變形監測數據管理與分析系統設計與實現

李 偉,王俊旻,彭子龍

(1.四川省電力設計院，四川 成都 610071；2. 四川省煤田測繪工程院，四川 成都 610071)

變形監測數據管理與分析系統設計與實現

李 偉1,王俊旻1,彭子龍2

(1.四川省電力設計院，四川 成都 610071；2. 四川省煤田測繪工程院，四川 成都 610071)

變形監測具有周期性、監測時間長、監測點多等特點，導致監測數據量大，故對海量變形監測數據的管理與分析就顯得十分重要。為了實現對海量變形監測數據的高效管理與分析，文中采用C#語言，以SQL 2008為數據庫，編寫變形監測數據管理與分析系統，并通過工程實例驗證系統的高效與可行性。

變形監測；數據管理；數據分析；軟件系統

變形監測是為了獲得變形體監測點的位移情況而進行的長期性、周期性重復監測，這種監測手段必然引起變形監測數據量逐漸增大。因此對海量變形監測數據的有效管理十分必要，且變形監測的數據分析為保證變形體穩定運營提供了技術支持[1-2]。本文根據變形監測的技術要求，以數據庫關系表和結構體作為數據的組織形式，選用C#作為開發語言，通過SQL 2008數據庫管理系統實現數據存儲、修改、刪除與查詢等功能；對變形監測數據進行卡爾曼濾波分析與位移趨勢圖繪制，集多項功能于一體，開發了變形監測數據管理與分析系統。

1 系統模塊與功能設計

1.1 數據管理模塊

數據管理模塊是系統的核心之一，是其他模塊與功能實現的基礎，是數據存儲、修改、刪除與查詢等功能的主要載體，本系統采用SQL 2008作為變形監測數據管理的數據庫，對其進行規范化設計，建立結構合理、性能良好的數據庫，實現高效安全的管理模式[3-4]。

1)數據輸入與存儲。變形監測數據可以分為：觀測數據、已知數據、平差數據與分析結果數據等，其中觀測數據和已知數據系統采用工程文件夾的形式進行存儲；平差和變形分析結果數據采用SQL 2008數據庫進行存儲管理。數據輸入有自動和手動兩種方式，自動輸入即提交本系統內部平差和變形分析的結果數據；手動輸入即輸入其他后處理軟件的結果數據。數據庫內平差與結果分析的格式如表1和表2所示。表中：MN、ME表示坐標值的精度；KYD、KYE與KLN、KLE表示卡爾曼預測值與濾波值。

表1 XXX-Adjust Table格式

表2 XXX-Analysis Table格式

2)數據修改、刪除、添加。對數據庫內的數據進行修改、刪除與添加操作，其中添加操作又分為人工輸入和EXCEL導入，方便用戶根據情況對數據庫內的數據進行相應的更改與完善。

3)數據查詢。可以按監測點點名和監測周期兩種形式查詢，便于用戶根據實際情況的需要進行數據篩選，提高數據分揀工作效率。

4)數據輸出。將數據庫內的所有監測數據或者查詢結果數據以EXCEL的形式輸出，便于用戶后續報告書寫和打印。

1.2 數據分析模塊

1)位移趨勢圖繪制。將監測點的點位變化趨勢繪制成可視化的位移趨勢圖形，使用戶直觀查看監測點的位移大小及變化趨勢，做深層次的分析。

2 系統設計與實現

2.1 系統設計思路

變形監測數據管理與分析系統設計框架和流程如圖1所示。

圖1 系統設計框架與流程

2.2 系統實現

2.2.1 數據管理模塊

數據管理模塊功能的實現是通過對SQL 2008數據庫和EXCEL一些基本操作來完成的，部分功能主要代碼如下：

////////////////////存儲數據/////

////////////////

string sql = string.Format("insert into GNSS-Adjust Table (“列名”) values (“添加值”));

////////////////////修改監測點GPSX的第XX期N坐標值/////////////////////

string MyUpdate="Update GNSS-Adjust Table set N ='"+ N坐標值 +"',……….

where Point ='"+點名+'", Period='"+監測周期+'"";

//////////////////////////刪掉第XX期監測成果/////////////////////////////

string MyDelete="Delete from GNSS-Adjust Table where Period ='"+監測周期+'"";

//////////////////////////EXCEL導入數據/////////////////////////////

string connectionString =@"Provider=Microsoft.ACE.OLEDB.12.0;Data Source="

+ openfile + ";Extended Properties='Excel 12.0;HDR=YES;'";

string strSQL = "SELECT * FROM [Sheet1MYM]";

基于德爾菲法的醫院藥品不良反應快速上報信息化系統評價指標體系的構建 …………………………… 溫潤龍等（13）：1742

2.2.2 數據分析模塊

1)位移趨勢圖繪制。趨勢圖繪制功能實現是利用繪圖控件ZedGraph完成的，首先在C#中添加引用該控件，并定義繪圖區域、各軸名稱及單位，之后對數組元素進行賦值，根據數組值進行趨勢圖繪制。圖形繪制需要4個動態數組元素，分別為：點名數組、點位數組、顏色數組以及點位圖形，根據點名分別給相應的數組賦值，繪制趨勢圖主要代碼如下：

using ZedGraph;

////////////////////////////////////繪制趨勢圖///////////////////////////////////

LineItem myCurve = zedGraphControl1.GraphPane.AddCurve("N-Dis", ttw, Color.Yellow, SymbolType.Circle );

