（摄影测量与遥感专业论文）地铁施工第三方监测管理信息系统的研究和开发.pdf

摘要 近几年，随着我国地铁建设速度的不断增长，地铁旖工监测的理论和技术 不断发展，成为保障地铁安全旅工的一个重要因素。科学、准确、及时地分析 和预报工程及其工程建筑物的变形状况，对工程建筑物的施工和运营管理极为 重要。 地铁旌工第三方监测是业主根据中华人民共和国安全生产法委托独立于地 铁设计、施工和监理，具有相应资质韵第三方监测单位，对地铁施工沿线地面、 道路沉降、周围重要建( 构) 筑物、地下管线等进行变形监测，预防和避免隧 道坍塌、周围建筑物损坏，保证旌工安全和顺利进行的一项监测工作。 地铁旌工第三方监测的主要工作包括监测方案的设计、监测点的布置、实 旌变形观测、变形监测资料的预处理、监测资料的分析和变形预报，本文的重 点研究范围是是地铁旖工监测数据的处理，也就是监l 镤j 资料的分析和变形预报。 回归分析是一种经典、成熟的数理统计方法，专门用于处理随机变量之间 的非确定性关系，本文将一元非线性回归分析引入到地铁施工监测数据处理中， 并给出其处理数据的算例和在地铁施工监测数据处理中的应用范围。 灰色模型是用来解决信息不完备系统的数学方法，研究的是贫信息建模， 它提供了贫信息情况下解决系统问题的新途径。本文将常用的灰色模型引入到 地铁旅工监测中，通过对其实质和数据处理算例的分析，给出灰色模型在地铁 旌工监测数据处理中所要注意的问题。 最后，本文集中讨论地铁施工第三方监测管理信息系统的设计和实现，该 系统是构建在n e t 平台上的分布式应用程序，能够对监测资料进行管理、分析 和预报，是处理地铁施工变形监测数据的有效的辅助工具，对于保证地铁施工 的顺利进行具有重要的作用。 关键词地铁工程：变形监测；数据处理；一元非线性回归；灰色模型分析 北京交运大学工学硪士学位论文 a b s t r a c t h lr e c e n ly e a 硌。w i 山t h ec o n s t a n t 掣o w t ho f t h e n s t m c t i o no f u r b a ns u b w a yi n o u rc 咖n h mt l i ct h 岬蛐dt e c i i n o l o g ya b o mu i b 锄s u b 、珊yc o n s m i c t i 卸d 咖i t o r i n gd c v e l o p c dr a p i d l y 卸db c 咖e 锄i m p o f t a n tf a c t o ro fg u a r 锄t e e i n gs a f e t y i i lt h e n s 仃i l 砸o no fl i l b a ns u b w a y s c i e n t i 6 c ，a 咖m t e 柚dt i m e i ya n a l y s j s 鲫d 鼢a s t i n gp r q e c t s a n de n 西n e c 血gb u i l d i n 擎d c f 0 珊a t i c o n d i t i o 惦f o rt l l e c o n s m l c i i 伽趾do p e r a t i o no ft h eb u i l 出h gp r o i c dm a 舱g e m e n ti se s s e 曲a 1 t h e 曲d f dh 嘶n 柏畦i t o 搐妯t h co 晌s m l c t j 0 哦o fl i r b a l l 辄b w a yi st h eo w n e r u n d 盯t h cl a wo ft h ep 0 0 p i e sr e p u b l ko f 啦t yc o m m i s s i o n c di i l d e p e n d e md e s i g 皿， c 啊皓t r u d i o na n ds u p e f v i s i o n ，w j t ha f r e s p o n d i n gr e l e a s co fat h 砷p a r t y m o n i t o d n eu n i t s ，t h eo 咖s 舡1 l c t i o no fu r b a ns u b w a ya l o n gt h eg r o u n d ，s e t t l e m e n t f d s ，b l l i na f o u n di m p o r t a n tb u i l do b ；e c t s ，s u c h 舔u n d e 碴r o u n dp j p e l k e s1 o r d e f b m a t i 彻m o n j t o r i n p m v e n t i o n 柚da v o i dc o l i a p s ，d a m a g et ot h es u r 嘲m d i n g b u i l d i n g s e i i s u r es a l f c t ya n ds m o o t hc o n d u d0 fam o i i i t o f i n g t h eu f b a ns u b w a y i 略t n l c t i o nw