王鐵松,馮俊領,王雪峰

(青島市公路管理局)

隨著經濟的快速發(fā)展,對各種大型工程的安全性能的提出了更高的要求,特別對橋梁工程、滑坡體地質災害、地鐵軌道交通工程、地基處理工程、水利水電工程、堤防、河港及航運樞紐工程、病險水庫除險加固等的安全監(jiān)測十分必要。眾所周知,這些大型工程結構物在施工和運營期間,由于受各種因素的影響,會產生變形,變形如果超出了規(guī)定的限度,就會影響工程的正常使用,嚴重時還會危及大型工程的安全,給社會和人民生活帶來巨大的損失。

繪制變形過程線是變形監(jiān)測中一個主要環(huán)節(jié),便于變形分析和變形預報。繪制變形過程線的方法有很多種,傳統(tǒng)的繪制方法大都使用AutoCAD和Excel來實現的,但這些方法存在以下缺點:(1)數據的處理與圖形的生成相分離。建筑物監(jiān)測數據的處理一般都用如PB、VB、VC等開發(fā)語言編制的程序進行處理;(2)對于每一個測點過程線的繪制都要在AutoCAD或者Excel中進行調用,工作效率低;(3)生成后的圖形格式不易更改,而且要生成“.Script”文件,必須對AutoCAD的命令很熟悉。此外,變形監(jiān)測需要處理大量的數據,因此選擇系統(tǒng)開發(fā)語言時,最好首先考慮選擇方便數據庫應用程序開發(fā)的工具,然后才顧及界面設計方面。而MATLBA是數據庫應用程序開發(fā)最有利的工具之一,在界面設計與圖形繪制的功能強大,另外通過對過程線圖的繪制,可以較好地反映出觀測資料的變化規(guī)律。

本文采用MATLAB軟件編輯程序來繪制變形過程線,主要研究時間與坐標的關系和坐標點之間的關系過程線,所繪制的過程線精度高,功能齊全容易分析和研究變形規(guī)律,方便快捷了解觀測值過程的規(guī)律性,使監(jiān)測系統(tǒng)的管理變得更為方便。

1 坐標隨時間變化過程線的繪制

安全監(jiān)測是診斷工程安全性態(tài)的有效措施,是在工程重點監(jiān)測部位安裝監(jiān)測儀器設備,通過監(jiān)測儀器設備反饋的數據校核設計參數、檢驗施工質量、反映工程安全狀況,為工程施工和運行提供安全決策依據。變形監(jiān)測,就是利用測量與專用儀器和方法對變形體的變形現象進行監(jiān)視觀測的工作。其任務是確定在各種荷載和外力作用下,變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時間特征。

變形過程線是指多次測量觀測點的坐標在坐標系中先后變化的連線。變形過程線反映的是變形有關因素與觀測點坐標的關系,如:時間過程線、位移過程線等。觀測點變形過程線可明顯地反映出變形的趨勢、規(guī)律和幅度,對于初步判斷建筑物的工作情況是否正常是非常有用的。

1.1 設計思想和方法

坐標隨時間變化過程線的設計要求:隨意給出一些點多次觀測的三維坐標,把這些點的坐標數據帶入到程序中,就能繪制出這些點的X、Y、Z坐標隨時間的變化過程線,即坐標系中相鄰觀測次數用線段相連并標記出數據點。

根據設計要求,結合MATLAB軟件的功能,該程序的設計思想和方法是:(1)雖然有很多點需要繪制變形過程線,但是一次是可以統(tǒng)計出來的,所以在以后的編寫里,點的個數都是個定值m,但觀測次數是未知的。(2)然后建立m個“.txt”文件,分別將這些觀測點的三維觀測坐標分別寫到這m個“.txt”文件中。(3)打開MATLAB,輸入這些數據;在不改變點結構和同一方向差值的情況下對這些數據進行簡化處理,即首先統(tǒng)計各點各方向觀測值的最小值,然后各方向分別減去各方向的最小值,這樣就得到多組新的數據。(4)確定坐標軸范圍,首先要統(tǒng)計觀測次數 n(即同一個點三維坐標數目),接著統(tǒng)計這個方向最大值與最小值,在不小于最大值和不大于最小值的原則下就可以確定出縱橫坐標軸的范圍。(5)因為一個坐標系中只有一條過程線,所以就以一個點一個方向為例具體說明下,確定完坐標軸范圍后,接著就一段的來寫t與x或y或z的函數關系式;(6)最后利用畫線和畫點命令執(zhí)行程序,就會輸出最后的變形過程線圖。

