高速公路軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

吳 正，邱利群，陳永寧，陳富榮，陳 超，萬 凱

（1.安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001；2.中國地質(zhì)大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

高速公路軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

吳 正1，邱利群2，陳永寧1，陳富榮1，陳 超2，萬 凱2

（1.安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001；2.中國地質(zhì)大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

在高速公路軟基監(jiān)測工作中，需要根據(jù)不同的施工階段和工程條件，選擇合適的預(yù)測模型對軟基沉降量進行預(yù)測。介紹了系統(tǒng)的開發(fā)語言與環(huán)境，對高速公路軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)進行功能設(shè)計及代碼編寫。最后結(jié)合工程實例，檢驗該系統(tǒng)是否能夠滿足軟基沉降預(yù)測的要求。實踐表明，該系統(tǒng)具有較好的實用性。

高速公路軟基；沉降預(yù)測；系統(tǒng)設(shè)計

在高速公路軟基沉降監(jiān)測過程中，經(jīng)常需要對某個監(jiān)測點或者某個監(jiān)測斷面的沉降量進行預(yù)測，以判斷軟基是否穩(wěn)定，同時也為高速公路軟基處理方案、路堤填筑速率、構(gòu)筑物施工順序等提供建議[1-3]。而市場上并沒有太多軟土路基沉降預(yù)測方面的專業(yè)軟件，即使有，也是針對某項特定工程開發(fā)的。因為不同的工程條件和施工階段，需要運用不同的預(yù)測模型才能獲得準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果[4]，因此，如果能根據(jù)所監(jiān)測的項目情況，編寫適合本項目的預(yù)測軟件，將能為高速公路軟基沉降監(jiān)測工作提供便利[5]。本文基于Excel2003，利用VBA與Matrix集成編寫了針對某個高速公路的軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)開發(fā)語言與環(huán)境介紹

本系統(tǒng)是基于Excel2003，利用VBA與MatrixVB集成編寫的高速公路軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)，其中VBA主要是將Excel2003中的數(shù)據(jù)讀入到程序中，利用MatrixVB編寫了不等時距灰色模型GM（1，1）、拓展雙曲線、Asoaka法、三點法等預(yù)測模型的代碼，并繪制預(yù)測沉降曲線和實測沉降曲線，通過VBA，利用Excel與Word連接，將預(yù)測數(shù)據(jù)表和曲線圖輸入到Word中，從而生成預(yù)測報告[6]。

MatrixVB是由第三方（Mathtools公司）提供的COM組件，包含了大量與Matlab相似的函數(shù)與調(diào)用語法，可以加強VB內(nèi)建數(shù)學(xué)運算與圖形展示功能，其函數(shù)庫多達8種類型。在VB程序代碼中，可以像使用VB自己的函數(shù)一樣使用MatrixVB函數(shù)，而且可以不依賴于Matlab的環(huán)境在Visual Basic中完成矩陣運算與圖形繪制顯示等功能。這種方法使用起來簡單，編程效率較高[7]。Excel VBA是Excel宏的編輯語言，是基于Visual Basic for Windows發(fā)展而來的，VBA提供了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，易于學(xué)習(xí)掌握。使用宏記錄器還可記錄用戶的各種操作，并轉(zhuǎn)換為VBA程序[8]。Excel VBA與Matrix連接的方法：在VBA菜單欄選擇“工具”，在下拉菜單中單擊“引用”，選中彈出的對話框中MMatrix選項，系統(tǒng)將加載MatrixVB的動態(tài)鏈接庫MMatrix．DLL[9]。

2 高速公路軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)功能設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 預(yù)測系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)主要功能介紹：

1）提供了不等時距灰色模型GM(1，1)、Asoaka法、拓展雙曲線法，三點法幾種預(yù)測模型，可以根據(jù)軟基不同的施工階段選擇合適的預(yù)測模型。

2）在預(yù)測完成后，自動計算出預(yù)測殘差和相關(guān)系數(shù)，并在同一圖中繪制出預(yù)測曲線與實測沉降曲線圖。

3）根據(jù)用戶設(shè)置的報告格式，制作相應(yīng)的預(yù)測報告。預(yù)測報告中包含實測數(shù)據(jù)、預(yù)測數(shù)據(jù)、殘差、預(yù)測結(jié)果分析以及預(yù)測曲線圖。

