线状工程变形监测数据自动处理软件研制

张广东，熊剑，刘雄

(1.武汉市勘察设计有限公司，湖北 武汉 430022； 2.湖南省第三测绘院，湖南 长沙 410007)

1 引 言

工程构建筑物在施工和运营期间，由于受到自身或外部因素的影响，会出现不同程度的变形，如果变形量超过一定限度，建筑物的正常使用将会受到影响，严重时还会影响建筑物的安全，给社会和人民带来巨大损失[1]。为了及时准确地掌握工程的变形情况，了解监测对象当前的安全状态，并对未来变化趋势进行合理预测，需由专人对每个监测项目进行周期性的观测[2]。传统变形监测数据处理以手工处理为主，从原始观测文件中提取有效数据，在Excel中制作报表，编辑相应公式以达到计算目的，并且以这种形式对监测数据以及监测结果进行存储[3]。这样的数据处理方式以及数据管理模式不仅对监测人员专业素养要求较高，而且数据管理水平低下，工作量大，监测报告结果容易出错，信息反馈速度慢[4]。这些弊端在当今大型变形监测项目中显露无遗，也越来越难以满足变形监测要求。相对于普通工程，线状工程的特点是测区狭长[5，6]，工程中心线曲线变化，监测人员在处理水平位移数据时，更关注的是某一方向如横断面方向的位移量，而且希望能直观获取整体变形情况，但是传统数据处理方式无法满足该要求。因此，结合线状工程特点，构建以数据库为基础，集原始监测数据提取、存储、管理、计算、分析、曲线绘制和报表生成于一体的数据自动处理软件是很有必要的。

2 软件框架与数据库设计

2.1 软件总体架构设计

本文研制变形监测数据处理软件主要包括对原始监测数据提取、数据计算和分析、变化曲线绘制以及成果报表生成等。软件总体框架及功能模块如图1所示。

图1 软件的基本框架与功能模块

2.2 数据库设计

根据监测数据周期性观测和监测点相对固定的特点，将各项监测内容分别存储于三张表中：“点位信息表”、“监测数据表”和“附加信息表”。以位移观测数据为例，某监测对象的水平位移监测项目包含三张表，分别为位移点位信息、位移观测数据、位移附加信息。

表1位移点位信息表用于存储该监测项目中所有位移点相关信息。

位移点位信息 表1

表2位移观测数据用于存储监测数据以及相应处理后数据。表1与表2通过“点号”进行关联。

位移观测数据 表2

位移附加信息表用于记录每次监测信息。表2与表3通过“观测时间”进行关联。

位移附加信息 表3

3 数据处理

3.1 水平位移数据处理

位移监测结果分析时，通常我们需要的不是X或Y的增量，而是某一特征方向上的变化量，为解决该问题，工程中常用的一种方法是通过自定义坐标系以使得X或Y的增量即为所需方向上的位移量。例如在基坑监测中，基坑形状一般作近似矩形处理，以X轴平行于基坑主轴线建立坐标系，该边上点Y增量用于表示位移量，而相邻垂直边上点X增量用于表示位移量。但是该方法存在一定的局限性，只有当监测对象较为规则时才适用，若是线状工程则要分段建立坐标系，不仅不准确，而且不利于数据管理。

相较于X和Y的增量，线状工程中我们更为关注的是横断面方向上的位移量。而线状工程形状在较短距离内可视为直线，但是整体而言一般存在一定弯曲，自定义坐标系方法较难适用于线状工程。而在Excel中编辑公式计算横断面方向位移量则较为烦琐且容易出错。因此用数据库管理数据，利用程序进行数据计算是很有必要的。

图2 横断面方向位移量计算示意图

位移数据处理中，主要需要计算“位移观测数据”表中的“本次横向变化量”“累计横向变化量”“变化速率”“deltaX”和“deltaY”。具体计算方式见下式(1)～式(4)。

(1)

式(1)中X、Y为本次监测值，X0、Y0为该点上次监测值，位移增量△X、△Y对应表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对应表2中“累计横向变化量”，∑S0为该点上次“累计横向变化量”；式(4)t为本次观测时间，t0表示上次观测时间(其中t-t0单位为“天”)，VS表示位移变化速率。

3.2 沉降数据处理

沉降数据处理的重点体现在如何从原始监测文件中提取高程值[7]，限于篇幅本文暂不讨论数据提取部分。沉降数据处理主要需要计算本次沉降量、累计沉降量以及沉降变化速率。

4 软件实现方案

线状工程变形监测数据处理软件以Access数据库为基础[8]，在Visual Studio 2010平台上调用Word、Excel和Chart等相关组件进行相应数据提取、存储、计算和输出，软件主界面如图3所示。

其中Access数据库主要是对监测过程中的所有不同类型数据进行记录、管理，作为一个存储容器，为数据查询和统计、曲线绘制以及报表生成提供保障[9]。

Chart是Visual Studio 2010自带的一个绘图控件，能够方便地为用户实现各种曲线图的绘制，同时提供众多的接口便于用户对绘制好的图形进行编辑。Word和Excel用于生成相关监测报告和报表。

图3软件主界面

5 工程实例

本文研制的变形监测数据处理软件在武汉市东湖通道监测项目中进行了长期测试，取得了理想的效果。图4～图7展示了软件数据录入、数据查询和统计以及曲线绘制等基本功能，图8为单点沉降曲线图。

图4水平位移数据录入

图5 数据查询和统计

图6 单点水平位移曲线图

图7 围堰整体水平位移曲线图

图8 单点沉降曲线图

数据录入不仅仅是提取原始监测数据，而且能够按照坐标对点名进行匹配，自动校对、修改监测点名以保证数据的正确性(图4中红色部分即表示点号记录错误)。

数据查询是帮助监测人员了解各监测点一段时间内监测点次、累计变化量和变化速率等信息，掌握该段时间内变形情况。数据统计则是对一段时间内超过预警值监测点的统计，从而达到对本段时间变形情况掌握的目的。

单点曲线图的绘制是以监测时间为横轴，位移量或位移速率作为纵轴进行曲线绘制。可以分别或同时绘制位移曲线图和位移速率图。除此之外可以在同一Chart上绘制多点位移曲线图，以便数据整体比较。

传统整体曲线图只是简单地对多个单点图在同一个画布中进行叠加[10]，虽然能够比直观体现出单个监测点的变化情况，但是对于监测物整体变形情况仍然不够直观便捷。因此利用线状工程特点，以里程为横坐标，将各点某一时间段位移量绘制出来，能够较为直观地反映监测物体整体位移情况，突出变形大的区域，以利于及时采取应对措施。

6 结 语

基于线状工程变形特点研发了线状工程变形监测数据处理软件。以Access数据库为基础，在Visual Studio 2010平台上实现了直接对原始数据提取、存储、管理、计算、数据分析、多种曲线绘制和成果报表自动输出等功能，可以为监测项目施工提供快速、准确和形象直观的图像及报表等监测数据分析成果，满足工程监测数据快速处理、反馈的需要。该软件目前已用于多个不同类型监测项目，在普通工程和线状工程监测项目中发挥较好功效，而且随着工程经验的积累，将逐步完善和改进软件各模块功能，同时也将扩展软件应用范围，使其能够应用于更多不同类型的变形监测项目中。