自動(dòng)化沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)處理研究

裴孟德

上海建科檢驗(yàn)有限公司 上海 201108

傳統(tǒng)沉降觀測(cè)，由專業(yè)測(cè)量人員逐站（逐點(diǎn)）觀測(cè)，雖然精度上滿足沉降觀測(cè)的要求，但仍然存在以下問(wèn)題：①監(jiān)測(cè)頻率低，做不到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；②受人員通行限制、地形通視、氣候條件等影響，特定條件下存在人工沉降觀測(cè)無(wú)法實(shí)施的情況；③人工觀測(cè)效率低，人力成本較高。

在成本、精度、時(shí)效、可行性等方面，傳統(tǒng)的人工沉降觀測(cè)方法與新興的自動(dòng)化沉降觀測(cè)手段相比逐漸失去優(yōu)勢(shì)。采用自動(dòng)化方法，或自動(dòng)化與人工觀測(cè)相結(jié)合進(jìn)行沉降觀測(cè)，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

鑒于傳統(tǒng)人工沉降觀測(cè)方法的一些不足，建立一套具有良好精度和時(shí)效性、合理成本的自動(dòng)化沉降觀測(cè)系統(tǒng)，已顯得較為迫切。自動(dòng)化采集的硬件設(shè)備已經(jīng)比較成熟，開發(fā)與自動(dòng)化沉降觀測(cè)系統(tǒng)配套、準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)處理軟件是重中之重[1]。

1 自動(dòng)化沉降觀測(cè)原理

自動(dòng)化沉降觀測(cè)一般采用安裝傳感器采集數(shù)據(jù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般情況下多采用靜力水準(zhǔn)儀形成沉降觀測(cè)系統(tǒng)。

靜力水準(zhǔn)儀是由液位傳感器及儲(chǔ)液罐組成，各個(gè)儲(chǔ)液罐之間可以由連通管連接?；鶞?zhǔn)罐設(shè)置在穩(wěn)定的工作基點(diǎn)上，其他儲(chǔ)液罐布設(shè)于標(biāo)高大致相同的不同被測(cè)位置，當(dāng)被測(cè)位置處儲(chǔ)液罐相對(duì)于基準(zhǔn)罐發(fā)生升降時(shí)，將引起該罐內(nèi)液面的上升或下降。通過(guò)測(cè)量液位的變化，可以得到被測(cè)點(diǎn)相對(duì)工作基點(diǎn)的升降變形。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)主要由以下元件組成：靜力水準(zhǔn)儀傳感器、靜力水準(zhǔn)儀儲(chǔ)液罐、靜力水準(zhǔn)儀支架、靜力水準(zhǔn)儀通液管、浮子等。

圖1 靜力水準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)儀采用機(jī)械原理，利用浮子的沉浮反應(yīng)液面的變化；也有新型的靜力水準(zhǔn)儀采用超聲波傳感器測(cè)量液面的變化。

2 自動(dòng)化沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)處理的難點(diǎn)

自動(dòng)化沉降觀測(cè)多采用靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，高頻次采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率一般可高至1min/次或更高。高頻采集的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中必然會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)、外界偶然荷載等客觀因素產(chǎn)生少量異常數(shù)據(jù)。這些隨機(jī)出現(xiàn)的少量異常數(shù)據(jù)，對(duì)于人工數(shù)據(jù)處理來(lái)說(shuō)已經(jīng)是海量，必須采用軟件程序進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除。

除了振動(dòng)、外界偶然荷載等因素會(huì)產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)，精力水準(zhǔn)傳感器工作區(qū)域溫度隨晝夜溫差的類周期性變化，也會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的失真，需要進(jìn)行修正[2]。

如何處理海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)上述引起監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差的因素進(jìn)行剔除和修正處理，提供準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是自動(dòng)化沉降觀測(cè)的難點(diǎn)。

3 自動(dòng)化沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)處理算法

在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的過(guò)程中由于傳感器本身、電源電路及外界環(huán)境的影響，所測(cè)得數(shù)據(jù)不可避免會(huì)疊加一些噪聲和溫度干擾，因此數(shù)據(jù)處理平臺(tái)需要內(nèi)置一些濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，提升信噪比、修正溫度影響。具體可以采用的數(shù)據(jù)處理算法有：

