CN117889824A - 一种结构沉降变形监测方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构沉降变形监测方法、装置、设备及存储介质，属于变形监测技术领域，包括：沿监测区域等间距水平布设若干倾角传感器；实时采集各个监测点位倾角传感器的倾角值，并按照点位顺序排列成倾角序列；对倾角序列进行单调区域划分；计算每个监测点位对应倾角的斜率；对每个单调区域中所有监测点位的倾角斜率进行拟合，得到斜率拟合曲线；然后积分得到各个单调区域的沉降曲线函数；根据沉降曲线函数结果评估监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势。本发明通过联合各个监测点位的倾角传感数据进行沉降曲线求解，根据曲线结果评估出该监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势，提供了更加直观的结构物沉降形变结果。
Description
技术领域
本发明涉及结构变形监测领域，具体涉及一种结构沉降变形监测方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
形变监测对交通基础设施的安全性评估是至关重要的。通过监测结构的倾斜、沉降等情况，可以实现对结构行为的了解和控制，确保结构的安全和可靠运行。
目前常用的方法是采用高精度水准仪、全站仪、GNSS（全球导航卫星系统）、嵌入式传感器等方式对监测点位进行测量，通过比较测量数据的变化来评估结构的沉降变形情况。但对于一些软土路基或桥梁，在长期载荷作用下，会缓慢的发生形变弯曲。若采用上述方法进行监测，一方面是费时费力，另一方面只能得到每个单点的监测数据，不能直观了解整体的形变趋势。
现有技术中，专利CN114088052A公开了基于监测数据拟合曲线导数的建筑结构沉降变形预测方法，其技术方案为：一种基于监测数据拟合曲线导数的建筑结构沉降变形预测方法，该预测方法的结构沉降模型包括“沉降-时间”预测拟合方程f(t)和“截面-变形”拟合方程g(x)，然后分别对拟合方程f(t)和拟合方程g(x)求一阶导数。其中，对于预测拟合方程f(t)的一阶导数，倒数逼近0表示土地进入固结阶段，相邻点的导数差分值超过阈值表示变形不协调，预测结构有开裂。
上述方案利用采集到的变形监测数据，通过数学模型预测建筑结构的沉降变形发展趋势，在建立数学模型的过程中，使用多点位的时间-沉降数据拟合得到沉降-时间拟合曲线，再通过预测拟合方程f(t)的一阶导数来表征建筑结构变形情况。然而，在实际工程监测过程中，是很难通过低成本的方法获得实时且相对准确的沉降值的，并且，该专利中布置的若干沉降变形监测传感器很难监测出极为缓慢的沉降位移。
发明内容
本发明旨在解决交通基础设施变形沉降监测方案中的不足，提出了一种结构沉降变形监测方法，该方法通过在监测区域布设多个MEMS倾角传感器，联合各个监测点位的倾角数据进行沉降曲线求解，根据曲线结果评估出该监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势，为工程师和研究人员提供了更加直观的结构物沉降形变展示，方便预测未来的沉降趋势，评估结构物的稳定性和安全性。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种基于多点倾角传感数据的结构沉降变形监测方法，包括如下步骤：
沿监测区域以等间距水平布设若干倾角传感器，形成监测点位；
实时采集各个监测点位倾角传感器的倾角值，并按照点位顺序排列成倾角序列；
对获得的倾角序列按照倾角值的变化趋势进行单调区域划分；
设定每个点位的监测倾角为该点正切线与水平面的夹角，以此计算每个监测点位倾角对应的斜率；
对每个单调区域中所有监测点位的倾角斜率进行拟合，得到斜率拟合曲线；
对斜率拟合曲线积分得到各个单调区域的沉降曲线函数；
根据沉降曲线函数结果评估监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势。
进一步的，在某一实施例中，所述的对获得的倾角序列按照倾角值的变化趋势进行单调区域划分中，划分区域按照倾角的单调性共分为三种类型：单调递增、单调递减、无变化；单调递增定义为：；单调递减定义为：/>；无变化定义为：/>；其中，/>表示角度阈值，/>表示第/>个监测点位的倾角，表示第/>个监测点位的倾角。
所述的对每个单调区域中所有监测点位的倾角斜率进行拟合，得到斜率拟合曲线包括：
设定拟合曲线模型为一次多项式；
采用最小二乘法对每个单调区域内倾角斜率进行拟合参数求解，记为；
可得第个单调区域/>的斜率拟合曲线方程为：/>，其中，/>表示点位相对起始监测点位的距离。
进一步的，在某一实施例中，假设在第/>个监测点位到第/>个监测点位呈单调变化，/>，则拟合参数/>按照下式求解：
；
；
；
其中，表示第/>个监测点位倾角值对应的正切值。
