線狀工程變形監(jiān)測數(shù)據(jù)自動處理軟件研制

張廣東，熊劍，劉雄

(1.武漢市勘察設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.湖南省第三測繪院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

工程構(gòu)建筑物在施工和運營期間，由于受到自身或外部因素的影響，會出現(xiàn)不同程度的變形，如果變形量超過一定限度，建筑物的正常使用將會受到影響，嚴重時還會影響建筑物的安全，給社會和人民帶來巨大損失[1]。為了及時準確地掌握工程的變形情況，了解監(jiān)測對象當前的安全狀態(tài)，并對未來變化趨勢進行合理預測，需由專人對每個監(jiān)測項目進行周期性的觀測[2]。傳統(tǒng)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理以手工處理為主，從原始觀測文件中提取有效數(shù)據(jù)，在Excel中制作報表，編輯相應公式以達到計算目的，并且以這種形式對監(jiān)測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測結(jié)果進行存儲[3]。這樣的數(shù)據(jù)處理方式以及數(shù)據(jù)管理模式不僅對監(jiān)測人員專業(yè)素養(yǎng)要求較高，而且數(shù)據(jù)管理水平低下，工作量大，監(jiān)測報告結(jié)果容易出錯，信息反饋速度慢[4]。這些弊端在當今大型變形監(jiān)測項目中顯露無遺，也越來越難以滿足變形監(jiān)測要求。相對于普通工程，線狀工程的特點是測區(qū)狹長[5，6]，工程中心線曲線變化，監(jiān)測人員在處理水平位移數(shù)據(jù)時，更關(guān)注的是某一方向如橫斷面方向的位移量，而且希望能直觀獲取整體變形情況，但是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式無法滿足該要求。因此，結(jié)合線狀工程特點，構(gòu)建以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，集原始監(jiān)測數(shù)據(jù)提取、存儲、管理、計算、分析、曲線繪制和報表生成于一體的數(shù)據(jù)自動處理軟件是很有必要的。

2 軟件框架與數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.1 軟件總體架構(gòu)設(shè)計

本文研制變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件主要包括對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)計算和分析、變化曲線繪制以及成果報表生成等。軟件總體框架及功能模塊如圖1所示。

圖1 軟件的基本框架與功能模塊

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)周期性觀測和監(jiān)測點相對固定的特點，將各項監(jiān)測內(nèi)容分別存儲于三張表中：“點位信息表”、“監(jiān)測數(shù)據(jù)表”和“附加信息表”。以位移觀測數(shù)據(jù)為例，某監(jiān)測對象的水平位移監(jiān)測項目包含三張表，分別為位移點位信息、位移觀測數(shù)據(jù)、位移附加信息。

表1位移點位信息表用于存儲該監(jiān)測項目中所有位移點相關(guān)信息。

位移點位信息 表1

表2位移觀測數(shù)據(jù)用于存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)以及相應處理后數(shù)據(jù)。表1與表2通過“點號”進行關(guān)聯(lián)。

位移觀測數(shù)據(jù) 表2

位移附加信息表用于記錄每次監(jiān)測信息。表2與表3通過“觀測時間”進行關(guān)聯(lián)。

位移附加信息 表3

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 水平位移數(shù)據(jù)處理

位移監(jiān)測結(jié)果分析時，通常我們需要的不是X或Y的增量，而是某一特征方向上的變化量，為解決該問題，工程中常用的一種方法是通過自定義坐標系以使得X或Y的增量即為所需方向上的位移量。例如在基坑監(jiān)測中，基坑形狀一般作近似矩形處理，以X軸平行于基坑主軸線建立坐標系，該邊上點Y增量用于表示位移量，而相鄰垂直邊上點X增量用于表示位移量。但是該方法存在一定的局限性，只有當監(jiān)測對象較為規(guī)則時才適用，若是線狀工程則要分段建立坐標系，不僅不準確，而且不利于數(shù)據(jù)管理。

相較于X和Y的增量，線狀工程中我們更為關(guān)注的是橫斷面方向上的位移量。而線狀工程形狀在較短距離內(nèi)可視為直線，但是整體而言一般存在一定彎曲，自定義坐標系方法較難適用于線狀工程。而在Excel中編輯公式計算橫斷面方向位移量則較為煩瑣且容易出錯。因此用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，利用程序進行數(shù)據(jù)計算是很有必要的。

圖2 橫斷面方向位移量計算示意圖

位移數(shù)據(jù)處理中，主要需要計算“位移觀測數(shù)據(jù)”表中的“本次橫向變化量”“累計橫向變化量”“變化速率”“deltaX”和“deltaY”。具體計算方式見下式(1)～式(4)。

