大坝安全监测数据监控与应急预案报告程序模板的开发应用

【摘 要】大坝安全监测数据量大 、繁杂，采集、处理和分析的工作量大，对于反映大坝安全状况的数据资料进行实时分析、预测、传输以及应急情况发生时决策者和应急响应人员对应急信息的快速、准确、完整的接收，已成为大坝安全监测资料分析的难点和要点。尤其是给普通大坝安全运行管理工作人员、决策者、应急响应人员，提供可视化、易操作、易理解的大坝安全监测数据预测模型图，以及清晰的安全控制线，则成为大坝安全运行管理工作的难题。

本文介绍了两种新方法：一种是，应用历史数据特征值统计方法对大坝安全监测数据进行统计分析，引入了K线分析中的历史极值分析法、K线组合分析法、移动平均线分析法进行预测推断，引入了布林线法、一元线性回归线法、历史极值法对日常监测数据安全边界进行监控，当监测值达到或超过上（下）线范围时，触发应急分析预案，进行分析判断。另一种是，基于Excel平台的数据分析功能，开发出专业的Excel插件，分项目、分部位开发出Word应急响应预案报告程序模板，当相关应急情况发生时，可自动搜索相关数据并修改预案报告、生成应急响应报告。快速提供给决策者和应急响应人员完整、简洁、易懂的大坝安全状态信息及处理方案。

【关键词】监测数据控制；移动平均线；假设检验；布林线；应急预案；情报用户

Development and application of dam safety monitoring data monitoring and emergency report program template

Hu Qing-yun

（Hubei Qingjiang Hydroelectric Development Co.，Ltd Changyang Hubei 443503）

【Abstract】The dam safety monitoring of large amount of data， complex， acquisition， processing and analysis of the workload， but reflect the dam safety data for real-time analysis， forecasting， transmission and emergencies decision makers and emergency response personnel quickly， the emergency information accurately， the complete receiving， has become the key point and difficult point analysis of dam safety monitoring data. Especially for dam safety operation management staff， decision makers， emergency response personnel， provide visualization of dam safety monitoring data， easy operation， easy to understand the prediction model， and clear security control line， has become the problem of dam safety operation management.

This paper introduces two new methods： one is the historical data， using statistic method to carry on the statistical analysis of dam safety monitoring data， introduces the historical extreme K-line analysis of predictive inference analysis， K-line combination analysis method， the moving average line， introduce Boolean line method， a linear regression line method， historical extremum method to monitor the daily monitoring data security boundary， when the monitoring value reaches or exceeds the upper （lower） line range， trigger emergency analysis plan， analysis and judgment. The other is， analysis of data based on Excel platform， developed a professional Excel plug-in， sub projects， sub developed plan report program template Word emergency response， when the relevant emergency situations， can automatically search for relevant data and modify the plan report， emergency report generation. Fast to provide information and processing of dam safety decision makers and emergency response personnel complete， concise， easy to understand.

【Key words】Monitoring data control；The moving average；Line hypothesis；Testing Boolean line emergency；Information users

1. 大坝安全监测数据分析

大坝安全监测数据分析、预测、控制的问题即通过统计推断的两大类：一类是估计方法，另一类是假设检验方法，来解决。

1.1 由已知样本得出的推断。

把某监测项目测得的大坝安全监测历史数据的特征值：起始值、最大值、最小值、结尾值，在Excel界面上可以画出一根K线，这根K线即是需要分析的样本总体，由一根K线可得出多种推断。其极大、极小值常被监测数据分析人员视为历史测值临界点，作为参考[3]。

