變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李 偉,王俊旻,彭子龍

(1.四川省電力設計院，四川 成都 610071；2. 四川省煤田測繪工程院，四川 成都 610071)

變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李 偉1,王俊旻1,彭子龍2

(1.四川省電力設計院，四川 成都 610071；2. 四川省煤田測繪工程院，四川 成都 610071)

變形監(jiān)測具有周期性、監(jiān)測時間長、監(jiān)測點多等特點，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，故對海量變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與分析就顯得十分重要。為了實現(xiàn)對海量變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效管理與分析，文中采用C#語言，以SQL 2008為數(shù)據(jù)庫，編寫變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)，并通過工程實例驗證系統(tǒng)的高效與可行性。

變形監(jiān)測；數(shù)據(jù)管理；數(shù)據(jù)分析；軟件系統(tǒng)

變形監(jiān)測是為了獲得變形體監(jiān)測點的位移情況而進行的長期性、周期性重復監(jiān)測，這種監(jiān)測手段必然引起變形監(jiān)測數(shù)據(jù)量逐漸增大。因此對海量變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效管理十分必要，且變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析為保證變形體穩(wěn)定運營提供了技術支持[1-2]。本文根據(jù)變形監(jiān)測的技術要求，以數(shù)據(jù)庫關系表和結構體作為數(shù)據(jù)的組織形式，選用C#作為開發(fā)語言，通過SQL 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、修改、刪除與查詢等功能；對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波分析與位移趨勢圖繪制，集多項功能于一體，開發(fā)了變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)模塊與功能設計

1.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊是系統(tǒng)的核心之一，是其他模塊與功能實現(xiàn)的基礎，是數(shù)據(jù)存儲、修改、刪除與查詢等功能的主要載體，本系統(tǒng)采用SQL 2008作為變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫，對其進行規(guī)范化設計，建立結構合理、性能良好的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)高效安全的管理模式[3-4]。

1)數(shù)據(jù)輸入與存儲。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可以分為：觀測數(shù)據(jù)、已知數(shù)據(jù)、平差數(shù)據(jù)與分析結果數(shù)據(jù)等，其中觀測數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用工程文件夾的形式進行存儲；平差和變形分析結果數(shù)據(jù)采用SQL 2008數(shù)據(jù)庫進行存儲管理。數(shù)據(jù)輸入有自動和手動兩種方式，自動輸入即提交本系統(tǒng)內(nèi)部平差和變形分析的結果數(shù)據(jù)；手動輸入即輸入其他后處理軟件的結果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫內(nèi)平差與結果分析的格式如表1和表2所示。表中：MN、ME表示坐標值的精度；KYD、KYE與KLN、KLE表示卡爾曼預測值與濾波值。

表1 XXX-Adjust Table格式

表2 XXX-Analysis Table格式

2)數(shù)據(jù)修改、刪除、添加。對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行修改、刪除與添加操作，其中添加操作又分為人工輸入和EXCEL導入，方便用戶根據(jù)情況對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行相應的更改與完善。

3)數(shù)據(jù)查詢。可以按監(jiān)測點點名和監(jiān)測周期兩種形式查詢，便于用戶根據(jù)實際情況的需要進行數(shù)據(jù)篩選，提高數(shù)據(jù)分揀工作效率。

4)數(shù)據(jù)輸出。將數(shù)據(jù)庫內(nèi)的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)或者查詢結果數(shù)據(jù)以EXCEL的形式輸出，便于用戶后續(xù)報告書寫和打印。

1.2 數(shù)據(jù)分析模塊

1)位移趨勢圖繪制。將監(jiān)測點的點位變化趨勢繪制成可視化的位移趨勢圖形，使用戶直觀查看監(jiān)測點的位移大小及變化趨勢，做深層次的分析。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計思路

變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)設計框架和流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框架與流程

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊功能的實現(xiàn)是通過對SQL 2008數(shù)據(jù)庫和EXCEL一些基本操作來完成的，部分功能主要代碼如下：

////////////////////存儲數(shù)據(jù)/////

////////////////

string sql = string.Format("insert into GNSS-Adjust Table (“列名”) values (“添加值”));

