動態(tài)GM(1,1)在建筑物沉降變形分析中的應(yīng)用研究

周呂，韓亞坤，陳冠宇，胡紀(jì)元

(1.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，廣西桂林 541006；2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西桂林 541006)

動態(tài)GM(1,1)在建筑物沉降變形分析中的應(yīng)用研究

周呂1，2?，韓亞坤1，2，陳冠宇1，2，胡紀(jì)元1，2

(1.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，廣西桂林 541006；2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西桂林 541006)

介紹了灰色系統(tǒng)理論。針對傳統(tǒng)GM(1，1)模型在建模時只從靜態(tài)角度考慮未來時刻的狀態(tài)這一缺陷，本文引入了可以實時加入系統(tǒng)最新信息的動態(tài)GM(1，1)預(yù)測模型。利用傳統(tǒng)GM(1，1)模型與動態(tài)GM(1，1)模型對某橋梁監(jiān)測點進(jìn)行沉降變形分析與預(yù)測。通過對比分析實例計算結(jié)果表明，動態(tài)GM(1，1)模型可以有效地修正預(yù)測模型，在一定程度上提高了模型的預(yù)測精度，其預(yù)測效果優(yōu)于傳統(tǒng)GM(1，1)模型。

沉降變形；動態(tài)GM(1，1)；變形預(yù)測

1 引 言

變形監(jiān)測就是在時間域與空間域下進(jìn)行的大地測量工作，其主要任務(wù)是確定在各種外力和荷載的作用下，變形體的形狀、大小及其位置發(fā)生變化的空間狀態(tài)與時間特征[1]。建筑物沉降變形分析是通過對特定監(jiān)測點進(jìn)行定期監(jiān)測，獲得原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對這些監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析得出變形體變形規(guī)律的過程。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種理論與方法都在應(yīng)用于建筑物的變形分析與變形預(yù)報的研究中。目前在建筑物變形分析預(yù)測中，應(yīng)用較廣泛地模型有:小波理論模型[2]、灰色系統(tǒng)預(yù)測模型[3]、回歸分析模型[4]、基于Kalman濾波的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、時間序列分析法[6]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型[7]等等。本文在傳統(tǒng)灰色GM(1，1)模型的基礎(chǔ)之上，引入動態(tài)GM(1，1)預(yù)測模型，結(jié)合建筑物的實際沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立動態(tài)GM(1，1)預(yù)測模型。通過工程實例證明動態(tài)GM(1，1)預(yù)測模型較傳統(tǒng)灰色GM(1，1)模型精度高，適合應(yīng)用于建筑物的沉降變形分析與預(yù)報。

2 傳統(tǒng)灰色GM(1，1)模型[8]

灰色系統(tǒng)就是指既含有已知的又含有未知的或非確知的信息系統(tǒng)[8]?；疑到y(tǒng)理論的研究對象是部分信息已知，部分信息未知的小樣本、貧信息不確定性系統(tǒng)。它通過對較少或不確定的表示系統(tǒng)行為特征的信息作生成變換來建立灰色模型(Grey Model)，以此來正確把握系統(tǒng)運行行為和演化規(guī)律。GM(1，1)模型是一個只需一個灰色數(shù)列且適用于變形預(yù)測分析的模型。GM(1，1)預(yù)測模型的建立過程如下[8]:

為了提高系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的規(guī)律性，可對灰色量采用數(shù)據(jù)生成方式，獲得有較強(qiáng)規(guī)律性的生成數(shù)列。常用的生成方法主要有:累加生成、累減生成、均值生成等。

令x(0)為某一監(jiān)測點各期的等間隔非負(fù)原始數(shù)據(jù)序列:

式中n為序列長度，k=1，2，…，n。對原始序列進(jìn)行一次累加生成，得到光滑的生成數(shù)列(記x(1)=AGO x(0)):

對式(2)時間求導(dǎo)建立GM(1，1)一階線性灰微分方程，即GM(1，1)預(yù)測模型的白化方程:

