一种基于拟合反演的结构立柱倾斜监测方法、系统以及存储介质与流程

本发明涉及工程监测技术，具体涉及结构立柱倾斜度监测技术。

背景技术：

在建筑施工过程中，对结构立柱倾斜的实时精确测量对施工过程监测及运营阶段健康监测起到尤为关键的重要。

目前对结构立柱倾斜的监测测量技术一般都是基于挠度测量技术，然而传统挠度测量技术在实际应用过程中对仪器要求高、对计算要求高、对环境要求高，这大大影响了其实用性。

在此基础上人们也针对结构立柱倾斜的监测测量给出了多种方案，如：公开号cn208383141u的中国专利，公开了一种测量立柱倾斜度角尺，其包括一上部带长气泡、两侧具有刻度的水平尺与一带角度可调整的斜衬组成，与一台免棱镜测距的全站仪配合使用；

如公开号cn108088392a的中国专利，公开了一种科学技术研究用倾斜度测量装置，其通过设置挡板、激光测距仪等装置实现了对倾斜度的测量；

如公开号cn110595433a的中国专利，公开了一种基于双目视觉的输电杆塔倾斜的测量方法，其通过在双目相机标定后，根据对旋转、尺度缩放、亮度变化保持不变性的杆塔特征点计算其三维世界坐标，由三维坐标计算出杆塔倾斜角和倾斜方位角；

如公开号cn204832852u的中国专利，公开了一种基于物联网的结构倾斜监测装置，其由多个结构倾斜现场监测单元及结构倾斜远程监控端组成，每个结构倾斜现场监测单元包括多个倾角传感器、数据采集模块、数据传输模块和电源模块。所述的多个倾角传感器与数据采集模块连接，数据采集模块与数据通讯模块连接，倾角传感器用于感测倾斜角度并将感测到的倾斜数据上传给数据采集模块，数据采集模块与监控服务器通过数据传输模块连接，监控服务器与监控系统客户端通过互联网进行连接。

针对上述现有方案可知，其中1-3项方案虽然均公开了用来测量倾斜的装置或工具方法，但是这些方案都需要人工现场操作，无法自动实时监测立柱的倾斜数据；更加无法保证监测数据准确性。第4项方案提到了倾斜监测装置的物联网组网，但是该方法仅仅实现了数据采集传输，各传感器的数据相互独立，缺少立柱倾斜曲线的进一步计算和评估方法，无法保证最终监测数据准确性和针对性。

技术实现要素：

针对现有结构立柱倾斜的监测测量技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种新的结构立柱倾斜监测方案，其实施简单，测量精和测量计算效率高。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于拟合反演的结构立柱倾斜监测方法，该方法包括：

通过在待测结构立柱的一条母线上沿一定距离布置若干测量点；

对测量点的倾角变化量进行实时监测；

基于监测的数据计算待测结构立柱的倾斜侧移曲线，并据此确定柱顶位移。

进一步地，所述布置的测量点为倾角插值点。

进一步地，根据测量点的布置数量及所测结构立柱的边界条件，确定待测结构立柱的倾斜侧移曲线形式及曲线函数中的未知待定参数。

进一步地，所述方法中基于倾角拟合挠曲线的方法计算推定倾斜侧移曲线函数的未知参数，从而反演计算待测结构立柱的倾斜侧移曲线。

进一步地，所述方法中根据测量点的布置数量及所测对象边界条件，确定对应的倾斜侧移曲线函数拟合计算形成待测结构立柱的倾斜侧移曲线。

进一步地，所述方法基于待测结构立柱的柱脚无刚体位移，并以柱脚处作为倾斜侧移曲线的原点，以悬臂柱端部受集中荷载作用下的一元三次倾斜侧移函数作为基础进行泛化扩展，建立倾斜侧移曲线函数。

进一步地，针对所建立的倾斜侧移曲线函数形式，拟合倾斜侧移曲线函数的未知量系数，并计算其柱顶水平位移。

进一步地，若观测值数目≥待定参数的数目，则可直接进行待定参数拟合计算；若观测值数目＜待定参数的数目，则通过补充额外的约束条件后再进行待定参数拟合计算。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于拟合反演的结构立柱倾斜监测系统，所述结构立柱倾斜监测系统包括处理器以及处理程序，所述处理器可执行处理程序，以按照上述的结构立柱倾斜监测方法进行结构立柱倾斜监测。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，所述程序执行上述的结构立柱倾斜监测方法。

