فایل مقایسه روش های نوین آنالیز پایداری در شبکه های میکروژئودزی

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی می باشد.

فهرست مطالب

چکیده    1

فصل اول   مقدمه
1-1  معرفی موضوع تحقیق    2
1-2  مروري بر مطالعات انجام شده    4
1-3   اهداف تحقیق    6
1-4  معرفی فصل¬های بعدی    9

فصل دوم   روش¬های سرشکنی مشاهدات در شبکه¬های ژئودزی    10
2-1  مبانی سرشکنی    10
2-1-1  خاصیت نا اریبی    11
2-1-2  خاصیت کمترین واریانس    11
2-1-3  خاصیت بیشترین درست نمایی    12
2-2  سرشکنی به روش کمترین مربعات    12
2-2-1  کمترین مربعات وزندار (WLSE)      14
2-2-2  کمترین مربعات ( BLUE )    15
2-2-3  خصوصیات روش کمترین مربعات    16
2-3  تعریف دیتوم    16
2-3-1  حل مسائل منفرد و اضافه کردن قیود در معادلات    18
2-3-2  سرشکنی آزاد (سرشکنی با قیود داخلی)    19
2-4  آزمون¬های آماری    21
2-5  آزمون¬های بعد از سرشکنی    24
2-5-1  آزمون فاکتور واریانس ثانویه    24
2-5-2  آزمون باقیمانده¬های استاندارد شده    27
2-6  معیارهای طراحی شبکه¬های کنترل جابه¬جایی    28
2-6-1  معیارهای دقت    29
2-6-1-1  معیارهای عمومی ( کلی) دقت    29
2-6-1-2  معیارهای منطقه¬ای (محلی) دقت    29
2-6-1-2-1  بیضی خطای مطلق    30
2-6-1-2-2  بیضی خطای نسبی    31
2-6-2  معیارهای اعتمادپذیری    31
2-6-2-1  اعتمادپذیری داخلی    31
2-6-2-2  اعتمادپذیری خارجی    32
2-6-3  معیار هزینه    34
2-6-4  معیار حساسیت شبکه    34

فصل سوم   روش¬های تعیین میدان جابجایی در شبکه های کنترل جابجایی
3-1  شبکه¬های کنترل جابجایی    36
3-2  روش تست ثبات كلي شبکه    38
3-3  روش مینیمم کردن نرم اول    45
3-4  روش آنالیز زیرشبکه    50
3-4-1  آنالیز زیرشبکه با روش تست ثبات کلی    52
3-4-2  آنالیز زیرشبکه با روش مینمیم¬کردن نرم اول    52

فصل چهارم   معرفی داده¬های شبیه سازی شده و واقعی از یک شبکه کنترل جابجایی
4-1  داده¬های شبیه¬سازی شده    54
4-2  داده¬های واقعی مورد استفاده در این تحقیق    55
4-2-1  آماده¬سازی دستگاه¬ها برای عملیات صحرایی    58
4-2-2  دریافت و ثبت داده¬ها    58
4-2-3  فاصله زمانی بین مشاهدات دو اپک    59
4-2-4  پردازش مشاهدات GPS    59

فصل پنجم   نتایج عددی و مقایسه روش¬های تعیین میدان جابجایی
5-1  شبکه کنترل جابجایی شبیه سازی شده    62
5-1-1  شبکه منظم با جابجایی¬های مشخص    63
5-1-1-1   نتایج بدست آمده برای سناریوی اول    68
5-1-1-2  نتایج بدست آمده برای سناریوی دوم    69
5-1-1-3   نتایج بدست آمده برای سناریوی سوم    71
5-1-2  شبکه منظم با جابجایی¬های تصادفی    72
5-1-2-1 نتایج بدست آمده برای سناریوی اول    73
5-1-2-2  نتایج بدست آمده برای سناریوی دوم    75
5-1-2-3   نتایج بدست آمده برای سناریوی سوم    76
5-1-3  شبکه نامنظم با جابجایی¬های مشخص    77
5-1-3-1  نتایج بدست آمده برای سناریوی اول    79
5-1-3-2  نتایج بدست آمده برای سناریوی دوم    80
5-1-3-3  نتایج بدست آمده برای سناریوی سوم    82
5-1-4  شبکه نامنظم با جابجایی¬های تصادفی    83
5-1-4-1  نتایج بدست آمده برای سناریوی اول    85
5-1-4-2  نتایج بدست آمده برای سناریوی دوم    86
5-1-4-3  نتایج بدست آمده برای سناریوی سوم    87
5-2  شبکه کنترل جابجایی واقعی    89
5-2-1  نتایج بدست آمده برای روش¬های تست ثبات کلی و نرم اول    89
5-2-2  نتایج بدست آمده برای روش آنالیز زیرشبکه    90
5-2-3  تعیین میزان جابجایی نقاط ناپایدار    96

