皖北煤礦高層建筑物沉降數(shù)據(jù)處理與預(yù)測(cè)

白洪偉，穆　星，李　進(jìn)，吳滿意（.宿州學(xué)院 環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 宿州 34000；.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一地形測(cè)量隊(duì)，西安 70054）

皖北煤礦高層建筑物沉降數(shù)據(jù)處理與預(yù)測(cè)

白洪偉1，穆星1，李進(jìn)1，吳滿意2
（1.宿州學(xué)院 環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一地形測(cè)量隊(duì)，西安 710054）

利用GM（1，1）灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)原理，提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及特點(diǎn)、同時(shí)結(jié)合五組實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立“GM（1，1）灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表”，以按要求自動(dòng)生成5組沉降還原數(shù)據(jù)，4組沉降預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)模型的預(yù)測(cè)值與原始值進(jìn)行絕對(duì)誤差比較，生成曲線圖，實(shí)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)的計(jì)算及結(jié)果分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的生產(chǎn)需要，給煤礦高層建筑物的穩(wěn)定性提供科學(xué)的分析。

灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型；GM（1，1）；沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

0　引言

隨著社會(huì)物質(zhì)文明的不斷發(fā)展，建筑水平的不斷提升與完善，能源需求的不斷增加，采礦區(qū)面積的不斷縮小，采礦活動(dòng)越來(lái)越頻繁，以及人口的不斷增多，土地可用面積的不斷減少，地面沉降問(wèn)題越來(lái)越明顯，對(duì)生存環(huán)境、生命財(cái)產(chǎn)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)都有嚴(yán)重影響，且長(zhǎng)期以來(lái)，工礦區(qū)與高層建筑物沉降觀測(cè)分析與預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)處理、精度評(píng)定、圖件繪制、報(bào)告編寫(xiě)等工作均由手工完成，故工作量很大［1-4］。最近，就如何處理沉降數(shù)據(jù)、用何種方法與模型處理的討論很活躍，除了傳統(tǒng)的回歸分析法、頻譜分析法和濾波技術(shù)以及外時(shí)間序列分析法，灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性時(shí)間序列的預(yù)測(cè)方法也得到了很大程度的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)礦區(qū)與高層建筑物變形監(jiān)測(cè)取得第一手資料，這些數(shù)據(jù)及時(shí)處理并進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以更好地監(jiān)視礦區(qū)的狀態(tài)和工作情況，在發(fā)生不正常情況時(shí)能及時(shí)分析原因，采取措施，防止事故發(fā)生，并改善運(yùn)營(yíng)方式保障安全。但目前國(guó)內(nèi)研制的專(zhuān)門(mén)用于沉降數(shù)據(jù)分析預(yù)報(bào)的系統(tǒng)比較少，為了滿足高效率生產(chǎn)的需求，對(duì)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)就亟需擺脫傳統(tǒng)的方式，要求用一個(gè)方便有效的軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能［5-8］。本文采用原華中理工大學(xué)鄧聚龍教授在20世紀(jì)80年代提出的灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)原理和傳統(tǒng)的回歸分析預(yù)測(cè)原理以及二者的平均值，建立“GM（1，1）灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型與回歸分析預(yù)測(cè)模型沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表”，通過(guò)5組原始數(shù)據(jù)自動(dòng)生成不同模型的5組還原數(shù)據(jù)以及4組預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，將不同模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與分析生成折線圖，對(duì)工礦區(qū)與高層建筑物進(jìn)行沉降分析與預(yù)測(cè)以更好地保護(hù)生存環(huán)境與生命財(cái)產(chǎn)。

1　灰色預(yù)測(cè)模型

灰色系統(tǒng)是黑箱概念的延生，是一種既有已知信息，又含有未知信息的系統(tǒng)。它能將貧信息且不確定量，使之量化，尋求系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。下面對(duì)建模過(guò)程做詳細(xì)介紹。