本发明提供的方案操作简单，计算效率非常高，可实现自动实时监测；同时本方案对现场条件包括视线通透、环境参考点等均无要求，有效解决了传统挠度测量对仪器要求高、对计算要求高、对环境要求高的技术问题。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例中结构立柱倾斜监测的流程示例图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实例，进一步阐述本发明。

本实例给出一种可对结构立柱倾斜进行实时高频次测量方案，本方案基于倾角拟合挠曲线的方法反演计算确定结构立柱的倾斜。本方案中，首先通过在结构立柱的一条母线上沿一定距离布置若干测量点；接着对测量点的倾角变化量进行实时监测，基于所选择的倾斜侧移曲线函数形式，确定曲线函数的未定参数，并输出柱顶位移。

这里的立柱母线是指在立柱表面选取的一条与立柱中心轴线平行的线。

再者，本实例中在立柱母线上布置测量点的距离，具体可根据实际需求而定，此处不加以限定。

本实例中针对每个测量点的测量，可利用任意可以采集倾角数据的传感器进行监测数据的采集和计算，作为举例，可以为但不仅限于倾角计和测斜仪等。

本结构立柱倾斜监测方案，操作简单，成本低，计算效率非常高，一经仪器安装完毕后即可自动实时监测，对现场条件包括视线通透、环境参考点等均无要求，解决了传统挠度测量对仪器要求高、对计算要求高、对环境要求高的技术问题。

本方案，其利用提前布设好的倾角传感器，在监测过程中可以实时自动计算结构立柱的倾斜，监测过程中全程无需人为干预，极大地提高了计算效。

再者，常见的传统的立柱倾斜测量方案包括：(1)基于固定的环境参考点，通过测量差值来实现倾斜测量，但是监测过程中现场往往难以保证该条件；(2)基于全站仪等光学坐标测量仪器，利用人工方式或半自动方式进行坐标测量，但是难以做到高频次的测量，并且该方式需要能够直接观测到监测的对象，需要视线通透的环境，不能有施工措施、装修或其它环境干扰。

故，本方案相对于的传统的立柱倾斜测量方案，对现场条件包括视线通透、环境参考点等均无要求，大大提高其实用性。

针对本实例给出的结构立柱倾斜监测方案，以下举例说明一下其具体实施过程。

基于上述技术原理，本方案在具体实施时，基于倾角拟合挠曲线的方法反演计算出结构立柱的倾斜侧移曲线，并据此计算输出其柱顶水平位移。这样能够解决传统的立柱倾斜测量耗时长、人工操作复杂、采集频率极低等问题，同时克服对操作空间、视觉空间等额外要求。

具体实现时，整个过程包括如下步骤(参见图1)：

s1，确定监测对象立柱的总高h；

s2，沿立柱母线方向选取m个插值测量点，每个测量点布置一个相应的倾角传感器，用来测量插值点处的倾角变化量。

由此形成的立柱倾斜监测模式中(即挠度监测模式)，各倾角传感器的布置位置即为倾角插值点，同时若干倾角传感器在立柱沿母线方向上按一定距离布置而形成相应的监测传感器组合，该监测传感器组合可对所有的倾角插值点进行同步的实时测量倾角变化量。整个过程，无需人为干预，可实现自动测量，无需环境固定参考点，且对环境通透、施工干扰等无额外要求。

这里还需要指出，本实例中所选用的倾角传感器包括但不限于倾角计、测斜仪，只要满足可以采集测量点处倾角变化量的传感器均可以作为使用仪器。由此可大大提高本方案的实用性。

s3，根据传感器布置数量及所测对象边界条件，选取对应的倾斜侧移曲线函数拟合计算方法。

具体的，本步骤中根据测量点的布置数量及所测结构立柱的边界条件，确定对应的倾斜侧移曲线函数的形式及函数中的未知待定参数，进而进一步通过步骤s4进行未知待定参数的拟合。

s4，拟合由步骤s3确定的倾斜侧移曲线函数的未知量系数，并计算其柱顶水平位移。

本实例优选基于最小二乘原理的方法进行拟合，但并不限于此，根据需要也可采用其它任何可行的方法进行拟合。

作为举例，本实例中将立柱倾斜造成的柱顶水平位移确定为测量目标柱顶位移绝对值与柱脚侧移量的差值。

据此本实例具体实现时，则可基于柱脚刚体位移为0，并以柱脚处作为倾斜侧移曲线的原点，以悬臂柱端部受集中荷载作用下的一元三次倾斜侧移函数作为基础进行泛化扩展，建立倾斜侧移曲线函数，其完整的表达式为：

z(x,t)＝a1(t)·x³+a2(t)·x²+a3(t)·x(1)