进一步的，在某一实施例中，所述的对斜率拟合曲线积分得到各个单调区域的沉降曲线函数如下：
；
其中，为常数，利用边界条件求解。
进一步的，在某一实施例中，所述的边界条件为：
对于个倾角区域/>，第/>个倾角区域的最后一个倾角点位与第/>个倾角区域的第一个倾角点位一致，称该点为连接点，根据连接点沉降值一致性原理，有：
，/>；
其中，表示表示第/>个单调区域所包含的点位个数，/>表示布设间距，为连接点序号，/>为连接点相对起始监测点位的距离；将这一边界条件带入沉降曲线函数中求出常数/>。
本发明还提供了一种基于多点倾角传感数据的结构沉降变形监测装置，应用于结构的沉降变形监测，包括：
沿监测区域等间距水平布设的若干倾角传感器，初始布置时，两两监测点位之间的地表呈一条水平直线；
通信网络，与各个倾角传感器连接，用于收集倾角传感器检测到的点位倾角数据并发送给处理平台；
处理平台，用于联合各个监测点位的倾角数据进行沉降曲线求解，根据曲线结果评估出该监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势；所述处理平台包括：
倾角排序模块，用于将各个监测点位倾角传感器的倾角值按照点位顺序排列成倾角序列；
单调区域划分模块，用于对获得的倾角序列按照倾角值的变化趋势进行单调区域划分；
倾角斜率计算模块，用于计算每个监测点位的倾角斜率；
斜率曲线拟合模块，用于对每个单调区域中所有监测点位的倾角斜率进行拟合，得到斜率拟合曲线；
沉降曲线函数获取模块，对斜率拟合曲线积分得到各个单调区域的沉降曲线函数；
沉降值获取模块，用于获取沉降曲线中的最小值，即为每个单调区域的沉降值。
本发明还提供了一种基于多点倾角传感数据的结构沉降变形监测设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述多点倾角沉降变形监测方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的多点倾角沉降变形监测方法的步骤。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明通过在监测区域布设多个MEMS倾角传感器，联合各个监测点位的倾角数据进行沉降曲线求解，根据曲线结果可以评估出该监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势，从而便于预测未来的沉降趋势，为结构物的稳定性和安全性提供参考；
2、本发明根据监测点位倾角的变化趋势，根据单调性分成若干段，每段分别求解曲线，得到的位置-沉降曲线可以直观反映整个监测区域的形变趋势，从而为工程师和研究人员提供了更加直观的结构物沉降形变展示。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的沉降曲线；
图2为本发明实施例2中试验1所得的沉降曲线；
图3为本发明实施例2中试验2所得的沉降曲线；
图4为本发明实施例2中试验3所得的沉降曲线；
图5为本发明实施例2中试验4所得的沉降曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。此外，术语“ 包括”和“ 具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的其他步骤或单元。
实施例1
本发明提供了一种基于多点倾角传感数据的结构沉降变形监测方法，通过在监测区域布设多个MEMS倾角传感器，联合各个监测点位的倾角数据进行沉降曲线求解，根据曲线结果评估出该监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势。从而为工程师和研究人员提供了更加直观的结构物沉降形变展示，预测未来的沉降趋势，评估结构物的稳定性和安全性。
该方法的实施操作步骤如下：
首先，将 MEMS倾角传感器以长度等间距水平布设于各监测点位，传感器与监测点位刚性连接，点位布设个数共/>个，设定初始状态下，两两监测点位之间的地表呈一条水平直线，倾角传感器的初始角度与水平线的夹角为0。
步骤一、传感器实时采集各个监测点位的倾角值，记为 ，/>，并按照监测点位的排布顺序排列。
例如：一监测区域以长5m布设了8个监测点位，某一时刻下的监测倾角序列为:
。
步骤二、对步骤一获得的倾角序列按照倾角值的变化类型进行单调区域划分，记为，/>，其中，/>表示倾角区域划分个数。
划分区域按照倾角值的单调性共分为3种类型：单调递增、单调递减、无变化。
单调递增定义为：；单调递减定义为：/>；无变化定义为：/>；其中，/>表示角度阈值，/>表示第/>个监测点位的倾角,表示第/>个监测点位的倾角。
假设，则可将步骤一所得的倾角序列划分为3个区域：
；
；
。
步骤三、倾角斜率计算。
设定每个点位的监测倾角为该点正切线与水平面的夹角。根据曲线上斜率与倾角的关系，可得每个倾角的斜率为。在曲线函数中，斜率是原函数的导数，则有：
。
对于上述倾角区域，离散导函数分别为：
