工程測(cè)量中的變形監(jiān)測(cè)

于思博

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

工程測(cè)量中的變形監(jiān)測(cè)

于思博

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

變形監(jiān)測(cè)在現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)揮著重要的作用，可以有效的對(duì)建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)，變形監(jiān)測(cè)的意義在于用專業(yè)的儀器與方法對(duì)物體的變形現(xiàn)象、形態(tài)以及發(fā)展等進(jìn)行相應(yīng)的觀測(cè)、分析、預(yù)報(bào)。其任務(wù)主要是監(jiān)測(cè)建筑物在荷載以及外力的作用下，在物體所處位置、大小等各個(gè)方面上空間與時(shí)間的特征。文章從變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、變形的幾何信息與物理科的變形分析以及積極的系統(tǒng)論方法3個(gè)方面介紹了工程測(cè)量中的變形監(jiān)測(cè)。

變形監(jiān)測(cè)；工程測(cè)量；數(shù)據(jù)處理；物理解釋；系統(tǒng)論

0 引 言

變形監(jiān)測(cè)的意義在于用專業(yè)的儀器與方法對(duì)物體的變形現(xiàn)象、形態(tài)以及發(fā)展等進(jìn)行相應(yīng)的觀測(cè)、分析、預(yù)報(bào)。其任務(wù)主要是監(jiān)測(cè)建筑物在荷載以及外力的作用下，在物體所處位置、大小等各個(gè)方面上空間與時(shí)間的特征。

變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中所包含的內(nèi)容是由多種方面共同決定的，即變形建筑物的性質(zhì)、地基的情況等等。例如對(duì)于水利工程中的建筑物其變形監(jiān)測(cè)主要包括水平位移的觀測(cè)、沉降觀測(cè)等等，而這些觀測(cè)也可以成為外部觀測(cè)。

除了外部觀測(cè)，與之對(duì)應(yīng)的則是內(nèi)部觀測(cè)，其中包括溫度、混凝土應(yīng)力等方面的觀測(cè)，內(nèi)部觀測(cè)可以使我們更加詳細(xì)的了解建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理過(guò)程中，要特別注意將內(nèi)部與外部觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而可以更好的進(jìn)行總結(jié)。

1 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理

以所測(cè)的變形數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，繪制與之相對(duì)的曲線是一種簡(jiǎn)單且有效的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)于所繪制的曲線，專業(yè)人員可以對(duì)其進(jìn)行分析、總結(jié)。如果我們把變形觀測(cè)數(shù)據(jù)與影響因子相結(jié)合，并對(duì)其進(jìn)行多元回歸分析以及逐步回歸計(jì)算，這樣就可以求得變形與顯著性因子兩者之間的函數(shù)關(guān)系，不僅可以作為物理解釋，還可以進(jìn)行今后建筑物的變形預(yù)報(bào)。

如果只是對(duì)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)單項(xiàng)處理有2種方法：

1)以灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行建模。主要處理的是具有小數(shù)據(jù)量的時(shí)間序列，其所用的方法是對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采用累加生成法，使之轉(zhuǎn)化為生成數(shù)列，所以說(shuō)這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于減弱隨機(jī)性、增加規(guī)律性。

2)以時(shí)間序列分析理論進(jìn)行建模。

主要是處理變形觀測(cè)量中的時(shí)間序列，例如在對(duì)建筑物位移的監(jiān)測(cè)中，通過(guò)建立一個(gè)與之相對(duì)的灰微分方程，就可以分析出建筑物的變形趨勢(shì)，此種方法不僅可分性很好而且還有其他4項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：①可以同時(shí)進(jìn)行推估、平滑以及濾波；②此模型是一個(gè)理想的動(dòng)態(tài)模型；③可以將平穩(wěn)相關(guān)時(shí)序轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的平衡時(shí)序；④模型參數(shù)聚集了系統(tǒng)輸出的特征和狀態(tài)。

如果將變形建筑物整體視為一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，觀測(cè)值視為這個(gè)系統(tǒng)的輸出，那么可以通過(guò)卡爾曼濾波模型對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行精確、準(zhǔn)確的描述。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的描述是由兩方面共同完成的，即觀測(cè)方程與狀態(tài)方程，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的位置、其變化的速度以及所具有的速率參數(shù)，這些因素相互結(jié)合，共同建立了一個(gè)理想、完善的運(yùn)動(dòng)模型。運(yùn)用卡爾曼濾波模型其優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需保留使用過(guò)的觀測(cè)值，而是采用一定的遞推算法，這樣就可以將參數(shù)估計(jì)與預(yù)報(bào)這兩者快速、有效的相結(jié)合起來(lái)[1]。

如果變形監(jiān)測(cè)時(shí)間序列具有周期性變化的特點(diǎn)，那么可以應(yīng)用Fourior對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，即將時(shí)域內(nèi)包含的信息通過(guò)一定的方法轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)，進(jìn)而對(duì)其分析、研究。在某一時(shí)間下記錄的數(shù)值信號(hào)其意義可以體現(xiàn)為由許多和不同頻率的諧波分量的總和，而通過(guò)計(jì)算每個(gè)諧波頻率所具有的振幅，最大振幅以及與之相對(duì)應(yīng)的主頻率等，可以間接的推算出變形周期性變化所具有的規(guī)律。

