第7章-监测资料的整编与分析

第7章监测资料的整编与分析主要内容•监测资料的整编•监测资料的分析•监测数据的预处理7.1监测资料的整编概述•变形观测资料处理工作的主要内容包括两个方面：资料整编和资料分析。•对观测资料进行汇集、审核、整理、编排，使之集中、系统化、规格化和图表化，并刊印成册称为观测资料的整编。其目的是便于应用分析，向需用单位提供资料和归档保存。•观测资料整编，通常是在平时对资料已有计算、校核甚至分析的基础上，按规定及时对整编年份内的所有观测资料进行整编。•对工程及有关的各项观测资料进行综合性的定性和定量分析，找出变化规律及发展趋势称为观测资料分析。•其目的是对工程建筑物的工作状态做出评估、判断和预测，达到有效地监视建筑物安全运行的目的。•观测资料应随观测、随分析,以便发现问题,及时处理。•观测资料分析是根据建筑物设计理论、施工经验和有关的基本理论和专业知识进行的。•观测资料分析成果可指导施工和运行，同时也是进行科学研究、验证和提高建筑物设计理论和施工技术的基本资料。一般规定•监测资料整编包括平时资料整理与定期资料编印。平时资料整理工作的主要内容（1）适时检查各观测项目原始观测数据和巡视检查记录的正确性、准确性和完整性。如有漏测、误读(记)或异常，应及时补(复)测、确认或更正。（2）及时进行各观测物理量的计(换)算，填写数据记录表格。（3）随时点绘观测物理量过程线图，考察和判断测值的变化趋势。如有异常，应及时分析原因，并备忘文字说明。原因不详或影响工程安全时，应及时上报主管部门。（4）随时整理巡视检查记录(含摄像资料)，补充或修正有关监测系统及观测设施的变动或检验、校(引)测情况，以及各种考证图、表等，确保资料的衔接与连续性。定期资料编印工作的主要内容（1）汇集工程的基本概况、监测系统布置和各项考证资料，以及各次巡检资料和有关报告、文件等。（2）在平时资料整理基础上，对整编时段内的各项观测物理量按时序进行列表统计和校对。此时如发现可疑数据，一般不宜删改，应加注说明，提醒读者注意。（3）绘制能表示各观测物理量在时间和空间上的分布特征图，以及有关因素的相关关系图。（4）分析各观测物理量的变化规律及其对工程安全的影响，并对影响工程安全的问题提出运行和处理意见。（5）对上述资料进行全面复核、汇编，并附以整编说明后，刊印成册，建档保存。采用计算机数据库系统进行资料存储和整编者，整编软件应具有数据录入、修改、查询，以及整编图、表的输出打印等功能。还应拷贝软盘备份。整编后的资料应包含如下内容•封面、目录、整编说明、工程概况、考证资料、巡视检查资料、观测资料、分析成果和封底。•封面内容应包括:工程名称、整编时段、卷册名称与编号、整编单位、刊印日期等。•整编说明应包括:本时段内的工程变化和运行概况，巡视检查和观测工作概况，资料的可信程度；观测设备的维修、检验、校测及更新改造情况，监测中发现的问题及其分析、处理情况，对工程管理运行的建议，以及整编工作的组织、人员等。•观测资料内容和编排顺序，一般可根据本工程的实有观测项目编印，每一项目中，统计表在前，整编图在后。•资料分析成果，主要是整编单位对本时段内各观测资料进行的常规性简单分析结果，包括分析内容和方法，得出的图、表和简要结论及建议。表7.1水平位移观测工作基点考证表编号型式规格埋设日期埋设位置基础情况测定日期高程（m）备注年月日X(m)Y(m)年月日表7.2水平位移量统计表观测日期历时测点编号及其累积水平位移量月日天P1P2…Pn…本年总量本年内特征值统计最大值测点号日期最小值测点号日期水平位移量较差备注1.水平位移正负号规定：向下游、向左岸为正；反之为负。2.本年总量为代数和。图7-1水平位移测值过程线整编资料的审查（1）完整性审查:整编资料的内容、项目、测次等是否齐全，各类图表的内容、规格、符号、单位，以及标注方式和编排顺序是否符合规定要求等。