，/>；
，/>，/>，，/>，/>；
，/>。
其中，、/>、/>中的下标表示区域序号，分别表示步骤二对示例划分的区域1、2、3。
步骤四、斜率曲线拟合。
由于倾角区域已按照单调性划分，倾角与斜率呈正相关，故设定拟合曲线模型为一次多项式。采用最小二乘法对区域内倾角斜率进行拟合参数求解，记为。
参数和/>的具体计算公式为：
假设在第/>个监测点位到第/>个监测点位呈单调变化，/>，则：
；
；
；
其中，表示第/>个监测点位倾角值对应的正切值。
可得区域的斜率拟合曲线方程为：/>，其中/>表示点位相对整个监测区域起始监测点位的距离。上述例子中，三段倾角区域的斜率拟合曲线分别为：
；
步骤五、对斜率拟合曲线积分，获取沉降曲线函数。
，/>为常数。
步骤六、连接点沉降值计算。
连接点定义为：对于个倾角区域/>，第/>个倾角区域的最后一个倾角点位与第/>个倾角区域的第一个倾角点位一致，则称该点为连接点。在上述示例中，/>和/>对应的点位为连接点，相对点位距离以起始监测点位计算，分别为/>和/>。
特别地，设定虚拟基准监测点位为0号监测点位，该点位的沉降值始终为0，则有：
；
根据连接点沉降值一致性原理，有：
，/>；
式中，表示表示第/>个单调区域所包含的点位个数，/>表示布设间距，为连接点序号，/>为连接点相对起始监测点位的距离；
将这一边界条件带入步骤五所示的沉降曲线函数中，则可求出常数。至此可得出所有单调倾角区域的沉降曲线函数。
上述例子中，三段倾角区域的斜率拟合曲线分别为：
；
步骤七、沉降值计算，记为。
整个监测区域的沉降值为沉降曲线中的最小值，即：
；
在上述示例中，三段区域的最小值分别为-0.144m，-0.506m，-0.192m，因此该监测区域的沉降量为-0.506m。
最终上述例子所对应的沉降预测曲线如图1所示，其中圆点表示监测点位的倾角值，五角星表示该监测区域的最大沉降值。
实施例2
为了验证本发明一种基于MEMS传感器的多点倾角沉降监测方法，在实验室搭建曲线进行沉降模拟以间距L为50cm进行点位监测，采用倾角仪对每个监测点位进行倾角值的测量，共进行了4组试验。下面为具体的试验结果。
表1 沉降计算结果对比
由表1中数据可知，本发明的多倾角沉降曲线模型计算的沉降值与实际沉降值的绝对误差范围在±1cm，最大绝对误差为-0.98cm，最小绝对误差在-0.16cm，侧面说明了本发明根据多点倾角得到沉降曲线的准确性，从而验证了本发明的多点倾角沉降曲线模型的正确性。
4组试验对应的沉降预测曲线如图2至图5所示，其中圆点表示监测点位的倾角值，五角星表示该监测区域的最大沉降值。
实施例3
相应于上面的方法实施例，本实施例提供了一种基于多点倾角传感数据的结构沉降变形监测装置，应用于结构的变形沉降监测，包括：
沿监测区域等间距水平布设的若干倾角传感器，初始布置时，两两监测点位之间的地表呈一条水平直线；
通信网络，与各个倾角传感器连接，用于收集倾角传感器检测到的点位倾角数据并发送给处理平台；本实施例中的通信网络可以采用无线传输网络如WIFI、4G等，将采集到的传感数据上传至处理平台。
处理平台，用于多点倾角传感数据的处理，联合各个监测点位的倾角数据进行沉降曲线求解，并根据曲线结果评估出该监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势；具体可参照实施例1中方法步骤二至步骤六的内容。本实施例中，处理平台包括：
倾角排序模块，用于将各个监测点位倾角传感器的倾角值，并按照点位顺序排列成倾角序列；
单调区域划分模块，用于对获得的倾角序列按照倾角值的变化趋势进行单调区域划分；
倾角斜率计算模块，用于计算每个监测点位的倾角斜率；
斜率曲线拟合模块，用于对每个单调区域中所有监测点位的倾角斜率进行拟合，得到斜率拟合曲线；
沉降曲线函数获取模块，对斜率拟合曲线积分得到各个单调区域的沉降曲线函数；
沉降值获取模块，用于获取沉降曲线中的最小值，即为每个单调区域的沉降值。
基于上述装置，本发明可以实现多点倾角传感数据的实时获取，并联合各个监测点位的倾角数据进行沉降曲线求解，根据曲线结果评估出该监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势，从而为工程师和研究人员提供了更加直观的结构物沉降形变展示，预测未来的沉降趋势，评估结构物的稳定性和安全性。
实施例4
相应于上面的方法实施例，本实施例提供了一种基于多点倾角数据的结构沉降变形监测设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述实施例所述的基于多点倾角数据的结构沉降变形监测方法的步骤。
优选地，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述装置中的执行过程。