再细分监测数据，按某时间段可以画出一个K线组合，由一个K线组合可以得到相对可靠的推断。

如：比较隔河岩上游水位历年特征值统计图，即可得出“2013年数据未见异常”的推断，如图1。

再细分K线，把每根K线看作一个样本点，即可用统计方法进行分析和推断，并应用到日常监测工作中及时分析预报。

图1 隔河岩上游水位历年特征值统计图

1.2 由菲希尔（R.A.Fisher）发明的极大似然估计法。

L（x1，x2，…，xn；）=maxθ∈L（x1，x2，…，xn；）

推导得

=1n∑ni=1Xi=

表明某段样本平均值即可近似看作极大似然估计量，分别以5根、10根、20根、30根、60根或更多K线的移动平均值为估计参数，对未来变化趋势作出推断，如图2。

图2 隔河岩上游水位特征值统计图

1.3 由已知样本得出的假设检验。

（1）回归方程的一个重要应用是对于已有的历史观测值 ，可以以一定的置信度预测对应的y的观察值的取值范围，即所谓预测区间。

（2）约翰・布林格（John Bollinger）发明的布林线是以20根K线结尾值的移动平均值加（或减）2倍标准差求得上、下限值所画出的置信区间。这里将它推广到监测数据分析中，并通过历史监测数据作假设检验。

=1n∑ni=1Xi

β=±2119∑20n=1（Xn-）2

β――结尾值20月移动上、下轨值， ――结尾值20月移动平均值， Xn――结尾值

（3）例：在2003版Excel中应用插件，依据《土石坝安全监测资料整编规程》从隔河岩上游（水库）水位统计表中提取出每月特征值数据：起始值、最大值、最小值、结尾值，并依次计算出20月移动平均值、方差、上、下轨值，如表2。

（4）选定日期、上轨值、起始值、最大值、最小值、结尾值后点击绘图工具，选择股价图子图表类型如图3，生成图4的样式，点击图中柱状线、更改图表类型为折线图。调整左右两侧坐标为相同值及相关线型参数，则可见一条平滑曲线沿K线上边缘分布，然后点击绘图区添加数据：下轨值、20月移动平均值，即可得下轨道线、20月移动平均线，如图5。

（5）上、下轨道线沿K线上、下边缘分布，对历史数据上、下震荡幅度极值作出了有效控制。对日常监测数据分析具有检验和推断的意义。

1.4 以历史极值作一元线性回归线。

（1）首先找到历史监测数据中的最小值，以最小值为圆心作一直线并旋转，当这条直线与这组数据中另一点第一次相遇，则确定这条直线为右侧假设检验的控制线，然后，复制这条直线，点击图表区粘贴，并拖动到这组数据中与最大值相遇，即可得左侧假设检验控制线，如图6。

（2）这种分析方法涵盖了现有的历史监测数据，并以发生概率最小值为数学期望值，来控制安全风险。两平行线间包含的监测数据随时间推移，有向某方向发展的趋势，但它并不是随时间变化的连续型函数，而是随时可能发生小概率事件的变量。因此，两平行线即成为风险控制的参考线。

2. 应急预案报告程序模板的开发应用

2.1 安全生产相关法律规范与涉及的情报用户体验。

（1）《中华人民共和国安全生产法》要求“生产经营单位应当具备的安全投入，由生产经营单位的决策机构、主要负责人或者个人经营的投资人予以保证，并对安全生产所必需的资金投入不足导致的后果承担责任”。

图6 隔河岩上游水位特征值统计图

图7 隔河岩上游水位特征值统计图

（2）《中华人民共和国安全生产法》第五条规定：“生产经营单位的主要负责人对本单位的安全生产工作全面负责。”

（3）《中华人民共和国突发事件应对法》第三十八条规定了政府及相关部门、专业机构应当通过多种途径收集突发事件信息，县级人民政府应当在居民委员会、村民委员会和有关单位建立专职或者兼职信息报告员制度，公民、法人和其他组织也有报告突发事件信息的义务。第三十九条规定了信息报告应当做到及时、客观、真实，不得迟报、谎报、瞒报和漏报。第四十条规定了对收集到的信息应当及时汇总分析，对突发事件的可能性及其可能造成的影响进行评估，认为可能发生重大或者特别重大事件的，应当立即报告或者通报。

（4）大坝安全监测运行单位是流域水库、大坝、电站安全信息集中的部门。由于，监测数据可视化模型还没有在普通大坝安全运行管理工作人员、决策者、应急响应人员中得到普及，监测数据的变化与应急预案报告没有有效地结合起来，应急情况发生时所有监测信息还需要人工汇总，需要时间长而且难度大，决策者无法实时预测决策，更无法做出科学的应急响应。由于这些客观问题的存在，以上相关法律规定只能在一定程度上落实。因此，大坝安全运行应急预案程序模板的开发与应用具有重要的意义。