（2）连续性审查:各项观测资料整编的时间与前次整编是否衔接，整编图所选工程部位、测点及坐标系统等与历次整编是否一致。（3）合理性审查:各观测物理量的计(换)算和统计是否正确、合理，特征值数据有无遗漏、谬误，有关图件是否准确、清晰，以及工程性态变化是否符合一般规律等。（4）整编说明的审查:整编说明是否符合有关规定内容，尤其注重工程存在的问题、分析意见和处理措施等是否正确，以及需要说明的其他事项有无疏漏等。成果要求•正式刊印的整编资料应体例统一，图表完整，线条清晰，装帧美观，查阅方便。•一般不应有印刷错误。如发现印刷错误，必须补印勘误表装于印册目录后。监测数据的计算机管理•监测数据的管理方式可分为人工管理和计算机管理。•人工管理是指采用人工量测效应量，每个测次采集到的原始资料，按规定格式记录在一定的记簿中，对这些观测值在资料处理时经可靠性检验后按时序制表或点绘过程线图与相关图，再依靠监测人员的经验和直觉来进行原因量与效应量的相关分析和对过程线进行观察，据此作出判断，最后整理归档。•随着计算机电子技术的发展,变形监测的自动化水平有了很大提高。数据库管理系统已经发展成为一种较为成熟的技术，在变形监测资料管理中已得到应用，并将成为监测数据管理的主要方式。•数据库管理系统是用户的应用程序和数据库中数据间的一个接口。数据库管理系统包括描述数据库、建立数据库、使用数据库，对数据库进行维护的语言，系统运行、控制程序对数据库的运行进行管理和调度，以及对数据库生成、原始装入、统计、维护、故障排除等一系列的服务程序。数据库管理系统的功能（1）各种监测资料以及有关文件资料的存储、更新、增删、更改、检索和管理；（2）监测资料的处理；（3）监测资料的解释。基本要求(1)系统功能全面，运行可靠，使用简便，易于维护，有利于高效率地进行安全监测工作。(2)要求使用合理的机型和软、硬件配置，便于推广、扩展，在将来必要时，可与自动采集系统连接，实现联机实时的安全监测。图7-2监测资料管理系统逻辑结构7.2监测资料的分析概述•20世纪30～50年代，观测资料分析工作全部用人工进行。•60年代以来，逐步采用电子计算机辅助进行。•80年代初期，工业发达国家如美国、日本、意大利等都已实现观测数据处理自动化。•意大利在70年代末80年代初即已采用建模分析方法并实现了混凝土坝的在线安全控制，处于领先地位。•中国在50～60年代即已进行资料分析工作，主要用人工计算和点图。70年代后期，开始应用电子计算机。80年代中期主要用计算机辅助进行资料分析，并已开始研制安全监测专家系统。•监测资料的分析一般可分为定期分析和不定期分析。施工期资料分析•计算分析建筑物在施工期取得的观测资料，可为施工决策提供必要的依据。例如，为了安全施工，水中填土坝的填土速度控制和混凝土坝浇筑时的混凝土温度控制等，都需要有关观测成果作依据。•施工期资料分析也为施工质量的评估和工程运用的可能性提出论证。运营初期资料分析•从工程开始运用起，各项观测都需加强，并应及时计算分析观测资料，以查明建筑物承受实际荷载作用时的工作状态，保证建筑物的安全。•观测资料的分析成果，除作为运营初期安全控制依据外，还为工程验收及长期运用提供重要资料。运行期资料分析•应定期进行资料分析（例如大坝等水工建筑物每5年一次）,分析成果作为长期安全运行的科学依据，用以判断建筑物性态是否正常,评估其安全程度,制定维修加固方案，更新改造安全监测系统。•运行期资料分析是定期进行建筑物安全鉴定的必要资料。不定期分析•在有特殊需要时，才专门进行的分析称不定期分析。如遭遇洪水、地震后，建筑物发生了异常变化，甚至局部遭受破坏，就要进行不定期分析，据以判断建筑物的安全程度，并为制定修复加固方案提供科学依据。监测资料的检核（1）校核各项原始记录，检查各次变形值的计算是否有误。可通过不同方法的验算，不同人员的重复计算来消除监测资料中可能带有的错误。（2）原始资料的统计分析，可采用统计方法进行粗差检验。（3）原始实测值的逻辑分析。