基于灰色系统理论的建筑物变形分析研究精.docx
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基于灰色系统理论的建筑物变形分析研究精
桂林工学院
硕士学位论文
基于灰色系统理论的建筑物变形分析研究
姓名：
田海涛
申请学位级别：
硕士
专业：
大地测量学与测量工程
指导教师：
陈伟清
20080401
桂林工学院硕士学位论文
摘要
随着社会经济的高速发展，高大建筑不断涌现，人类对自然灾害的防治和预报的要求也越来越高，变形观测的研究日益重要。
近些年来，全球定位系统（ＧＰＳ）、甚长基线干涉测量（ＶＬＢＩ）、差分雷达干涉测量（ＩｎＳＡＲ）等先进科技的良好应用都使变形观测技术取得了极大进步。
灰色系统理论是邓聚龙教授上世纪８０年代初提出的一种少数据处理理论，经过２０多年的研究和发展，在理论和应用上都取得了突破性进展，广泛应用于众多领域，带动产生了一批新兴交叉学科，为社会带来了显著效益，推进了科技的发展。
灰色系统理论在工程上最早应用于大坝形变监测，在建筑物变形分析中的应用尚显不足。
本文简述了变形观测的目的、方法和现状与发展等内容，梳理了灰色系统理论的基本知识，介绍了灰色建模的原理和方法，以实际工程的观测数据为背景资料，通过大量计算和分析详细讨论了单变量一阶灰色模型（ＧＭ（Ｉ，１）），并深入分析了残差灰色组合模型和时序残差灰色模型：
针对变形可能遇到的缺失个别周期观测数据的情况，详细论述了几种非等间隔灰色模型的建模方法；最后通过实例着重论述了符合建筑变形特点的多变量灰色模型ＭＧＭ（Ｉ，ｎ），并提出了建立多点模型与单点模型结合分析的方案。
利用ＭＡＴＬＡＢ软件对涉及的各种模型进行了编程，以辅助计算。
全文共分五章：
第一章概述变形观测的相关知识；第二章对灰色系统理论的知识点进行梳理，详述灰色关联分析；论述建立灰色模型并进行预测的理论和方法，为后面的探讨和分析做好准备；第三章通过大量计算，分析单变量一阶灰色模型ＧＭ（Ｉ，１）、残差灰色组合模型（ｑ－ＧＭ（Ｉ，１））、时序残差灰色模型以及适用于变形观测缺失数据情况的非等间隔灰色模型，第四章基于建筑物的变形观测特点重点分析了多变量灰色模型ＭＧＭ（Ｉ柚，通过分析得出了结论：
最后一章结论对全文做出总结。
本文关于灰色模型的分析和研究，主要面向建筑物变形观测，所涉及的模型都与建筑物的变形分析联系紧密，对于单个变形点，ＧＭ（Ｉ，１）模型、残差灰色组合模型或时序残差模型都能达到较高精度，遇到缺失某些周期观测值的情况可建立非等间隔灰色模型。
考虑到建筑物某些点关联性较强，建立ＭＧＭ（Ｉ’ｎ）模型与单点模型结合分析更为科学。
通过本文的研究，巩固了灰色建模和预测的方法，完善了建筑物变形分析理论，提高了灰色系统理论的实用性，所建立的ＭＧＭ（Ｉ，ｎ）模型也得到了满意的结果，所提出的单点建模与多点建模组合分析的方案具有很深的研究意义。
关键词：
变形观测；ＧＭ（Ｉ，１）；残差灰色模型；时序残差模型；非等间隔灰色模型；ＭＧＭ（Ｉ，ｎ）模型。
桂林工学院硕士学位论文
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
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桂林工学院硕士学位论文ａｎａｌｙｓｉｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅｇｒｅｙｍｏｄｅｌ
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ａｌｓｏｂｅｅｎａｎａｌｙｓｉｓ，ｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｇｒｅｙｓｙｓｔｅｍｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄｈａｓｓａｔｉｓｆｉｅｄ谢ｔｈｔｈｅｏｕｔｃｏｍｅｏｆｔｈｅＭＧＭ（１，ｎ）ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｉｎｔｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉ—ｐｏｉｎｔｍｏｄｅｌｔｏａｎａｌｙｚｅｏｆｈａｓｄｅｅｐｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
