地鐵車站基坑工程第三方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)

摘要 分析和總結(jié)了地鐵車站基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的主流方法和流程，歸納和提煉了存在的關(guān)鍵技術(shù)難題，給出了其軟件開發(fā)的完整解決方案。

關(guān)鍵詞 基坑工程; 地鐵車站; 第三方監(jiān)測(cè); 數(shù)據(jù)處理軟件

中圖分類號(hào) TP391.99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

全站儀免棱鏡模式的激光測(cè)距三維定位法具有精度高、速度快、靈活便捷的任意點(diǎn)置鏡、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工要求的顯著特點(diǎn)，成為基坑工程安全性監(jiān)測(cè)的主流方法。對(duì)于任意點(diǎn)置鏡的靈活布網(wǎng)方式監(jiān)測(cè)網(wǎng)，要求其后續(xù)的數(shù)據(jù)處理算法必須是基于最小二乘原理。這就對(duì)與其配套數(shù)據(jù)處理軟件在網(wǎng)形無關(guān)性、軟件通用性、成果規(guī)范性、報(bào)表完整性等方面提出了較高的要求。實(shí)現(xiàn)基坑工程監(jiān)測(cè)工作的內(nèi)外業(yè)一體化、信息化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1-5］。

項(xiàng)目組依托西南交通大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)，研制了針對(duì)全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的基坑工程變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)NETee。該軟件具有4個(gè)顯著特點(diǎn)：

（1）NETee軟件采用非線性最小二乘平差方法，解決了平面控制網(wǎng)平差的網(wǎng)形無關(guān)性問題，為通用的邊角網(wǎng)平差軟件。

（2）NETee軟件采用先建立間接平差模型，再轉(zhuǎn)化為條件平差模型的方法，以條件方程式的獨(dú)立最小環(huán)方式實(shí)現(xiàn)了完整的閉合差檢查功能。

（3）NETee軟件基于坐標(biāo)變換的快速相對(duì)點(diǎn)位誤差橢圓在長半軸E和短半軸F、縱坐標(biāo)X和橫坐標(biāo)Y、邊長的縱向和橫向等方向上的算法，豐富了相對(duì)點(diǎn)位精度指標(biāo)的成套輸出，適應(yīng)多種工程測(cè)量規(guī)范［1-4］對(duì)特殊方向的精度評(píng)定要求。

（4）NETee軟件實(shí)現(xiàn)了Microsoft Office Excel格式和WPS格式的成果報(bào)表和Autodesk AutoCAD格式控制網(wǎng)平面圖的輸出，實(shí)現(xiàn)了平差與數(shù)據(jù)處理成果的信息化接入。

1非線性最小二乘平差方法解決概略坐標(biāo)計(jì)算

現(xiàn)有的基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件，一般只能處理常規(guī)網(wǎng)形，比如導(dǎo)線網(wǎng)、三角網(wǎng)、大地四邊形、中點(diǎn)多邊形、角度和距離交會(huì)等。對(duì)于按照最小二乘平差原理組建的任意控制網(wǎng)的網(wǎng)形，由于概略坐標(biāo)的解算問題沒有徹底解決，導(dǎo)致后續(xù)的平差計(jì)算無法進(jìn)行下去。為解決此問題，現(xiàn)有的測(cè)量平差與數(shù)據(jù)處理軟件要求前期的外業(yè)測(cè)量不能按照最小二乘平差原理任意布設(shè)控制網(wǎng)的網(wǎng)形，控制網(wǎng)的網(wǎng)形只能選取常規(guī)網(wǎng)形，導(dǎo)致外業(yè)作業(yè)嚴(yán)重受限，不能根據(jù)實(shí)際情況靈活布網(wǎng)，工作效率大幅度下降。或者可以任意布網(wǎng)，但后續(xù)需要人工完成概略坐標(biāo)的計(jì)算，無法實(shí)現(xiàn)全過程的信息化處理。

