串聯(lián)式組合模型在基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及預(yù)測中的實踐探究

侯躍強

(廣州亞奧建設(shè)工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510000)

新時期，城市化進程的持續(xù)加快，使得高層超高層建筑成為城市建筑的主流，為保證建筑基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，基坑的深度不斷增加，施工難度和監(jiān)測難度也在持續(xù)提高。在城市中心區(qū)域開展基坑工程施工時，因為建筑密度相對較大，覆土卸載作業(yè)很容易導(dǎo)致土體移動，給周邊建筑的基礎(chǔ)穩(wěn)定性造成影響，甚至可能導(dǎo)致不均勻沉降問題，做好基坑監(jiān)測是保證安全的重要舉措。串聯(lián)式組合模型的應(yīng)用能夠顯著提升基坑監(jiān)測的有效性，為基坑工程的施工安全提供可靠支持。

1 單一預(yù)測模型分析

在基坑預(yù)測中，目前比較常見的預(yù)測模型有兩種：時間序列模型和灰色系統(tǒng)模型。時間序列模型可以依照時間序列來對基坑變形監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)進行記錄，可以幫助技術(shù)人員獲取準確的監(jiān)測數(shù)值，而且數(shù)值具備較強的相關(guān)性。在提取到有價值的數(shù)據(jù)信息后，技術(shù)人員能夠就未來一段時間內(nèi)監(jiān)測值的發(fā)展變化進行預(yù)測。在實際應(yīng)用中，時間序列模型可以分為自回歸模型、滑動平均模型和自回歸滑動平均模型?；疑到y(tǒng)模型相關(guān)理論產(chǎn)生于1982年，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和演變，灰色系統(tǒng)模型已經(jīng)趨于成熟，形成了全新的理論學(xué)科體系。在實踐應(yīng)用中，灰色系統(tǒng)模型具備相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，以模型構(gòu)建為例，并不需要大量的數(shù)據(jù)信息作為支撐，就可以做好信息系統(tǒng)的有效處理，而且與當(dāng)前大部分預(yù)測模型不同。灰色系統(tǒng)分析模型在對系統(tǒng)變化的基本規(guī)律進行深入研究和剖析的過程中，必須觀測大量的實驗數(shù)據(jù)，運用概率統(tǒng)計的方法來保證數(shù)據(jù)分析的有效性。在經(jīng)過相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)整理和累加后，灰色系統(tǒng)模型能夠?qū)ο到y(tǒng)的隨機性進行弱化，生成的數(shù)列可以配合微分方程建模來擬合得到與系統(tǒng)吻合程度較高的數(shù)學(xué)模型。

2 串聯(lián)式組合模型概述

在基坑監(jiān)測環(huán)節(jié)中，監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測分析方法有很多，如線性回歸分析法、灰色系統(tǒng)分析法、時間序列分析法、蟻群分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等，而應(yīng)該采用何種分析預(yù)測模型并沒有統(tǒng)一的規(guī)定。目前單一的預(yù)測模型包括了時間序列模型、灰色系統(tǒng)分析模型等，以這些單一預(yù)測模型為基礎(chǔ)，串聯(lián)式組合模型也開始出現(xiàn)，主要強調(diào)在針對不同模型結(jié)構(gòu)進行構(gòu)造的過程中，將單一類型的預(yù)測模型串聯(lián)組合在一起，使得其各自的優(yōu)勢能夠充分發(fā)揮出來。現(xiàn)階段，比較常見的串聯(lián)式組合模型主要有兩種：一種是從實際監(jiān)測工作得到的成果出發(fā)，對預(yù)測對象中存在的會對其變形產(chǎn)生影響的因素進行分析預(yù)測，然后利用單一預(yù)測模型，對相關(guān)參數(shù)進行分別預(yù)測，結(jié)合相應(yīng)的串聯(lián)邏輯，將預(yù)測結(jié)果組合在一起；另一種模型強調(diào)利用單一預(yù)測模型所對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，借助數(shù)學(xué)組合，構(gòu)建起串聯(lián)式組合模型。模型的基本構(gòu)造形式如圖1所示。