/////////////////////////////////

刷新繪圖

//////////////////////////////////////////

2)卡爾曼濾波分析，其流程如圖2所示。

圖2 卡爾曼濾波算法流程

卡爾曼濾波分析是一個不斷循環過程，首選根據1.2節確定初始狀態向量及其方差陣，循環讀取n期觀測數據，利用狀態一步預測和狀態估計等模型進行預測值和修正值計算，保存模型解算結果中最后一組的狀態向量和相應的協方差陣，更新觀測數據，再次構成n期觀測數據，并進行重復計算。

3 管理與分析系統應用

為了驗證管理與分析系統的高效和可行性，現以鹽水溝變形監測預警工程為例。鹽水溝隧道是西氣東輸管道的標志性工程，它是我國迄今為止距離最長、輸氣量最大、施工條件最復雜的天然氣輸氣管道，為了監測隧道的變形情況，在隧道區域布置4個周期性GNSS監測點，兩個實時自動化GNSS監測點，隧道內布置86個水平位移監測點和20個沉降監測點，監測設備分別為Leica 902雙星接收機、TM30以及DNA03。到目前為止共監測10期，現以GNSS監測點為例。

3.1 數據管理模塊應用

GNSS雙星監測數據可以通過本系統開發的基線解算與網平差等功能，進行監測點的坐標值和精度信息的求取(由于本文主要研究數據管理與分析，其他功能模塊本文不再陳述)，得到的坐標值和精度信息直接保存于SQL數據庫內的GNSS-Adjust Table表中，之后可以通過數據管理模塊內的其他功能對表中的數據進行修改、刪除、添加與輸出等操作，如圖3所示，首先查詢2011年11月3日到現在這段時間內GPS1與GPS3兩點的所有坐標值信息，之后對查詢結果進行報表的輸出。

3.2 數據分析模塊應用

3.2.1 位移趨勢圖繪制

位移趨勢圖繪制涉及到初始值的設定，由于監測點穩定性受自然災害和人為破壞等因素影響，所以監測點的初始值狀態可能會變化，故本功能設計開發了初始值設置以及限差設置。如圖4所示，分析GPS1和GPS4兩點的位移趨勢，初始值為第二期觀測值。

圖4分別顯示了兩點在X軸方向的變化量，可知GPS1監測點在第9期位移量為1.8 mm，兩條橫線為規范限差3 mm(建筑變形規范—JGJ8-2007)，限差亦可根據不同工程變形監測的需求自行設定。

圖3 數據查詢與報表輸出

圖4 位移趨勢圖繪制示意圖

3.2.2 卡爾曼濾波分析

根據1.2和2.2節卡爾曼濾波模型建立方法，對GPS1和GPS4兩點進行分析與預測，其結果如圖5所示。

由圖5可知：GPS1與GPS4的濾波值和實測值之差在±0.4 mm內，說明卡爾曼濾波能較好地反映GNSS變形監測的實際變化情況，能真實地體現變形體的動態數據的實時性，對GNSS變形監測數據具有很好的去噪作用。

4 結 論

變形監測數據管理與分析系統實現了對海量監測數據的高效管理與分析，提高了工作效率和數據安全性，系統具有數據管理與數據分析兩大主要模塊。數據管理模塊實現了監測點平差與分析結果數據的SQL 2008數據庫管理，并開發了對數據庫內的數據進行輸入、刪除、修改、輸出等操作，使用戶對監測數據管理更加方便；位移趨勢圖繪制和卡爾曼濾波分析為保證變形體穩定運營提供了技術支持。系統的實現為變形監測數據管理與分析提供了一種新的途徑，其在變形監測中的應用將發揮重要作用，為了使系統更好地服務于變形監測中，后續仍需對該系統的功能進行完善和擴大。

圖5 卡爾曼濾波分析結果示意圖

[1]劉忠軍,劉強.變形監測數據管理系統初步研究[J].資源環境與工程,2012,26(3):281-284.

[2]薛永安,葛永慧.GPS變形監測數據處理與管理系統的設計與實現[J].太原理工大學學報,2006,37(4):423-426.

[3]薩師煊,王珊.數據庫系統概論[M].北京：高等教育出版社,2000:170-176.

[4]KARILI WATSON,CHRISTIAN NAGEL.Beginning Visual C#2010[M].北京:清華大學出版社, 2012.

[5]李偉. GNSS算法研究及其在變形監測中的應用[D].成都:西南交通大學,2013:40-45.

[6]許國輝,余春林.卡爾曼濾波的建立及其施工變形測量中的應用[J].測繪通報, 2004(4):22-23 .

[7]王旭,劉文生,王昶. 基于小波閾值法去噪的建筑物變形監測數據處理[J].測繪工程, 2011,20(1):44-48.

[8]葉茂.京滬高速鐵路沉降監測數據處理與分析[D].成都:西南交通大學,2008:11-30.

[責任編輯：張德福]

Design and implementation of deformation monitoring data management and analysis system

LI Wei1,WANG Jun-min1,PENG Zi-long2

(1.Sichuan Electric Power Design Institute,Chengdu 610071,China; 2.Sichuan Provincial Coalfield Surverying and Mapping Engineering Institute, Chengdu 610071,China)

Periodic,the long monitoring time and a lot of monitoring points of deformation monitoring,cause a large amount of monitoring data, so the research for the management and analysis of massive amounts of deformation monitoring data are very important. In order to achieve the efficient management and analysis of massive amounts of deformation monitoring data, C# with SQL 2008 as the database is proposed to write a deformation monitoring data management and analysis system,of which the efficieny and feasibility are validated through the actual engineering example.

deformation monitoring; data management; data analysis; sofeware system

2013-07-15

李 偉(1985-)，男，碩士.

TP311

：A

：1006-7949(2014)07-0076-05