3.1 算數(shù)平均法

算數(shù)平均濾波法，把連續(xù)N 個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，再把隊(duì)列中的N 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，作為本次采樣的結(jié)果，這種濾波可以去除疊加在低頻信號(hào)上的高頻噪聲[3]。

3.2 數(shù)字濾波器法

對(duì)于高頻信號(hào)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)信號(hào)具體頻率，選用如巴特沃茲、切比雪夫等多階數(shù)字濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。濾波器的截止頻率、插入損耗等參數(shù)需設(shè)置合理，確保在降低噪聲幅度的情況下，不影響真實(shí)信號(hào)。

3.3 限幅濾波法

對(duì)于自動(dòng)化觀測(cè)過(guò)程中常常出現(xiàn)的因偶然因素而引起的脈沖干擾，可以采用限幅濾波法，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)兩次采樣之間允許的最大偏差閾值。每次檢測(cè)到新值時(shí)進(jìn)行判斷，如果本次值與上次值之差小于該閾值，則本次值有效；如果大于該閾值，則本次值無(wú)效，放棄本次值，用上次值代替本次值。如果連續(xù)多次都大于閾值時(shí)，才確認(rèn)該值真實(shí)有效，更新上次采樣值。

3.4 3σ 準(zhǔn)則法

高頻次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中會(huì)收到海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中必然會(huì)產(chǎn)生一定比例的異常數(shù)據(jù)。針對(duì)異常數(shù)據(jù)采用3σ 準(zhǔn)則法剔除，即統(tǒng)計(jì)單日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均值為μ、標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ，單個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差超過(guò)3σ 時(shí)，可認(rèn)定該測(cè)量數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)剔除后，對(duì)剩余數(shù)據(jù)繼續(xù)求數(shù)據(jù)值偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，直至各偏差小于3σ 為止。

3.5 移動(dòng)平均法

高頻次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是由真實(shí)值和隨機(jī)噪聲組成的，為了消除噪聲干擾、獲取真實(shí)值，需要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理?？梢圆捎靡苿?dòng)平均法，即從數(shù)據(jù)中逐項(xiàng)推進(jìn)，分別計(jì)算含有N 項(xiàng)數(shù)據(jù)的均值，并采用移動(dòng)平均值來(lái)代替原有數(shù)值，以此消除隨機(jī)波動(dòng)，得到數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。

3.6 溫度補(bǔ)償法

流體密度與沉降量值的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，達(dá)到沉降測(cè)試的目的。而在日常監(jiān)測(cè)過(guò)程中，晝夜溫差必然會(huì)流體的體積造成一定影響，從而影響沉降監(jiān)測(cè)精度。對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是為了消除溫度對(duì)儀器監(jiān)測(cè)的影響。通過(guò)溫度過(guò)濾算法，減少溫差對(duì)沉降變形的影響，對(duì)高度進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，使得測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度明顯減小。

靜力水準(zhǔn)傳感器中可以設(shè)置溫度補(bǔ)償?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)，避免環(huán)境溫度的影響。

3.7 自動(dòng)化沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)處理示例

從多項(xiàng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)據(jù)處理措施入手，在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件中實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常數(shù)據(jù)的處理和修正優(yōu)化，示例如圖2、3。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化沉降觀測(cè)系統(tǒng)在硬件上具有高分辨率、高精度、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)；配套開發(fā)與自動(dòng)化沉降觀測(cè)系統(tǒng)相匹配的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)意義重大，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)必須準(zhǔn)確可靠，配套數(shù)據(jù)處理軟件還應(yīng)具有數(shù)據(jù)篩查、統(tǒng)計(jì)、分析、維護(hù)、發(fā)布以及報(bào)警預(yù)警等功能。可從多項(xiàng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型和硬件處理措施入手，在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)異常數(shù)據(jù)的處理和優(yōu)化[4-5]。

圖2 靜力水準(zhǔn)測(cè)量原始數(shù)據(jù)

圖3 靜力水準(zhǔn)測(cè)量濾波、溫度修正后數(shù)據(jù)