o r k ，i n d u d i n 空t h i r d p a r t ym o n i t o f i n go fm e m a j nm o n i t o r i n gp f o g 锄m ed e s i g n ，m o n i t o f i n gp o i n t sl a y o u t ，i m p l 咖e n t a t i o n d e f o 加a t i o no b s e r v a t i ，d e f o 曲a t i 彻m o n i t o f i i i eo fi n f o m a 虹o np r o c e s s i n 窟，d a t a a n a l y s i sa n dm o n i t o r i n 卫d e f o m a t i o f o 始c a s t i ng ，t h ef o c u so ft h i ss t u d yi st o m 枷t o rm i l w a yc o n s t m c t i o nd a t ap f o c e s s i ng t h a ti s ，i n f o l a t i o na n a l y s i sa n d m 喇t o 而骡d e f 嘶a t j o ns 湘e d u j e r c 翔e s s i a n a l v s i si sac l a s s j c & n d 舶a t 瑚r cf o fs e v e r a ls t a l i s t i c a lm e t h o d s d e v 删吣l h ew 0 c 嘴i n g0 fn o n m i i d 0 岫v a f i a b l e sb c t w e e nc c r t a i n t y ，t h i sw i ub e o 豫y l i 柚舯n h e 缸f c 謦酬咖卸a l y s i i 谊t o 孰i b 啊a yc o n s t n l c t i o nm o n 洳d n g ，d a t a p f o c e s s i n a n d 幽妇g i v 睫t di ti na 蛐b w 叠v 幅l n l d i o nc a s c sa n dm o n i t o r i n gd a t a p m c c s s i n ga 耐i 咖啦! s g r e ym o d e lj s l i s e dt oa d d r e s st l l e j n a d e q u a c yo fi n f o 咖a t i o ns y s t e m s m 丑t h e m a t i c a lm e l l l o d s ，t h es t u d yi sp o o ri n f o m l a t i o nm o d e n i n g i tp r o v i d e sp o o r i n f b 蛐a t i 彻，n e ww a v so fa d d r e 晦i n es v s t e m i ci 鲒u e s t h i sw j l lb cu s e dt oi i l t r o d u c c f h eg r e ym o d e l su f b 如s u b w a y 。0 n s m l c “o nm o n i 硎n 岛t h f o u g i li t ss u b s t a n t i y e a l l a l y s i sa n dd a t ap r o c c s s i n g a r ec a s c s ，百v e n i n 掣e y m o d c l su i b a l is u b w a y c o n s t n l c t i o nm o n i t o f i i l gd a t at ob ep r o c e s s e da t t c n t j o n f i n a l ly t h i sp a p e rl 砸u s e so nt h ec o n s t n i d i o no ft h i f d p a r t vm o n i t o f i n gu r b a n s u b w a ym a n a g e m e n ti n f o 彻a t i o ns y s t e md e s i 叠日柚dr e a l i z a t i o n ，t h es y s t e mi sb u i l t o nd o t n e tp l a t f o n i l ，d i s t r i b u t e da p p i j c a t i o n st ot t l e m i t o f i n go fi l l i b m a t i o n m a 舳g c m e n t ， a n a l y s i s 觚d f o r c c a s l i n 岛 d a t a p m c e s s i n gs u b w a y c o n s t m c t i o n d e f o 帅a t i o n m o n i t o r i n g e 王! f e c t