圖1 串聯(lián)式組合模型

結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，伴隨著時間的推移，變形體會產(chǎn)生對應(yīng)的位置變化，這種變化情況同時體現(xiàn)出趨勢性和隨機性特征，而基坑工程的變形也不例外。單一預(yù)測模型本身功能有限，很難同時表現(xiàn)出基坑變形的趨勢項和隨機項，在這種情況下，組合式模型也就有了用武之地。通過將時間序列模型和灰色系統(tǒng)模型組合在一起的形式，能夠形成串聯(lián)式組合模型，以灰色建模變現(xiàn)趨勢項，以時間序列建模表達隨機項，構(gòu)成的新模型為灰色時間序列模型。將監(jiān)測數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)變?yōu)橼厔蓓椇碗S機項的疊加式，有

yt=Rt+St(t=1,2，…，n)

(1)

式中，Rt表示序列趨勢項，St表示序列隨機項。

St=φ1εt-1+φ2εt-2+…+φnεt-n+

atθ1at-1-…-θmat-m

(2)

公式中，φi表示自回歸系數(shù)，i=1,2，3，…，n；θj表示滑動平均參數(shù)，j=1,2，3，…，m；at表示殘差；三是對相關(guān)公式進行計算后，能夠得到趨勢項和隨機項，組合后能夠求得灰色時間序列模型的表達式：

φ1εt-1+φ2εt-2+…+φnεt-n+

at-θ1at-1-θ2at-2-…-θmat-m

公式中的t取值為n+1，n+2，…，結(jié)合該公式，可以對未來的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)測。

3 串聯(lián)式組合模型在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用

以某房建工程為例，工程中的基坑為一級基坑，排樁支護結(jié)構(gòu)。為了方便分析串聯(lián)式組合模型在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用情況，從監(jiān)測期間的樣本中，選擇一些具有代表性的沉降檢測點進行分析(見表1)，這些沉降檢測點可以分為4種類型：一是累計沉降量最大(ZD18)，二是累計沉降量最小(YD3)，三是累計沉降量處于最大值和最小值之間(ZD30)，四是沉降量處于上下波動狀態(tài)(ZD34)。

表1 4類沉降監(jiān)測點累計沉降量(單位：mm)

運用時間序列模型、灰色模型和串聯(lián)式組合模型分別對上述4類沉降點的累計變化值進行多次擬合分析處理，評價指標(biāo)可以選擇平方和誤差(SSE)、平均絕對誤差(MAE)、均方誤差(MSE)和平均絕對百分比誤差(MAPE)、均方百分比誤差(MSPE)，對比單一模型和組合模型的預(yù)測精度。

對三種評價指標(biāo)進行對比(見表2)，灰色理論模型的所有評價指標(biāo)數(shù)值都達到了最高，這也表明其本身對于沉降點的預(yù)測結(jié)果在所有模型中最差，串聯(lián)式組合模型的精度指標(biāo)誤差小，有著較高的預(yù)測精度，表明組合模型在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)優(yōu)于單一模型。

表2 4類沉降監(jiān)測點預(yù)測精度對比(單位：%)

4 結(jié)語

從工程實踐分析，將灰色理論模型和時間序列模型組合在一起形成的串聯(lián)式組合模型在針對基坑進行預(yù)測時，相比較單一預(yù)測模型有著更高的精度。從其模型結(jié)構(gòu)構(gòu)造的角度分析，組合預(yù)測可以充分發(fā)揮單一模型的優(yōu)勢，將可能影響沉降數(shù)據(jù)的各種因素全部考慮在內(nèi)，將其應(yīng)用到基坑監(jiān)測中，能夠發(fā)揮出相當(dāng)顯著的作用和效果。