فصل ششم   نتیجه¬گیری و پیشنهادات
6-1  خلاصه و نتیجه¬گیری    99
6-2  پیشنهادات    100

فهرست مراجع    101
پیوست¬ها    104
فهرست جداول

جدول 2-1 حداکثر نیم قطر بزرگ بیضی خطای بردار جابه¬جایی نقاط    35
جدول 4-1 حداکثر تنظیمات پارامترهای پردازش مشاهدات در نرم¬افزار LGO    60
جدول 5-1 مختصات نقاط شبکه شبیه سازی شده    64
جدول 5-2  جابجایی نقاط بر حسب متر در سناریوی اول    67
جدول 5-3  جابجایی نقاط بر حسب متر در سناریوی دوم    67
جدول 5-4  جابجایی نقاط بر حسب متر در سناریوی سوم    67
جدول 5-5  کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی اول در شبکه منظم با جابجایی¬های مشخص    68
جدول 5-6  کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی دوم در شبکه منظم با جابجایی¬های مشخص    70
جدول 5-7  کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی سوم در شبکه منظم با جابجایی¬های مشخص    71
جدول 5-8  کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی اول در شبکه منظم با جابجایی¬های تصادفی    74
جدول 5-9  کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی دوم در شبکه منظم با جابجایی¬های تصادفی    75
جدول 5-10 کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی سوم در شبکه منظم با جابجایی¬های تصادفی    76
جدول 5-11 کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی اول شبکه نامنظم با جابجایی¬های مشخص    79
جدول 5-12 کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی دوم شبکه نامنظم با جابجایی¬های مشخص    81
جدول 5-13 کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی سوم شبکه نامنظم با جابجایی¬های مشخص    82
جدول 5-14 کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی اول شبکه نامنظم با جابجایی¬های تصادفی    85
جدول 5-15 کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی دوم شبکه نامنظم با جابجایی¬های تصادفی    86
جدول 5-16 کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی سوم شبکه نامنظم با جابجایی¬های تصادفی    88
جدول 5-17  نتایج حاصل از دو روش تست ثبات کلی و مینیمم سازی نرم اول    90
جدول 5-18 نتایج حاصل از آنالیز زیرشبکه اول    95
جدول 5-19  نتایج حاصل از آنالیز زیرشبکه دوم    95
جدول 5-20  نتایج حاصل از آنالیز زیرشبکه سوم    95
جدول 5-21  جابجایی محاسبه شده برای نقاط ناپایدار    96
جدول 5-22  جابجایی نقاط ناپایدار در جهت شمال، شرق و قائم    97
جدول 5-23  ابعاد بیضی خطا نقاط ناپایدار    98