i v ea i d s e n s u r et h es m o o t hp r 0 盯e s so ft h e c o n s t n l c l i o no ft h e f n th a sa ni m d o n a n tm l e 1 1 k e y w o r d sn o j e c to f t h es u b w a y ：d e f o r l d a t i o n m o n i t o r i n g ；d a t a p r o c e s s i n g ：u n i t a r yn o n l i n e a rr e g r e s s i o n ：g r e ym o d e la n a l y s i s i i i 第1 章绪论 近几年，随着我国地铁建设速度的不断增长，地铁施工监测的理论和技术 不断发展，成为保障地铁安全旅工的一个重要困素。本章阐述了地铁施工变形 监测及其数据处理的基本概念、变形监测的研究进展和发展趋势，以及本文研 究的主要内容等。 1 1 课题背景 1 1 1 我国地铁建设的现状和前景 中f 封的地铁始建于1 9 6 5 年。目前，已建成地铁的城市有北京、天津、香港、 上海、广州、南京和深圳，武汉、长春、沈阳、大连、杭州、成都、西安等城 市都在准备上马轨道交通。 为什么中国耍大力发展轨道交通? 主要原因是因为我国是世界上人口最多 的国家，同时又是世界上经济增长速度最快的国家之一。我国现有的5 0 0 力人 口以上的特大城市超过s 个，各大城市在发展的过程中，普遍遇到了交通拥堵、 行车困难、车辆尾气和噪声污染等严重的社会问题，这些问题已成为城市经济 和文化发展的重大障碍。 以北京为饲，每天上下班高峰时段各重要路段都水泄不通，居民普遍对出 行的在逢时间表示担忧，甚至国际奥委会也对此表示关注。依照其他知名国际 大都市解决交通问题的策略( 莫斯科和纽约都是世界上地铁建设和发挥作用很 好的城市) ，可以看出大力发展轨道交通对于缓解特大城市的交通压力是一个有 效的措施。 北京是中国第一个拥有地下铁道的城市，1 9 6 9 年l o 月北京地铁第一期工 程投入试运营，目前，北京地下铁道现总长4 1 6 公里，有3 0 个运营车站，客 运量同平均1 2 5 万人次，北京地铁的满载率和单车运行均居世界第。上海是 中国第四个拥有地铁的城市，1 9 9 0 年9 月开工建设地铁一号线，1 9 9 5 年4 月全 线通车，1 9 9 6 年7 月1 目一号线与5 2 5 公里南延伸线连通，使线路总长达2 1 5 1 公里，共1 6 个车站。广州是中国第五个拥有地铁的城市。1 9 9 3 年1 2 月破土动 工，至1 9 9 7 年6 月一号线西郎至黄沙5 5 公里的一期工程竣工并投入试运营。 目前，广州地铁一号线全长1 8 4 8 公里，设1 6 个车站。 在未来的几年内，随着我国经济增长进入一个新的高峰期，我国各大城市 北京交通大学工学j 翼士学位论文 必将也掀起新的地铁建设高潮。作为地铁建设安全的保障力量，地铁施工变形 监测的理论和技术也将得到进一步的发展和完善。 1 1 2 地铁施工变形监测的作用 随着经济的发展，地铁建设的进程也被大大加快，这对现代地铁的设计和 施工都提出了新的要求。科学、准确、及时地分析和预报工程及其工程建筑物 的变形状况，对工程建筑物的旌工和运营管理极为重要。 变形监测是保障地下铁道工程建设的质量、沿线建筑环境保护以及车辆运 营安全的重要手段。地下铁道在修建施工中，有两方面的变形监测工作：一是 对基坑开挖引起的边墙及周围地基、建筑物的变形观测，对隧道内部拱顶、底 部的沉降观测；二是对因盾构机掘进和矿山法开挖引起的垲表道路、两侧建筑 物、高层楼房等沉降、倾斜、裂缝观游。通过监测随时预报变形、沉降值的大 小，以便及时修改盾构机掘进的各项参数或对暗挖隧道采取加固措施，控制变 形量保证安全，避免损失。 例如广州地铁一号线在长寿路站到陈家橱站大转换处，遇到5 幢多层楼房 采用桩基转换处理，使原桩的荷载完全转移到新桩上。施工前对各桩点及建筑 物进行沉降和倾斜观测，在断桩过程中又对每一条桩的变形每天分时段进行监 测，当发现下沉量大的桩时就暂停断桩，待稳定后再截其他桩。在全部楼房基 础转换实际过程中最大的沉降量仅为3 7 m m ，远小于8 m m 的限值，确保了工 程安全，如期的完成丁转换工作。又如从黄沙站至长寿路站盾构机掘进中，地 表沉降监测控制得较好，一般隆陷处于+ 5 1 0 m 范围，小于合同要求的限值， 未引起地面道路及建筑物损坏。 变形监测所研究的理论和方法主要涉及到三方面的内容：变形信息的获取、 变形数据的分析解释和变形预溅。对于地铁施工变形监测来说，首先是地铁施 工安全的指向标，是检验设计和施誓的重要手段，同时还对变形分析科学机理 的研究具有重要的指导作用。 总体来说，地铁旌工变形监测的意义主要表现在两个方面：一是实用方面 的意义，随时对安全性进行分析，随时发现潜在的安全问题并及时解决，保证 地铁施工顺利进行；二是科学研究层面上的意义，更好地理解变形机理，为设 计和施工工作提供反馈，建立科学有效的变形预测模型。 此外，地铁还有一项重要的变形监测任务，就是对地下隧道结构和车站的 长期位移和沉降监测。