董海洋

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預應(yīng)力錨索無損檢測分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

董海洋

（長江大學計算機科學學院，湖北荊州 434023）

針對目前階段對預應(yīng)力錨索的無損檢測數(shù)據(jù)分析不夠系統(tǒng)、分析方法仍有不足的現(xiàn)狀，設(shè)計并實現(xiàn)了預應(yīng)力錨索無損檢測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。首先，在已有的信號處理方法的基礎(chǔ)上提出STFT主頻幅值比法求解預應(yīng)力錨索自由段、錨固段長度，并利用頻差法求解預應(yīng)力大小。然后，根據(jù)對錨索無損檢測數(shù)據(jù)分析的任務(wù)需求及模塊化編程思想將軟件分為四個層面：數(shù)據(jù)訪問及管理層、數(shù)據(jù)計算層、繪圖及操作層、結(jié)果計算及展示層，同時基于MVC框架思想、DirectX設(shè)計軟件核心內(nèi)容：模型計算、繪圖及控制框架。最后，通過Delphi編程設(shè)計并實現(xiàn)軟件系統(tǒng)，并對軟件的設(shè)計方法、可視化界面、功能及操作進行介紹。

計算機軟件與理論；預應(yīng)力錨索；無損檢測；短時傅里葉變換；頻差法；STFT主頻賦值比

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的建設(shè)與發(fā)展，預應(yīng)力錨索被廣泛應(yīng)用于水利工程、交通工程、市政工程等領(lǐng)域[1]。預應(yīng)力錨索的錨固質(zhì)量涉及整個工程的安全問題，所以對預應(yīng)力錨索錨固質(zhì)量的檢測至關(guān)重要[2][3]。通過無損檢測及數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)對預應(yīng)力錨索錨固質(zhì)量的評價是當前預應(yīng)力檢測研究的熱門方向[4]。

目前階段，無損檢測相應(yīng)的儀器設(shè)備及信號處理分析方法均有較大發(fā)展，但對預應(yīng)力錨索的無損檢測及數(shù)據(jù)分析還不夠系統(tǒng)，且分析方法各有不 足[4]。通過軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對無損檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)性的 分析及預應(yīng)力錨索錨固質(zhì)量的評估對工程實踐意義重大。

文獻[4]學者譚立銘提出“間接法”求解錨索預應(yīng)力，該方法采用四川升托檢測公司的預應(yīng)力多功能檢測儀提取錨頭的震蕩響應(yīng)數(shù)據(jù)并通過分析軟件進行處理，但該檢測儀的分析軟件只能進行初步數(shù)據(jù)處理，并無成熟的軟件分析系統(tǒng)，且其檢測理論是基于檢測參數(shù)假設(shè)，并未與實際情況比較，理論有諸多不足[4]。文獻[5]清華大學土木工程系學者付丹通過彈性波PFC模擬方法實現(xiàn)對預應(yīng)力的檢測，但該方只停留在借助PFC-2D軟件進行數(shù)值模擬分析的層面，無成熟分析系統(tǒng)及實際工程的應(yīng)用[5]。

本論文以應(yīng)力波反射法[6]的無損檢測數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，通過軟件編程實現(xiàn)對無損檢測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性分析，同時在STFT的基礎(chǔ)上提出STFT主頻幅值比法，實現(xiàn)對預應(yīng)力錨索錨固質(zhì)量的計算評價。該軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了對檢測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性分析、操作規(guī)范簡便、經(jīng)濟高效，同時相對其它方法該軟件系統(tǒng)的分析結(jié)果精度高。

1 基本原理及算法簡介

1.1 FFT、STFT簡介

離散傅里葉變換DFT在各種數(shù)字信號處理的算法中起著核心作用，其研究與應(yīng)用已有一百多年的歷史。在DFT中，當信號序列長度N很大時，DFT的計算量非常大，并不適合實際計算。到1965年，J.W.Cooley和J.W.Tukey利用W因子的周期性、對稱性和可約性構(gòu)造了DFT的快速算法，即快速傅里葉變換FFT，減少了DFT的運算量。在以后的幾十年中，F(xiàn)FT算法有了進一步發(fā)展，目前較常用的是基-2 FFT算法和分裂基算法[7-8]。

本文通過基-2 FFT變換，實現(xiàn)對數(shù)字信號的傅里葉變換?；?2 FFT算法（庫利-圖基算法）中，需滿足序列點數(shù)為2，為整數(shù)。如果不滿足這個條件，可以人為的加上若干零值點，使之N的總長達到2。[7]

