線狀工程變形監測數據自動處理軟件研制

張廣東，熊劍，劉雄

(1.武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.湖南省第三測繪院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

工程構建筑物在施工和運營期間，由于受到自身或外部因素的影響，會出現不同程度的變形，如果變形量超過一定限度，建筑物的正常使用將會受到影響，嚴重時還會影響建筑物的安全，給社會和人民帶來巨大損失[1]。為了及時準確地掌握工程的變形情況，了解監測對象當前的安全狀態，并對未來變化趨勢進行合理預測，需由專人對每個監測項目進行周期性的觀測[2]。傳統變形監測數據處理以手工處理為主，從原始觀測文件中提取有效數據，在Excel中制作報表，編輯相應公式以達到計算目的，并且以這種形式對監測數據以及監測結果進行存儲[3]。這樣的數據處理方式以及數據管理模式不僅對監測人員專業素養要求較高，而且數據管理水平低下，工作量大，監測報告結果容易出錯，信息反饋速度慢[4]。這些弊端在當今大型變形監測項目中顯露無遺，也越來越難以滿足變形監測要求。相對于普通工程，線狀工程的特點是測區狹長[5，6]，工程中心線曲線變化，監測人員在處理水平位移數據時，更關注的是某一方向如橫斷面方向的位移量，而且希望能直觀獲取整體變形情況，但是傳統數據處理方式無法滿足該要求。因此，結合線狀工程特點，構建以數據庫為基礎，集原始監測數據提取、存儲、管理、計算、分析、曲線繪制和報表生成于一體的數據自動處理軟件是很有必要的。

2 軟件框架與數據庫設計

2.1 軟件總體架構設計

本文研制變形監測數據處理軟件主要包括對原始監測數據提取、數據計算和分析、變化曲線繪制以及成果報表生成等。軟件總體框架及功能模塊如圖1所示。

圖1 軟件的基本框架與功能模塊

2.2 數據庫設計

根據監測數據周期性觀測和監測點相對固定的特點，將各項監測內容分別存儲于三張表中：“點位信息表”、“監測數據表”和“附加信息表”。以位移觀測數據為例，某監測對象的水平位移監測項目包含三張表，分別為位移點位信息、位移觀測數據、位移附加信息。

表1位移點位信息表用于存儲該監測項目中所有位移點相關信息。

位移點位信息 表1

表2位移觀測數據用于存儲監測數據以及相應處理后數據。表1與表2通過“點號”進行關聯。

位移觀測數據 表2

位移附加信息表用于記錄每次監測信息。表2與表3通過“觀測時間”進行關聯。

位移附加信息 表3

3 數據處理

3.1 水平位移數據處理

位移監測結果分析時，通常我們需要的不是X或Y的增量，而是某一特征方向上的變化量，為解決該問題，工程中常用的一種方法是通過自定義坐標系以使得X或Y的增量即為所需方向上的位移量。例如在基坑監測中，基坑形狀一般作近似矩形處理，以X軸平行于基坑主軸線建立坐標系，該邊上點Y增量用于表示位移量，而相鄰垂直邊上點X增量用于表示位移量。但是該方法存在一定的局限性，只有當監測對象較為規則時才適用，若是線狀工程則要分段建立坐標系，不僅不準確，而且不利于數據管理。

相較于X和Y的增量，線狀工程中我們更為關注的是橫斷面方向上的位移量。而線狀工程形狀在較短距離內可視為直線，但是整體而言一般存在一定彎曲，自定義坐標系方法較難適用于線狀工程。而在Excel中編輯公式計算橫斷面方向位移量則較為煩瑣且容易出錯。因此用數據庫管理數據，利用程序進行數據計算是很有必要的。

圖2 橫斷面方向位移量計算示意圖

位移數據處理中，主要需要計算“位移觀測數據”表中的“本次橫向變化量”“累計橫向變化量”“變化速率”“deltaX”和“deltaY”。具體計算方式見下式(1)～式(4)。

(1)