由此可见，地下铁道在修建和运营期间进行变形观测是 完全必要的，其监测的意义：一是随时掌握隧道本身及其周围环境( 地面建设、 地下水、不良地质等) 影响引起的沉降和位移大小，采取措施防止继续变形、 危害结构和运营安全；二是累积监测数据，分析变形规律，为地铁轨道、设备 检修及后续地铁设计、施工提供参考依据1 1j 。 1 2 地铁变形监测和数据处理 1 2 1 变形监测的概念 变形是自然界普遍存在的现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、 大小及位置在时间域和空间域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是 允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界存在很多变形危害的例子， 如地震、滑坡、地表沉陷、桥梁和建筑物的倒塌等。 所谓变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行 监视观测的工作。其任务是确定在各种荀载和外力作用下，变形体的形状、大 小及位置变化的空闻状态和时间特征。变形监涮工作是人们通过变形现象获得 科学认识、检验理论和假设的必要手段弘i 。 变形测量的对象是多种多样的，从地表到各种工程建( 构) 筑物，一切关 系到人们生活的实物对象都有可能成为交形测量的对象。同一类型的对象，因 其产生变形的原因不同，变形分布及其规律也不相同。 1 2 2 地铁施工变形监测的内容和方法 城市地铁第三方监测的任务是要保障地铁工程安全施工，完成对各种地上 和地下建筑物的变形监测、数据处理、分析和信息反馈。以深圳地铁一期工 程2 标段监测任务为例，包括1 号线东段和4 号线南段，1 3 个车站和1 2 个区 间，线路总长约1 6 公里的监测及数据处理、分析、预测和管理。 施工过程中 监测包括了以下几个方面的内容 ( 1 ) 监漶范围：站线结构物外缘两侧3 0 m 范围内的地下、地面建筑物， 构筑物，管线，地面及道路，根据地铁周匿的环境要求，在施工范围内进行全线 监测。 ( 2 ) 监测对象：房屋建筑1 1 4 座、立交桥9 座、人行天桥9 座、桥涵1 座、沿线市政道路、沿线各种地下管线及地铁隧道等。 ( 3 ) 监测内容：地表道路下沉、地下水位变化、地面重要建筑物的沉降、 倾斜和开裂、土体水平位移、地下管线的沉降、隧道收敛、施工爆破振动影响 等。建筑物沉降测点共布置4 9 4 个，建筑物倾斜监测点共布置7 2 对，地面道 路沉降点3 8 6 个，地下管线沉降测点3 6 8 个，水位观测孔5 0 个，土层水平位 移测量孔6 3 个，隧道收敛断面共布置7 0 个，共计1 5 4 6 个测点。 按照监测项目的不同，实施不同的监测方法，主要包括以下方面： ( 1 ) 地表及道路下沉监测，地面及道路沉降测点宜分别布置在两条隧道中 线上，且两线的测点错开布置，在一般地段每5 0 m 设个观测点，重点地段加 密。 北京交通大学工学磺士学位论文 ( 2 ) 地下管线沉降观测，沉降观测点的布置根据车站、区间的施工工艺及 管线距开挖( 暗挖) 距离而定，点问的平均距离为6 0 米，观测对象为距地铁线 路中心线两侧3 0 米区域内的主要管线。 ( 3 ) 建筑物沉降监测，要在地铁隧道沿线的建筑物上布置监测点，测量其 高程变化。测点基本布设在被测建筑物的角点上，测点的埋设高度应方便观测， 同时测点应采取保护措施，避免在施工和使用期间受到破坏。 ( 4 ) 建筑物倾斜脓测时，在待溅建筑物不同商度处( 应大于1 2 建筑物高 度) 建立上、下两个观测点，在大于两倍上、下观测点距离的位置建立观测站， 采用t c a l 8 0 0 型( 1 一，1m m + 2 p p m ) 自动全站仅测定待测建筑物上、下观测 点的坐标值，两次观测坐标差值即可计算出该建筑物的倾斜变化量。 ( 5 ) 对于建筑物的开裂监测，可采用直接观测方法，将裂缝进行编号并划 出测读位置，通过裂缝j 爨测仪进行裂缝宽度测读。裂缝数量和位置的监测应根 据现场情况确定。现场需进行照片及录像，以便及时记录在案，并对裂缝进行 编号。 ( 6 ) 隧道净空收敛监测，采用自动全站仪非接触量测技术”j 。其特点是测 量速度快、精度高，仪器可以自由设站，无须对中、测量仪器高等，能适应隧 道的施工条件，实现隧道围岩收敛数据的实时分析、查询和管理。 ( 7 ) 地层水平位移监测，在每一被监测的建筑物附近布设一个土层水平位 移监测孔。测点埋设采用在土层中预钻孔方法，成孔后把连接好的测斜管放入 钻孔内，在测斜管和钻孔之间的空隙回填细砂，安装时应保证一组导糟垂直于 围护结构面。 ( 8 ) 地下水位监测，在每一被监测的建筑物拜| 近布设一个水位监测孔。测 点埋设时采用地质钻钻孔，孔深应根据要求而定( 以保证施工期产生的水位降 低能测出) 。用中1 0 0 咖的p v c 塑料管作测管，水位线以下至隔水层问安装相 同直径的滤管，滤管外裹上滤奄，用胶带纸固定在滤管上，孔底布设0 5 1 0 l n 深的沉淀管，蔫管的连接甩锚枪施作锚钉固定。测孔的安装应确保测出施工期 间水位的变化。 ( 9 ) 爆破振动监测的测点主要布置在采用爆破法开挖地段的重要建筑物的 基础和立柱上，为了对该地段的爆破振动特性进行研究，选择3 5 次爆破规模 较大，且有代表性的爆破进行多点爆破振动测试，以确定爆破地震在该地段的 传播特性。重要地段爆破时进行常规监测。 1 2 3变形监测资料管理 分析与管理变形测量资料，是变形测量工作的一个重要组成部分。由于变 形测量方法的日益精密，变形测量手段日益增多，所获取的变形测量数据也越 来越多，对测量成果的分析整理、管理提出了更高的要求。另一方面，由于计 算技术的发展，又为这一工作提供了理想的工具，例如用计算机可视方法进行 变形分析等已经成为现实。 监测资料的管理，按照不同的时期，先后经历了三个不同的阶段： ( 1 ) 人工管理和处理。采用人工量测效应量，每次采集到的原始资料，按 照规定的格式记录在纸质媒体上，对这些观测值在资料处理时经可靠性检验后 按时序制表或点绘过程线图与相关图，再依靠监测人员的经验来进行原因量与 效应量的相关分析和对过程线进行观察，据此作出判断，最后整理归档。 ( 2 ) 计算机辅助人工处理。这一方法除了进行上述人工处理的内容之外， 还利用计算枫做适当的统计学处理，例如为检核某一观测量而对其进行冗余实 测值的一致性分析，以及各物理量间的交叉相关分析等，最后建立合适的数据 ( 资料) 库。 ( 3 ) 数据库管理系统。由于变形监潞资料需要保存的时间长、数据量大且 使用频繁，尤其为了满足监测自动化和实时监测分析预报的要求，上述的人工 处理与管理不仅难度大，而且容易出错。数据库技术始于2 0 世纪6 0 年代，经 过几十年的发展，数据库的设计、实现和应用都已经成为比较成熟的技术，特 别适合作为监测资料的管理者。 一般来说，利用数据库管理系统技术建立的监测资料管理系统，有资料处 理和资料解释两个既有继承关系，又有一定独立性的子系统组成，并有与资料 库结合的成套的应用软件系统。系统需要具备以下的功能： ( 1 ) 各种监测资料以及有关文件资科的存储、更新、增加、删除、检索和 管理： ( 2 ) 监测资料的处理； ( 3 ) 监测资料的解释。 1 - 2 4 变形监测资料的分析 传统的变形监淄资料分析主要包括参考点的稳定性分析、观测值的平差处 理和质量评定以及变形模型参数估计等内容。 监测点的变形信息是相对于参考点或一定基准的，如果所选择的基准本身 不稳定或不统一，则由此获得的变形值就不能反映真正意义上的变形，因此变 形的基准问题是变形监测数据处理首先必须考虑的问题。过去对参考点的稳定 性分析研究主要局限于周期性的监测网，其方法有很多，比较常用的是以方差 分析进行整体检验为基础的h a n n o v e r 法，也就是通常所说的平均间隙法。后来 又发展了稳健一s 变换法，也就是逐次定权迭代法。 观测值的平差处理和质量评定非常重要，观测值的质量好坏直接关系到变 形值的精度和可靠性。在这方面，主要涉及到观测值质量、平差基准、粗差处 理、变形的可区分性等几项内容。在固定基准的经典平差基础上，发展了重心 基准的自由网平差和拟稳基准的拟稳平差。 对于变形模型参数估计，主要包括两种基本的分析方法，即直接法和位移 北京交薏大学工学磷士学位论文 法。直接法是直接用原始的重复观测值之差计算应变分量或它们的变化率；位 移法使用各测点坐标的平差值之差( 位移值) 计算应变分量。 多年来，对变形数据分析方法研究是极为活跃的，除了传统的多元回归分 析法以及时间序列分析法、频谱分析法和滤波技术之外，灰色系统理论、神经 网络等非线性时间序列预测方法也都得到了一定程度的应用。 1 3 变形监测和分析的研究进展和发展趋势 1 3 1变形物理解释的进展 目前，变形物理解释的常用方法可分为统计分析法、确定函数法和混合模 型法3 类。 统计分析法中以回归分析模型为主，通过分析所观测的变形( 效应量) 和 外因( 原因量) 之问的相关性，来建立荷载一变形之f i i j 关系的数学模型，它具 有“后验”的性质，是目前应用比较广泛的变形成因分析法。由于影晌变形因 子的多样性和不确定性，以及观测资料本身的有限，很大程度上制约了回归分 析建模的准确性。回归分析模型中包括多元回归分析模型、逐步回归分析模型、 主成分回归分析模型和岭回归分析模型等。统计模型的发展包括时间序列分析 模型、灰关联分析模型、模糊聚类分析模型以及动态响应分析模型等。 确定函数法中以有限元法为主，它是在一定的假设条件下，利用变形体的 力学性质和物理性质，通过应力与应变关系建立荷载与变形的函数模型，然后 利用确定的函数模型礞报在荷载作用下变形体可能的变形。确定性模型具有“先 验”的性质，h 二统计模型有更明确的物理概念，但往往计算工作量较大，并对 用作计算的基本资料有一定的要求。 统计模型和确定性模型的进一步发展是混合模型和反分析方法的研究，这 已在大坝安全监测中得到了较好的应用。混合模型是对那些与效应量关系比较 明确的原因量( 比如水质分量) 用有限元法计算的数值，而对于另一些与效应 量关系不很明确或采用相应的物理理论计算成果难以确定它们之间函数关系的 原因量( 比如温度、时效等) ，则仍用统计模式，然后与实际值进行拟合而建立 的模型。反分析是仿效系统识别理论，将正分析成果作为依据，通过定的理 论分析，借以反求建筑物及其周围的材料参数，以及寻找某些规律和信息，及 时反馈到设计、施工和运行中去。反分析按其实际内涵包含反演分析和反馈分 析，两者之间既有联系又有区别。 