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桂林工学院．硕士学位论文研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明
独创性声明
本人声明：
所呈交的论文是我个人在陈伟清教授指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。
学位论文作者（签字）：
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签字日期：
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版权使用授权说明
本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：
按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下。
学校可以公布论文的部分或全部内容。
（保密论文在解密后遵守此规定）
学位论文作者（签字）：
指导教师签字：
俐岛随，
签字日期：
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桂林工学院硕士学位论文
第１章绪论
１．１变形观测概述
１．１．１变形观测简介
变形是指变形体在各种荷载作用下发生的形状、大小、位置等时间域和空间域中的变化，它在自然界中是普遍存在的，按照唯物主义辩证法的观点，世界上一切物质都是运动的，运动是绝对的，静止是相对的，因此可以说是“无处不变形，无时不变形＂。
发生变形不奇怪，只要变形不超过一定范围就是合理的，但是如果变形程度太大，就很可能对变形体或周边环境造成破坏。
自然界及人类社会中因变形产生的灾害现象非常多，比如山体滑坡、地震、大坝裂缝、桥梁或其它建筑物的坍塌等等。
变形观测，就是利用测量仪器与专用仪器和方法对变形体在运动空间和时间域内发生的变形现象，运用大地测量等技术方法进行监视观测的工作，其主要任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小和位置发生变化的空间状态和时间特征。
变形观测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段【ＩＪ。
随着现代测绘技术的进步及人类社会发展的要求，所监测的变形体的范围也在不断拓展，大到地球甚至是地外星球，小到一栋工程建筑物的块体，根据参考文献［１】的介绍，可以按照变形体的范围将变形观测分为三类：
１．全球性变形观测，比如全球板块移动监测、地极移动监测，地球自转速率变化观测等等。
２．区域性变形观测，例如地壳变形观测，大面积城市地表沉降观测等等。
３．局部性变形观测，例如各种工程建筑物的沉降观测、大坝的三维变形观测、矿区内因地下开采引起的地表下沉、滑坡体的滑动监测等等。
当今社会高速发展，城市化建设大规模兴起，各种高大建筑物、工业设施及其它一些特殊建筑体不断出现，对建筑物进行变形观测就日益成为与人类社会关系最紧密最直接的工作之一。
根据文献［１ｌｌ，建筑物的变形可以分为三类：
天然建筑物变形，人工采动变形和综合性变形。
天然建筑物变形是指由于地球内力如地震、沉降等引起的建筑物变形；人工采动变形主要指地下采矿造成的变形；综合性变形是指各种不确定性原因引起的变形。
随着时代进步及科技的发展，对建筑物的观测研究日益深入，其结果将直接影响人类的生活质量及生命安全。
桂林工学院硕士学位论文
１．１．２变形观测的目的与意义
随着科技的飞速进步和经济的高速发展，人类对自然的改造、利用与和谐相处的能力在不断增强。
但是环境和灾害仍然制约着社会的前进，甚至影响着人类的安全，比如２００４年１２月震惊世界的印度洋海啸，波及亚洲数个国家，造成几十万人丧命；再比如我国２００７年１２月山西洪洞矿区塌方事故，遇难矿工达１０５人，举国震惊。
各种事故和灾难事件虽然有些是外界原因，有些是自身安全措施不足造成的，但都给人类敲响了警钟——科学的发展尚不能满足对灾难的预测和控制！
人类对大型建筑及不良地质地段的安全监测研究较早，积累了丰富的经验，例如１９８５年三峡大滑坡的准确预报挽救了１１０００多人的生命；当然也付出过深刻教训，例如１９６３年意大利Ｖａｊａｕｔ拱坝大滑坡造成３０００多人死亡。