短時傅里葉變換（STFT）通過窗函數(shù)截取信號以確定窗內(nèi)存在的頻率成分，得到頻率隨時間的變化關(guān)系[9]。其定義如公式（2）

其中，()為輸入信號，()是STFT的窗函數(shù)。

1.2 基于主頻幅值比的錨索長度計算

本論文在已有的數(shù)字信號處理理論的基礎(chǔ)上提出了STFT的主頻賦值比模型求解錨索自由段、錨固段長度。

由STFT所得的“幅值-頻率”曲線計算出主頻的幅值之比值并繪制其變化曲線——“主頻幅值比曲線”。主頻賦值比曲線如圖1所示，圖1中7.1 m為預應(yīng)力錨索自由段求解長度（實際長度為7 m），圖1中16 m為錨索總長度的求解（實際長度為 16 m）。由FFT原理可知，幅頻曲線主頻的幅值為當前主介質(zhì)成分的振幅，“主頻幅值比曲線”的比值變化與當前主頻能量占總能量的比值變化一致，因此可分析當前介質(zhì)主要成分的變化?；谝陨显?，本軟件通過“主頻幅值比曲線”模型實現(xiàn)了對錨索介質(zhì)成分變化的分析及自由段、錨固段長度的求解。

圖1 基于主頻幅值曲線的錨索長度求解

1.3 基于懸索理論的預應(yīng)力求解

由懸索理論，可通過索的長度及自由振動頻率求得索兩段的張力[10]。該分析系統(tǒng)中通過STFT主頻幅值比曲線求得錨索自由段長度，進而可通過FFT變換計算錨索自由段振動頻率，由此我們便可以利于頻差法對錨索的預應(yīng)力進行計算。頻差法計算索力如公式（2）[10]如示：

公式（2）式中，是索的拉力，是索的線密度，是索的計算長度，f是索的的第階固有頻率[10]。

2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)預應(yīng)力錨索無損檢測數(shù)據(jù)分析處理的需求及模塊化程序設(shè)計思想[11-12]，論文將軟件分為4個部分：數(shù)據(jù)訪問及管理層、數(shù)據(jù)計算層、繪圖及操作層、結(jié)果計算層。其中，根據(jù)MVC框架的模型、視圖與操作相互分離的思想設(shè)計，設(shè)計并實現(xiàn)了“模型計算、繪圖及控制”框架——數(shù)據(jù)計算層、繪圖及操作層。

軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。數(shù)據(jù)訪問及管理層包含SEG數(shù)據(jù)文件[13]加載模塊、文件信息的訪問模塊、配置信息的訪問模塊；在數(shù)據(jù)計算層，先通過FFT數(shù)據(jù)濾波模塊對原始數(shù)據(jù)進行預處理，然后通過STFT變換模塊、主頻賦值比計算模塊進一步分析得到數(shù)據(jù)模型；繪圖及操作層結(jié)合數(shù)據(jù)計算層的相關(guān)算法，以DirectX為基礎(chǔ)提供了一個繪圖及操作框架，并通過核心控制模塊與數(shù)據(jù)計算層相連接，該層包含濾波曲線繪制模塊、窗口幅頻曲線繪制模塊、幅頻曲線繪制模塊、主頻幅值比曲線繪制模塊，同時根據(jù)繪圖效果添加圖形操作及參數(shù)設(shè)置模塊；結(jié)果計算層將對錨索的檢測指標進行計算，包含長度計算模塊、頻差計算模塊、預應(yīng)力計算模塊，同時設(shè)計結(jié)果展示及誤差分析模塊、報表生成模塊。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)訪問及管理層

根據(jù)錨索數(shù)據(jù)的工程信息、參數(shù)配置信息、SEG數(shù)據(jù)等屬性，設(shè)計錨索數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)，同時設(shè)計相關(guān)程序模塊。

文件信息訪問模塊可編輯工程相關(guān)信息、錨索設(shè)計信息等，實現(xiàn)對無損檢測數(shù)據(jù)的管理。SEG文件數(shù)據(jù)為預應(yīng)力錨索的無損檢測數(shù)據(jù)，其文件格式為SEG協(xié)會制定的一種標準地震數(shù)據(jù)記錄格式[13]，SEG文件格式包含磁帶頭、文件頭、擴展文本頭、采樣數(shù)據(jù)等內(nèi)容。跟據(jù)SEG文件格式對文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并編程實現(xiàn)文件讀取、數(shù)據(jù)解碼等相關(guān)程序模塊。配置信息用以記錄默認參數(shù)、歷史參數(shù)、歷史結(jié)果、歷史記錄等信息，該類信息將隨程序的運行動態(tài)改變，可方便用戶使用程序。

2.2 數(shù)據(jù)計算層、繪圖及操作層

軟件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)模型復雜、繪圖種類多且圖形操作復雜。根據(jù)MVC架構(gòu)[14-16]中模型、視圖與控制相互分離的思想，以微軟DirectX為基礎(chǔ)設(shè)計程序的核心內(nèi)容“模型計算、繪圖及控制框架”，可分為數(shù)據(jù)計算層、繪圖及操作層。軟件系統(tǒng)通過核心控制模塊連接數(shù)據(jù)計算層與繪圖及操作層。

在數(shù)據(jù)計算層中，數(shù)據(jù)的預處理為FFT數(shù)據(jù)濾波模塊，數(shù)據(jù)模型計算為STFT（短時傅里葉變換）計算模塊及主頻幅值比模型計算模塊。