1 3 2 变形分析研究的发展趋势 回顾变形分析方面所取得的大量实践及研究成果，展望变形分析研究的未 来，其发展趋势将主要体现在如下几个方面： ( 1 ) 数据处理与分析将向自动化、智能化、系统化、网络化方向发展，更 注重时空模型和时频分析( 尤其是动态分析) 的研究，数字信号处理技术将会 得到更好的应用。 ( 2 ) 会加强对各种方法和模型的实用性研究，变形监测系统软件的开发不 会局限于某一固定模式，随着变形监测技术的发展，变形分析新方法的研究将 会不断涌现。 ( 3 ) 由于变形体变形的不确定性和错综复杂性，对它的进一步研究呼唤着 新的思维方式和方法。由系统论、控黼仑、信息论、耗散结构论、相f 可学、突 变论、分形与混沌动力学等所构成的系统科学和非线性科学在变形分析中的应 用研究将得到加强。 ( 4 ) 几何变形分析和物理解释的综合研究将深入发展，以知识库、方法库、 数据库和多媒体库为主体的安全监测专家系统的建立是未来发展的方向，变形 的非线性系统问题将是一个长期研究的课题。 1 3 3 变形监测的新技术 对于大型建筑物的变形监测，以测量机器人、自动化测量系统为代表的新 技术不断涌现。 文献【5 l 介绍了变形监测踺测量自动化信息通讯系统的实现。文中介绍了袖 珍型电脑及近年的新产品汉字掌上型电脑与各类电子测量仪器之间的信息通讯 系统，以及与各类微机之间蛇信息通识系统。使用该通讯系统，可实现用电子 计算枫控制各类电子测量仪器，将现场损4 量数据实时传送给计算机处理，达到 快速高精度获取监测体变形量，从而实现了变形监测自动化。并且文中的研究 成果已应用于长江三峡工程、黄石大桥以及清江滑坡等大型工程。 测量机器人( m e 躯u 姗lr 0 b o t ，或称测地机器人，g 姗b d t ) 是一种能 代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐 标阻及影像等信息的智能型电子全站仪【“。它是在全站仪基础上集成步进马达、 c c d 影像传感器构成的视频成像系统，并配置智能化的控制及应用软件发展而 形成的。测量机器人通过c c d 影像传感器和其它传感器对现实测量世界中的 “目标”进行识别，迅速做出分析、判断与推理，实现自我控制，并自动完成 照准、读数等操作，以完全代替人的手工操作。测量机器人再与能够制订测量 计划、控制测量过程、进行测量数据处理与分析的软件系统相结合，完全可以 代替人完成许多测量任务。 在工程建筑物的变形自动化监测方面，测量机器人正渐渐成为首选的自动 北京交通大学工学硕士学位论文 化测量技术设备。利用测量机器人进行工程建筑物的自动化变形监测，一般可 根据实际情况采用两种方式：一种是固定全自动持续监测方式；一种是移动周 期性网观测方式。测量机器人的移动式弼观测及自动纯数据处理方式在国内现 阶段使用更适合，具有广阔的应用前景。 1 4 本文主要研究内容 本文依托于深圳地铁一期工程第三方监测项目，重点研究地铁施工变形监 测数据的管理、分析和处理。本文的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 使甩一元薯线性回归模型，对缝铁施工的监测数据进行分析和预溯， 探讨了从多种回归模型中选择最优回归模型的方法。编写了相应的程序模块， 通过实际数据处理的实例，说明一元线性回归在地铁施工监测数据处理中的应 用途径和分析效果。 ( 2 ) 将灰色模型作为一个独立的模块引入到地铁施工监测中，给出g m ( 1 ，1 ) 模型的计算实例，分析等维灰数递补预测的实现方法，阻及处理菲等问隔数据 序列的方法。编写了相应的程序，通过实际数据处理的实例，讨论g m ( 1 ，1 ) 模 型在地铁施工变形监测中应用时所要注意的问题。 ( 3 ) 从一元线性回归和灰色模型分析的本质出发，结合实际的算例，讨论 两者在处理地铁施工第三方监测数据时的优缺点，探讨两种方法在处理地铁旌 工监澜数据时的适用范围。 ( 4 ) 详细讨论了地铁施工第三方监涮管理信息系统的设计和实现，探讨地 铁第三方监溺数据库设计、n e t 技术访问数据库、n l 玎实现橡皮筋效果等关 键问题的解决方案。 ( 5 ) 完成趣铁施工第三方监测管理信息系统的开发，并对此类系统开发的 需求和一般实现方法进行讨论。 1 5 本文结构 本文按照下面的结构来组织： ( 1 ) 绪论； ( 2 ) 变形监测资料的预处理： ( 3 ) 变形分析与预报的基本理论； ( 4 ) 回归分析在地铁旌工监测数据处理中的应用 ( 5 ) 灰色模型在地铁施工监测数据处理中的应用 ( 6 ) 地铁施工第三方监测管理信息系统的设计； ( 7 ) 地铁簏工第三方监测管理信息系统的实现； ( 8 ) 结论和展望。 北京变通大学工学硕士学位论文 第2 章变形监测资料的预处理 在对某些变形的观测资料进行分析和处理之前，还需要对数据进行检核、 信噪分离等操作，使其更能反映真实值，这个阶段的工作就称为变形监铡资料 的预处理。 2 1 监测资料的检核 任何的测量工作都可能存在误差，变形监测当然也不例外，因此监测资料 的检核就非常有意义。本节内容介绍了变形监测资料检核的意义和方法，详细 阐述使用一元线性回归对监溅资料进彳亍检核的方法： 2 1 1监测资料检核处理的问题 受各种观测条件的影响，任何变形监测资料可能存在误差，只不过误差的 大小和性质不同而已。