长期的经验与教训使人们认识到了安全监测的重要，它可以对建筑物的安全运营进行诊断，及时发现质量隐患，向管理决策者提供信息，及时进行分析并采取措施，对下一步处理提供重要参考，预防事故的发生。
近些年来我国的大中型城市不断大规模兴建各类建筑物，特别是高层建筑大量出现，这对变形观测技术也提出了更高的要求。
工程建筑物在施工和运营期间受多种主观和客观因素的影响会产生变形，变形超出规定限度就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及安全，给社会和人民生活带来巨大损失。
工程建筑物在施工与运营期间的监测主要包括垂直位移观测和水平位移观测，对特殊建筑物还需要作挠度、倾斜度及裂缝观测。
简要概括其工作有以下三种【２Ｊ：
１．在建筑物施工和运营期间对其进行监测，确定变形大小并预测变形趋势及其对建筑物安全的影响，目的是保证建筑物的安全，即安全监测。
２．由于地基组成成分复杂、土力学对实验数据的依赖性很大，因此需要在各地对大量不同基础形式的建筑物进行监测，为今后的设计积累资料，作为验证设计方法和修改、制定设计方案的依据。
３．为了对某种新结构、新材料的性能做出科学客观的评价，需要在较短的时间内，借助外力使建筑物产生变形，以取得科学依据。
科学、准确、及时的分析和预报工程建筑物的变形对工程建筑物的施工和运营管理极为重要，变形观测涉及到测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机科学等许多学科，是一项跨学科的研究，而且还在向边缘学科的方向发展，已经成为测量工作者和其他学科专家合作研究的交叉领域。
变形观测的目的不仅仅是描述各种地球动力学现象和对自然、人工建筑物的稳定性和变形状态进行监测，还要对其所发生变形的机理进行分析和解释，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，并建立正确的预报变形的理论和方法。
简言之，变形观测工作的意义表现为实际需要和科学研究两方面。
实际需要上的意义２
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是掌握各种建筑和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施：
科学研究上的意义是理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动假说，进行反馈设计并建立有效的变形预报模型【ｌ】。
１．１．３变形观测的研究内容
变形体的变形状态和变形量一般用变形体上离散特征点（观测点）的位移状态和位移量来描述。
静态变形指变形体的变形无明显趋势且变形很缓慢，变形量是时间函数。
动态变形指目标点存在着明显的运动速度且有一定的加速度，只涉及运动状态，不涉及引起运动的作用力。
动态变形不仅要研究观测点的运动状态，而且要研究引起这种运动的作用力和作用机理。
根据专业文献［１】的介绍可将变形观测的研究分为三类：
第一，研究地极移动、地球旋转速度的变化以及地壳板块运动的全球性变形，通过现代空间测量技术测定；
第二，研究地壳板块内的变形状态和板块交界处地壳相对运动的区域性变形，前者一般通过定期复测控制网获得，后者需建立专门的监测网进行监测：
第三，研究工程建筑物的沉陷、水平位移、挠度和倾斜，滑坡体的滑动，以及采矿、采油和抽取地下水等人为因素造成的局部性变形。
近些年人类对变形观测的重要性有了深刻认识，在监测地区布设了监测网进行大量的周期性观测，积累了大量的变形观测数据。
但是对这些观测数据和资料的分析和利用还不很完善。
由于数据自身所包含的形变信息通常不能明显获得，所以必须对变形观测的资料做仔细分析以探寻监测方案的不足并判断精度是否合适，对监测系统提出指导。
因此正确分析和处理监测数据、建立合理的变形模型是十分重要的，通常建立正确的动态变形模型需处理好三个问题【ｚＪ：
１．数据分析：
对原始观测数据进行详细分析，评定其质量并进行平差、粗差和系统误差的检定与剔除改正，以及进行变形量的有效估计，获得变形体随时间动态变化的变形序列（时间序列），通过时间序列蕴含的信息进一步进行分析。
２．建立模型：
变形体的变形是一种不确定性现象，这是因为一方面自然环境因素、人工因素、地质条件等综合作用导致变形现象自身不确定，另一方面虽然变形技术和手段不断进步，但获取数据资料的方法仍然是离散的、受时空限制的，在此基础上描述、模拟和研究连续复杂的动态变形及其现象，自然带有不确定性。
