強震觀測輔助教學與數據分析系統開發＊

盧 滔 杜振宇 霍敬妍

（防災科技學院，燕郊三河 065201）

強震觀測輔助教學與數據分析系統開發＊

盧 滔 杜振宇 霍敬妍

（防災科技學院，燕郊三河 065201）

強震觀測是防震減災工作中的重要環節，該項工作中涉及的部分概念相對比較抽象，對于本科教學而言，難度較大。為了提高教學效果，本研究基于MATLAB GUI，開發了可視交互式的輔助教學與數據分析系統。算例表明，該系統可較好的滿足強震觀測相關的輔助教學和常規數據分析工作的需要。

強震觀測；MATLAB；輔助教學；數據分析

引言

強震觀測是防災減災工作中重要的一個環節，部分高等院校和研究所的本科和研究生階段學習過程中開設了強震觀測課程；強震觀測數據分析中涉及的理論知識較為抽象，數理基礎較弱的工科學生理解起來存在一定困難，如何將抽象的理論形象化，使該層次的強震觀測課程教學效果有所提高是一個亟待解決的問題。

MATLAB作為通用的理工類分析計算平臺軟件，具有數學工具庫豐富，代碼編寫簡便，維護擴展容易，面向對象編程容易等特點，開發相應的基于MATLAB GUI的強震觀測輔助教學與分析系統，將有助于本科甚至研究生階段學生對強震觀測相關知識的理解，可以使教學效果進一步提高。

1 MATLAB及GUI編程思想

MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分；它不僅能解決大量的數值計算和矩陣運算，而且將圖像與圖形、顯示及處理、圖形界面設計集于一身，非常適合輔助教學和交互式數據分析處理的應用；MATLAB為各行各業的用戶提供了大量的數學函數和數學工具箱，使代碼編寫、維護以及面向對象編程變得非常簡便；正是有著這些特點使得它在工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等多個領域都得到了廣泛的應用［1］。

MATLAB為用戶提供了一個開發圖形用戶界面（GUI）的集成環境GUIDE，它是一個面向對象編程的設計工具集，MATLAB把所有GUI支持的用戶控件都集成在這個環境中，并提供界面外觀、屬性和行為響應方式的設置方法。

GUI使用FIGURE文件來保存用戶設計的GUI界面，FIGURE文件中包含若干個控件，控件具有相應的屬性，并能對相應的動作（如單擊鼠標左鍵）進行響應；GUI使用M文件來進行GUI初始化和組件界面布局，并采用函數（function）程序段對控件的動作進行響應并開展相應的運算，圖1即為簡單的MATLAB GUI的結構組成形式。

圖1 簡單MATLAB GUI的組成結構

基于MATLAB GUI的交互式軟件系統開發主要工作包括編輯FIG文件完成界面設計和編寫M文件完成界面控件對象的動作響應函數。

2 強震觀測與系統構成

強震動觀測，它是利用儀器來觀測地震時的強地面運動過程以及在地震作用下工程結構的反應情況，進而為地震工程學和近場地震學提供基礎研究資料［2］。

強震動觀測的目的就是要針對各類場地和工程結構上布設強震動觀測臺網，對地震動的特性（強度、頻譜、持續時間）及其影響因素，以及各種工程結構的地震反應特性進行觀測，獲取真實可靠的強地面運動記錄和工程結構地震反應資料，為研究強地面運動的特性和工程結構抗震設計方法與技術提供重要的基礎資料；同時可以通過強震動觀測結果來檢驗已有的抗震設計理論和方法是否符合各個領域實際，以加深人們對于客觀規律的認識，不斷推動地震工程研究和結構抗震設計方法的發展。

強震觀測工作中的一個重點工作就是強震數據的處理，數據處理是前期觀測記錄數據的總結，并且是后續工作的基礎；本研究基于MATLAB GUI開發了強震觀測輔助教學和數據分析系統，用于課程內容的教學和課程相關的數據分析工作，旨在使本科學生能對課程中涉及的重要概念更好地理解掌握，并能采用該系統方便、交互式地開展數據分析。

基于這一考慮，該系統由輔助教學和數據分析兩大模塊組成（圖2），其中輔助教學主要是用于課程教學中較為抽象內容的演示和交互式學習，而數據分析模塊是用于強震觀測數據分析的實際運算操作；每個模塊內又分成多個子模塊，兩個模塊內容基本可以滿足本科階段“強震觀測”教學內容和數據分析的需要；該系統基于MATLAB GUI開發而成，代碼簡單明了，維護方便，并具有較強的開放性，可以根據課程內容和實際工作內容需求的增加，輕松地對該系統進行功能的擴展和算法的優化。

圖2 強震觀測輔助教學和數據分析系統構成

在該系統具體編程開發的過程中，嚴格按照商用軟件開發的要求，代碼編寫規范，在保證系統穩定的同時，考慮了系統使用和操作的友好性，具有輸入數據錯誤檢測和實時幫助等功能。