测量中盼误差一般分为三类： ( 1 ) 粗差( 也称错误) ，它是由于观测中的错误所引起的； ( 2 ) 系统误差，它是在相同的观测象件下做一系列的观测，丽观测误差在 大小、符号上表现出系统性： ( 3 ) 偶然误差( 电称随机误差) ，它是在相同的观测条件下做一系列的观 测，而观测误差在大小、符号上表现出偶然性1 7 j 。 在变彤监浏中，观测中的错误是不允许存在的，系统误差可通过一定的观 测程序得到清除或减弱。在变彤监测中，由于变形量本身较小，邻近与测量误 差的边缘，为了区分变形与误差，提取变形特征，必须设法消除较大误差( 超 限误差) ，提高测量精度，从而尽可能地减少观测误差对变形分析的影响。 监测资料检核的意义就在于减小系统误差和偶然误差对测量真实值的影 响，提高测量数据的准确性。 2 1 2 监测资料检核的方法 监测资料检核的方法很多，要依据实际观测情况而定。一般来说，任一观 测元素( 如高差、方向值、偏离值、倾斜值等) 在野外观测中均具有本身的观 测检核方法，如限差所规定的水准测量线路的闭合差、两次读数之筹等，这部 测检核方法，如限差所规定的水准测量线路的闭合差、两次读数之差等，这部 分内容可参考有关的规范要求。 除了外业测量过程中所进行的措旖之外，还可以在内业处理数据前进行一 些分析的工作，具体有： ( 1 ) 校核各项原始记录，检查各次变形值的计算是否有误。可通过不同方 法的验算，不同人员的重复计算来消除监测资料中可能带有的错误。 ( 2 ) 原始资料的统计分析。对监测网观测资料，可采用2 2 节所介绍的粗 差检验方法。 ( 3 ) 原始实测值的逻辑分析。根据监测点的内在物理意义来分析原始实测 值的可靠性，主要用于工程建筑物变形的原始实测值，一般进行以下两种分析： 一致性分析。这应从时间的关联性来分析连续积累的资料，从变化趋势 上推泓它是否具有一致性，即分析任一测点本次原始实测值与前一次( 或前几 次) 原始实测值的变化关系。一致性分析的主要手段是绘制时间一效应量的过 程线图和原因一效应量的相关图。 相关性分析。这是从空间的关联性出发来检查一些有内在物理联系的效 应量之间的相关性，即将某点本测次某一效应量的原始实测值与邻近部位( 条 件基本一致) 各测点的本测次同类效应量或有关效应量的相应原始实测值进行 比较，税其是否符合它们之间应有的力学关系。 2 1 3 使用一元线性回归分析进行监测资料的检核 一元线性回归处理的是两个线性关系的变量之间的关系，通过观测两个变 量的实际值，并对观测值进行分析，找出两者之问关系的数学模型。 使用一元线性回归分析进行监测资料裣核的核心思想是，找出若干个可能 具有线性关系的观测量( 例如某两个道路沉降观测点同一段时期的观测值) ，首 先根据已有的j 觅测数据分析两者的相关系数，判断两者之闻的线性相关程度。 如果风者的线性关系密切，可以建立回归方程，搬据一个测点的观测值估计另 一个点的理测值。如果估计值和实际观测值之差在观测精度内，表示实际观测 值误差在容许范围内：否则，就应该引起注意，对于误差较大的观测值应该进 行复测。 一元线性回归的数学模型为 ) ，。；风+ 犀r 。+ 。，口= l ，2 ，- ， ( 2 1 ) 式中，e ，岛，f 。是随机误差，一般假设它们相互独立，且服从同一正态 分布( 0 ，口) 。 对于( 2 1 ) 式中的参数风，卢， ，6 ，则可得一元线性回归方程： 萝= 6 0 + h 可用最小二乘法求得它们的估值分别为 其中，6 叫作回归方程的回归系数。 ( 2 2 ) 北京交通大学工学硬士学位论文 回归值萝。与实际观测值y 的差值y 表示y 。与回归直线萝一6 。+ h 的偏离 程度，用下式所计算的值作为用回归直线求因变量估值的中误差 厢丁 、嵩 ( 2 3 ) 求回归直线的前提是变量y 与x 必须存在线性相关，否则得到的数学模型 就无实际意义，线性相关的指标是相关系数_ d ，可用下式计算 p 旦 o p 。 其估值的计算公式为 p l 薹纯一珊一 臣i 氍j ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，i 和歹分别为自变量和因变量的平均值。当p 愈接近1 时，表明随 机变量与线性相关愈密切。 2 2 超限误差的检验 e h 于观测中存在偶然误差，为了检验观测中是否存在超限误差，需要利用 统计检验的方法。 2 2 i1超限误差检验的原理 变形观溯的过程申，虽然进行了各种限差检核( 例如环线闭合差等) ，但还 是不可避免地会含有超限误差，这些超限误差会影响平差结果的真实性，以致 变形分析的结果受到影响。因此，对于观测数据必须进行超限误差检验，将含 有超限误差的观测值从中剔除。 设为 为观测值向量，其中f ，为不含超限误差的n ，维向量，l 为可能含有 超限误差的j l ，维向量，则有，l ，+ n ，。，l 。 由平差数学模型可得 卧阶降栉】 其中， ( 2 6 ) 0 2 爿为n “阶设计矩阵：x 为“维未知数向量；，为栉：n z 阶单位阵；6 为超限误差向量。 1 超限误差的整体检验 做原假设日。：6 0 ，即观测值中不含超限误差，将原假设作为( 2 6 ) 式的附加条件，消除向量d ，则( 2 6 ) 式可写成 卧阶褂j 心1 ， 式中，k 、k 表示原假设约束条件下之改正数。 