对于这种不确定性的研究必须根据实际情况寻找合适的建模方法。
３．信息关联分析：
变形观测受观测仪器、观测条件和观测时间的限制获取信息或多或少，但是变形监测网所形成的点与点之间、序列与序列之间却存在某种关联，对于所观测的数据和建立的模型应当考虑到时间序列的时空关联性。
３
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总之，变形观测研究的内容所涉及的理论和方法主要包括：
变形信息的获取、变形信息的分析与解释以及对变形进行预报。
１．２变形观测技术
１．２．１变形观测方法
变形观测所采取的方法要根据变形体的特征、观测目的等相关因素进行选择，而且观测的技术方法与测量手段和仪器的发展息息相关。
随着不断实用化的高新技术的出现和发展，在沿用传统测量方法的基础上，变形观测的技术手段变得更加灵活和简单，精度也越来越高。
第一，针对范围最大的全球性变形观测工作及各种的地球动力学现象的物理解释，以及未来对地外星球的探索研究工作，空间大地测量是最基本最适用的技术，它包括全球定位系统（ＧＰＳ）、卫星激光测距（ＳＬＲ）、激光测月皿ＬＲ）和卫星重力探测技术、甚长基线干涉测量（ＶＬＢＩ）、双向无线电卫星定位等手段。
第二，区域性的变形观测工作如板块边界地壳运动的监测以及板块内小范围活动断裂带和火山活动区的监测，主要采用ＧＰＳ方法。
密集的ＧＰＳ阵列无需人工到达现场即可全程、自动连续监测，且精度极高。
此外近年来发展起来的空间对地观测遥感新技术——合成孔径雷达干涉测量（ＩＮＳＡＲＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ），在监测地震变形、地面沉降、山体滑坡等众多领域中的实验结果已达相当高的精度（毫米级），非常具有潜力，有人断言这种方法是构建全球ＤＥＭ的最佳方法【１２】。
高精度高程信息的获取依然是精密水准测量方法。
第三，局部性的变形观测主要是测量变形体空间三维几何形态的变化，一般使用常规测量仪器和摄影测量设备，这种测量手段技术成熟，通用性好，精度高，能提供变形体整体的变形信息，但野外工作量大，不容易实现连续监测【２】。
局部性变形观测按变形体的空间位置又可分为外部监测和内部监测，外部监测以大地测量为主，小尺度的施测ＧＰＳ技术也显示出很广阔的应用前景。
随着各种新型仪器和技术的发展，测量全自动化不断加强，外部监测的能力在不断提高。
内部监测主要是利用各种专用仪器对变形体内部的应变、温度、孔隙压力等项目进行观测，这种测量容易实现连续自动监测、长距离遥控遥测，精度高，但只能提供内部变形信息【１３Ｊ。
变形观测的数据获取虽然可采用不同手段，但在数据处理时必须将外、内部资料结合分析，尤其是大型工程建筑的变形分析，要充分将各种监测手段有机结合起来。
点、线、面立体交叉式的变形观测方法正在发展之中。
建筑物的变形观测属于局部变形观测，主要采用常规地面测量方法，即使用常规测量仪器测定角度、边长和高程的变化来测定变形，它们是传统测量的主要方法，现今全站仪的普及已经淘汰了传统的经纬仪和测距仪，尤其是全自动跟踪全站仪（也称测量机器人）４
桂林工学院硕士学位论文
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的出现标志着常规地面测量方法的显著进步。
此外近几年发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量为摄影测量技术的应用开拓了广阔前景，使摄影测量方法越来越广泛的应用于大型工程建筑物的变形观测中。
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１．２．２变形观测数据处理方法
人类对工程建筑变形观测的研究起步较早，上世纪６０年代关于变形观测的数学模型的探讨使工程建筑物的变形观测得到较大发展，目前各国对变形观测数据处理都有比较深入的研究，形成了许多成熟的理论体系，如线性回归法、趋势分析法、时间序列法、人工神经网络模型等等。
除了多种变形数学模型的广泛应用外，系统论、控制论、运筹学等科学的理论思想也逐步引进，数据分析和处理的工作在不断向纵深发
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