本发明属于水利水电工程，具体涉及一种基于抽样仿真的土石坝料空间自相关性检测与采样点优化方法及系统。
背景技术：
1、土石坝料的压实质量是决定土石坝结构性能和控制工后不均匀沉降的重要因素。在现行的规范体系下，碾压式土石坝的压实质量控制主要依赖基于离散随机采样点的密度检测来实现。然而，在实际工程应用中受限于检测成本及其对连续施工过程的干扰，现场可获得的样本容量十分有限(一般<1％)，其本质上应属于有限离散小样本抽样检测问题范畴。
2、通常情况下，土石坝施工仓面内所用坝料均取自相同的料源，且碾压施工过程多采用同一工况实施碾压，使得土石坝料在压实后会呈现出一定的空间自相关性。因而，压实质量在空间分布格局上，彼此之间可能不再相互独立，而是相关的，且距离越近，空间相关性越强，在实际应用中会存在以下问题：
3、1、离散随机采样点的空间分布格局可能会对压实质量的表征精度产生显著影响，从而导致“弃真”、“纳伪”等抽样统计错误的发生，不利于土石坝料的压实质量验收保证。
4、2、判别离散随机采样点的空间分布格局的指标众多，且因其自身表征含义的不同，可能会出现判别结果相互冲突的矛盾情况。
5、因此，有必要提出一种基于抽样仿真的土石坝料空间自相关性检测与采样点优化方法及系统。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足之处，本发明提出一种基于抽样仿真的土石坝料空间自相关性检测与采样点优化方法及系统，用于检验土石坝料的空间自相关性，并针对空间自相关性过为明显且离散随机采样点的空间分布格局会对压实质量的表征精度产生显著影响的抽样方案，对离散随机采样点的空间布置进行合理优化，有效保证土石坝料的压实质量验收准确度，减少不必要的返工及合格质量的误判。
2、为达到上述目的，本发明提出一种基于抽样仿真的土石坝料空间自相关性检测与采样点优化方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
3、s1)采集试验仓面压实质量全段面基础数据：选定与需要进行压实质量评估的工况条件相近的施工仓面作为试验仓面，采用均匀布点方式设置离散随机采样点，对试验仓面的压实质量进行检测，并采集相关基础数据；
4、s2)利用蒙特卡洛法对土石坝料空间自相关性进行检测：通过比较考虑与不考虑土石坝料空间自相关性时不发生统计误判的准确率之间的差异，对土石坝料的空间自相关性的显著性进行检测；
5、s3)利用考虑多源信息融合的聚集状态模糊综合评价模型对离散随机采样点布置进行合理优化，有效保证土石坝料的压实质量验收准确度，减少不必要的返工及合格质量的误判。
6、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2)具体为：
7、s2.1)利用克里金空间插值方法对试验仓面的全断面压实质量进行有效估计，获得包含有n个检测单元的压实质量空间分布完备矩阵m；
8、s2.2)以试验仓面的压实质量空间分布完备矩阵m中的压实质量最小值为基准，对压实质量空间分布完备矩阵m进行归一化处理，得到归一化压实质量矩阵m0；
9、s2.3)依次对归一化压实质量矩阵m0的n个检测单元进行编号；
10、s2.4)设定检测组，假定施工仓面内压实质量的缺陷率p，认为归一化压实质量矩阵m0中存在t＝n×p个单元为不合格单元；其中，不合格单元的具体分布位置为归一化压实质量矩阵m0中各检测单元的压实质量归一化元素值自小到大排序中前t个单元的对应位置；
11、s2.5)当假定施工仓面内压实质量的缺陷率p小于可接受的压实质量验收控制合格率qβ时，则根据压实质量验收标准，理论上应判定为合格，可以通过检验；当假定施工仓面内压实质量的缺陷率p大于等于可接受的压实质量验收控制合格率qβ时，则根据压实质量验收标准，理论上应判定为不合格，不能通过检验；
12、s2.6)根据拟定抽样方案所确定的样本容量n，从n个独立单元中随机抽取n个离散随机样本；
13、s2.7)利用最邻近指数r对随机抽样得到的n个离散随机样本的空间聚集状态进行评判，筛选符合集中分布特征的离散随机样本用于土石坝料的空间自相关性检验；