2 變形的幾何信息與物理解釋

在傳統(tǒng)意義上，對(duì)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理有兩種，即變形的幾何分析、變形的物理解釋。在幾何分析中其特點(diǎn)是能夠直接的體現(xiàn)出變形的空間以及時(shí)間特性，其內(nèi)容主要有以下3個(gè)方面：

1)選用模型的初步檢測(cè)。

2)模型參數(shù)的估計(jì)以及統(tǒng)計(jì)的檢驗(yàn)。

3)最佳模型的確定。

變形的物理解釋其作用體現(xiàn)在可以明確的描述出變形與產(chǎn)生這種變形的因素兩者之間的關(guān)系，一般情況下采用兩種方法，即統(tǒng)計(jì)分析法、確定函數(shù)法。

統(tǒng)計(jì)分析法當(dāng)中包含有多個(gè)方面。例如多元回歸分析、時(shí)間序列頻域法中所用到的動(dòng)態(tài)影像分析等等。

統(tǒng)計(jì)分析法中最重要的條件是所用的資料必須是實(shí)測(cè)的，實(shí)測(cè)的資料越詳細(xì)、豐富，那么所得到得結(jié)果就越加的可靠，而且還可以具有“后驗(yàn)”的作用。

這種方法的運(yùn)用與幾何分析有著密切的聯(lián)系，是測(cè)量人員比較喜歡且熟悉的方法。確定函數(shù)法是以變形建筑物的物理學(xué)參數(shù)作為基礎(chǔ)，從而建立一個(gè)力與變形兩者之間的微分方程，如果邊界條件是確定的，那么通過(guò)有限元的方法求出一個(gè)微分方程，就可以得到變形建筑物上有限元節(jié)點(diǎn)的變形。此種方法所具有的特點(diǎn)是對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并不是特別需要，且還具有“先驗(yàn)”的性質(zhì)。如果在有限元上劃分的合理，并且對(duì)觀測(cè)建筑物的物理學(xué)參數(shù)選取選擇的較為精確，那么此種方法無(wú)疑是一種快捷、省力的方法。

在現(xiàn)實(shí)生活中建筑物物理學(xué)參數(shù)以及微分方程的確定都含有一定的假設(shè)性，所以說(shuō)在有限元法計(jì)算出的結(jié)果常常與實(shí)測(cè)的數(shù)值并不相符，真對(duì)此種情況，相應(yīng)的產(chǎn)生了應(yīng)用兩種方法結(jié)合的分析方法，以及反演分析法。

3 變形分析以及預(yù)報(bào)的系統(tǒng)論方法

以現(xiàn)代系統(tǒng)論作為有效的指導(dǎo)從而進(jìn)行變形的分析以及預(yù)報(bào)是現(xiàn)階段一個(gè)重要的研究課題。變形體并不止具有單一的因素，它是具有復(fù)雜的黑箱或灰箱式的結(jié)構(gòu)模式，它是開(kāi)放性的，而且還體現(xiàn)出一種隨機(jī)性，這種隨機(jī)性所包含的因素有多種，即包括外界因素中的不確定性，也包括對(duì)初始狀態(tài)的敏感性等等。

按照系統(tǒng)論的方法，對(duì)建筑物的變形通常采用兩種方法進(jìn)行研究：

1)以輸入—輸出模型進(jìn)行建模。此方法是針對(duì)黑箱或是灰箱而進(jìn)行建模的，灰色系統(tǒng)建模、時(shí)序分析等都屬于此建模法。

2)以動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行浸沒(méi)。在方法上它與物理解釋中提到的確定函數(shù)法在某種程度上有著一定的相似，是以運(yùn)動(dòng)物體所體現(xiàn)出的物理規(guī)律為基礎(chǔ)，通過(guò)一定的方式建立微分方程，以此來(lái)精確的描繪出這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)演化。

對(duì)建立的動(dòng)力方程的解算方法，是在對(duì)體統(tǒng)的變形以及受力有著充分了解的基礎(chǔ)上，用相對(duì)簡(jiǎn)單的可以解析的模型來(lái)模擬物體變形的過(guò)程，此模型解算出的成果與現(xiàn)實(shí)狀態(tài)相比較是基本符合的。

在系統(tǒng)論的方法中，其核心表現(xiàn)在對(duì)動(dòng)力學(xué)方程解的分析與研究，因此在此過(guò)程中引入了大量的與動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)的概念，這些引進(jìn)的感念都與變形分析與預(yù)報(bào)有著極為密切的聯(lián)系，它們包括相體積、相軌線、狀態(tài)空間等等。

綜上所述，變形監(jiān)測(cè)在現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)揮著重要的作用，可以有效的對(duì)建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)，而變形監(jiān)測(cè)并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，它蘊(yùn)含著方方面面的東西，需要我們?cè)诓粩嗟奶剿髋c研究中，讓其更好的為人類社會(huì)服務(wù)。

[1]劉娟.淺談工程測(cè)量發(fā)展的幾個(gè)問(wèn)題[J].山西建筑，2008(03)： 366-367.

1007-7596(2014)12-0171-02

2014-03-10

于思博(1986-)，男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師。

P258

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