式(1)中X、Y為本次監測值，X0、Y0為該點上次監測值，位移增量△X、△Y對應表2中的deltaX、deltaY；

(2)

if(α<π)

{

if((β-α>0)&&(β-α<π)) i=1；

else i=-1；

}

else{

if((β-α>0)&&(α-β>π)) i=1；

else i=-1；

}

∑S=∑S0+△S

(3)

(4)

式(3)中∑S對應表2中“累計橫向變化量”，∑S0為該點上次“累計橫向變化量”；式(4)t為本次觀測時間，t0表示上次觀測時間(其中t-t0單位為“天”)，VS表示位移變化速率。

3.2 沉降數據處理

沉降數據處理的重點體現在如何從原始監測文件中提取高程值[7]，限于篇幅本文暫不討論數據提取部分。沉降數據處理主要需要計算本次沉降量、累計沉降量以及沉降變化速率。

4 軟件實現方案

線狀工程變形監測數據處理軟件以Access數據庫為基礎[8]，在Visual Studio 2010平臺上調用Word、Excel和Chart等相關組件進行相應數據提取、存儲、計算和輸出，軟件主界面如圖3所示。

其中Access數據庫主要是對監測過程中的所有不同類型數據進行記錄、管理，作為一個存儲容器，為數據查詢和統計、曲線繪制以及報表生成提供保障[9]。

Chart是Visual Studio 2010自帶的一個繪圖控件，能夠方便地為用戶實現各種曲線圖的繪制，同時提供眾多的接口便于用戶對繪制好的圖形進行編輯。Word和Excel用于生成相關監測報告和報表。

圖3軟件主界面

5 工程實例

本文研制的變形監測數據處理軟件在武漢市東湖通道監測項目中進行了長期測試，取得了理想的效果。圖4～圖7展示了軟件數據錄入、數據查詢和統計以及曲線繪制等基本功能，圖8為單點沉降曲線圖。

圖4水平位移數據錄入

圖5 數據查詢和統計

圖6 單點水平位移曲線圖

圖7 圍堰整體水平位移曲線圖

圖8 單點沉降曲線圖

數據錄入不僅僅是提取原始監測數據，而且能夠按照坐標對點名進行匹配，自動校對、修改監測點名以保證數據的正確性(圖4中紅色部分即表示點號記錄錯誤)。

數據查詢是幫助監測人員了解各監測點一段時間內監測點次、累計變化量和變化速率等信息，掌握該段時間內變形情況。數據統計則是對一段時間內超過預警值監測點的統計，從而達到對本段時間變形情況掌握的目的。

單點曲線圖的繪制是以監測時間為橫軸，位移量或位移速率作為縱軸進行曲線繪制?？梢苑謩e或同時繪制位移曲線圖和位移速率圖。除此之外可以在同一Chart上繪制多點位移曲線圖，以便數據整體比較。

傳統整體曲線圖只是簡單地對多個單點圖在同一個畫布中進行疊加[10]，雖然能夠比直觀體現出單個監測點的變化情況，但是對于監測物整體變形情況仍然不夠直觀便捷。因此利用線狀工程特點，以里程為橫坐標，將各點某一時間段位移量繪制出來，能夠較為直觀地反映監測物體整體位移情況，突出變形大的區域，以利于及時采取應對措施。

6 結 語

基于線狀工程變形特點研發了線狀工程變形監測數據處理軟件。以Access數據庫為基礎，在Visual Studio 2010平臺上實現了直接對原始數據提取、存儲、管理、計算、數據分析、多種曲線繪制和成果報表自動輸出等功能，可以為監測項目施工提供快速、準確和形象直觀的圖像及報表等監測數據分析成果，滿足工程監測數據快速處理、反饋的需要。該軟件目前已用于多個不同類型監測項目，在普通工程和線狀工程監測項目中發揮較好功效，而且隨著工程經驗的積累，將逐步完善和改進軟件各模塊功能，同時也將擴展軟件應用范圍，使其能夠應用于更多不同類型的變形監測項目中。