⑴生成數(shù)：給定數(shù)列，對(duì)（1）式一次累加生成，

將累加后的數(shù)列還原為原始值，需要通過(guò)相減生成，此過(guò)程稱(chēng)為逆過(guò)程。

在Excel中實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

①在C3到K3中，分別輸入K值，1～9；

D5中=D4/$D$4，其后的E5到G5，就是將D5單元格選中拖動(dòng)復(fù)制手柄即可；

C6中=C4，D6中=C6+D4，其后的E6到G6，就是將D6單元格選中拖動(dòng)復(fù)制手柄即可。

⑵確定數(shù)據(jù)矩陣B，yn

yn=［x（0）（2），x（0）（3），x（0）（4），x（0）（5）］T

⑶計(jì)算逆矩陣（BTB）-1。

⑸確定模型

⑹精度檢驗(yàn)：殘差檢驗(yàn)、關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)。

2　實(shí)例解析

以皖北煤礦住宅小區(qū)一期3#、4#樓建筑物沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，利用GM（1，1）模型預(yù)測(cè)來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析和處理，觀測(cè)原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　3#、4#樓原始數(shù)據(jù)

1）沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理，灰色預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差如表2所示。GM（1，1）灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型還原值絕對(duì)誤差如圖1所示。

表2　GM（1，1）灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型絕對(duì)誤差

圖1　GM（1，1）灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型還原值絕對(duì)誤差圖

灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型還原數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相比，誤差范圍在0.5 mm之間，且無(wú)規(guī)律變化，首尾絕對(duì)誤差較小，誤差最大值一般出現(xiàn)在3號(hào)點(diǎn)和4號(hào)點(diǎn)。

2）灰色預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)值精度如表3所示，GM（1，1）灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)精度如圖2所示。

圖2　GM（1，1）灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值精度圖

灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)值誤差在-4.5～-1mm，呈線性上升趨勢(shì)，預(yù)測(cè)值比還原數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差要大。

3　結(jié)論

⑴GM（1，1）灰色系統(tǒng)模型是指運(yùn)用曲線擬合和灰色系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法［9-12］，所以，它的規(guī)律性，全部由已測(cè)的原始數(shù)據(jù)決定，它將沉降發(fā)生的隨機(jī)過(guò)程都視為其公式變化過(guò)程，故對(duì)已測(cè)且有規(guī)律的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果誤差較小，結(jié)果較準(zhǔn)確。

（2）本數(shù)據(jù)表只需輸入5組測(cè)量原始數(shù)據(jù)，就能自動(dòng)進(jìn)行GM（1，1）灰色系統(tǒng)模型，生成5組還原數(shù)據(jù)；預(yù)測(cè)4組數(shù)據(jù)，并計(jì)算出每組數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差以及精度，自動(dòng)生成折線圖，可直觀地看出預(yù)測(cè)模型與原始數(shù)據(jù)的差距與走向，更方便。

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The Processing and Prediction of the Sedimentation Data of the High-rise Buildings in the Coal Mines in NorthAnhui Province

BAI Hong-wei1，MU Xing1，LI Jin1，WU Man-yi2
（1.School of Environment and Mapping，Suzhou University，Suzhou，Anhui 234000，China；2.The First Topographic Surveying Bridge of SBSM，Xi'an 710054，China）

This thesis purports to analyze the designing ideas and characteristics of GM（1，1）Grey System Forecasting theory and to establish"GM（1，1）Grey System Forecasting Model Sedimentation Monitoring Data Analytical Statement"by GM（1，1）Grey System Forecasting theory and five groups of observation data.The statement would be able to generate five groups of sedimentation restoring data and four groups of sedimentation prediction data automatically as demanded.And a graph will be generated by the absolute error comparison between the model's predictive values and original values to calculate and analyze the model prediction，to have effective productions and provide a scientific analysis of the stability of the high-rise buildings in the coal mines.

grey system forecasting model；GM（1，1）；sedimentation monitoring data analysis.

TU0433

A

1673-1891（2016）02-0028-03

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.02.008

2016-03-08

衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（KLSMTA-201304）；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510379046、201510379084）；宿州學(xué)院卓越人才教育培養(yǎng)計(jì)劃（szxy2015zjjh01）；2015年宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心學(xué)生開(kāi)放課題（2015SZXTXSKF11）；宿州學(xué)院一般科研項(xiàng)目（2014yyb07）。

白洪偉（1987—），男，安徽宿州人，講師，碩士，研究方向：測(cè)繪與3S技術(shù)。