图8

2.2 清江流域大坝安全监测分析报告的现状。

（1）清江流域建设有三个大型水库、四座大坝和三座大型水电站，安全监测工作由库坝中心集中管理。采用《清江流域水电站群大坝远程安全监控系统》进行自动化监测项目数据采集、人工与自动化采集数据管理。该系统由系统管理、数据远程采集、巡视检查、实时监控、资料整编与分析、综合评估与报警、文档管理等功能模块组成 ，实现了一站式多坝综合监控[5]。

（2）多年来，从事水库大坝安全运行逐步积累了监测资料分析经验，每年编写了大坝安全监测运行年报，每月编写了月报，各大坝每五年进行一次大坝安全定检，编写了安全定检报告，对流域大坝安全进行了全面分析，重点突出的研究， 为应急预案报告的编写奠定了专业基础。依据《中华人民共和国突发事件应对法》和大坝安全监测资料科学分析拟定的大坝安全应急预案报告即可分部位、分项目进行编写。通常对相关数据变化到一定程度时，应作出的响应措施，在应急预案报告中可以确定、文字的格式和措辞也没有太多的变化。在Word中可应用录制宏的方式，记录完整的应急预案报告程序代码。变化的数据、做判断的文字、变化的图表则可以绑定Excel，利用VBA编写的对象变量来代替。使用对象变量代替一个对象是指不直接引用该对象，而使用对象变量访问其代表的对象。这种方法已在月报制作中应用，例如：环境量月报制作中，从数据整理、计算、绘图、形成Word文字报告，仅需点击“环境量月报”按钮即可完成，如图8。

2.3 VBA对象在大坝安全监测资料分析中的应用。

VBA对象是一些相关的变量和方法的集合。大坝安全监测资料分析中常把各种对象用VBA程序进行调用。

2.3.1 清江隔河岩、水布垭的滑坡监测使用钻孔测斜仪监测数据，滑坡有：杨家槽、墓坪、茅坪和马岩湾、沈家坡、水井坪、大岩淌、台子上、古树包、瓦屋场、打磨沟11个滑坡体资料，由11个公文包保存。每个公文包里又有多个工作簿，每个工作簿有几十个或一百多个不等的工作表，每个工作表数据有几十行上百行和十三到十五列不确定的数据。为统一管理这些历史数据需要被分类成下述表1所示14列的数据，导入《清江流域水电站群大坝远程安全监控系统》。

依照监测单位提供的数据，保存方式和习惯，用VBA程序查找到公文包、工作簿、工作表以及指定的行与列的地址，汇总数据整理成所需格式，只需要点击一键，不需要打开每个工作表即可完成这几千万个数据的整理。

2.3.2 《水布垭人工、自动化监测数据对比》程序编写。

初看这些由《清江流域水电站群大坝远程安全监控系统》中导出数据的Excel数据表时，自动化监测数据在一天中监测次数不同，人工监测数据与要比较的自动化数据也不在同一行，监测时间也不同，列数也不同，一支监测仪器的数据占用一张表，以后要整理多少张表也不确定。用VBA开发出《水布垭人工、自动化监测数据对比程序》，仅需点击一键即可完成数十张或更多张表的数据对比统计。

2.3.3 水工建筑部门管理的清江流域滑坡监测数据， 大多是一份独立的文件资料，为统一管理、方便查询，开发出《清江流域滑坡体监测资料管理Excel插件》，利用窗体控件把各部位地图进行展示，点击流域地图上各相关控件按钮即可查询到历史监测数据[4]。

2.3.4 为统计《清江流域水电站群大坝远程安全监控系统》中隔河岩测值总数，用VBA编写了《清江隔河岩总测量值统计》程序，点击一键即可点击一键即可在《清江流域水电站群大坝远程安全监控系统》中查询并导出数据到Excel表。