式中a，b為待定常數(shù)。a用來控制系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢的大小，稱為發(fā)展系數(shù)；b用來反映數(shù)據(jù)的變化關(guān)系，稱為灰色作用量。

將式(3)變換可得灰差分方程:

式中z(1)(k)為x(1)的緊鄰均值:

式(4)可寫成YN=Bα其中B為累加生成矩陣，YN為數(shù)據(jù)向量，α為參數(shù)矩陣。

根據(jù)最小二乘原理可求得:α=(BTB)-1BTYN(6)

將求得的待定參數(shù)及邊界條件x(1)=x(0)代入式(3)得GM(1，1)白化方程的時間響應(yīng)式:

通過累減生成GM(1，1)預(yù)測模型:

3 動態(tài)GM(1，1)模型

傳統(tǒng)灰色GM(1，1)模型建模時，采用的是現(xiàn)實狀態(tài)t=n為止的過去的數(shù)據(jù)。隨著時間的推移，將會有一些隨機(jī)干擾因素進(jìn)入系統(tǒng)，影響后期的預(yù)測。為了彌補(bǔ)上述缺陷，準(zhǔn)確的預(yù)測建筑的沉降變形情況，對變形進(jìn)行動態(tài)分析，需要將t＞n的這些未來因素考慮進(jìn)去，即GM(1，1)模型要把每一個新的數(shù)據(jù)送入原始序列中，重新建立GM(1，1)預(yù)測模型。

動態(tài)GM(1，1)模型是傳統(tǒng)GM(1，1)模型的改進(jìn)，其建模原理是依據(jù)原始序列x(0)=[x(0)(1)，x(0)(2)，…x(0)(n)]構(gòu)建傳統(tǒng)GM(1，1)模型，根據(jù)傳統(tǒng)GM(1，1)模型求得t=n+1時刻的預(yù)測值x(0)(n+1)，然后將x(0)序列中的x(0)(1)舍去，加入x(0)(n+1)到原始序列，重新構(gòu)建灰色建模序列，依據(jù)新的數(shù)據(jù)序列x1

(0)=[x(0)(2)，x(0)(3)，…x(0)(n+1)]建立的模型，即為動態(tài)GM(1，1)模型。

4 模型精度檢驗

本文采用后驗差檢驗法[9]評判模型精度，該檢驗法由后驗差比值C和小誤差概率P來共同描述。設(shè)實測數(shù)據(jù)方差為s21，殘差數(shù)據(jù)方差為s22，則計算式分別為:

小誤差概率為:P=P{｜q(k)-ˉq｜＜0.6745s1}

按照C和P兩個指標(biāo)，可以綜合評判模型精度，各精度等級如表1所示。

后驗差檢驗法精度等級表 表1

5 工程實例

本文以貴廣高鐵某橋梁的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，該橋梁的沉降變形監(jiān)測，使用Trimble的DiNi03電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行國家二等水準(zhǔn)觀測，每7天觀測1次。本文依據(jù)該橋梁某監(jiān)測點連續(xù)11期的觀測數(shù)據(jù)，利用GM (1，1)模型和動態(tài)GM(1，1)模型對其進(jìn)行沉降變形分析與預(yù)測，并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

取監(jiān)測點前8期數(shù)據(jù)分別建立傳統(tǒng)GM(1，1)模型并預(yù)測第9期至第11期的沉降變形量。建立動態(tài)GM (1，1)模型時，依據(jù)傳統(tǒng)GM(1，1)模型預(yù)測第9期數(shù)據(jù)，用第9期的預(yù)測值替換原始監(jiān)測序列中的第9期實測數(shù)據(jù)，并且剔除原始序列的第1期數(shù)據(jù)組成新的等維的序列，按照建立傳統(tǒng)GM(1，1)模型的方法建立動態(tài)GM(1，1)模型，逐步循環(huán)，預(yù)測后3期的沉降變形量。

本文的計算過程通過MATLAB R2008a編程實現(xiàn)模型的建立與預(yù)測，把原始監(jiān)測數(shù)據(jù)帶入程序中可得:

通過上述三式計算可得監(jiān)測點的預(yù)測結(jié)果，如表2所示。

由表2可知，在運用傳統(tǒng)GM(1，1)模型與動態(tài)GM (1，1)模型對監(jiān)測點的第9期～第11期進(jìn)行預(yù)測時，最大殘差-2.32mm出現(xiàn)在傳統(tǒng)GM(1，1)模型中，且動態(tài)GM(1，1)模型第二步循環(huán)時預(yù)測值的殘差較動態(tài)GM (1，1)模型第一步循環(huán)時的殘差小，隨著動態(tài)GM(1，1)模型保持維數(shù)不變，不斷更新遞補(bǔ)原始建模序列，該模型的預(yù)測精度逐漸提高；同時，監(jiān)測點的模型預(yù)測值的相對誤差也隨著動態(tài)GM(1，1)模型保持維數(shù)不變，不斷更新遞補(bǔ)原始建模序列，各期的相對誤差逐漸減小。

采用均方誤差以及平均相對誤差對上述兩種模型的預(yù)測值進(jìn)行精度評判，其結(jié)果如表3所示。

由表3可以得出，隨著動態(tài)GM(1，1)模型的等維循環(huán)建立，預(yù)測值的均方誤差由1.54 mm變?yōu)?.47 mm，平均相對誤差降低了0.22，模型的預(yù)測精度有較大的提高。

兩種模型預(yù)測結(jié)果對比表 表2

模型誤差對比表 表3

6 結(jié) 論

建筑物在施工過程中，隨著荷載的增加，初期與后期的沉降量與沉降速度不一樣，后期的沉降速度相對較慢，沉降量較少，故不能用前期的監(jiān)測數(shù)據(jù)來預(yù)測長期的沉降變形情況。本文結(jié)合實際的工程實例，建立傳統(tǒng)的GM(1，1)模型與動態(tài)GM(1，1)模型分別對監(jiān)測點進(jìn)行沉降變形分析與預(yù)測。通過對比分析可得:

(1)傳統(tǒng)的GM(1，1)模型在建模時保留了序列初期的沉降信息，且隨著時間的推移，灰色系統(tǒng)會加入一些未來的噪聲干擾，傳統(tǒng)的GM(1，1)模型在建模預(yù)測時并沒有將未來的噪聲考慮進(jìn)去，導(dǎo)致預(yù)測值隨著時間的推移偏離實測值越來越大；

(2)在建立動態(tài)GM(1，1)模型時，可以及時剔除建模序列中初期沉降信息，并不斷引入近期的沉降信息，保障模型是一個遞補(bǔ)動態(tài)預(yù)測模型，可以有效地修正預(yù)測模型誤差，提高預(yù)測精度。

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The App lied Research of Dynam ic GM(1，1)in Building Settlement Deformation Analysis

Zhou Lv1，2，Han Yakun1，2，Chen Guanyu1，2，Hu Jiyuan1，2

(1.College of Surveying，Mapping and Geoinformation，Guilin University of Technology，Guangxi 541006，China；2.Guangxi Key Laboratory for Spatial Information and Geomatics，Guilin 541006，China)

This paper introduces grey system theory.Aiming at the deficiency of traditional GM(1，1)model considering future state only in a static view，this paper introduces the dynamic GM(1，1)prediction model that can add latest information into system in real time.Using traditional GM(1，1)model and dynamic GM(1，1)model to analyze and predict a bridgemonitoring point settlement deformation Through comparing and analyzing the calculation results of project example shows that the dynamic GM(1，1)can effectively revise predictionmodel and improve the prediction precision of themodel in a certain extent，its prediction effect is superior to the traditional GM(1，1)model.

settlement deformation；dynamic GM(1，1)；deformation prediction

1672-8262(2013)05-119-03

P258，TU196.2

A

2013—05—17

周呂(1988—)，男，研究生，精密工程測量與變形監(jiān)測技術(shù)。

廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目(YCSZ2012083)，國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201210596003)。