上式又可写成下面的形式： 上+ 矿一4 牙 ( 2 8 ) 经平差后的母体方差 z ，塑二( 2 9 ) l ，i m ， 在原假设条件下，统计量f 一二二；应服从自由度为r 与* 的中心f 分布。 r 盯； 取置信水平口，可对原假设h 。( 观测值中不包含超限误差) 进行检验，如 果原假设。被拒绝，就表示在置信水平口下，观测值中可能包含超限误差。 2 超限误差的局部检验 如果经过整体检验发瑗观测值中包含超限误差，就需要需要进行超限误差 的局部检验，或称单个检验。 设只有一个观测值f 含有超限误差，则 “肛h 】，吲 ( 2 1 。) 式中，q - 【oo o1o o r 。 由分块矩阵求逆得 妒祟 ( 2 1 1 ) 。e ：p q p e 为了检验，是否为超限误差，做原假设：。不是超限误差，也即。趋近于 零。 由于观测值相互独立，其观测值权阵为对角阵，则统计量彬=些服 仃o g 从标准正态分布，式中v ；为被检验的观测值改正数，q 。为观测值改正数协因 北京交通大学工学硕士学位论文 数阵中对应的对角线上元素。 利用概率式 十一圳州 ( 2 1 2 ) 可对原假设进行统计检验，从而决定观测值是否伴随有超限误差l 町。 2 2 2 超限误差检验的步骤 实际工作中，检验超限误差可分为下面几个步骤： ( 1 ) 对变形监测网各周期观测值分别进行经典平差，求得未知数向量z 及 其协因数阵妇k ，由此计算 y 一爿q 日爿7 p ，一f ( 2 1 3 ) 得到y 7 p y 在置信水平口下进行超限误差的整体检验。当检验结果认为 存在超限误差时，计算 q 。= ( 爿q 爿1 j p j ) q ：0 q h 爿1 p j ) 1 = 见一月q 日“1 ( 2 ) 利用向量y 中元素与矩阵q 。主对角线上相应元素计算卜，。l 矗。，并 取m a x 0 咋i 吼。) 相应的观测值( 设为f 。) 作为可能伴随有超限误差的观测值。 ( 3 ) 利用口检验法( 或f 、f 检验法) 对原假设进行统计检验。当琢假设 被接受，则认为监测网观测值中未包含有超限误差。否则，观测值，。被认为受 到超限误差影响，应从观测资料中剔除。 ( 4 ) 在原假设被拒绝时，剔除观测值，重复步骤( 1 ) ( 3 ) ，直到没 有超限误差存在的可能( 也就是接受原假设) 为止。 2 3 获得等间隔的监测数据 由于各种主、客观条件的限制，当实测资料出现漏测时，或在数据处理时 需要利用等间隔观测值时，则可利用已有的相邻测次或相邻测点的可靠资料进 行插补工作，以获得等间隔的监测数据使用某些数学模型。 2 3 1按内在物理联系计算 按照物理意义，根据对已测资料的逻辑分析，找出主要原因量之间的函数 关系，再利用这种关系，将缺漏值计算出来。 1 4 2 3 2 按数学方法计算 1 线性内插法 由某两个值测值内插此两值之间的观测值时，可用下面的式子 ) ，一咒+ ! ( ) ，j 。一y i ) ( 2 1 4 ) 式中，y 、y ；和y 。“为效应量，f 、 和f 。为时间。 2 拉格朗日内插计算 对变化情况比较复杂的效应量，可按下式 y 。砉y 嵩镑 式中，y 是效应量，z 是自变量。 ( 2 1 5 ) 3 用多项式进行曲线拟合 一般来收，可以使用下面的式子进行曲线拟合 y 置，“) 生口o + 口i 工+ 口2 工2 + - + 口石“ ( 2 1 6 ) 使用时，式中方次和拟合所甩点数必须根据实际情况适当选择。 4 周期函数的曲线拟合 如果效应量和自变量具有周期性规律，可使用下面的周期函数 y fj 口q + j c 憾“+ 吒s i n “+ 辟2 c 唯2 “+ 6 2 s i n 2 “+ - + 口。c o s n “+ ts 遍 “ 式中，_ ) ，为时刻f 的期望值； 性周期中所包含的时段数。 ( 2 1 7 ) 为频率，且一驯 f ；m 为在一个季节 2 5 本章小结 出于变形监测的观测资料不一定能直接满足变形数据处理的要求，因此需 要进行资料的预处理，包括了监测资料的检核、超限误差的检验、监测数据的 插补，以及使用小波变换消除噪声等。本章简单介绍了监测资料预处理各阶段 工作的意义、主要方法，为进行监测数据的分析和处理做好准备。 北京交通大学工学硬士学位论文 第3 章变形分析与预报的基本理论 现代监测技术的进步，特别是观测数据处理软件的相继问世，为我们获得 高精度、高可靠性的观溯数据提供了保证，准确可靠的观测数据是变形分析的 基础。由于受各种因素的影响，变形观测数据可能包含各种各样的误差与变形 信息，但仅从这些数据表面上，不能反映形变的任何信息，所以，必须通过对 监测数据进行综合处理分析，提取变形信息，发现变形规律，才是我们的主要 任务。 对系统( 变形体) 的定量分析，建立系统的模型是深入研究的前提和基础。 因为模型是系统或过程的一种简化、抽象和类比表示，是进行系统分析、系统 综合的有效工具。 系统模型的建立方法可分为三种：物理结构已知的自箱法、物理结构及机 理未知的黑箱法以及部分信息已知、部分信息未知的灰箱法。白箱法是从基本 的物理、化学定律和已知的系统结构数据直接导出模型，如确定函数，这样构 成的模型可同时表达系统的内部结构和功能；黑箱法则是把系统当作黑箱