地鐵施工沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2015-03-20
1前言
在地鐵施工過程中，變形監(jiān)測(cè)為工程質(zhì)量、施工進(jìn)度和人身安全提供了重要的保證，就現(xiàn)階段而言，在地鐵施工過程中，由于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多，數(shù)據(jù)格式多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接觸人員多，存在諸多對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理的混亂問題；同時(shí)，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也存在數(shù)據(jù)共享不及時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)不及時(shí)等問題，尤其是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的短期預(yù)測(cè)精度有限，對(duì)未來形變趨勢(shì)無法做出準(zhǔn)確判斷，很大程度上影響施工安全。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)集數(shù)據(jù)處理，管理和預(yù)測(cè)分析于一體的系統(tǒng)顯得十分重要。
2 系統(tǒng)需求
2.1系統(tǒng)功能需求
系統(tǒng)的主要功能就是對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)行短期、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，這是系統(tǒng)的核心功能；系統(tǒng)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的錄入（包括手動(dòng)錄入和導(dǎo)入已有文件）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（建立專門的數(shù)據(jù)文件）、數(shù)據(jù)處理（包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差檢驗(yàn)、危險(xiǎn)值預(yù)警、平差等）、生成監(jiān)測(cè)報(bào)表（建立數(shù)據(jù)的日?qǐng)?bào)、周報(bào)等并附有工程信息）、生成沉降曲線圖（包括沉降速率圖和累積沉降圖）、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位圖（相對(duì)點(diǎn)位圖）等功能。
2.2 系統(tǒng)性能需求
(1) 系統(tǒng)穩(wěn)定性高，應(yīng)能在正常情況下，保證系統(tǒng)所有功能都能正常使用；在非正常情況下，盡可能保證部分功能正常使用；
(2) 系統(tǒng)對(duì)電腦硬件要求低，在施工現(xiàn)場(chǎng)上任何硬件水平的電腦上都能運(yùn)行，使系統(tǒng)具有廣泛的硬件適用性；
(3) 系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件要求低，在施工現(xiàn)場(chǎng)并不能所有電腦都安裝了VC2008++等基礎(chǔ)支持性軟件，因此，系統(tǒng)必須具有良好的兼容性。
(4) 系統(tǒng)應(yīng)具有一定安全性，由于系統(tǒng)內(nèi)部可能載有國(guó)家保密級(jí)數(shù)據(jù)，因此應(yīng)能避免操作系統(tǒng)漏洞給本系統(tǒng)造成影響。
3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
按照上文所說的需求分析和總體設(shè)計(jì)，“地鐵施工階段沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)”將是一個(gè)界面友好、簡(jiǎn)單易操作、能夠生成圖形化，同時(shí)又能夠顯示相對(duì)點(diǎn)位，基于這些需求，本文在綜合考慮了所有的編程語言后，相對(duì)比而言，C#語言和Matlab語言以及使用ArcGIS Engine的相關(guān)模塊能夠符合系統(tǒng)需求。
“地鐵施工階段沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)”是一個(gè)全方位、流程化的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，為滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)將主要包括：數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與計(jì)算、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)三大部分，從原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入（錄入）為開始，數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)為過程，生成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表為終止，其中包含數(shù)據(jù)建檔、粗差剔除、簡(jiǎn)易平差、危險(xiǎn)值警示、各種沉降數(shù)據(jù)示意圖、累積沉降曲線圖等功能。
4 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要分為三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與計(jì)算、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。
4.1 數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)管理做為數(shù)據(jù)的載體，貫穿于整個(gè)系統(tǒng)之中，通過施工測(cè)量員提供的資料和意見，針對(duì)數(shù)據(jù)管理模塊具體化， 其流程包括數(shù)據(jù)錄入、建立數(shù)據(jù)檔案、數(shù)據(jù)分析以及生成最后的監(jiān)測(cè)報(bào)表。