2.3.5 《环境量数据整理插件》从2006年编写完成至今，使用了七年期间，库坝中心换了两套SQL sever数据库系统，现在使用的是《清江流域水电站群大坝远程安全监控系统》，这个插件被稍加改动后就可以和新的数据库一起使用。

2.4 大坝安全监测数据分析系统的现状。

大坝安全监测目前仍在使用的嵌入式数据库，主要是通过一些硬件工程项目，添加了一些数据处理功能，打包销售给企业用户的数据库。不仅没有用户独立开发的功能，当硬件被淘汰时，硬件工程数据库也将被一起淘汰，然后做了很多的重复工作，以创建一个新的数据库。对于数据和信息管理的进一步分析，造成了极大的浪费，用户需要重新学习新的数据库功能，浪费了大量的人力资源，尤其是决策者很难有时间和精力去学习如何使用新的数据库系统，造成了决策层，应急响应人员和情报系统隔离。

2.5 应用Excel插件开发的大坝安全监测数据分析系统。

应用Excel插件开发出大坝安全监测数据分析系统，为管理手工监测数据，、可进入SQL sever数据库查询，并绑定Word生成Word文字报告文件，还可利用TortoiseSVN（subversion）网络平台建立云计算系统。它是与以往数据库分析系统相比，具有以下优势的情报系统。

（1）独立性。软件分析系统与硬件分离，不再依附于硬件工程项目。

（2）亲和力。分析系统和大多数人每天使用的办公软件是一样的应用程序。

（3）流通性。同行业间可使用相同的分析系统。

（4）延续性。 新的分析功能开发和应用后，旧的系统能被兼容。

（5）速度快。对应急预案的报告，从数据采集终端，形成word文档摘要信息可以自动的完成。

（6）可扩展性。不同类型的大坝监测数据分析是差分变量的历史比较分析，数理分析模型一样，可以管理更多的大坝监测数据。

（7）自主开发。根据实际需要，用户可自主开发更加有效的分析功能。

（8）科学管理。坝安全监测数据进行数字化、模块化、标准化、网络化管理。

（9）有效传播。拥有能接受信息的广大人群，能够快速接收和发送情报。

3. 结束语

（1）如上所述，使用特征值统计方法，建立大坝安全监测数据分析的可视化模型――K线分析系统。K线系统在经济领域尤其是股市，对于大量的随机数据的长期预测分析，已形成数学理论的完整体系，并积累了丰富的实践经验来判断。现在有K线判断能力的众多技术人才，普及难度小，利于普通员工来监控安全监测数据和预测数据的变化。

（2）使用VBA开发了大坝安全监测资料分析系统和应急预案的报告模板程序，有利于大坝监测人员，科技工作者，决策者，应急响应人员接受大坝监测情报和应急措施的落实。

（3）从以上安全生产法律法规的相关应急信息传输和安全相关的投资需求，可见大坝安全监测资料分析系统和应急预案报告模板程序的开发和应用，已经有市场需求和资金来源，具有良好的市场前景（隔河岩上游水位特征值统计表见表2）。

参考文献

[1] 中国安全生产科学研究院.安全生产法及相关法律知识[M].北京：中国大百科全书出版社，2011：90～91.

[2] 混凝土坝安全监测资料整编规程.中国电力出版社出版、发行.2011-01-09.

[3] 胡庆云，辛剑军，沈伟. 特征值的统计法在大坝安全监测资料分析中的初步应用.水利水电测绘科技论文集[C].武汉：长江出版社.2012：311～313.

[4] 胡庆云，辛剑军，宋新华.EXCEL插件在水利枢纽安全监测资料分析管理中的应用.大坝安全监测专委会年会暨大坝安全评价技术交流会论文集[C].丹东：中国水力发电工程学会大坝安全监测专委会，2013：380～383.

[5] 周锡琅，吴骏，向南.DSIMS4.0水电站群大坝远程安全监控系统在实际工程中的应用.全国大坝安全监测技术信息网暨全国大坝安全监测技术与应用学术交流会论文集[C].江苏扬州2013：157～163.