于思博

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

工程測量中的變形監(jiān)測

于思博

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

變形監(jiān)測在現(xiàn)實生活中發(fā)揮著重要的作用，可以有效的對建筑物進行監(jiān)測與預報，變形監(jiān)測的意義在于用專業(yè)的儀器與方法對物體的變形現(xiàn)象、形態(tài)以及發(fā)展等進行相應的觀測、分析、預報。其任務(wù)主要是監(jiān)測建筑物在荷載以及外力的作用下，在物體所處位置、大小等各個方面上空間與時間的特征。文章從變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、變形的幾何信息與物理科的變形分析以及積極的系統(tǒng)論方法3個方面介紹了工程測量中的變形監(jiān)測。

變形監(jiān)測；工程測量；數(shù)據(jù)處理；物理解釋；系統(tǒng)論

0 引 言

變形監(jiān)測的意義在于用專業(yè)的儀器與方法對物體的變形現(xiàn)象、形態(tài)以及發(fā)展等進行相應的觀測、分析、預報。其任務(wù)主要是監(jiān)測建筑物在荷載以及外力的作用下，在物體所處位置、大小等各個方面上空間與時間的特征。

變形監(jiān)測過程中所包含的內(nèi)容是由多種方面共同決定的，即變形建筑物的性質(zhì)、地基的情況等等。例如對于水利工程中的建筑物其變形監(jiān)測主要包括水平位移的觀測、沉降觀測等等，而這些觀測也可以成為外部觀測。

除了外部觀測，與之對應的則是內(nèi)部觀測，其中包括溫度、混凝土應力等方面的觀測，內(nèi)部觀測可以使我們更加詳細的了解建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在進行變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與處理過程中，要特別注意將內(nèi)部與外部觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而可以更好的進行總結(jié)。

1 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理

以所測的變形數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，繪制與之相對的曲線是一種簡單且有效的數(shù)據(jù)處理方法，對于所繪制的曲線，專業(yè)人員可以對其進行分析、總結(jié)。如果我們把變形觀測數(shù)據(jù)與影響因子相結(jié)合，并對其進行多元回歸分析以及逐步回歸計算，這樣就可以求得變形與顯著性因子兩者之間的函數(shù)關(guān)系，不僅可以作為物理解釋，還可以進行今后建筑物的變形預報。

如果只是對變形觀測數(shù)據(jù)單項處理有2種方法：

1)以灰色系統(tǒng)理論進行建模。主要處理的是具有小數(shù)據(jù)量的時間序列，其所用的方法是對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采用累加生成法，使之轉(zhuǎn)化為生成數(shù)列，所以說這種方法的優(yōu)點在于減弱隨機性、增加規(guī)律性。

2)以時間序列分析理論進行建模。

主要是處理變形觀測量中的時間序列，例如在對建筑物位移的監(jiān)測中，通過建立一個與之相對的灰微分方程，就可以分析出建筑物的變形趨勢，此種方法不僅可分性很好而且還有其他4項優(yōu)點：①可以同時進行推估、平滑以及濾波；②此模型是一個理想的動態(tài)模型；③可以將平穩(wěn)相關(guān)時序轉(zhuǎn)化為獨立的平衡時序；④模型參數(shù)聚集了系統(tǒng)輸出的特征和狀態(tài)。

如果將變形建筑物整體視為一個動態(tài)的系統(tǒng)，觀測值視為這個系統(tǒng)的輸出，那么可以通過卡爾曼濾波模型對此系統(tǒng)進行精確、準確的描述。動態(tài)系統(tǒng)的描述是由兩方面共同完成的，即觀測方程與狀態(tài)方程，監(jiān)測點所在的位置、其變化的速度以及所具有的速率參數(shù)，這些因素相互結(jié)合，共同建立了一個理想、完善的運動模型。運用卡爾曼濾波模型其優(yōu)點在于無需保留使用過的觀測值，而是采用一定的遞推算法，這樣就可以將參數(shù)估計與預報這兩者快速、有效的相結(jié)合起來[1]。

如果變形監(jiān)測時間序列具有周期性變化的特點，那么可以應用Fourior對其進行相應的轉(zhuǎn)變，即將時域內(nèi)包含的信息通過一定的方法轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)，進而對其分析、研究。在某一時間下記錄的數(shù)值信號其意義可以體現(xiàn)為由許多和不同頻率的諧波分量的總和，而通過計算每個諧波頻率所具有的振幅，最大振幅以及與之相對應的主頻率等，可以間接的推算出變形周期性變化所具有的規(guī)律。