4）系統(tǒng)提供了打印功能，可以打印監(jiān)測數(shù)據(jù)表、變形曲線圖、預(yù)測報告等。高速公路軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)功能設(shè)計如圖1所示。

圖1 高速公路軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)功能設(shè)計圖

2.2 程序設(shè)計

根據(jù)高速公路軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)所設(shè)計的功能，基于Excel2003，利用VBA與Matrix集成編寫了軟基沉降預(yù)測系統(tǒng)的相關(guān)程序。所編寫的預(yù)測和繪圖程序，能預(yù)測出軟基的沉降趨勢，并可以通過繪圖程序在圖中更好地反映出來，以便及時采取相應(yīng)措施，來減小因施工帶來的危害，保證項目的順利進行。限于篇幅，本文僅列出了不等時距GM（1,1）模型的相關(guān)代碼，主要代碼及說明如下：

1）不等時距GM（1,1）模型預(yù)測程序。

Private Sub GM(1，1)_Click()

Application.Worksheets("GM(1,1)").Activate ’激活GM(1，1)預(yù)測工作表

Dim i As Integer, r As Integer

Dim s1 As Variant, s11 As Variant, t As Variant, s2 As Variant

Dim t0 As Double

Dim B As Variant, Y As Variant, u As Variant, s0 As Variant

Dim c As Variant, s3 As Variant

r = Application.CountA(Range("A:A")) – 2 ’獲取需預(yù)測的期數(shù)

s1 = zeros(r, 1): t = zeros(r, 1): s11 = zeros(r, 1)

u = zeros(r, 1): s0 = zeros(r, 1): s2 = zeros(r, 1)

B = zeros(r - 1, 2): Y = zeros(r - 1, 1): c = zeros(2, 1)

For i = 1 To r

t.r2(i, 1) = Range("A" & (i + 2)).Value

s1.r2(i, 1) = Range("B" & (i + 2)).Value

Next i

t0 = (1 / (r - 1)) * (t.r2(r, 1) - t.r2(1, 1))

For i = 1 To r

If i = 1 Or i = r Then

u.r2(i, 1) = 0: s0.r2(i, 1) = 0

Else

u.r2(i, 1) = (t.r2(i, 1) - (i - 1) * t0) / t0

s0.r2(i, 1) = u.r2(i, 1) * (s1.r2(i, 1) - s1.r2(i - 1, 1))

End If

s2.r2(i, 1) = s1.r2(i, 1) - s0.r2(i, 1)

Range("F" & (i + 2)).Value = s2.r2(i, 1)

Next i

s3 = zeros(r, 1):s3.r2(1, 1) = s2.r2(1, 1)

For i = 2 To r

s3.r2(i, 1) = s3.r2(i - 1, 1) + s2.r2(i, 1)

Next i

For i = 1 To r - 1

B.r2(i, 1) = -0.5 * (s3.r2(i, 1) + s3.r2(i + 1, 1))

B.r2(i, 2) = 1: Y.r2(i, 1) = s2.r2(i + 1, 1)

Next i

c = mtimes(mtimes(inv(mtimes(Transpose(B), B)), Transpose(B)), Y)

For i = 1 To r

s11.r2(i, 1) = (s1.r2(1, 1) - c.r2(2, 1) / c.r2(1, 1)) * Exp(-c.r2(1, 1) * t.r2(i, 1) / t0) + c.r2(2, 1) / c.r2(1, 1)

Next i

Range("C3").Value = s2.r2(1, 1): Range("D3").Value = 0

For i = 1 To r

Range("C" & (i + 2)).Value = s11.r2(i, 1) - s11.r2(i - 1, 1)

Range("D" & (i + 2)).Value = Range("C" & (i + 2)). Value - Range("B" & (i + 2)).Value

Next i

End Sub

2）不等時距GM(1，1)模型繪圖程序。

Private Sub 繪圖程序_Click()

Dim myrange As Range

Dim mychart As ChartObject

Dim r As Integer

Dim a As Worksheet

Application.Worksheets("GM(1,1)").Activate

Set a = Application.Worksheets("GM(1,1)")

