基于贝叶斯网络的大坝病害诊断研究.pdfVIP

中国水利水电科学研究院第十届青年学术交流会论文集 基于贝叶斯网络的大坝病害诊断研究 徐耀1，2张利民3贾金生1·2 (1中国水利水电科学研究院，北京，100038 2中国大坝协会，北京，100038 3香港科技大学土木及环境工程学系，香港) 摘要：近年来，贝叶斯网络逐渐在土木水利工程的可靠性和风险分析中得到广泛的应用，如水资源规划、 结构可靠度、灾害分析等。贝叶斯网络也可用于大坝病害诊断，克服传统的大坝病害诊断方法不能有效地 考虑病因的相关性以及不确定性的难题。为此，本文提出了基于贝叶斯网络方法的大坝病害诊断模型．首 先介绍了贝叶斯网络的基本原理和建模方法。然后，基于993个病险土石坝案例，利用贝叶斯网络方法分 析了土石坝病害特征与原因，并建立了对应的贝叶斯网络模型。最后以澄碧河水库土石坝为例，演示了贝 叶斯网络模型在个案病害诊断中的应用。结果表明，利用贝叶斯网络方法不仅可以找出大坝病害原因，而 且可以定量评价大坝除险加固的效果。 关键词：贝叶斯网络病险水库病害诊断土石坝 1前言 传统的大坝安全风险分析方法主要包括失效模式和效果分析、事件树、故障树等方法【l】【2】【31。 然而由于大坝安全涉及的因素较多，病害机理复杂，且引起大坝病害的各种因素之间存在一定的相 关性。传统的大坝安全风险分析方法不能有效地进行病害机理的推理，而且也不能考虑不确定因素 对诊断结果的影响，为此有必要研究新的大坝病害诊断方法。鉴于贝叶斯网络在大坝安全风险分析 中的广泛应用前景【lJ【4J，本文将探讨贝叶斯网络在大坝病害诊断研究中的应用。 Networks)【5】【6】逐渐在土木水利工程的可靠性和风险分析中得到 近年来，贝叶斯网络(Bayesian 广泛的应用。如华斌等人17J采用贝叶斯网络方法分析了水电机组状态检修中的维修与试验的优化策 了自然灾害风险评估的贝叶斯网络模型。Smith[10】利用贝叶斯网络方法进行了大坝风险分析。“和 Chang[11】探讨贝叶斯网络在大坝风险评估中的应用。然而，贝叶斯网络在大坝病害诊断中还未见相 关研究。为此，本文首先介绍了贝叶斯网络的基本原理和建模方法。然后，基于993个病险土石坝 案例，利用贝叶斯网络方法分析了土石坝病害特征与原因，并建立了对应的贝叶斯网络模型。最后 以澄碧河土石坝为例，演示了贝叶斯网络模型在个案病害诊断中的应用。 2贝叶斯网络 贝叶斯网络是概率分析和图论相结合的产物，它是一种有向图模型，用于不确定性知识的表达 和推理【5】。简单来说，贝叶斯网络表现为一个赋值的因果关系网络图。在贝叶斯网络中，原因和结 果变量都用节点表示，每个节点都有自己的概率分布，节点可以是任何问题的抽象，如结构构件的 状况、测试值、观测现象等。有向弧表示了节点间的因果关系，故贝叶斯网络有时也称为因果网络。 该网络中蕴含了非常重要的条件独立性假设，图l是一个简单的贝叶斯网络图，图中局_局表明两 ．．832．． 水电类 变量直接关联，蜀称为为的父节点，局称为局的子节点。 图l贝叶斯网络图 图l所示的贝叶斯网络的联合概率分布函数为 尸(‘，屯，屯)2P(■)P(x2l x1)P(x3I五) (1) 根据贝叶斯网络的条件独立性假设和分隔定理，贝叶斯网络的联合概率P∞，局，口，鳓可以表示为各 节点边缘概率的乘积。 P(X，Iparent(Xi)) (2) 尸(五，置…．，K)=n i=l 贝叶斯网络的推理实际上是进行概率计算，具体而言，在给定一个贝叶斯网络模型的情况下， 根据已知条件，利用贝叶斯概率中的条件概率的计算方法，计算出所感兴趣的节点发生