处理器可以是中央处理单元，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现成可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，通用处理器可以是微处理器，或者所述处理器也可以是任何常规的处理器，所述处理器是所述装置的控制中心，利用各种接口和线路连接所述装置的各个部分。
存储器主要包括程序存储区和数据存储区，其中，程序存储区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等，数据存储区可存储相关数据等。此外，所述存储器可以是高速随机存取存储器，还可以是非易失性存储器，例如插接式硬盘，智能存储卡、安全数字卡和闪存卡等，或所述存储器也可以是其他易失性固态存储器件。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例所述的基于多点倾角数据的结构沉降变形监测方法的步骤。
计算机存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种结构沉降变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
沿监测区域以等间距水平布设若干倾角传感器，每个倾角传感器对应一个监测点位；
实时采集各个监测点位倾角传感器的倾角值，并按照点位顺序排列成倾角序列；
对获得的倾角序列按照倾角值的变化趋势进行单调区域划分；
设定每个点位的监测倾角为该点位正切线与水平面的夹角，以此计算每个监测点位倾角对应的斜率；
对每个单调区域中所有监测点位的倾角斜率进行拟合，得到斜率拟合曲线；
对斜率拟合曲线积分得到各个单调区域的沉降曲线函数；
根据沉降曲线函数结果评估监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势。
2.根据权利要求1所述的一种结构沉降变形监测方法，其特征在于，所述的对获得的倾角序列按照倾角值的变化趋势进行单调区域划分中，划分区域按照倾角的单调性共分为三种类型：单调递增、单调递减、无变化；单调递增定义为： ；单调递减定义为：/>；无变化定义为：/>；其中，/>表示角度阈值，/>表示第/>个监测点位的倾角，/>表示第/>个监测点位的倾角。
3.根据权利要求1所述的一种结构沉降变形监测方法，其特征在于，所述的对每个单调区域中所有监测点位的倾角斜率进行拟合，得到斜率拟合曲线包括：
设定拟合曲线模型为一次多项式；
采用最小二乘法对每个单调区域内倾角斜率进行拟合参数求解，记为；
可得第个单调区域/>的斜率拟合曲线方程为：/>，其中，/>表示点位相对起始监测点位的距离。
4.根据权利要求3所述的一种结构沉降变形监测方法，其特征在于，假设在第/>个监测点位到第/>个监测点位呈单调变化，/>，/>为总的监测点位个数，则拟合参数/>按照下式求解：
；
；
；
其中，表示第/>个监测点位倾角值对应的正切值。
5.根据权利要求3或4所述的一种结构沉降变形监测方法，其特征在于，所述的对斜率拟合曲线积分得到各个单调区域的沉降曲线函数如下：
，
其中，为常数，利用边界条件求解。
6.根据权利要求5所述的一种结构沉降变形监测方法，其特征在于，所述的边界条件为：
对于个倾角区域/>，第/>个倾角区域的最后一个倾角点位与第/>个倾角区域的第一个倾角点位一致，称该点位为连接点，根据连接点沉降值一致性原理，有：
，/>；
其中，表示第/>个单调区域所包含的点位个数，/>表示布设间距，为连接点序号，/>为连接点相对起始监测点位的距离；将这一边界条件带入沉降曲线函数中求出常数/>。
7.一种结构沉降变形监测装置，应用于结构的沉降变形监测，包括：
沿监测区域等间距水平布设的若干倾角传感器，初始布置时，两两监测点位之间的地表呈一条水平直线；
通信网络，与各个倾角传感器连接，用于收集倾角传感器检测到的点位倾角数据并发送给处理平台，
处理平台，用于处理多点倾角传感数据，联合各个监测点位的倾角数据进行沉降曲线求解，根据曲线结果评估出该监测区域是否发生沉降以及相应的形变趋势；所述处理平台包括：
倾角排序模块，用于将各个监测点位倾角传感器的倾角值按照点位顺序排列成倾角序列；
单调区域划分模块，用于对获得的倾角序列按照倾角值的变化趋势进行单调区域划分；
倾角斜率计算模块，用于计算每个监测点位的倾角斜率；
斜率曲线拟合模块，用于对每个单调区域中所有监测点位的倾角斜率进行拟合，得到斜率拟合曲线；
沉降曲线函数获取模块，对斜率拟合曲线积分得到各个单调区域的沉降曲线函数；
沉降值获取模块，用于获取沉降曲线中的最小值，即为每个单调区域的沉降值。
8.一种结构沉降变形监测设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的一种结构沉降变形监测方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的一种结构沉降变形监测方法的步骤。
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