| 单词 | 现代变形监测的动态优化设计 |
| 释义 | 【现代变形监测的动态优化设计】 拼译：modern dynamic optimal programming of deformation monitoring 优化设计是运用最优化方法研究和解决如何在一切可能的设计方案中寻求最优的设计方案。在第二次世界大战前，处理最优化问题的数学方法主要是古典的微分法和变分法。第二次大战中，由于军事的需要，提出了大量用古典方法不能解决的最优化问题，从而产生如线性规划和非线性规划等新的方法。第二次世界大战后，最优化的理论和方法逐步发展成一门新兴学科，但还是经典的静态优化方法。其后又产生了动态规划，但大都用于投资的最优化、生产计划的最优化、多级火箭发射的最优化、载重车运动的最优化等问题。而在矿山地表移动区、地震区的变形监测动态系统，也是动态过程，以往国内外对这一动态系统的优化设计研究，基本上局限于运用经典的静态的最优化方法。而变形监测的目的，是为了寻找刻划变形物体形变状态的参数值，其监测的对象又从工程建筑物扩展到机理不甚清楚的地形变，当今研究形变体的变形已不单是获取形变信息，而是要尽可能地发现变形的内在规律和外界影响，了解变形的机理，加之其变形体的形变量又是小变量，这就需要高精度的变形监测网，因为这一变形监测系统在空间和时间上又是一个变化的，即运动或动态的过程。显然，在现代变形监测动态系统中如仍运用经典的、静态的最优化方法去进行监测设计，无疑是不准确、不合理、不科学的。1987年陶华学针对上述问题在申报的国家自然科学基金项目中，曾列项系统地研究了现代变形监测系统的动态优化设计。这一动态优化设计顾及了观测对象是运动的，观测量随时间变化而变化，首先研究和提出了顾及时间参数和运动参数的动态优化设计方法和设计模型，设计变型监测系统的最佳观测方案、变形监测网的最佳网形、变形监测网的最佳网形结构，从而解决了变形监测动态系统的优化设计问题，为经典的静态最优化开拓了新途径。 变形监测系统的最佳观测方案的优化设计，即观测权的最佳配置或最佳配置观测精度，用经典的、静态的最优化方法配置观测权，主要是从监测点点位精度出发配置观测精度。而动态优化设计方法，则是从变形参数精度出发配置观测精度，从而可保证所用的观测方案能获得准确的变形参数值。用经典的、静态的最优方法配置观测权，一般主要是采用考虑精度控制准则的单目标函数设计模型。为了避免变形分析中出现的难于区分变形是由粗差引起还是由真正位移引起的，在研究中首次导出了同时顾及变形监测网的灵敏度、可靠性、变形参数精度以及变形观测费用等多个质量准则的多目标函数动态优化设计模型，并给出了相应的解算方法。这些质量准则相互联系，相互制约，它们从不同侧面描述监测网的质量。对于地震移动区，一般是没有固定基准点的相对网，其位移矢量是真实位移的有偏估值，其中包括基准秩亏引起的伪位移；精度最高的地方发现位移的能力并不最强，因此这类网应将发现变形能力的灵敏度作为变形监测网优化设计的主要质量准则。灵敏度分析所要回答的问题是：假设监测网网点存在位移，则变形参数为多大时可以在给定的显著水平α以及检验功效β下被发现，特征向量的最小特征值λminmin作为灵敏度指标。在观测方案中，观测权P也决定观测工作量S，而观测工作量又决定了观测费用，故S=∑P=min可作为顾及观测费用的准则。为了在动态优化设计中顾及可靠性质量准则，可以推证得观测值并通过统计检验发现粗差的下界值，由此值可得未被发现的观测值粗差对未知数(包括变形参数未知数)的影响估计，并可用一函数及影响因素来描述，给定影响因素一个范围，构成一可靠性的约束条件式，以此作为可靠性质量准则。变形监测系统中监测网网形的优化设计，实质是网点点位的最佳设计，而变形监测网点又是随时间变化而变动的。从数学上讲，如果网点点位变动大，将会引起网形的显著改变，从而使网点最佳位置变坏，此时，对监测网点点位进行最佳设计则没有意义。