繪圖及操作層可分為視圖（圖形繪制）及操作兩方面內(nèi)容。在圖形繪制方面，通過濾波曲線可初步觀察數(shù)據(jù)特征及數(shù)據(jù)預處理效果，窗口幅-頻曲線可實時分析數(shù)據(jù)頻率成分，主頻幅值比曲線繪制用于計算錨索自由鍛長度及錨固段長度，自由段幅-頻曲線可計算預應(yīng)力錨索自由段頻差。圖形操作包含STFT窗口移動、長度標定、基頻標定、平移及放大等操作。

通過繪圖及操作層可以得到與結(jié)果計算相關(guān)的中間數(shù)據(jù)，通過結(jié)果計算模塊的進一步計算可得到預應(yīng)力錨索分析檢測結(jié)果。

2.3 結(jié)果計算及展示層

結(jié)果計算層主要對錨索的自由鍛長度、自由鍛基頻頻差、預應(yīng)力錨索的預應(yīng)力進行計算，并進行詳細的誤差分析。結(jié)果計算層通過繪圖及操作層所得的中間數(shù)據(jù)進行計算，通過預應(yīng)力錨索的設(shè)計信息及多次測量數(shù)據(jù)進行誤差分析。

計算結(jié)果與誤差分析將在結(jié)果展示模塊反饋給用戶，同時生成結(jié)果報表。

3 基于Delphi的軟件編程實現(xiàn)

Delphi是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，其開發(fā)程序運行效率高，有利于實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)運算及繪圖操作。通過面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想將數(shù)據(jù)與方法封裝，實現(xiàn)各功能模塊。在程序控制及方法調(diào)用方面，通過核心控制模塊實現(xiàn)邏輯判斷及統(tǒng)一調(diào)度。

軟件GUI界面設(shè)計分為5個界面，如圖3所示，分別為：（1）錨索數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)訪問界面；（2）基于FFT的數(shù)據(jù)濾波界面；（3）基于STFT主頻幅值比的長度分析界面；（4）基于頻差法的錨索預應(yīng)力計算界面；（5）結(jié)果展示及誤差分析界面。

基于STFT主頻幅值比的長度分析界面如圖4所示。圖4中曲線1為無損檢測數(shù)據(jù)原始曲線，其能量衰減較快；曲線2為主頻幅值比曲線；曲線3為短時窗幅-頻曲線。通過對短時窗的操作可實時分析預應(yīng)力錨索檢測數(shù)據(jù)的頻率變換，通過主頻幅值比曲線可提取自由段、錨固段數(shù)據(jù)頻率特征。圖4中，錨索自由段的計算長度為7.1 m，錨索錨固段的計算長度為8.9 m。

圖3 錨索質(zhì)量分析系統(tǒng)GUI設(shè)計

圖4 基于STFT主頻幅值比的長度分析界面

4 結(jié)論

錨索質(zhì)量分析系統(tǒng)實現(xiàn)了對預應(yīng)力錨索無損檢測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化分析及對預應(yīng)力錨索錨固質(zhì)量的評估，對預應(yīng)力錨索無損檢測技術(shù)的發(fā)展、分析理論的研究及工程實踐有著一定意義。性能良好的分析軟件可提高預應(yīng)力錨索檢測評估的效率，并且極大節(jié)約成本。

論文在已有的無損檢測儀器基礎(chǔ)上設(shè)計一套綜合性的錨索質(zhì)量分析系統(tǒng)，提出了STFT主頻幅值比法，設(shè)計并實現(xiàn)基于MVC、DirectX的“模型計算、繪圖及控制”框架，并以此提供了系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)分析方法及豐富圖形操作功能，操作規(guī)范簡便，彌補了當前無成熟的預應(yīng)力錨索無損檢測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的不足。

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Design and Realization of Nondestructive Testing Data Analysis System for Prestressed Anchor

DONG Hai-yang

(College of Computer Science, Yangtze University, Jingzhou 434023, Hubei)

Aiming to the present situation that the analysis of the non-destructive testing data of the prestressed anchor cable is not systematic and the analytical methods are still inefficient, the author designed and realized the data analysis system for the prestressed anchor cable non-destructive testing data. Firstly, the author put forward the STFT main frequency amplitude method based on the existing signal processing methods to solve the free section of anchor cable, the length of anchorage section, and used the frequency difference method to solve the prestressing force. Then, according to the functional requirements of non-destructive testing data analysis and the modular programming idea, the software is divided into four levels: data access and management layer, data computing layer, drawing and operation layer, result calculation and display layer, it was also based on the MVC framework and DirectX design software core content: model calculation, drawing and control framework. Finally, the author programmed by Delphi to design and realize the software system, and introduced the design methods, visual interface, function and operation of the software.

Computer software and theory; Prestressed anchor;Non-destructive testing; Short-time fourier transform; Frequency difference method;STFT Mainfrequency amplitude Ratio

TP274

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.04.011

長江大學2015年《基于應(yīng)力波反射法的錨索質(zhì)量無損檢測研究》大學生創(chuàng)新項目（編號71）

董海洋(1995-)，男，本科生，主要研究方向：計算機科學與技術(shù)。

本文著錄格式：董海洋. 預應(yīng)力錨索無損檢測分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 軟件，2017，38（4）：58-62