根据监测点的内在物理意义来分析原始实测值的可靠性。主要用于工程建筑物变形的原始实测值，一般进行一致性和相关性分析。资料分析方法•变形分析主要包括两方面内容：第一是对建筑物变形进行几何分析，即对建筑物的空间变化给出几何描述；第二是对建筑物变形进行物理解释。几何分析的成果是建筑物运营状态正确性判断的基础。•常用的分析方法有作图分析、统计分析、对比分析和建模分析。作图分析•通过绘制各观测物理量的过程线及特征原因量下的效应量过程线图，考察效应量随时间的变化规律和趋势，常用的是将观测资料按时间顺序绘制成过程线。•通过绘制各效应量的平面或剖面分布图，以考察效应量随空间的分布情况和特点。•通过绘制各效应量与原因量的相关图，以考察效应量的主要影响因素及其相关程度和变化规律。•这种方法简便、直观，特别适用于初步分析阶段。图7-5位移变化过程线0.01.02.03.04.05.06.07.01-102-103-104-105-106-107-108-109-1010-1011-1012-10日期位移（mm）图7-6多测点测值过程线图7-7某高层建筑基础沉降分布图统计分析•对各观测物理量历年的最大和最小值(含出现时间)、变幅、周期、年平均值及年变化率等进行统计、分析，以考察各观测量之间在数量变化方面是否具有一致性、合理性，以及它们的重现性和稳定性等。•这种方法具有定量的概念，使分析成果更具实用性。对比分析•比较各次巡视检查资料，定性考察建筑物外观异常现象的部位、变化规律和发展趋势；•比较同类效应量观测值的变化规律或发展趋势，是否具有一致性和合理性；•将监测成果与理论计算或模型试验成果相比较，观察其规律和趋势是否有一致性、合理性，并与工程的某些技术警戒值相比较，以判断工程的工作状态是否异常。建模分析•采用系统识别方法处理观测资料，建立数学模型，用以分离影响因素，研究观测物理量变化规律，进行实测值预报和实现安全控制。•常用数学模型有三种：①统计模型：主要以逐步回归计算方法处理实测资料建立的模型；②确定性模型：主要以有限元计算和最小二乘法处理实测资料建立的模型；③混合模型：一部分观测物理量（如温度）用统计模型，一部分观测物理量（如变形）用确定性模型。•这种方法能够定量分析，是长期观测资料进行系统分析的主要方法。7.3监测数据的预处理主要工作•监测物理量的转换•监测数据的粗差检查•系统误差的检验3σ准则对于观测数据序列12,,,Nxxx，描述该序列数据的变化特征为112()(2,3,,1)jjjjdxxxjN122NjjddN212()ˆ3NjdjddNˆjjdddq3jqjx若时，则认为是奇异值，应予以舍弃。统计检验法}{1321nyyyy，，，，ny假设以前的测值子样为：本次测值为：，则可求得样本的均值和方差为：)1/(nyYi)1/())((2'nYySi当KSYyn时，则认为测值无粗差，否则，认为测值异常。关联分析法AyBy2210BBAyayaay假设有测点Ａ与Ｂ，其观测值分别为与它们的关系可用下列多项式数学模型描述：用最小二乘法求得其估值，并可求出回归中误差Ｓ为：)3/()(2nSi利用该回归方程，就可以根据相邻测点的变形值，预计该相关测点的变形值，从而检核监测数据。在实际检验中，如异常测点的若干个关联测点在时间、方向等方面都发现类似的异常情况，则认为测值异常是由结构变化引起的，否则，认为异常是由监测因素引起的。系统误差检验•在监测数据中，除了存在偶然误差和可能含有粗差外，还有可能存在系统误差。•在有些情况下，观测值误差中的系统误差占有相当大的比例，对这些系统误差若不加恰当的处理，势必要影响监测成果的质量，对建筑物的安全评判也将产生不利的影响。•系统误差产生的原因主要有监测仪器老化、基准点的蠕变等，它虽对结构的安全不产生影响，但对资料分析结果有一定的影响。•目前，系统误差的检验方法主要有：U检验法、均方连差检验法和t检验法等。U检验法•将测值序列，特别是建筑物发生较大事件、监测系统更