其中，x为沿立柱母线方向距柱脚原点的一维距离坐标；aj(t)(j＝1,2,3)为倾斜侧移曲线函数在t时刻测量的拟合系数；z(x,t)为t时刻x位置的位移值。

由此可见，本方案可很好的适用柱顶柱脚均有约束或只有柱脚刚接的立柱。

在此基础上，对公式(1)求导，得到倾斜侧移曲线各坐标点的倾角函数：

其中，θ(x,t)是由观测得到的，则在ta时刻，其函数可用观测值表(xi,θ(xi,ta))(i＝1,2,l,m)来表达；m为插值点的数量，即为传感器布置的数量；{aj(t)}j＝1,2,3是拟合待定参数。

接着，根据最小二乘法，将由观测值拟合倾角函数的问题可转化为求多元函数：

的极小值，其极值条件为：

其中，内积(·,·)表示为

由于线性无关，公式(4)和(5)表达了一组非奇异的线性方程组，通过求解该式，则可确定倾斜侧移曲线的待定参数{aj(t)}j＝1,2,3。

如此拟合函数符合监测对象的实际变形方式；再者，如此拟合函数，相应的拟合参数数量很少，函数形式为多项式，定参过程简便。

进一步的，针对上述的拟合计算方案，在具体实现时，基于不同挠度监测模式下的，将具有不同的拟合计算模式。

作为举例，对于3个及以上的传感器布置，观测值数目≥待定参数的数目(＝3)，满足拟合要求，可以基于上述方案直接进行待定参数拟合计算。

对于2个及以下的传感器布置，观测值数目＜待定参数的数目(＝3)，不满足拟合要求，则需要补充额外的约束条件：

case1：对于柱顶柱脚均有约束条件(如柱顶和柱脚均与结构其他部位相连，端部不能自由的变形)的情况：

(1)当传感器数目为2时，补充1个计算约束条件为：

a2(t)＝0(6)

本实例中通过补充如此计算约束条件能够最大限度的保持倾斜侧移曲线形式不变。

(2)当传感器数目为1时，假定立柱中部为反弯点，立柱曲线关于中点反对称，因此补充2个计算约束条件为：

且要求传感器尽可能布置在立柱h/4高度左右的位置。

这里补充的计算约束条件在公式(6)的基础上，假定立柱中部为反弯点，倾斜侧移曲线是以立柱中部作为拐点的函数，倾角曲线是以立柱中部为对称点的对称曲线。

case2，对于柱脚固接的悬臂柱，即柱脚位置受结构约束作用，不能发生侧向位移(倾斜侧移曲线函数值在此处为0)，也不能发生转动(倾角曲线函数值在此处为0)，此情况下：

(1)当传感器数目为2时，参考悬臂柱没有反弯点的特殊情况，补充1个计算约束条件为：

a3(t)＝0(8)

且要求传感器不要紧贴柱脚布置。

本实例中通过补充如此计算约束条件能够最大限度的保持倾斜侧移曲线形式不变。

(2)当传感器数目为1时，若悬臂柱为理想的一元3次曲线，补充2个约束条件为：

本实例中通过补充如此计算约束条件能够最大限度的保持倾斜侧移曲线形式不变。

在此基础上，根据公式(4)和(5)并辅以相应的附加约束条件，则可确定倾斜侧移函数z(x,t)的所有待定参数，即公式(1)。进一步，利用公式(10)即可计算ta时刻的立柱柱顶水平侧移为：

disp＝z(h,ta)(10)

进一步的，立柱倾斜率表达为：

针对前述基于倾角拟合挠曲线的方法反演计算出结构立柱的倾斜侧移曲线方案，本实例还给出了进一步的替换方案。

该替换方案中，当倾角传感器只有1个时，则基于立柱为刚体倾斜，具体确定其倾斜侧移函数表达为：

z(x,t)＝θ1(t)·x(12)