With a

.ChartObjects.Delete

r = .Range("A65536").End(xlUp).Row

Set myrange = .Range("D3" & ":E" & r)

Set mychart = .ChartObjects.Add(550, 140, 400, 250)

With mychart.Chart

.ChartType = xlLineMarkers

.SetSourceData Source:=myrange, PlotBy:= xlColumns

.ApplyDataLabels ShowValue:=True

.HasTitle = True

.ChartTitle.Text = "不等時距GM(1,1)模型預(yù)測圖"

.Axes(xlCategory, xlPrimary).HasTitle = True

.Axes(xlCategory, xlPrimary).AxisTitle.Characters. Text = "天數(shù)(天)"

.Axes(xlValue, xlPrimary).HasTitle = True

.Axes(xlValue, xlPrimary).AxisTitle.Characters.Text = "沉降量(mm)"

With .ChartTitle.Font

.Size = 20

.ColorIndex = 3

.Name = "華文新魏"

End With

With .ChartArea.Interior

.ColorIndex = 8

.PatternColorIndex = 1

.Pattern = xlSolid

End With

With .PlotArea.Interior

.ColorIndex = 35

.PatternColorIndex = 1

End With

.SeriesCollection(1).DataLabels.Delete

.SeriesCollection(2).DataLabels.Delete

.SeriesCollection(1).XValues = "='GM(1,1)'!R3C2: R100C2"

.SeriesCollection(1).Name = "=""實測值"""

.SeriesCollection(2).XValues = "='GM(1,1)'!R3C2: R100C2"

.SeriesCollection(2).Name = "=""預(yù)測值"""

End With

End With

3 應(yīng)用實例

為了判斷某高速公路軟土路基沉降發(fā)展趨勢，現(xiàn)選取沉降監(jiān)測點K7+027CJBL在軟基施工過程的10期沉降量來對該點采用系統(tǒng)提供的不等時距GM(1,1)模型進行預(yù)測。通過對每期數(shù)據(jù)的觀測，并進行相應(yīng)計算，可以得出在不同周期內(nèi)的沉降累計值（每期的數(shù)值均是在填土之后通過前后測量計算獲得），其數(shù)值如表1所示。

表1 不等間距灰色模型GM(1，1)預(yù)測結(jié)果表

獲得以上數(shù)據(jù)后，通過編寫的程序，進行下述步驟：

1）將沉降點K7+027CJBL的各期沉降量輸入到高速公路軟土路基沉降預(yù)測系統(tǒng)中的Excel表中。

2）單擊Excel預(yù)測表中的預(yù)測按鈕，出現(xiàn)程序界面。

3）根據(jù)工程條件及施工階段選擇合適的預(yù)測模型，本文采取不等間距灰色模型GM（1，1）進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表1所示。

4）單擊“曲線繪制”按鈕，即可生成預(yù)測曲線與實測沉降曲線圖（圖2）。

5）單擊“報告”選項，即可生成預(yù)測報告。

利用預(yù)測結(jié)果計算小誤差概率為0．96，后驗差為0．24。根據(jù)模型檢驗判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)小誤差概率大于0．95，后驗差大于0．35時，預(yù)測結(jié)果較好。

圖2 不等時距灰色模型GM(1,1)預(yù)測曲線與實測沉降曲線圖

4 結(jié) 語

不同的軟基施工階段以及不同的工程條件應(yīng)采取不同的預(yù)測模型進行預(yù)測。為滿足工程需要，基于Excel2003，利用VBA與Matrix集成開發(fā)了高速公路軟基沉降預(yù)測程序，該程序能夠在軟基不同的施工階段采取相應(yīng)的預(yù)測模型進行預(yù)測[6]。實踐表明，預(yù)測結(jié)果良好，操作簡單，能極大提高工作效率，保證項目順利進行。

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電出版社, 2006

P258

B

1672-4623（2015）02-0142-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.050

吳正，碩士，主要從事大地測量學(xué)與測量工程方面的研究。

2014-03-27。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目(40974002)；國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資助項目(發(fā)改高技［2007］1911)。