(1)

式(1)中X、Y為本次監(jiān)測值，X0、Y0為該點上次監(jiān)測值，位移增量△X、△Y對應表2中的deltaX、deltaY；

(2)

if(α<π)

{

if((β-α>0)&&(β-α<π)) i=1；

else i=-1；

}

else{

if((β-α>0)&&(α-β>π)) i=1；

else i=-1；

}

∑S=∑S0+△S

(3)

(4)

式(3)中∑S對應表2中“累計橫向變化量”，∑S0為該點上次“累計橫向變化量”；式(4)t為本次觀測時間，t0表示上次觀測時間(其中t-t0單位為“天”)，VS表示位移變化速率。

3.2 沉降數(shù)據(jù)處理

沉降數(shù)據(jù)處理的重點體現(xiàn)在如何從原始監(jiān)測文件中提取高程值[7]，限于篇幅本文暫不討論數(shù)據(jù)提取部分。沉降數(shù)據(jù)處理主要需要計算本次沉降量、累計沉降量以及沉降變化速率。

4 軟件實現(xiàn)方案

線狀工程變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件以Access數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)[8]，在Visual Studio 2010平臺上調(diào)用Word、Excel和Chart等相關(guān)組件進行相應數(shù)據(jù)提取、存儲、計算和輸出，軟件主界面如圖3所示。

其中Access數(shù)據(jù)庫主要是對監(jiān)測過程中的所有不同類型數(shù)據(jù)進行記錄、管理，作為一個存儲容器，為數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計、曲線繪制以及報表生成提供保障[9]。

Chart是Visual Studio 2010自帶的一個繪圖控件，能夠方便地為用戶實現(xiàn)各種曲線圖的繪制，同時提供眾多的接口便于用戶對繪制好的圖形進行編輯。Word和Excel用于生成相關(guān)監(jiān)測報告和報表。

圖3軟件主界面

5 工程實例

本文研制的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件在武漢市東湖通道監(jiān)測項目中進行了長期測試，取得了理想的效果。圖4～圖7展示了軟件數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計以及曲線繪制等基本功能，圖8為單點沉降曲線圖。

圖4水平位移數(shù)據(jù)錄入

圖5 數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計

圖6 單點水平位移曲線圖

圖7 圍堰整體水平位移曲線圖

圖8 單點沉降曲線圖

數(shù)據(jù)錄入不僅僅是提取原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且能夠按照坐標對點名進行匹配，自動校對、修改監(jiān)測點名以保證數(shù)據(jù)的正確性(圖4中紅色部分即表示點號記錄錯誤)。

數(shù)據(jù)查詢是幫助監(jiān)測人員了解各監(jiān)測點一段時間內(nèi)監(jiān)測點次、累計變化量和變化速率等信息，掌握該段時間內(nèi)變形情況。數(shù)據(jù)統(tǒng)計則是對一段時間內(nèi)超過預警值監(jiān)測點的統(tǒng)計，從而達到對本段時間變形情況掌握的目的。

單點曲線圖的繪制是以監(jiān)測時間為橫軸，位移量或位移速率作為縱軸進行曲線繪制。可以分別或同時繪制位移曲線圖和位移速率圖。除此之外可以在同一Chart上繪制多點位移曲線圖，以便數(shù)據(jù)整體比較。

傳統(tǒng)整體曲線圖只是簡單地對多個單點圖在同一個畫布中進行疊加[10]，雖然能夠比直觀體現(xiàn)出單個監(jiān)測點的變化情況，但是對于監(jiān)測物整體變形情況仍然不夠直觀便捷。因此利用線狀工程特點，以里程為橫坐標，將各點某一時間段位移量繪制出來，能夠較為直觀地反映監(jiān)測物體整體位移情況，突出變形大的區(qū)域，以利于及時采取應對措施。

6 結(jié) 語

基于線狀工程變形特點研發(fā)了線狀工程變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件。以Access數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在Visual Studio 2010平臺上實現(xiàn)了直接對原始數(shù)據(jù)提取、存儲、管理、計算、數(shù)據(jù)分析、多種曲線繪制和成果報表自動輸出等功能，可以為監(jiān)測項目施工提供快速、準確和形象直觀的圖像及報表等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析成果，滿足工程監(jiān)測數(shù)據(jù)快速處理、反饋的需要。該軟件目前已用于多個不同類型監(jiān)測項目，在普通工程和線狀工程監(jiān)測項目中發(fā)揮較好功效，而且隨著工程經(jīng)驗的積累，將逐步完善和改進軟件各模塊功能，同時也將擴展軟件應用范圍，使其能夠應用于更多不同類型的變形監(jiān)測項目中。