3 算例

強震觀測輔助教學與數據分析系統的運行，從統一的主界面進入（圖3），通過選擇菜單欄的項目進入相應的輔助教學或數據分析的具體功能模塊（或子模塊）。

3.1 強震記錄的常規分析

該功能模塊能交互式地完成強震觀測數據基本分析的全過程，包括數據轉換（電壓值向加速度的轉換）、基線校正、信噪比分析、濾波、快速傅立葉變換和反應譜計算等功能，輸入文件為強震儀記錄到三通道（UD、NS、EW）的加速度對應的電壓值時程，輸出為所有選擇分析選項的分析數據結果和分析結果圖件；下面結合具體強震記錄分析其具體過程。

（1）運行程序，進入常規分析模塊，該模塊主界面如圖4；導入強震記錄原始電壓時程文件，并設定正確的靈敏度、采樣率等轉換參數，本算例記錄設定靈敏度為2.5V/g，采樣率為200sps；轉換并輸出三通道原始加速度時程曲線（圖5）。

圖3 強震觀測輔助教學與數據分析系統主界面

圖4 強震數據基本分析模塊主界面

（2）根據顯示的原始加速度時程曲線確定事件前時間，本算例記錄設定為15s，對各通道原始加速度記錄進行基線校正，并計算顯示各通道的信號譜和噪聲譜（圖6），用于信噪比分析。

（3）根據信噪比分析結果，確定濾波低頻和高頻截止頻率值，本算例記錄選擇通頻帶為0.5～50Hz進行濾波處理（圖7）。

（4）選擇需要分析輸出的結果，開始分析，輸出結果數據文件和圖形文件，本次算例分析選擇的分析項目是加速度、速度、位移時程和傅立葉幅值譜（圖7）。

圖5 強震原始加速度記錄時程

圖6 信噪比分析

圖7 濾波參數確定、分析項目選擇及計算分析輸出結果

（5）如果一組記錄分析完成后，需要對下一組記錄開展分析，只需單擊“再分析”按鍵，便能清空內存空間繼續開展分析。

從本算例可以看出，本系統中的強震觀測數據常規分析模塊功能滿足前述開發目標要求并能滿足強震觀測實際工作的需要，而且在分析過程中學生能采用交互的方式設定分析參數，當不熟悉具體操作時，只需在需要輸入參數的空格處單擊右鍵，便能在“說明”欄中顯示出具體指導幫助文字。

3.2 濾波概念教學子模塊

濾波是強震觀測數據分析中的一個重要概念，本系統專門在“傅立葉頻譜分析原理”教學模塊中設置了相應的“濾波分析原理”教學子模塊用于開展該概念的直觀教學，使學生對該概念有更形象、深刻的理解。

該模塊主要是開展強震觀測數據分析中常用的帶通濾波的概念教學演示，并能夠用于實際的數據帶通濾波處理；輸入文件為已經過基線校正的加速度記錄，設定好帶通濾波低頻高頻截止頻率，選擇濾波器類型（巴特沃斯、切比雪夫Ⅰ型和Ⅱ型），在不同的繪圖窗口便會顯示出濾波前后的時程和傅立葉幅值譜曲線的對比（圖8）；在該模塊中可以設定不同的濾波截止頻率與濾波器類型的參數組合，實時觀察時程曲線和頻譜曲線的變化，以加深學生對濾波的概念和濾波效果的理解；當濾波效果理想時，可以選擇輸出分析結果；同理，在相應的控件上單擊鼠標右鍵，在“幫助說明”欄內會顯示具體的幫助說明文字。

圖8 濾波概念輔助教學子模塊

4 結束語

強震觀測是防災減災課程中的一門重要的課程，該課程教學中涉及一些重要概念的理論性和抽象性很強，缺乏實踐的本科學生理解起來存在著一定的困難；基于MATLAB GUI強震觀測輔助教學和數據分析的開發，使得這些概念和算法得以直觀準確且能交互式地表達實現，算例表明，該系統切實可行，同時滿足教學和實際工作的需要，有助于該課程教學和實踐活動的開展。

（作者電子信箱，盧 滔：lutao＠fzxy.edu.cn）

［1］常巍，謝光軍，黃朝峰.MATLAB R2007基礎與提高.北京：電子工業出版社，2007

［2］周雍年.強震動觀測技術講義.燕郊：防災科技學院，2009

Development of strong ground motion observation CAI and data analysis system

Lu Tao Du Zhenyu Huo Jingyan
（Institute of Disaster Prevention Science and Technology，Yanjiao Sanhe，065201，China）

Strong ground motion observation is important work in earthquake disaster protection，and some important concepts in the work are difficult to be understood for undergraduates.In order to improve the teaching effectiveness of the course，an interactive system based on MATLAB GUI has been developed.It is designed to meet the needs of computerassisted instruction（CAI）and data analysis.The system has been proved to be feasible and effective both for CAI and related data analysis.

strong ground motion observation；MATLAB；CAI；data analysis

P315；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.07.014

2010－07－02；

2010－07－10。

中國地震局教師科研基金（20090111）。