1.2 舉例說明

根據上面的設計要求和思想,采用MATLAB來處理某工程三個觀測點的不同時間觀測數據,繪制出坐標隨時間變化的過程線。具體的觀測數據見表 1。

表1 觀測數據 單位:mm

采用MATLAB來繪制出坐標隨時間變化的過程線,編制的程序主要應用了MATLAB以下幾種命令功能:(1)首先利用load命令,把數據帶入程序一數組內,但是數據必須要存放在“.txt”文件中,且在“work”文件夾下;(2)利用size命令,求數組的橫列數,即求得一個點的觀測次數;(3)利用min和max命令;求最大值與最小值;(4)利用subplot命令,平均劃分圖像窗口;(5)利用axis命令,限定坐標軸范圍,前兩個數是橫坐標軸范圍,后兩個是縱坐標軸范圍;(6)利用holdon命令,使多個圖形命令在同一坐標系內執(zhí)行;(7)利用for命令,執(zhí)行循環(huán)語句;(8)利用line命令,畫線段;(9)利用scatter命令,畫點;(10)利用title、xlabel和ylabel命令,標注圖形,title命令標注標題,xlabel與ylabel命令標注坐標軸。

采用MATLAB編寫的程序,把表1觀測數據處理后,在同一窗口繪制出的坐標隨時間變化的過程線圖如圖 1所示。由圖 1可以看出,如果同時在同一圖形窗口內繪制三個點坐標隨時間變化線,可對它們的變化進行相互的比較。

還可對同一觀測點的坐標隨時間變化過程線單獨繪制在一個窗口,如圖 2所示。圖 2所示坐標隨時間變化過程線比圖 1清晰,同時也可以對第一點三方向上的變化做個比較。

圖1 坐標隨時間變化過程線

圖2 第一點坐標隨時間變化過程線

2 位移矢量圖的繪制

2.1 設計要求與思想

這個過程的要求是隨意給出一些點多次觀測的三維坐標,把這些點的坐標數據帶入到程序中,最后在同一坐標系內分別繪制出這些點的位移矢量圖,即相同點多次觀測平面坐標依次用線段相連并標注每條過程線及其第一個觀測點。

根據設計要求,結合MATLAB的功能,本程序的設計思想是:和第 2節(jié)中一樣,首先觀測點數目是確定的,為定值m,如果很多,在同一坐標系內就要繪制出很多位移矢量過程線,很不清楚,一般四條左右就好,觀測次數仍然是未知的;然后建立m+1個“.txt”文件,分別把觀測點的平面坐標寫入這m個“.txt”文件,最后一個“.txt”文件寫入所以觀測點觀測坐標;打開MATLBA軟件,首先也要找最小值,進行數據壓縮,但這次是要找所以觀測點在同一方向上的最小值,這樣是為了保持這些點在平面上的機構不發(fā)生變化,然后坐標分別減去同一方向上的最小值;確定坐標軸范圍,分別求取所有觀測點在 X和Y方向上的最大值和最小值,在不大于最小值和不小于最大值的原則下合理確定坐標軸范圍;最后列出x、y的關系式,利用MATLAB的一些命令繪制位移矢量過程線。

2.2 舉例說明

根據上面的設計要求和思想,采用MATLAB來處理某工程三個觀測點的不同時間觀測數據,繪制出其位移矢量過程線線。具體的觀測數據見表 2。

表2 三點平面坐標 單位:mm

首先建立四個“.txt”文件,分別將三點的平面坐標寫入前三個“.txt”文件文件,第四個“.txt”文件里寫入三點的平面坐標,然后編寫程序命令。

采用MATLAB編制程序,來繪制在同一坐標系內分別繪制出這些點的位移矢量圖,本程序使用的命令基本和繪制出坐標隨時間變化的過程線圖的MATLAB程序基本一樣,但有兩處不同:①前兩個程序中橫坐標 t的取值隨i的增大也增大,所以 t在每一段的取值都是由小到大,但是本程序中橫坐標x的取值不是這樣的,由于A(i,1)與A((i+1), 1)的大小關系是不確定的,不能直接寫成x=A(i,1):A((i +1),1),所以就用到 if命令,首先對他們進行比較,然后確定x的取值順序。②text命令,文本標注,由于位移矢量過程線很多,為了區(qū)分它們就需要對它們進行標注,選取在過程線中點出標注。

在同一坐標系內分別繪制出這些點的位移矢量圖如 3所示,不但圖形清晰,而且方便快捷了解觀測值過程的規(guī)律性,使監(jiān)測系統(tǒng)的管理變得更為方便。

圖3 位移矢量圖

3 結 論

(1)采用MATLAB編制程序,對觀測數據繪制時間過程線、位移過程線圖,可以較好地反映出觀測資料的變化規(guī)律,快捷地了解測值過程的規(guī)律性,使監(jiān)測系統(tǒng)的管理變得更為方便。

(2)MATLAB繪制的變形過程線可直觀清楚地看出觀測點大致的變化規(guī)律,也可分析出它大致的變化曲線,這也為下一步的曲線擬合分析打下基礎。

[1] 黃聲享,尹暉,蔣征等.變形監(jiān)測數據處理[M].武漢:武漢大學出版社,2004.

[2] 王正林,劉明.精通MATLAB7[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2006.

[3] 孫彩敏.工程建筑物的變形觀測教學分析與設想[M].地礦測繪,2003,19(1):43-44.

[4] 黃萬里,石辛喜,王天祥.用 PB繪制建筑物安全監(jiān)測過程線[M].北京測繪,2002,15(2):38-41.