NETee軟件基于非線性最小二乘原理，采用了改進(jìn)的序列二次規(guī)劃算法，修正了算法的理論缺陷和漏洞、完善了其快速步長調(diào)整算法，通過“原線性最小二乘平差模型—轉(zhuǎn)換為非線性規(guī)劃模型—再轉(zhuǎn)換為序列二次規(guī)劃模型—又轉(zhuǎn)換為序列線性平差模型”這一組合的適于計(jì)算機(jī)編程計(jì)算的非線性組合算法，解決了適用于任意平面測(cè)量控制網(wǎng)的坐標(biāo)自動(dòng)解算問題，使得控制點(diǎn)概略坐標(biāo)解算與最小二乘平差同步進(jìn)行，從理論方法上全面解決了測(cè)量平差與數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)通用性和全信息化的矛盾，消除了數(shù)據(jù)處理方法對(duì)外業(yè)測(cè)量控制網(wǎng)布網(wǎng)的制約，也避免了手工進(jìn)行控制點(diǎn)概略坐標(biāo)的計(jì)算問題，極大提高了內(nèi)外業(yè)測(cè)量的工作效率。

2轉(zhuǎn)化為條件平差模型解決粗差探測(cè)和控制網(wǎng)質(zhì)量檢查現(xiàn)有的基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件大都具有可靠性指標(biāo)（多余觀測(cè)分量）的計(jì)算能力，但還沒能實(shí)現(xiàn)完整的閉合差檢查。

在間接平差模型轉(zhuǎn)化為條件平差模型的通用方法基礎(chǔ)上，NETee軟件采用了先間接平差、后條件平差的2套平差的數(shù)據(jù)處理方法，綜合了間接平差和條件平差的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理過程具有較全面的質(zhì)量檢查機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了軟件的查錯(cuò)和質(zhì)量檢查功能。具體來說，具有幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可進(jìn)行完整的控制網(wǎng)閉合差檢查；法方程解算工作量較小；誤差方程列立簡(jiǎn)單而有規(guī)律，易于實(shí)現(xiàn)任意網(wǎng)的電算。網(wǎng)形設(shè)計(jì)不受限制；平差成果包含了參數(shù)及其精度評(píng)定的完整信息；無需再推算參數(shù)及其精度評(píng)定公式；可直接生成網(wǎng)圖。

3相對(duì)誤差橢圓分解算法計(jì)算多種復(fù)雜精度評(píng)定指標(biāo)在基于坐標(biāo)變換的快速相對(duì)點(diǎn)位誤差橢圓在長半軸E和短半軸F、縱坐標(biāo)X和橫坐標(biāo)Y、邊長的縱向和橫向等方向算法的基礎(chǔ)上，NETee軟件豐富了相對(duì)點(diǎn)位精度指標(biāo)的成套輸出，增加了控制網(wǎng)任意2點(diǎn)間相對(duì)點(diǎn)位誤差橢圓在長半軸E和短半軸F、縱坐標(biāo)X和橫坐標(biāo)Y、邊長的縱向和橫向等方向的成果輸出，增加了控制網(wǎng)特殊的精度指標(biāo)，如監(jiān)測(cè)點(diǎn)向基坑內(nèi)部方向的橫向變形值的中誤差。數(shù)據(jù)處理成果中的精度評(píng)定指標(biāo)更加完整全面，適應(yīng)了基坑工程測(cè)量對(duì)精度評(píng)定的需求。相對(duì)點(diǎn)位及其精度成果的內(nèi)容見表1、表2。

4AutoCAD二次開發(fā)批量繪制控制網(wǎng)平面圖

平差與數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能還包括自動(dòng)批量繪制控制網(wǎng)平面圖，以實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)直觀的信息可視化表達(dá)。AutoCAD常用的二次開發(fā)的主要途徑有：直接生成ASCII格式的*.DXF圖形文件；首先生成Script腳本文件*.SCR，再通過運(yùn)行腳本文件來批量繪圖；采用Auto LISP語言編程在AutoCAD環(huán)境里添加繪圖功能；采用VBA （Visual Basic Application） 語言編程在AutoCAD環(huán)境里添加繪圖功能；通過AutoCAD ObjectARX開發(fā)環(huán)境添加繪圖功能。

