裴孟德

上海建科檢驗有限公司 上海 201108

傳統(tǒng)沉降觀測，由專業(yè)測量人員逐站（逐點）觀測，雖然精度上滿足沉降觀測的要求，但仍然存在以下問題：①監(jiān)測頻率低，做不到實時監(jiān)測；②受人員通行限制、地形通視、氣候條件等影響，特定條件下存在人工沉降觀測無法實施的情況；③人工觀測效率低，人力成本較高。

在成本、精度、時效、可行性等方面，傳統(tǒng)的人工沉降觀測方法與新興的自動化沉降觀測手段相比逐漸失去優(yōu)勢。采用自動化方法，或自動化與人工觀測相結(jié)合進行沉降觀測，已經(jīng)成為一種趨勢。

鑒于傳統(tǒng)人工沉降觀測方法的一些不足，建立一套具有良好精度和時效性、合理成本的自動化沉降觀測系統(tǒng)，已顯得較為迫切。自動化采集的硬件設(shè)備已經(jīng)比較成熟，開發(fā)與自動化沉降觀測系統(tǒng)配套、準確可靠的數(shù)據(jù)處理軟件是重中之重[1]。

1 自動化沉降觀測原理

自動化沉降觀測一般采用安裝傳感器采集數(shù)據(jù)的方法來實現(xiàn)，一般情況下多采用靜力水準儀形成沉降觀測系統(tǒng)。

靜力水準儀是由液位傳感器及儲液罐組成，各個儲液罐之間可以由連通管連接。基準罐設(shè)置在穩(wěn)定的工作基點上，其他儲液罐布設(shè)于標高大致相同的不同被測位置，當(dāng)被測位置處儲液罐相對于基準罐發(fā)生升降時，將引起該罐內(nèi)液面的上升或下降。通過測量液位的變化，可以得到被測點相對工作基點的升降變形。靜力水準系統(tǒng)主要由以下元件組成：靜力水準儀傳感器、靜力水準儀儲液罐、靜力水準儀支架、靜力水準儀通液管、浮子等。

圖1 靜力水準觀測系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)的靜力水準儀采用機械原理，利用浮子的沉浮反應(yīng)液面的變化；也有新型的靜力水準儀采用超聲波傳感器測量液面的變化。

2 自動化沉降觀測數(shù)據(jù)處理的難點

自動化沉降觀測多采用靜力水準自動化監(jiān)測系統(tǒng)，高頻次采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率一般可高至1min/次或更高。高頻采集的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)中必然會因為振動、外界偶然荷載等客觀因素產(chǎn)生少量異常數(shù)據(jù)。這些隨機出現(xiàn)的少量異常數(shù)據(jù)，對于人工數(shù)據(jù)處理來說已經(jīng)是海量，必須采用軟件程序進行異常數(shù)據(jù)剔除。

除了振動、外界偶然荷載等因素會產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)，精力水準傳感器工作區(qū)域溫度隨晝夜溫差的類周期性變化，也會導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的失真，需要進行修正[2]。

如何處理海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對上述引起監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差的因素進行剔除和修正處理，提供準確可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，是自動化沉降觀測的難點。

3 自動化沉降觀測數(shù)據(jù)處理算法

在自動化監(jiān)測的過程中由于傳感器本身、電源電路及外界環(huán)境的影響，所測得數(shù)據(jù)不可避免會疊加一些噪聲和溫度干擾，因此數(shù)據(jù)處理平臺需要內(nèi)置一些濾波算法對數(shù)據(jù)進行智能處理，提升信噪比、修正溫度影響。具體可以采用的數(shù)據(jù)處理算法有：

3.1 算數(shù)平均法

算數(shù)平均濾波法，把連續(xù)N 個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)，再把隊列中的N 個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算，作為本次采樣的結(jié)果，這種濾波可以去除疊加在低頻信號上的高頻噪聲[3]。

3.2 數(shù)字濾波器法

對于高頻信號，應(yīng)當(dāng)根據(jù)信號具體頻率，選用如巴特沃茲、切比雪夫等多階數(shù)字濾波器，對信號進行處理。濾波器的截止頻率、插入損耗等參數(shù)需設(shè)置合理，確保在降低噪聲幅度的情況下，不影響真實信號。

3.3 限幅濾波法

對于自動化觀測過程中常常出現(xiàn)的因偶然因素而引起的脈沖干擾，可以采用限幅濾波法，即根據(jù)經(jīng)驗預(yù)設(shè)兩次采樣之間允許的最大偏差閾值。每次檢測到新值時進行判斷，如果本次值與上次值之差小于該閾值，則本次值有效；如果大于該閾值，則本次值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值。如果連續(xù)多次都大于閾值時，才確認該值真實有效，更新上次采樣值。

3.4 3σ 準則法

高頻次自動化監(jiān)測中會收到海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中必然會產(chǎn)生一定比例的異常數(shù)據(jù)。針對異常數(shù)據(jù)采用3σ 準則法剔除，即統(tǒng)計單日監(jiān)測數(shù)據(jù)均值為μ、標準偏差為σ，單個測量數(shù)據(jù)的偏差超過3σ 時，可認定該測量數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)剔除后，對剩余數(shù)據(jù)繼續(xù)求數(shù)據(jù)值偏差和標準偏差，直至各偏差小于3σ 為止。

3.5 移動平均法

高頻次自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)是由真實值和隨機噪聲組成的，為了消除噪聲干擾、獲取真實值，需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行平滑處理?？梢圆捎靡苿悠骄?，即從數(shù)據(jù)中逐項推進，分別計算含有N 項數(shù)據(jù)的均值，并采用移動平均值來代替原有數(shù)值，以此消除隨機波動，得到數(shù)據(jù)的變化趨勢。

3.6 溫度補償法

流體密度與沉降量值的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，達到沉降測試的目的。而在日常監(jiān)測過程中，晝夜溫差必然會流體的體積造成一定影響，從而影響沉降監(jiān)測精度。對溫度數(shù)據(jù)進行處理是為了消除溫度對儀器監(jiān)測的影響。通過溫度過濾算法，減少溫差對沉降變形的影響，對高度進行溫度補償后，使得測量數(shù)據(jù)波動幅度明顯減小。

靜力水準傳感器中可以設(shè)置溫度補償?shù)碾娐吩O(shè)計，避免環(huán)境溫度的影響。

3.7 自動化沉降觀測數(shù)據(jù)處理示例

從多項數(shù)理統(tǒng)計模型和數(shù)據(jù)處理措施入手，在自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件中實現(xiàn)了對異常數(shù)據(jù)的處理和修正優(yōu)化，示例如圖2、3。

4 結(jié)語

自動化沉降觀測系統(tǒng)在硬件上具有高分辨率、高精度、響應(yīng)時間快等優(yōu)點；配套開發(fā)與自動化沉降觀測系統(tǒng)相匹配的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)意義重大，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)必須準確可靠，配套數(shù)據(jù)處理軟件還應(yīng)具有數(shù)據(jù)篩查、統(tǒng)計、分析、維護、發(fā)布以及報警預(yù)警等功能?？蓮亩囗棓?shù)理統(tǒng)計模型和硬件處理措施入手，在自動化監(jiān)測軟件中實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的處理和優(yōu)化[4-5]。

圖2 靜力水準測量原始數(shù)據(jù)

圖3 靜力水準測量濾波、溫度修正后數(shù)據(jù)