////////////////////修改監(jiān)測點GPSX的第XX期N坐標值/////////////////////

string MyUpdate="Update GNSS-Adjust Table set N ='"+ N坐標值 +"',……….

where Point ='"+點名+'", Period='"+監(jiān)測周期+'"";

//////////////////////////刪掉第XX期監(jiān)測成果/////////////////////////////

string MyDelete="Delete from GNSS-Adjust Table where Period ='"+監(jiān)測周期+'"";

//////////////////////////EXCEL導入數(shù)據(jù)/////////////////////////////

string connectionString =@"Provider=Microsoft.ACE.OLEDB.12.0;Data Source="

+ openfile + ";Extended Properties='Excel 12.0;HDR=YES;'";

string strSQL = "SELECT * FROM [Sheet1MYM]";

基于德爾菲法的醫(yī)院藥品不良反應快速上報信息化系統(tǒng)評價指標體系的構建 …………………………… 溫潤龍等（13）：1742

2.2.2 數(shù)據(jù)分析模塊

1)位移趨勢圖繪制。趨勢圖繪制功能實現(xiàn)是利用繪圖控件ZedGraph完成的，首先在C#中添加引用該控件，并定義繪圖區(qū)域、各軸名稱及單位，之后對數(shù)組元素進行賦值，根據(jù)數(shù)組值進行趨勢圖繪制。圖形繪制需要4個動態(tài)數(shù)組元素，分別為：點名數(shù)組、點位數(shù)組、顏色數(shù)組以及點位圖形，根據(jù)點名分別給相應的數(shù)組賦值，繪制趨勢圖主要代碼如下：

using ZedGraph;

////////////////////////////////////繪制趨勢圖///////////////////////////////////

LineItem myCurve = zedGraphControl1.GraphPane.AddCurve("N-Dis", ttw, Color.Yellow, SymbolType.Circle );

/////////////////////////////////

刷新繪圖

//////////////////////////////////////////

2)卡爾曼濾波分析，其流程如圖2所示。

圖2 卡爾曼濾波算法流程

卡爾曼濾波分析是一個不斷循環(huán)過程，首選根據(jù)1.2節(jié)確定初始狀態(tài)向量及其方差陣，循環(huán)讀取n期觀測數(shù)據(jù)，利用狀態(tài)一步預測和狀態(tài)估計等模型進行預測值和修正值計算，保存模型解算結果中最后一組的狀態(tài)向量和相應的協(xié)方差陣，更新觀測數(shù)據(jù)，再次構成n期觀測數(shù)據(jù)，并進行重復計算。

3 管理與分析系統(tǒng)應用

為了驗證管理與分析系統(tǒng)的高效和可行性，現(xiàn)以鹽水溝變形監(jiān)測預警工程為例。鹽水溝隧道是西氣東輸管道的標志性工程，它是我國迄今為止距離最長、輸氣量最大、施工條件最復雜的天然氣輸氣管道，為了監(jiān)測隧道的變形情況，在隧道區(qū)域布置4個周期性GNSS監(jiān)測點，兩個實時自動化GNSS監(jiān)測點，隧道內(nèi)布置86個水平位移監(jiān)測點和20個沉降監(jiān)測點，監(jiān)測設備分別為Leica 902雙星接收機、TM30以及DNA03。到目前為止共監(jiān)測10期，現(xiàn)以GNSS監(jiān)測點為例。

3.1 數(shù)據(jù)管理模塊應用

GNSS雙星監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過本系統(tǒng)開發(fā)的基線解算與網(wǎng)平差等功能，進行監(jiān)測點的坐標值和精度信息的求取(由于本文主要研究數(shù)據(jù)管理與分析，其他功能模塊本文不再陳述)，得到的坐標值和精度信息直接保存于SQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)的GNSS-Adjust Table表中，之后可以通過數(shù)據(jù)管理模塊內(nèi)的其他功能對表中的數(shù)據(jù)進行修改、刪除、添加與輸出等操作，如圖3所示，首先查詢2011年11月3日到現(xiàn)在這段時間內(nèi)GPS1與GPS3兩點的所有坐標值信息，之后對查詢結果進行報表的輸出。