其中運(yùn)行Script腳本文件*.SCR的方式批量繪制控制網(wǎng)平面圖是最為簡(jiǎn)單易行的方式，且具有與AutoCAD版本無關(guān)性的特點(diǎn)，保持了二次開發(fā)軟件的通用性和兼容性。其主要點(diǎn)、線、面、注字命令有：

點(diǎn)：POINT、DONUT、DDPTYPE；

線：LINE、PLINE（PEDIT）、SPLINE、MLINE、ARC；

面：POLYGON、CIRCLE、ELLIPSE 、RECTANG、TRACE；

注字：TEXT、DTEXT、MTEXT。5內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理全過程實(shí)現(xiàn)軟件化

NETee軟件實(shí)現(xiàn)了Microsoft Office Excel格式和WPS格式成果報(bào)表，以及Autodesk AutoCAD格式控制網(wǎng)平面圖的輸出，實(shí)現(xiàn)了平差與數(shù)據(jù)處理成果的信息化接入。成果包含4表1圖：觀測(cè)值平差成果表、點(diǎn)位及其精度成果表、相對(duì)點(diǎn)位及其精度成果表、條件方程式閉合差檢查表，CAD總平面圖。

主要優(yōu)點(diǎn)有：最大限度地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理全過程的軟件自動(dòng)化，提高了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的工作效率；避免了人工手工作業(yè)可能造成的各種錯(cuò)誤的發(fā)生，提高了成果的質(zhì)量和可靠性；成果輸出更加規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一；外業(yè)控制網(wǎng)布網(wǎng)不再受到平差軟件的制約，靈活的任意網(wǎng)形布網(wǎng)極大提高了外業(yè)工作效率，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)外業(yè)一體化。

6實(shí)例

如圖1所示，某地鐵車站第三方監(jiān)測(cè)采用NETee軟件支持下，監(jiān)測(cè)網(wǎng)布網(wǎng)的情況。通過AutoCAD的Script腳本方式二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了工作底圖與監(jiān)測(cè)網(wǎng)平面圖的套合，使得成果的表達(dá)更加完備和直觀。

監(jiān)測(cè)報(bào)告基本內(nèi)容包括：①控制網(wǎng)規(guī)模：平均邊長km，最短邊長，最長邊長，導(dǎo)線長度；②測(cè)量精度：測(cè)角精度，水平角測(cè)回?cái)?shù)；測(cè)距精度，測(cè)距相對(duì)精度；③閉合差：三角形最大閉合差，方位角閉合差，導(dǎo)線全長相對(duì)閉合差，條件方程閉合差；④網(wǎng)平差總體精度指標(biāo)：平差的驗(yàn)后單位權(quán)中誤差，平差后測(cè)角中誤差，平差后測(cè)距中誤差，最弱點(diǎn)位中誤差，最弱邊邊長相對(duì)中誤差；⑤特定點(diǎn)坐標(biāo)、點(diǎn)位中誤差；特定邊邊長、方位角中誤差。

7結(jié)論

NETee軟件是集控制網(wǎng)閉合差檢查與質(zhì)量檢驗(yàn)、坐標(biāo)計(jì)算和平差、多功能精度評(píng)定、成果圖表全面兼容Autodesk AutoCAD和Microsoft Office的一款通用型全站儀平面網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)。在非線性最小二乘平差方法、間接平差模型向條件平差模型的轉(zhuǎn)化方法、坐標(biāo)變換算法的相對(duì)誤差橢圓分解算法、成果報(bào)告兼容Autodesk AutoCAD和Microsoft Office等方面成功經(jīng)驗(yàn)。NETee軟件非常適合地鐵車站基坑工程第三方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的使用，推薦給廣大同行學(xué)習(xí)使用。

參考文獻(xiàn)

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［6］張正祿.工程測(cè)量學(xué)第3版［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社.2020.