此时，柱顶水平位移为：

disp＝θ1(t)·h(13)。

如此设置，能够在传感器数量不足以及立柱侧移形式简单的情况下能够近似估计柱顶水平位移。

基于上述方案形成的基于拟合反演的结构立柱倾斜监测方法，在具体应用时，可直接搭建于现有的任何可进行倾角数据监测的监测系统中，实现基于拟合反演的结构立柱倾斜监测功能。

具体的，本实例针对上述的基于拟合反演的结构立柱倾斜监测方法，构成相应的软件程序，该软件程序执行上述的结构立柱倾斜监测方法，同时存储于相应的存储介质中，以供处理器调取执行。

由此，在系统的处理器调取并执行该软件程序时，将可实现按照上述的结构立柱倾斜监测方法进行结构立柱倾斜监测。

作为举例，以下通过一应用实例来说明一下本方案的应用实施过程。

本应用实例中，需要监测一立柱沿x方向的实时柱顶水平位移，立柱的高度为34.2m，柱顶和柱脚均有约束。

在此情况下，本实例沿立柱高度方向布置3个倾角计，每个传感器距离柱脚分别为2m、11.4m、34.2m。

在t时刻，各倾角计位置的倾角测量值分别为0.00041rad、0.00145rad、0.00226rad。

此时，将测量结果输入结构立柱倾斜监测系统中，结构立柱倾斜监测系统则将测量结果代入公式(4)中，可拟合出t时刻的曲线函数的系数序列为[-7.775e-07，7.0948e-05，1.355e-04]；进而利用公式(10)可以计算得到t时刻柱顶水平位移值为56.5mm。

t时刻时，若只布置2个倾角计，每个传感器距离柱脚分别为11.4m、34.2m。

此时，将测量结果输入结构立柱倾斜监测系统中，结构立柱倾斜监测系统则将测量结果代入公式(4)中，并依据公式(6)引入附加约束条件，可拟合出t时刻的曲线函数的系数序列为[2.5969e-07，0，1.34875e-03]，进而利用公式(10)可以计算得到t时刻柱顶水平位移值为56.5mm。

t时刻时，若只布置1个倾角计，传感器距离柱脚为11.4m。

此时，将测量结果输入结构立柱倾斜监测系统中，结构立柱倾斜监测系统则将测量结果代入公式(4)中，并依据公式(7)引入附加约束条件，可拟合出t时刻的曲线函数的系数序列为[1.7634e-231.45e-03]，进而利用公式(10)可以计算得到t时刻柱顶水平位移值为49.5mm。

由此可知，本实例给出的结构立柱倾斜实时高频次测量方案，其可用于施工过程监测及运营阶段健康监测；其可直接搭建于现有的任何可进行倾角数据监测的监测系统；而运行时可以一组倾角传感器的采集数据作为输入条件，经过相应的理论计算得到立柱的倾斜曲线，并可输出其柱顶水平位移。

另外，在具体实施时，相对于现有方案具有如下的技术特点：

1)本方案可用于诸如大跨空间结构、高层建筑结构及各类复杂异性建筑结构等大部分类型的实际工程建筑结构的立柱倾斜监测；

2)本方案可用于整体提升、整体滑移等复杂条件下的施工过程监测，同时也适用于常态结构或构件挠度的健康监测；

3)本方案可利用任意一般的倾角计、测斜仪等进行监测数据的采集和计算；

4)本方案对结构或构件本身的材性及构造等无任何要求，是直接通过测量倾角的几何数据进行计算；

5)本方案在实施时，一经仪器安装完毕后即可自动实时监测，无需人工手动操作，对操作空间、视觉空间等均无任何要求；

6)本方案解决了传统的倾斜测量耗时长、人工操作复杂、采集频率极低等问题，极大地提升了倾斜监测效率。

上述本发明的方法，或特定系统单元、或其部份单元，为纯软件架构，可以透过程序代码布设于实体媒体，如硬盘、光盘片、或是任何电子装置(如智能型手机、计算机可读取的储存媒体)，当机器加载程序代码且执行(如智能型手机加载且执行)，机器成为用以实行本发明的装置。上述本发明的方法与装置亦可以程序代码型态透过一些传送媒体，如电缆、光纤、或是任何传输型态进行传送，当程序代码被机器(如智能型手机)接收、加载且执行，机器成为用以实行本发明的装置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。