فهرست اَشکال

شکل 2-1  (a) استفاده از یک برآوردگر دلخواه ، (b) استفاده از برآوردگر کمترین مربعات    14
شکل 2-2  خطای نوع اول و دوم در آزمون¬های آماری    23
شکل 3-1 فلوچارت کشف نقاط ناپایدار با استفاده از روش تست ثبات کلی    44
شکل 3-2 فلوچارت مربوط به الگوریتم کشف نقاط ناپایدار با استفاده از روش مینیمم سازی نرم اول    49
شکل 4-1 نمای بالادست سد کبودوال    56
شکل 4-2  موقعیت نقاط شبکه میکروژئودزی اطراف سد    57
شکل 4-3  موقعیت نمایی از طول¬های باز تشکیل داده شده در نرم افزار LGO    61
شکل 5-1 شبکه شبیه¬سازی متشکل از 8 نقطه (5 نقطه به عنوان نقاط مرجع و 3 نقطه موضوع)    64
شکل 5-2  زیرشبکه اول متشکل از نقطه موضوع OBJ 1    65
شکل 5-3  زیرشبکه دوم متشکل از نقطه موضوع OBJ 2    66
شکل 5-4  زیرشبکه سوم متشکل از نقطه موضوع OBJ 3    66
شکل 5-5  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی اول در شبکه منظم با جابجایی¬های مشخص    69
شکل 5-6  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی دوم در شبکه منظم با جابجایی¬های مشخص    70
شکل 5-7  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی سوم در شبکه منظم با جابجایی¬های مشخص    72
شکل 5-8  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی اول در شبکه منظم با جابجایی¬های تصادفی    74
شکل 5-9  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی دوم در شبکه منظم با جابجایی¬های تصادفی    76
شکل 5-10  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی سوم در شبکه منظم با جابجایی¬های تصادفی    77
شکل 5-11  شبکه نامنظم شبیه سازی شده    78
شکل 5-12  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی اول در شبکه نامنظم با جابجایی¬های مشخص    80
شکل 5-13  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی دوم در شبکه نامنظم با جابجایی¬های مشخص    82
شکل 5-14  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی سوم در شبکه نامنظم با جابجایی¬های مشخص    83
شکل 5-15  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی اول در شبکه نامنظم با جابجایی¬های تصادفی    86
شکل 5-16  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی دوم در شبکه نامنظم با جابجایی¬های تصادفی    87
شکل 5-17  نمودار میله¬ای درصد کشف صحیح نقاط ناپایدار برای سناریوی سوم در شبکه نامنظم با جابجایی¬های تصادفی    88
شکل 5-18  زیرشبکه اول شامل نقطه KL1 و نقاط مبنای KL2, KR1, KR2    92
شکل 5-19  زیرشبکه اول شامل نقطه KL3 و نقاط مبنای KL2, KR1, KR2    93
شکل 5-20  زیر شبکه سوم شامل نقطه KR3 و نقاط مبنای KL2, KR1, KR2    94
شکل 5-21  بیضی خطای نقاط ناپایدار کشف شده    98
 