这种状况要求事先对移动区变形监测网网形(网点点位)的最佳设计作出评价，需要先确定网点发生位移量不超过多大限值时网点点位的最佳设计才有意义。因此，变形监测网网形的最佳设计，首先是确定监测网网点点位移动的容许值。在研究中导出了常用的测角网、测边网、边角网等网点点位移动量容许值计算式。监测网网形的设计主要从变形参数精度出发，使变形参数精度在最高条件下求得监测网点最佳点位。变形监测系统中监测网网形结构的动态优化设计，当变形监则网网点点位移动量超过容许值时，就只能着重进行监测网网形结构的优化设计。本设计从变形参数精度出发，在满足一定的可靠性和观测费用指标条件下，根据监测网的动态误差方程进行必要观测值和多余观测值的优选，最终使监测网网形结构最优。必要观测值的最优选择的标准是，被求定点的点位位移应有最小的误差，导出采集必要观测值的计算公式。对不同的必要观测值，利用此式选其中最优的。必要观测值确定后，计算各点变形参数的权系数。当参数的权系数不能满足要求时，则进行多余观测值的优选，而各个多余观测值对提高变形参数精度的情况也各不相同，因此要从全部多余观测中挑选最少量既能达到变形参数精度又能满足一定可靠性和观测费用的要求。多余观测值的优选，采用序贯优化法逐一优选。它开始于仅有必要观测值的网形，在网点不变的情况下，逐步扩展观测量，使每步增加的多余观测量都给目标函数带来最大增益，当目标函数达到预定要求，即网的变形参数精度和可靠性满足要求，观测费用不超过规定上界，则逐一优化过程完成。由优选的多余观测量和必要观测量可构成监测网的最佳网形结构。此外，在变形监测系统的动态优化设计中，陶华学等首次引用了动态规划原理于变形监测的优化设计。根据动态规划原理，由变形参数的动态误差方程或位移模型，导出以灵敏度和观测费用等质量准则为约束条件的双目标动态规划设计模型。动态规划法是把分级决策方法和“最佳化原理”相结合。前者是把整个变形监测过程(时期)分成N个阶段(期)，根据各个阶段(期)状态变量与其他阶段的关系确定各阶段决策值，并由它组成整个监测过程的“决策序列”，求得能使N个阶段监测过程总效益达最大的最佳决策序列，即得系统最佳解。最大总效益是初始状态和阶段长度N的函数，记为fN(U)。这组函数为效益函数，以灵敏度准则相应的动态规划效益函数和观测费用准测相应的动态规划效益函数，根据变形参数精度准则相应的约束条件和可靠性准则相应的约束条件，建立双目标函数和双约束条件的动态规划设计模型，给出了相应的解算方法。综上所述，现代变形监测系统动态优化设计的进一步完善，将从改善变形模型的可测定性和可区分性入手，增加变形监测动态优化设计的质量准则、目标函数和约束条件。【参考文献】：1 范鸣玉，等．最优化技术基础．北京：清华大学出版社，19822 Tao Huaxue，The Dynamic Programming and design of Deformation Monitoring Networks in Two Dimensions，FIG，1988，183 Tao Huaxue，Method of Dynamic Programming With multi-objectire function to determination of crustal movements FIG，1990，194 Tao Huaxue．Die dynamische optimierung mehrerer zielfunktionen zur Berücksichtigung mehrerer Qualitatskriterien in Uberwachungsnetzen，AVN，1990，11～125 陶华学．勘察科学技术，1990，36 陶华学．工程勘察，1990，37 陶华学．煤炭学报，1990，4(山东矿业学院博士生导师陶华学教授撰) |
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