工程测量中的变形监测

于思博

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

工程测量中的变形监测

于思博

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

变形监测在现实生活中发挥着重要的作用，可以有效的对建筑物进行监测与预报，变形监测的意义在于用专业的仪器与方法对物体的变形现象、形态以及发展等进行相应的观测、分析、预报。其任务主要是监测建筑物在荷载以及外力的作用下，在物体所处位置、大小等各个方面上空间与时间的特征。文章从变形监测数据的处理、变形的几何信息与物理科的变形分析以及积极的系统论方法3个方面介绍了工程测量中的变形监测。

变形监测；工程测量；数据处理；物理解释；系统论

0 引 言

变形监测的意义在于用专业的仪器与方法对物体的变形现象、形态以及发展等进行相应的观测、分析、预报。其任务主要是监测建筑物在荷载以及外力的作用下，在物体所处位置、大小等各个方面上空间与时间的特征。

变形监测过程中所包含的内容是由多种方面共同决定的，即变形建筑物的性质、地基的情况等等。例如对于水利工程中的建筑物其变形监测主要包括水平位移的观测、沉降观测等等，而这些观测也可以成为外部观测。

除了外部观测，与之对应的则是内部观测，其中包括温度、混凝土应力等方面的观测，内部观测可以使我们更加详细的了解建筑物的内部结构。在进行变形监测数据的分析与处理过程中，要特别注意将内部与外部观测数据相结合，从而可以更好的进行总结。

1 变形监测数据的处理

以所测的变形数据作为基础，绘制与之相对的曲线是一种简单且有效的数据处理方法，对于所绘制的曲线，专业人员可以对其进行分析、总结。如果我们把变形观测数据与影响因子相结合，并对其进行多元回归分析以及逐步回归计算，这样就可以求得变形与显著性因子两者之间的函数关系，不仅可以作为物理解释，还可以进行今后建筑物的变形预报。

如果只是对变形观测数据单项处理有2种方法：

1)以灰色系统理论进行建模。主要处理的是具有小数据量的时间序列，其所用的方法是对现有的数据采用累加生成法，使之转化为生成数列，所以说这种方法的优点在于减弱随机性、增加规律性。

2)以时间序列分析理论进行建模。

主要是处理变形观测量中的时间序列，例如在对建筑物位移的监测中，通过建立一个与之相对的灰微分方程，就可以分析出建筑物的变形趋势，此种方法不仅可分性很好而且还有其他4项优点：①可以同时进行推估、平滑以及滤波；②此模型是一个理想的动态模型；③可以将平稳相关时序转化为独立的平衡时序；④模型参数聚集了系统输出的特征和状态。

如果将变形建筑物整体视为一个动态的系统，观测值视为这个系统的输出，那么可以通过卡尔曼滤波模型对此系统进行精确、准确的描述。动态系统的描述是由两方面共同完成的，即观测方程与状态方程，监测点所在的位置、其变化的速度以及所具有的速率参数，这些因素相互结合，共同建立了一个理想、完善的运动模型。运用卡尔曼滤波模型其优点在于无需保留使用过的观测值，而是采用一定的递推算法，这样就可以将参数估计与预报这两者快速、有效的相结合起来[1]。

如果变形监测时间序列具有周期性变化的特点，那么可以应用Fourior对其进行相应的转变，即将时域内包含的信息通过一定的方法转换到频域内，进而对其分析、研究。在某一时间下记录的数值信号其意义可以体现为由许多和不同频率的谐波分量的总和，而通过计算每个谐波频率所具有的振幅，最大振幅以及与之相对应的主频率等，可以间接的推算出变形周期性变化所具有的规律。

2 变形的几何信息与物理解释

在传统意义上，对变形观测数据的分析与处理有两种，即变形的几何分析、变形的物理解释。在几何分析中其特点是能够直接的体现出变形的空间以及时间特性，其内容主要有以下3个方面：

1)选用模型的初步检测。

2)模型参数的估计以及统计的检验。

3)最佳模型的确定。

变形的物理解释其作用体现在可以明确的描述出变形与产生这种变形的因素两者之间的关系，一般情况下采用两种方法，即统计分析法、确定函数法。

统计分析法当中包含有多个方面。例如多元回归分析、时间序列频域法中所用到的动态影像分析等等。

统计分析法中最重要的条件是所用的资料必须是实测的，实测的资料越详细、丰富，那么所得到得结果就越加的可靠，而且还可以具有“后验”的作用。

这种方法的运用与几何分析有着密切的联系，是测量人员比较喜欢且熟悉的方法。确定函数法是以变形建筑物的物理学参数作为基础，从而建立一个力与变形两者之间的微分方程，如果边界条件是确定的，那么通过有限元的方法求出一个微分方程，就可以得到变形建筑物上有限元节点的变形。此种方法所具有的特点是对于监测数据并不是特别需要，且还具有“先验”的性质。如果在有限元上划分的合理，并且对观测建筑物的物理学参数选取选择的较为精确，那么此种方法无疑是一种快捷、省力的方法。

在现实生活中建筑物物理学参数以及微分方程的确定都含有一定的假设性，所以说在有限元法计算出的结果常常与实测的数值并不相符，真对此种情况，相应的产生了应用两种方法结合的分析方法，以及反演分析法。

3 变形分析以及预报的系统论方法

以现代系统论作为有效的指导从而进行变形的分析以及预报是现阶段一个重要的研究课题。变形体并不止具有单一的因素，它是具有复杂的黑箱或灰箱式的结构模式，它是开放性的，而且还体现出一种随机性，这种随机性所包含的因素有多种，即包括外界因素中的不确定性，也包括对初始状态的敏感性等等。

按照系统论的方法，对建筑物的变形通常采用两种方法进行研究：

1)以输入—输出模型进行建模。此方法是针对黑箱或是灰箱而进行建模的，灰色系统建模、时序分析等都属于此建模法。

2)以动力学方程进行浸没。在方法上它与物理解释中提到的确定函数法在某种程度上有着一定的相似，是以运动物体所体现出的物理规律为基础，通过一定的方式建立微分方程，以此来精确的描绘出这个系统的运动演化。

对建立的动力方程的解算方法，是在对体统的变形以及受力有着充分了解的基础上，用相对简单的可以解析的模型来模拟物体变形的过程，此模型解算出的成果与现实状态相比较是基本符合的。

在系统论的方法中，其核心表现在对动力学方程解的分析与研究，因此在此过程中引入了大量的与动力系统相关的概念，这些引进的感念都与变形分析与预报有着极为密切的联系，它们包括相体积、相轨线、状态空间等等。

综上所述，变形监测在现实生活中发挥着重要的作用，可以有效的对建筑物进行监测与预报，而变形监测并不是一项简单的工作，它蕴含着方方面面的东西，需要我们在不断的探索与研究中，让其更好的为人类社会服务。

[1]刘娟.浅谈工程测量发展的几个问题[J].山西建筑，2008(03)： 366-367.

1007-7596(2014)12-0171-02

2014-03-10

于思博(1986-)，男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师。

P258

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