14、s2.8)对于理论上应判定为合格的情况，当所抽取的n个离散随机样本中，抽中的假定不合格单元的数量占样本容量的比例q小于等于可接受的压实质量验收控制合格率qβ时，则判定该评估结果与预期的理论结果一致，为未发生“弃真”错误的情形；对于理论上应判定为不合格的情况，当所抽取的n个离散随机样本中，抽中的假定不合格单元的数量占样本容量的比例q大于可接受的压实质量验收控制合格率qβ时，则判定该评估结果与预期的理论结果一致，为未发生“纳伪”错误的情形；
15、s2.9)重复步骤s2.6)～s2.8)不少于10000次，统计评估结果与预期的理论结果一致、未发生抽样误判的次数占总测试次数的比例p作为考虑土石坝料空间自相关性时的准确率pg；
16、s2.10)从小到大，依次假定检测组中施工仓面内压实质量的缺陷率p，重复步骤s2.4)～s2.9)，得到考虑土石坝料空间自相关性的准确率pg的评判曲线sg；
17、s2.11)设定对照组，假定施工仓面内压实质量的缺陷率p，认为施工仓面内存在t＝n×p个单元为不合格单元；其中，不合格单元的具体分布位置为随机分布，随机确定t个不合格单元的位置；
18、s2.12)重复步骤s2.6)不少于10000次，统计评估结果与预期的理论结果一致、未发生抽样误判的次数占总测试次数的所占比例p作为不考虑土石坝料空间自相关性时的准确率p0；
19、s2.13)从小到大，依次假定对照组中施工仓面内压实质量的缺陷率p，重复步骤s2.11)～s2.12)，得到不考虑土石坝料空间自相关性的准确率p0的评判曲线s0；
20、s2.14)比较检测组与实验组中考虑与不考虑土石坝料空间自相关性的准确率pg和p0的评判曲线sg和s0；当两者之间的差距过大，即相对于同一个假定施工仓面内压实质量的缺陷率p，考虑与不考虑土石坝料空间自相关性时的准确率pg和p0之间的差值大于既定阈值δp时，则可判定土石坝料具有显著的空间自相关性且离散随机采样点的空间分布格局会对压实质量的表征精度产生显著影响；在设计抽样方案确定离散随机采样点位置时应对其空间分布格局进行控制，防止随机抽样确定的离散随机采样点出现聚集分布特征，导致土石坝料的压实质量验收发生误判。
21、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤2.1)中空间插值方法可选用克里金法或其他空间插值方法，其方法选用不影响步骤2.1)实施。
22、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤2.2)中数据归一化法可选用最小基准归一法或其他数据归一方法，其方法选用不影响步骤2.2)实施。
23、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤2.7)中集中分布特征的离散随机样本筛选方法可选用最邻近指数r法或其他空间聚集状态识别方法，其方法选用不影响步骤2.7)实施。
24、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤2.7)中，最邻近指数r的判别准则为：若最邻近点指数r≤0.5，则n个离散抽样点属于集中分布；反之，则为属于随机或均匀分布；最近邻指数r可由下式得到：
25、
26、式中，re为n个离散抽样点之间的平均距离，rt为考虑区域边界效应的理论标准距离，ri为第i个离散抽样点与最邻近离散抽样点之间的距离，n为最佳抽样方案中的样本容量，n为施工仓面内离散出来的独立待检单元数量，d为n个离散抽样点在施工仓面内平均分布的理论密度，b为施工仓面的周长，a为施工仓面的面积。
27、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s3)具体为：
28、s3.1)对于土石坝料具有显著的空间自相关性的情形，分别计算按步骤s2.6)抽取的离散随机采样点的最邻近指数r和聚块性指数pai；其中，最邻近指数r通过步骤s2.7)中所述准则进行空间分布格局评判；聚块性指数pai的判别准则为：若聚块性指数pai＞1，则n个离散抽样点属于集中分布；反之，则为属于随机或均匀分布，
29、s3.2)构造评判标准模糊集s＝{r，pai}与不确定性程度支持集w＝{w1，w2，w3}；其中，w1，w2，w3分别表示集中分布、不确定、随机或均匀分布状态，且有w1+w2+w3＝1；
30、s3.3)根据不同评判标准的定义，基本信度函数m(c)可采用半梯形分布型隶属度函数予以确定；其中，半梯形分布型隶属函数的拐点a、b、c、d对应参数值可在评判标准控制值的基础上，赋予一定的变化裕度(0％、10％、20％、30％)予以确定；