2 變形的幾何信息與物理解釋

在傳統(tǒng)意義上，對變形觀測數(shù)據(jù)的分析與處理有兩種，即變形的幾何分析、變形的物理解釋。在幾何分析中其特點是能夠直接的體現(xiàn)出變形的空間以及時間特性，其內(nèi)容主要有以下3個方面：

1)選用模型的初步檢測。

2)模型參數(shù)的估計以及統(tǒng)計的檢驗。

3)最佳模型的確定。

變形的物理解釋其作用體現(xiàn)在可以明確的描述出變形與產(chǎn)生這種變形的因素兩者之間的關(guān)系，一般情況下采用兩種方法，即統(tǒng)計分析法、確定函數(shù)法。

統(tǒng)計分析法當中包含有多個方面。例如多元回歸分析、時間序列頻域法中所用到的動態(tài)影像分析等等。

統(tǒng)計分析法中最重要的條件是所用的資料必須是實測的，實測的資料越詳細、豐富，那么所得到得結(jié)果就越加的可靠，而且還可以具有“后驗”的作用。

這種方法的運用與幾何分析有著密切的聯(lián)系，是測量人員比較喜歡且熟悉的方法。確定函數(shù)法是以變形建筑物的物理學參數(shù)作為基礎(chǔ)，從而建立一個力與變形兩者之間的微分方程，如果邊界條件是確定的，那么通過有限元的方法求出一個微分方程，就可以得到變形建筑物上有限元節(jié)點的變形。此種方法所具有的特點是對于監(jiān)測數(shù)據(jù)并不是特別需要，且還具有“先驗”的性質(zhì)。如果在有限元上劃分的合理，并且對觀測建筑物的物理學參數(shù)選取選擇的較為精確，那么此種方法無疑是一種快捷、省力的方法。

在現(xiàn)實生活中建筑物物理學參數(shù)以及微分方程的確定都含有一定的假設(shè)性，所以說在有限元法計算出的結(jié)果常常與實測的數(shù)值并不相符，真對此種情況，相應的產(chǎn)生了應用兩種方法結(jié)合的分析方法，以及反演分析法。

3 變形分析以及預報的系統(tǒng)論方法

以現(xiàn)代系統(tǒng)論作為有效的指導從而進行變形的分析以及預報是現(xiàn)階段一個重要的研究課題。變形體并不止具有單一的因素，它是具有復雜的黑箱或灰箱式的結(jié)構(gòu)模式，它是開放性的，而且還體現(xiàn)出一種隨機性，這種隨機性所包含的因素有多種，即包括外界因素中的不確定性，也包括對初始狀態(tài)的敏感性等等。

按照系統(tǒng)論的方法，對建筑物的變形通常采用兩種方法進行研究：

1)以輸入—輸出模型進行建模。此方法是針對黑箱或是灰箱而進行建模的，灰色系統(tǒng)建模、時序分析等都屬于此建模法。

2)以動力學方程進行浸沒。在方法上它與物理解釋中提到的確定函數(shù)法在某種程度上有著一定的相似，是以運動物體所體現(xiàn)出的物理規(guī)律為基礎(chǔ)，通過一定的方式建立微分方程，以此來精確的描繪出這個系統(tǒng)的運動演化。

對建立的動力方程的解算方法，是在對體統(tǒng)的變形以及受力有著充分了解的基礎(chǔ)上，用相對簡單的可以解析的模型來模擬物體變形的過程，此模型解算出的成果與現(xiàn)實狀態(tài)相比較是基本符合的。

在系統(tǒng)論的方法中，其核心表現(xiàn)在對動力學方程解的分析與研究，因此在此過程中引入了大量的與動力系統(tǒng)相關(guān)的概念，這些引進的感念都與變形分析與預報有著極為密切的聯(lián)系，它們包括相體積、相軌線、狀態(tài)空間等等。

綜上所述，變形監(jiān)測在現(xiàn)實生活中發(fā)揮著重要的作用，可以有效的對建筑物進行監(jiān)測與預報，而變形監(jiān)測并不是一項簡單的工作，它蘊含著方方面面的東西，需要我們在不斷的探索與研究中，讓其更好的為人類社會服務(wù)。

[1]劉娟.淺談工程測量發(fā)展的幾個問題[J].山西建筑，2008(03)： 366-367.

1007-7596(2014)12-0171-02

2014-03-10

于思博(1986-)，男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師。

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