چکیده 
    یکی از مسائل مهم در سازه¬های مهندسی و بررسی تغییر شکل زمین، کنترل جابجایی می¬باشد. بدین منظور لازم است در منطقه مورد بررسی شبکه¬های میکروژئودزی ایجاد گردند. این شبکه¬ها متشکل از چندین نقطه مبنا و نقطه موضوع می¬باشد که موقعیت دقیق این نقاط در چندین اپک می¬بایست تعیین گردند. در مرحله بعدی باید نقاط پایدار شبکه با استفاده از روش¬های موجود آشکارسازی از نقاط ناپایدار مشخص شوند. از جمله روش¬های کلاسیک آشکارسازی نقاط ناپایدار می¬توان به روش تست ثبات کلی و روش مینیمم سازی نرم اول اشاره نمود. 
      با توجه به خاصیت پخش کنندگی خطاها در روش کمترین مربعات، نقاط ناپایدار مانند مشاهدات اشتباه عمل کرده و می¬تواند موجب کشف ناصحیح نقاط ناپایدار شود که این موضوع نیز بر روی جابجایی¬های برآورد شده تاثیر مستقیمی خواهد گذاشت. ایده-ای که به منظور مقابله با این محدودیت مطرح می¬شود استفاده از آنالیز زیرشبکه می¬باشد. هر زیرشبکه تنها شامل یک نقطه موضوع و نقاط مبنا می¬باشد. هر زیرشبکه بطور جداگانه سرشکن شده و نقاط ناپایدار آن کشف خواهد شد. 
     در این تحقیق روش¬های مختلف کشف نقاط پایدار در شبکه¬های میکروژئودزی شامل روش¬های معمول تست ثبات کلی و مینیمم¬سازی نرم اول و روش پیشنهادی این تحقیق، آنالیز زیرشبکه بررسی می¬شوند. کارایی و عملکرد این روش¬ها در شبکه شبیه سازی شده و یک شبکه واقعی کنترل جابه¬جایی مورد ارزیابی قرار گرفت. در ابتدا به منظور بررسی کارایی این روش¬های آشکارسازی کشف نقاط پایدار در شبکه¬های کنترل جابجایی از چندین نمونه داده¬های شبیه¬سازی شده استفاده شد. مشاهدات شبیه-سازی شده، مشاهدات طول مبنای GPS در نظر گرفته شده¬اند. نتایج نشان می¬دهد که استفاده از روش آنالیز زیرشبکه بجای روش تست ثبات کلی باعث بهبود نتایج خواهد شد. در روش آنالیز زیرشبکه در تمام حالت¬های شبیه¬سازی شده (شبکه منظم و نامنظم با جابجایی¬های مشخص و تصادفی)، بهبود نتایج صحیح کشف نقاط، درصد قابل ملاحظه¬ای است. این بهبود در همه حالت¬های شبیه سازی شده به طور متوسط حدود 35 درصد است. بهبود نتایج روش زیرشبکه نسبت به روش مینیمم سازی نرم اول در حد یک درصد است. در ادامه الگوریتم¬های کشف نقاط ناپایدار روش¬های رایج و روش آنالیز زیرشبکه بر روی مشاهدات یک شبکه واقعی در اطراف سد کبودوال واقع در استان گلستان پیاده¬سازی شد که نتایج حاصل، در تطابق با نتایج شبکه شبیه¬سازی شده می¬باشد و حاکی از برتری روش آنالیز زیرشبکه نسبت به روش¬های رایج است. در خاتمه میزان جابجایی نقاط ناپایدار کشف شده محاسبه گردید.
کلمات کلیدی: کنترل جابه¬جایی، تست ثبات کلی، مینیمم¬سازی نرم اول، آنالیز زیرشبکه