31、s3.4)对多源评判信息进行有效融合；
32、s3.5)经信息融合后，按照最大基本信度分配函数原则，取基本信度分配函数最大的空间分布状态为最终的评价结果；
33、s3.6)当考虑多源信息融合的聚集状态模糊综合评价模型的评价结果为集中分布或不确定时，则需按步骤s2.6)重新抽取离散随机采样点，直至经考虑多源信息融合的聚集状态模糊综合评价模型得到的评价结果为随机或均匀分布为止；此时，得到的经合理优化后的采样点可用于土石坝料的压实质量验收。
34、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s3.1)中，聚块性指数pai具体通过下式计算：
35、
36、式中，re为n个离散抽样点之间的平均距离，rv为n个离散抽样点之间距离的方差。
37、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s3.3)中，对于指标r，该指标为“越小越显著型”指标，可采用如下基本信度函数ma(c)；对于指标pai，该指标为“越大越显著型”指标，可采用如下基本信度函数mb(c)：
38、
39、
40、式中，c为依据评判标准得到的相应指标评判值。
41、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s3.4)中，按照如下准则，对多源评判信息进行有效融合：
42、
43、式中，m1(c)、m2(c)分别为评判信息1、2对评判结果c的基本信度分配函数；m1(c1)为评判信息1对评判结果c1的基本信度分配函数；m2(c2)为评判信息2对评判结果c2的基本信度分配函数。
44、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤3.1)～3.2)中空间分布格局评判方法可选用最邻近指数r与聚块性指数pai或采用其他空间聚集状态识别方法构建评判标准模糊集，其方法选用不影响步骤3.1)～3.2)实施。
45、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤3.3)中基本信度函数m(c)的确定可选用半梯形分布型隶属度函数法或其他模糊不确定性分配方法，其方法选用不影响步骤3.3)实施。
46、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2)～s3)可通过matlab程序编程实现。
47、本发明还提供一种用于执行所述的基于抽样仿真的土石坝料空间自相关性检测与采样点优化方法的系统，其特殊之处在于，包括：
48、数据采集模块，用于选定与需要进行压实质量评估的工况条件相近的施工仓面作为试验仓面，采用均匀布点方式设置离散随机采样点，对试验仓面的压实质量进行检测，并采集相关基础数据；
49、空间自相关性检测模块，利用蒙特卡洛法，通过比较考虑与不考虑土石坝料空间自相关性时不发生统计误判的准确率之间的差异，对土石坝料的空间自相关性的显著性进行检测；
50、采样点优化模块，利用考虑多源信息融合的聚集状态模糊综合评价模型，对离散随机采样点布置进行合理优化，有效保证土石坝料的压实质量验收准确度，减少不必要的返工及合格质量的误判。
51、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特殊之处在于，该程序被处理器执行时实现所述的基于抽样仿真的土石坝料空间自相关性检测与采样点优化方法的步骤。
52、本发明还提供一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的基于抽样仿真的土石坝料空间自相关性检测与采样点优化方法。
53、本发明的基于抽样仿真的土石坝料空间自相关性检测与采样点优化方法及系统具有如下优点及有益效果：
54、1、本发明以目标结果为导向，将离散随机采样点的空间分布格局会对压实质量的表征精度产生显著影响导致“弃真”、“纳伪”等抽样统计错误频发作为判定土石坝料具有显著的空间自相关性的直接依据，对于土石坝料的压实质量验收保证具有较为直观的指导作用。
55、2、本发明可充分融合多种空间分布格局的指标的判别信息，建立合理的多源信息冲突解决机制，通过模糊综合评价，实现试验采样点的空间格局优化，可以获得更为可靠的压实质量验收准确度。