4.2 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)分析與計(jì)算是“地鐵施工沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)”的重要組成部分，數(shù)據(jù)分析能力的強(qiáng)弱決定系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用等級(jí)水平，這個(gè)模塊包含計(jì)算和分析，沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算可以通過簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)語言編寫，其目的是根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范求出精度評(píng)定的相關(guān)參數(shù)；而分析則主要體現(xiàn)在粗差剔除的方法上，根據(jù)一期的沉降數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，對(duì)粗差剔除的理論方法宜采用格拉布斯準(zhǔn)則進(jìn)行判別，并警示顯示。
4.3 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模塊是“地鐵施工沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)”的核心部分，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)精度的高低決定著下一步的施工，在很大程度上左右工程進(jìn)度，因此，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模塊要求主要有兩個(gè)：首先，算法預(yù)測(cè)精度高，能夠保障施工技術(shù)要求；其次，程序?qū)?shù)據(jù)質(zhì)量要求要低，任何數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)量大小，都能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。由于地鐵施工階段，工期緊張，因此，短期對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)能力要求較高，對(duì)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)能夠保障總體趨勢(shì)即可。
在導(dǎo)入的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析計(jì)算后，首先利用時(shí)間序列分析模型分析，使數(shù)據(jù)的特性能夠識(shí)別在時(shí)間序列當(dāng)中，通過自相關(guān)函數(shù)和偏相關(guān)函數(shù)，確定時(shí)間序列分析模型的參數(shù)，通過對(duì)殘差的對(duì)比分析，選擇適當(dāng)?shù)男〔ɑ?，利用分層閾值小波去噪，消去噪聲，最后使用指?shù)平滑法對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，并生成預(yù)測(cè)曲線和計(jì)算出預(yù)測(cè)值。
5地鐵施工沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
5.1系統(tǒng)主界面及數(shù)據(jù)管理模塊的實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)的登錄界面，用戶通過輸入賬號(hào)、密碼方可登錄成功，密碼和賬號(hào)為授權(quán)方授予，除此之外無權(quán)限修改，并且賬號(hào)、密碼實(shí)行二級(jí)授權(quán)，低等級(jí)授權(quán)能夠使用大部分系統(tǒng)功能，高等級(jí)授權(quán)能夠使用包括數(shù)據(jù)修改等全部功能。輸入賬號(hào)、密碼后，點(diǎn)擊“登錄”按鈕，系統(tǒng)將進(jìn)入主界面。
在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄入方面，其方式有兩種：一是通過儀器生成的數(shù)據(jù)文件，比如excel格式、dat格式等；另一種是手動(dòng)錄入數(shù)據(jù)，這種方式適用于現(xiàn)場(chǎng)人為記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算的狀況。
5.2數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)處理模塊是“地鐵施工沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)”的重要組成部分，為此，在系統(tǒng)中創(chuàng)建“數(shù)據(jù)管理”模塊，實(shí)現(xiàn)粗差剔除、平差計(jì)算、收斂測(cè)量計(jì)算等常用、實(shí)用的功能。
這里以粗差剔除為例，做簡(jiǎn)要說明。
粗差探測(cè)是數(shù)據(jù)處理很重要的一個(gè)步驟，較大的粗差能夠影響數(shù)據(jù)以及之后的平差精度，并且能夠在數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)降低預(yù)測(cè)精度，因此必須將粗差探測(cè)，并選擇剔除掉。在上文中，我們提到粗差剔除的四種方法，沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多集中在30期到100期數(shù)據(jù)，因此，本文選擇格羅布斯準(zhǔn)則，并且能夠起到較好的效果。選定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，單擊“粗差剔除”，如有粗差，數(shù)據(jù)底色將為紅色，如果超出安全施工的每日警戒值，底色見為黃色。
5.3圖形繪制實(shí)現(xiàn)
在“數(shù)據(jù)操作區(qū)”下方的選項(xiàng)卡中，除了“基本信息”還有“數(shù)值分析”，里面可以選擇多種繪制多種曲線示意圖，曲線類型大致分為3種：累計(jì)沉降曲線、沉降示意曲線以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位圖，要說明的是收斂監(jiān)測(cè)也屬于單一變量的，其預(yù)測(cè)方式及方法與沉降監(jiān)測(cè)一致。
6 小結(jié)
本文實(shí)現(xiàn)“地鐵施工沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)”系統(tǒng)的所有功能，并為每一個(gè)模塊設(shè)計(jì)了相應(yīng)的界面，實(shí)現(xiàn)了各模塊間、開發(fā)語言間的數(shù)據(jù)傳遞；通過計(jì)算機(jī)語言的編寫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)計(jì)算、粗差探測(cè)計(jì)等功能，尤其是在數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方面，將前文實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)之中，使研究實(shí)現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。