فصل اول   مقدمه 

1-1  معرفی موضوع تحقیق   
     امروزه رفتار سنجی سازه¬های بزرگ و حساس همچون سدها، نیروگاه¬ها  و برج¬ها از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می¬باشد. بنابراین امروزه در کشورهای پیشرفته تقریباً هیچ سازه بزرگی را نمی¬توان یافت که فاقد مشاهدات پایش پایداری باشد. در ایران نیز این موضوع همواره مَـد نظر قرار داشته، به طوری¬که همه سدها و سازه¬های عظیم صنعتی و مهندسی دارای ابزارهای دقیق کنترل و مشاهدات ژئودزی مهندسی برای رفتارسنجی می¬باشند. رفتارسنجی این گونه سازه¬ها معمولاً به دو صورت ژئوتکنیکی و ژئودتیکی انجام می¬گیرد. در روش ژئوتکنیکی، ابزارهای سنجنده کشش، بُـرش و انحراف در داخل سازه در حین ساخت نصب گردیده و اطلاعات حاصل از این سنجنده ها به طور مستمر در حین و پس از بهره برداری از سازه به منظور کنترل پایداری مورد مطالعه قرار می¬گیرد. این ابزارها امکان کنترل درونی سازه را فراهم می¬سازد.
     در روش ژئودتیکی، شبکه¬ای از نقاط بر روی بدنه و محیط اطراف سازه ایجاد شده و از طریق مشاهدات ژئودتیکی عمدتاً طول، زاویه و مختصات در اپک¬های زمانی متفاوت، رفتار سازه مورد پایش و کنترل قرار می¬گیرد. این گونه مشاهدات امکان کنترل تغییر شکل بیرونی سازه را مهیا می¬سازند.
     یکی از مهم¬ترین کاربردهای شبکه¬های ژئودتیک، شبکه¬های کنترل جابجایی یا شبکه¬های میکروژئودزی است. شبکه¬های میکروژئودزی را می¬توان به دو دسته شبکه¬های مطلق و نسبی تقسیم¬بندی نمود. این شبکه¬ها بسیار پر کاربرد هستند و در موارد بسیاری کاربرد دارند، از جمله آن¬ها می¬توان حداقل به موارد زیر اشاره کرد:
1) تعیین جابجایی پوسته زمین در اطراف بدنه سدها
2) مطالعه تغییر شکل سازه¬های مهندسی نظیر سدها و پل¬ها و تأسیسات و نیروگاه¬های هسته¬ای
3) کنترل نشست زمین در مناطقی که استخراج معادن صورت می¬گیرد
4) حرکات ناشی از پدیده زمین لغزش مخصوصاً در مناطق کوهستانی
5) تعیین جابجایی فلات¬ها و ساختارهای تکتونیکی درپروژه¬های مربوط به ژئوفیزیک و زمین شناسی
6) تأثیرات جزر و مدی که در آن پوسته زمین در اثر این تأثیرات تا حداکثر نیم متر تغییر شکل پیدا می¬کند.
     در شبکه¬های مطلق، بحث جابجایی مطلق نقاط مطرح است، بنابراین در این شبکه¬ها می¬بایست تعدادی نقطه پایدار وجود داشته باشد. انتخاب نقاط پایدار از اهمیت بالایی برخوردار است که در فصل¬های بعدی به تفصیل شرح داده خواهد شد. بر خلاف شبکه¬های مطلق، در شبکه¬¬های نسبی بحث جابجایی نسبی نقاط مطرح است. 
     بکارگیری مشاهدات میکروژئودزی به جهت رفتارسنجی خارجی سازه¬ها در سال¬های اخیر خصوصاً با افزایش دقت وسایل اندازه¬گیری، به ویژه GPS از اهمیت و توجهی بیش از پیش برخوردار گردیده است. در رفتارسنجی سازه¬ها به کمک مشاهدات ژئودتیکی، نوعاً کار با ارائه بردارهای جابجایی خاتمه یافته و مهندسین از طریق تفسیر این بردارهای جابجایی رفتار سازه را تحلیل می¬کنند. برای تعیین میزان جابجایی¬ها تعدادی نقطه روی سازه و اطراف آن در نظر گرفته می¬شوند؛ دو یا چندین سری مشاهده در اپک¬های زمانی متفاوت برای مطالعه تغییر شکل و حرکت سازه صورت می¬گیرد. در این گونه شبکه¬ها لازم است یک سری نقاط پایدار، سیستم مختصات را تشکیل دهند تا بتوان جابجایی¬ها را نسبت به آن¬ها محاسبه کرد. در صورت نبود این نقاط جابجایی¬های محاسبه شده بین نقاط کاذب خواهد بود. اما باید در نظر گرفت که احتمال دارد تعدادی از نقاط پایدار نیز در عمل، در فاصله زمانی بین مشاهدات دو اپک از جای خود حرکت نمایند. پس لازم است نقاطی که جابجا شده¬اند قبل از انجام مشاهدات و محاسبه میزان جابجایی، شناسایی شوند و از فهرست نقاط پایدار که سیستم مختصات را تشکیل می¬دهند حذف شوند. چنان¬چه این نقاط را حذف کنیم به یک سیستم مختصات بدون جابجایی دست می¬یابیم. این کار به ما کمک می¬کند تا میزان جابجایی هر نقطه را به صورت دقیق و بدون تأثیر جابجایی نقاط مبنا بر آن¬ها محاسبه کنیم. در بخش بعدی به مروری بر کارهای انجام شده در گذشته در زمینه کشف و تعیین میزان جابجایی خواهیم پرداخت.