3.2 數(shù)據(jù)分析模塊應用

3.2.1 位移趨勢圖繪制

位移趨勢圖繪制涉及到初始值的設定，由于監(jiān)測點穩(wěn)定性受自然災害和人為破壞等因素影響，所以監(jiān)測點的初始值狀態(tài)可能會變化，故本功能設計開發(fā)了初始值設置以及限差設置。如圖4所示，分析GPS1和GPS4兩點的位移趨勢，初始值為第二期觀測值。

圖4分別顯示了兩點在X軸方向的變化量，可知GPS1監(jiān)測點在第9期位移量為1.8 mm，兩條橫線為規(guī)范限差3 mm(建筑變形規(guī)范—JGJ8-2007)，限差亦可根據(jù)不同工程變形監(jiān)測的需求自行設定。

圖3 數(shù)據(jù)查詢與報表輸出

圖4 位移趨勢圖繪制示意圖

3.2.2 卡爾曼濾波分析

根據(jù)1.2和2.2節(jié)卡爾曼濾波模型建立方法，對GPS1和GPS4兩點進行分析與預測，其結果如圖5所示。

由圖5可知：GPS1與GPS4的濾波值和實測值之差在±0.4 mm內(nèi)，說明卡爾曼濾波能較好地反映GNSS變形監(jiān)測的實際變化情況，能真實地體現(xiàn)變形體的動態(tài)數(shù)據(jù)的實時性，對GNSS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)具有很好的去噪作用。

4 結 論

變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)實現(xiàn)了對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效管理與分析，提高了工作效率和數(shù)據(jù)安全性，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析兩大主要模塊。數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)了監(jiān)測點平差與分析結果數(shù)據(jù)的SQL 2008數(shù)據(jù)庫管理，并開發(fā)了對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行輸入、刪除、修改、輸出等操作，使用戶對監(jiān)測數(shù)據(jù)管理更加方便；位移趨勢圖繪制和卡爾曼濾波分析為保證變形體穩(wěn)定運營提供了技術支持。系統(tǒng)的實現(xiàn)為變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析提供了一種新的途徑，其在變形監(jiān)測中的應用將發(fā)揮重要作用，為了使系統(tǒng)更好地服務于變形監(jiān)測中，后續(xù)仍需對該系統(tǒng)的功能進行完善和擴大。

圖5 卡爾曼濾波分析結果示意圖

[1]劉忠軍,劉強.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)初步研究[J].資源環(huán)境與工程,2012,26(3):281-284.

[2]薛永安,葛永慧.GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].太原理工大學學報,2006,37(4):423-426.

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[4]KARILI WATSON,CHRISTIAN NAGEL.Beginning Visual C#2010[M].北京:清華大學出版社, 2012.

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[6]許國輝,余春林.卡爾曼濾波的建立及其施工變形測量中的應用[J].測繪通報, 2004(4):22-23 .

[7]王旭,劉文生,王昶. 基于小波閾值法去噪的建筑物變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[J].測繪工程, 2011,20(1):44-48.

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[責任編輯：張德福]

Design and implementation of deformation monitoring data management and analysis system

LI Wei1,WANG Jun-min1,PENG Zi-long2

(1.Sichuan Electric Power Design Institute,Chengdu 610071,China; 2.Sichuan Provincial Coalfield Surverying and Mapping Engineering Institute, Chengdu 610071,China)

Periodic,the long monitoring time and a lot of monitoring points of deformation monitoring,cause a large amount of monitoring data, so the research for the management and analysis of massive amounts of deformation monitoring data are very important. In order to achieve the efficient management and analysis of massive amounts of deformation monitoring data, C# with SQL 2008 as the database is proposed to write a deformation monitoring data management and analysis system,of which the efficieny and feasibility are validated through the actual engineering example.

deformation monitoring; data management; data analysis; sofeware system

2013-07-15

李 偉(1985-)，男，碩士.

TP311

：A

：1006-7949(2014)07-0076-05