基于混沌吸引子的时间序列预测，系统工程与电子技术，1997年第2期
[39]寇进忠等．系统分析中的灰色性方法与随机性方法之比较，系统辨证学报，1997年4月
[40]薛桂玉等．模糊聚类分析法在大坝观测资料分析中的应用，大坝监测技术，1996年第4期
[41]王宏璨等．现代控制导论，中国石化出版社，1992年3月
[42]陈久宇等．观测资料的处理方法，上海交通大学出版社，1987年5月
[43]卢有清．论混凝土坝变形监控模型及监控指标，大坝监测技术，1992年第2期
[44]方保熔．矩阵论基础，河海大学出版社，1993年10月
[45]吴中如．论混凝土坝安全监控的确定性模型和混合模型，水利学报，1985年第5期
[46]吴中如．混凝土坝观测物理量的数学模型及其应用，华东水利学院学报，1984年第3期
[47]河海大学、青铜峡水电厂．青铜峡大坝观测资料分析和结构正反分析，1997年9月
[48]刘智敏，误差与数据处理．原子能出版社，1981年5月
[49]刘思峰等．灰色系统理论及其应用，科学出版社，1999年2月
[50]夏军．一类灰参数模型识别及其在水文预报中的应用，华中理工大学学报，1994年1月
[51]南京大学数学系．最优化方法，科学出版社，1978年
[52]叶守泽等．水文系统识别(原理与方法)，水利电力出版社，1989年
[53]李正最．长期径流预报的灰色关联决策模型，水电能源科学，1991年第9期
[54]张培强．MATLAB语言——演算纸式的科学工程计算语言，中国科学技术大学出版社，1997年3月
[55]许波等．MATLAB工程数学应用，清华大学出版社，2000年4月
[56]王维平等．离散事件系统建模与仿真，国防科技大学出版社，1997年8月
[57]张歧山等．灰关联熵分析方法，系统工程理论与实践，Vol．16，No 8，1996
[58]大坝安全监测技术国际学术讨论会论文集．中国杭州，1992年
[59]潘家铮．重力坝设计，水利电力出版社，1987年
[60]Vinay K.Ingel、John G.Proakis著，陈怀琛等译．数字信号处理及其MATLAB实现，电子工业出版社，1998年9月
[61] Parer E. ,Steiner N.. Application of statical methods in monitoring dam behavior, International Water Power and Dam Construction , December 1986
[62] P. Bonaldi, M. Fanelli, G. Giuseppetti. Displacement Forcasting for Concrete Dams, Water Power Dam Construction, September 1997
[63] N. Shimizu, S. Sakurai. Application of boundary element method for back analysis associated with tunneling problems, Proc. of 5th Int. Conf. Boundary Elements, Hiroshima, Japan
[2]吴中如、顾冲时．大坝安全综合评价专家系统，北京科学技术出版社，1997年12月
[3]邓聚龙．灰色控制系统，国防科技出版社，1985年
[4]邓聚龙．灰色系统理论教程，华中理工大学出版社，1990年11月
[5]邓聚龙．灰色系统基本方法，华中工学院出版社，1987年11月
[6]王清印等．灰色数学基础，华中理工大学出版社，1996年9月
[7]曹洪兴等．灰色系统理论浅述，气象出版社，1988年10月
[8]解可新等．最优化方法，天津大学出版社，1997年1月
[9]吴世伟．结构可靠度分析，河海大学讲义
[10]袁亚湘．非线形规划数值方法，上海科学技术出版社，1993年8月
[11]河海大学、梅山水电站．梅山水电站大坝观测资料分析及结构正反分析报告，1999年5月
[12]李洪兴等．工程模糊数学方法及其应用，天津科学技术出版社，1993年10月
[13]吴中如等．大坝原型反分析及其应用，江苏科学技术出版社，2000年1月
[14]王淑云等．数值分析方法，河海大学出版社，1996年11月
[15]汪树玉等．大坝观测数据序列中的混沌现象，水利学报，1999年7月
[16]尹辉等．灰色动态预测方法及其在变形监测中的应用，武汉测绘科技大学学报，1996年3月
[17]陈一周等．灰色预测模型在微机上的实现，武汉水利电力大学学报，1999年8月
[18]何勇等．随机型时间预测序列方法的研究，系统工程理论与实践，1997年1月
[19]张奇华．匀加速变化型灰色模型及其应用，岩石力学与工程学报，1999年2月
[20]赵斌．大坝安全监控正反分析的新模型和新方法，河海大学博士学位论文，1998年11月
