地铁施工沉降监测与预报系统设计与实现
2015-03-20
1前言
在地铁施工过程中，变形监测为工程质量、施工进度和人身安全提供了重要的保证，就现阶段而言，在地铁施工过程中，由于监测项目多，数据格式多，监测数据接触人员多，存在诸多对监测数据管理的混乱问题；同时，在监测数据也存在数据共享不及时，监测数据预报不及时等问题，尤其是监测数据的短期预测精度有限，对未来形变趋势无法做出准确判断，很大程度上影响施工安全。因此，设计一个集数据处理，管理和预测分析于一体的系统显得十分重要。
2 系统需求
2.1系统功能需求
系统的主要功能就是对数据的进行短期、准确的预测，这是系统的核心功能；系统还应实现对数据的录入（包括手动录入和导入已有文件）、数据存储（建立专门的数据文件）、数据处理（包括对数据进行粗差检验、危险值预警、平差等）、生成监测报表（建立数据的日报、周报等并附有工程信息）、生成沉降曲线图（包括沉降速率图和累积沉降图）、实现简易的监测点位图（相对点位图）等功能。
2.2 系统性能需求
(1) 系统稳定性高，应能在正常情况下，保证系统所有功能都能正常使用；在非正常情况下，尽可能保证部分功能正常使用；
(2) 系统对电脑硬件要求低，在施工现场上任何硬件水平的电脑上都能运行，使系统具有广泛的硬件适用性；
(3) 系统对计算机系统软件要求低，在施工现场并不能所有电脑都安装了VC2008++等基础支持性软件，因此，系统必须具有良好的兼容性。
(4) 系统应具有一定安全性，由于系统内部可能载有国家保密级数据，因此应能避免操作系统漏洞给本系统造成影响。
3 系统总体设计
按照上文所说的需求分析和总体设计，“地铁施工阶段沉降监测与预报系统”将是一个界面友好、简单易操作、能够生成图形化，同时又能够显示相对点位，基于这些需求，本文在综合考虑了所有的编程语言后，相对比而言，C#语言和Matlab语言以及使用ArcGIS Engine的相关模块能够符合系统需求。
“地铁施工阶段沉降监测与预报系统”是一个全方位、流程化的数据处理系统，为满足设计要求，系统将主要包括：数据管理、数据分析与计算、数据预测三大部分，从原始数据导入（录入）为开始，数据分析与预测为过程，生成监测数据报表为终止，其中包含数据建档、粗差剔除、简易平差、危险值警示、各种沉降数据示意图、累积沉降曲线图等功能。
4 系统主要模块设计
系统主要分为三个模块：数据管理、数据分析与计算、数据预测。
4.1 数据管理模块设计
数据管理做为数据的载体，贯穿于整个系统之中，通过施工测量员提供的资料和意见，针对数据管理模块具体化， 其流程包括数据录入、建立数据档案、数据分析以及生成最后的监测报表。
4.2 数据分析与计算模块设计
数据分析与计算是“地铁施工沉降监测与预报系统”的重要组成部分，数据分析能力的强弱决定系统的实际应用等级水平，这个模块包含计算和分析，沉降监测数据的计算可以通过简单的计算机语言编写，其目的是根据相应的规范求出精度评定的相关参数；而分析则主要体现在粗差剔除的方法上，根据一期的沉降数据的数据量，对粗差剔除的理论方法宜采用格拉布斯准则进行判别，并警示显示。
4.3 数据预测模块设计
数据预测模块是“地铁施工沉降监测与预报系统”的核心部分，数据预测精度的高低决定着下一步的施工，在很大程度上左右工程进度，因此，数据预测模块要求主要有两个：首先，算法预测精度高，能够保障施工技术要求；其次，程序对数据质量要求要低，任何数据类型、数据量大小，都能准确预测。由于地铁施工阶段，工期紧张，因此，短期对数据预测能力要求较高，对长期数据预测能够保障总体趋势即可。
在导入的原始数据通过数据分析计算后，首先利用时间序列分析模型分析，使数据的特性能够识别在时间序列当中，通过自相关函数和偏相关函数，确定时间序列分析模型的参数，通过对残差的对比分析，选择适当的小波基，利用分层阈值小波去噪，消去噪声，最后使用指数平滑法对数据实现预测，并生成预测曲线和计算出预测值。
5地铁施工沉降监测与预报系统功能实现
5.1系统主界面及数据管理模块的实现
该系统的登录界面，用户通过输入账号、密码方可登录成功，密码和账号为授权方授予，除此之外无权限修改，并且账号、密码实行二级授权，低等级授权能够使用大部分系统功能，高等级授权能够使用包括数据修改等全部功能。输入账号、密码后，点击“登录”按钮，系统将进入主界面。
在系统的数据录入方面，其方式有两种：一是通过仪器生成的数据文件，比如excel格式、dat格式等；另一种是手动录入数据，这种方式适用于现场人为记录数据，现场计算的状况。
5.2数据处理实现
数据处理模块是“地铁施工沉降监测与预报系统”的重要组成部分，为此，在系统中创建“数据管理”模块，实现粗差剔除、平差计算、收敛测量计算等常用、实用的功能。
这里以粗差剔除为例，做简要说明。
粗差探测是数据处理很重要的一个步骤，较大的粗差能够影响数据以及之后的平差精度，并且能够在数据预测降低预测精度，因此必须将粗差探测，并选择剔除掉。在上文中，我们提到粗差剔除的四种方法，沉降监测数据多集中在30期到100期数据，因此，本文选择格罗布斯准则，并且能够起到较好的效果。选定监测点，单击“粗差剔除”，如有粗差，数据底色将为红色，如果超出安全施工的每日警戒值，底色见为黄色。
5.3图形绘制实现
在“数据操作区”下方的选项卡中，除了“基本信息”还有“数值分析”，里面可以选择多种绘制多种曲线示意图，曲线类型大致分为3种：累计沉降曲线、沉降示意曲线以及监测点点位图，要说明的是收敛监测也属于单一变量的，其预测方式及方法与沉降监测一致。
6 小结
本文实现“地铁施工沉降监测与预报”系统的所有功能，并为每一个模块设计了相应的界面，实现了各模块间、开发语言间的数据传递；通过计算机语言的编写，实现了数据计算、粗差探测计等功能，尤其是在数据预测方面，将前文实验分析的结果实现在系统之中，使研究实现了实际应用的价值。
