地鐵施工沉降監(jiān)測與預報系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
2015-03-20
1前言
在地鐵施工過程中，變形監(jiān)測為工程質量、施工進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)測項目多，數(shù)據(jù)格式多，監(jiān)測數(shù)據(jù)接觸人員多，存在諸多對監(jiān)測數(shù)據(jù)管理的混亂問題；同時，在監(jiān)測數(shù)據(jù)也存在數(shù)據(jù)共享不及時，監(jiān)測數(shù)據(jù)預報不及時等問題，尤其是監(jiān)測數(shù)據(jù)的短期預測精度有限，對未來形變趨勢無法做出準確判斷，很大程度上影響施工安全。因此，設計一個集數(shù)據(jù)處理，管理和預測分析于一體的系統(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)的主要功能就是對數(shù)據(jù)的進行短期、準確的預測，這是系統(tǒng)的核心功能；系統(tǒng)還應實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的錄入（包括手動錄入和導入已有文件）、數(shù)據(jù)存儲（建立專門的數(shù)據(jù)文件）、數(shù)據(jù)處理（包括對數(shù)據(jù)進行粗差檢驗、危險值預警、平差等）、生成監(jiān)測報表（建立數(shù)據(jù)的日報、周報等并附有工程信息）、生成沉降曲線圖（包括沉降速率圖和累積沉降圖）、實現(xiàn)簡易的監(jiān)測點位圖（相對點位圖）等功能。
2.2 系統(tǒng)性能需求
(1) 系統(tǒng)穩(wěn)定性高，應能在正常情況下，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)對電腦硬件要求低，在施工現(xiàn)場上任何硬件水平的電腦上都能運行，使系統(tǒng)具有廣泛的硬件適用性；
(3) 系統(tǒng)對計算機系統(tǒng)軟件要求低，在施工現(xiàn)場并不能所有電腦都安裝了VC2008++等基礎支持性軟件，因此，系統(tǒng)必須具有良好的兼容性。
(4) 系統(tǒng)應具有一定安全性，由于系統(tǒng)內部可能載有國家保密級數(shù)據(jù)，因此應能避免操作系統(tǒng)漏洞給本系統(tǒng)造成影響。
3 系統(tǒng)總體設計
按照上文所說的需求分析和總體設計，“地鐵施工階段沉降監(jiān)測與預報系統(tǒng)”將是一個界面友好、簡單易操作、能夠生成圖形化，同時又能夠顯示相對點位，基于這些需求，本文在綜合考慮了所有的編程語言后，相對比而言，C#語言和Matlab語言以及使用ArcGIS Engine的相關模塊能夠符合系統(tǒng)需求。
“地鐵施工階段沉降監(jiān)測與預報系統(tǒng)”是一個全方位、流程化的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，為滿足設計要求，系統(tǒng)將主要包括：數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與計算、數(shù)據(jù)預測三大部分，從原始數(shù)據(jù)導入（錄入）為開始，數(shù)據(jù)分析與預測為過程，生成監(jiān)測數(shù)據(jù)報表為終止，其中包含數(shù)據(jù)建檔、粗差剔除、簡易平差、危險值警示、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)主要模塊設計
系統(tǒng)主要分為三個模塊：數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與計算、數(shù)據(jù)預測。
4.1 數(shù)據(jù)管理模塊設計
數(shù)據(jù)管理做為數(shù)據(jù)的載體，貫穿于整個系統(tǒng)之中，通過施工測量員提供的資料和意見，針對數(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)測報表。
4.2 數(shù)據(jù)分析與計算模塊設計
數(shù)據(jù)分析與計算是“地鐵施工沉降監(jiān)測與預報系統(tǒng)”的重要組成部分，數(shù)據(jù)分析能力的強弱決定系統(tǒng)的實際應用等級水平，這個模塊包含計算和分析，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算可以通過簡單的計算機語言編寫，其目的是根據(jù)相應的規(guī)范求出精度評定的相關參數(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，對粗差剔除的理論方法宜采用格拉布斯準則進行判別，并警示顯示。
4.3 數(shù)據(jù)預測模塊設計
數(shù)據(jù)預測模塊是“地鐵施工沉降監(jiān)測與預報系統(tǒng)”的核心部分，數(shù)據(jù)預測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度，因此，數(shù)據(jù)預測模塊要求主要有兩個：首先，算法預測精度高，能夠保障施工技術要求；其次，程序對數(shù)據(jù)質量要求要低，任何數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)量大小，都能準確預測。由于地鐵施工階段，工期緊張，因此，短期對數(shù)據(jù)預測能力要求較高，對長期數(shù)據(jù)預測能夠保障總體趨勢即可。
在導入的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析計算后，首先利用時間序列分析模型分析，使數(shù)據(jù)的特性能夠識別在時間序列當中，通過自相關函數(shù)和偏相關函數(shù)，確定時間序列分析模型的參數(shù)，通過對殘差的對比分析，選擇適當?shù)男〔ɑ?，利用分層閾值小波去噪，消去噪聲，最后使用指?shù)平滑法對數(shù)據(jù)實現(xiàn)預測，并生成預測曲線和計算出預測值。
5地鐵施工沉降監(jiān)測與預報系統(tǒng)功能實現(xiàn)
5.1系統(tǒng)主界面及數(shù)據(jù)管理模塊的實現(xiàn)
該系統(tǒng)的登錄界面，用戶通過輸入賬號、密碼方可登錄成功，密碼和賬號為授權方授予，除此之外無權限修改，并且賬號、密碼實行二級授權，低等級授權能夠使用大部分系統(tǒng)功能，高等級授權能夠使用包括數(shù)據(jù)修改等全部功能。輸入賬號、密碼后，點擊“登錄”按鈕，系統(tǒng)將進入主界面。
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；另一種是手動錄入數(shù)據(jù)，這種方式適用于現(xiàn)場人為記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)場計算的狀況。
5.2數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)
數(shù)據(jù)處理模塊是“地鐵施工沉降監(jiān)測與預報系統(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，實現(xiàn)粗差剔除、平差計算、收斂測量計算等常用、實用的功能。
這里以粗差剔除為例，做簡要說明。
粗差探測是數(shù)據(jù)處理很重要的一個步驟，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)預測降低預測精度，因此必須將粗差探測，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則，并且能夠起到較好的效果。選定監(jiān)測點，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圖形繪制實現(xiàn)
在“數(shù)據(jù)操作區(qū)”下方的選項卡中，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：累計沉降曲線、沉降示意曲線以及監(jiān)測點點位圖，要說明的是收斂監(jiān)測也屬于單一變量的，其預測方式及方法與沉降監(jiān)測一致。
6 小結
本文實現(xiàn)“地鐵施工沉降監(jiān)測與預報”系統(tǒng)的所有功能，并為每一個模塊設計了相應的界面，實現(xiàn)了各模塊間、開發(fā)語言間的數(shù)據(jù)傳遞；通過計算機語言的編寫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)計算、粗差探測計等功能，尤其是在數(shù)據(jù)預測方面，將前文實驗分析的結果實現(xiàn)在系統(tǒng)之中，使研究實現(xiàn)了實際應用的價值。