[21]马福恒．复杂结构混凝土坝的安全综合分析和评价模型及应用，河海大学硕士学位论文，1998年11月
[22]李雪红．连拱坝结构性态正反分析模型的研究，河海大学硕士学位论文，2000年1月
[23]宋丁全等．灰色聚类在马尾松子代分级上的应用，系统工程理论方法应用，1994，Vol．3 No．1
[24]熊和金等．控制系统的两类灰色模型，武汉交通科技大学学报，1999年10月
[25]林天健．力学中的灰色系统理论，力学与实践，1987年2月
[26]赵艳林等．模糊灰关联模式识别及其应用，系统工程理论与实践，1999年6月
[27]张建龙等．围岩失稳的灰色预报，武汉水利电力大学学报，1998年8月
[28]李万绪．连续过程的关联度，华中理工大学学报，1991年6月
[29]高宏等．灰色理论在黄河系统科技绩效评估中的应用，系统工程理论与实践，1999年10月
[30]顾冲时等．应用模糊控制论建立新安江3号坝基扬压力的预测模型，大坝观测与土工测试，1996年8月
[31]丰景春等．水利水电工程项目质量控制系统灰色摆动模型，河海大学学报，1999年9月
[32]刘希强．多因素的灰色预测模型，系统工程理论方法应用，1995，Vol．4 No．1
[33]庄恒扬．GM(1，1)建模机理与应用条件分析及其改进方法，系统工程理论方法应用，1993，Vol．2 No．3
[34]马能武．大坝监测资料动平均灰色模型分析方法的研究，河海大学学报，1997年1月
[35]刘洪．非线性系统理论与预测研究新范式预测，1999年第2期
[36]寇进忠．随机性方法与灰色性方法的互补问题，系统辨证学报，1998年4月
[37]段齐骏等．复杂系统可靠性研究中的灰色问题，系统工程理论与实践，1999年12月
[38]刘洪等．基于混沌吸引子的时间序列预测，系统工程与电子技术，1997年第2期
[39]寇进忠等．系统分析中的灰色性方法与随机性方法之比较，系统辨证学报，1997年4月
[40]薛桂玉等．模糊聚类分析法在大坝观测资料分析中的应用，大坝监测技术，1996年第4期
[41]王宏璨等．现代控制导论，中国石化出版社，1992年3月
[42]陈久宇等．观测资料的处理方法，上海交通大学出版社，1987年5月
[43]卢有清．论混凝土坝变形监控模型及监控指标，大坝监测技术，1992年第2期
[44]方保熔．矩阵论基础，河海大学出版社，1993年10月
[45]吴中如．论混凝土坝安全监控的确定性模型和混合模型，水利学报，1985年第5期
[46]吴中如．混凝土坝观测物理量的数学模型及其应用，华东水利学院学报，1984年第3期
[47]河海大学、青铜峡水电厂．青铜峡大坝观测资料分析和结构正反分析，1997年9月
[48]刘智敏，误差与数据处理．原子能出版社，1981年5月
[49]刘思峰等．灰色系统理论及其应用，科学出版社，1999年2月
[50]夏军．一类灰参数模型识别及其在水文预报中的应用，华中理工大学学报，1994年1月
[51]南京大学数学系．最优化方法，科学出版社，1978年
[52]叶守泽等．水文系统识别(原理与方法)，水利电力出版社，1989年
[53]李正最．长期径流预报的灰色关联决策模型，水电能源科学，1991年第9期
[54]张培强．MATLAB语言——演算纸式的科学工程计算语言，中国科学技术大学出版社，1997年3月
[55]许波等．MATLAB工程数学应用，清华大学出版社，2000年4月
[56]王维平等．离散事件系统建模与仿真，国防科技大学出版社，1997年8月
[57]张歧山等．灰关联熵分析方法，系统工程理论与实践，Vol．16，No 8，1996
[58]大坝安全监测技术国际学术讨论会论文集．中国杭州，1992年
[59]潘家铮．重力坝设计，水利电力出版社，1987年
[60]Vinay K.Ingel、John G.Proakis著，陈怀琛等译．数字信号处理及其MATLAB实现，电子工业出版社，1998年9月
[61] Parer E. ,Steiner N.. Application of statical methods in monitoring dam behavior, International Water Power and Dam Construction , December 1986
[62] P. Bonaldi, M. Fanelli, G. Giuseppetti. Displacement Forcasting for Concrete Dams, Water Power Dam Construction, September 1997
[63] N. Shimizu, S. Sakurai. Application of boundary element method for back analysis associated with tunneling problems, Proc. of 5th Int. Conf. Boundary Elements, Hiroshima, Japan