預應力錨索無損檢測分析系統的設計與實現

董海洋

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預應力錨索無損檢測分析系統的設計與實現

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力錨索的無損檢測數據分析不夠系統、分析方法仍有不足的現狀，設計并實現了預應力錨索無損檢測數據分析系統。首先，在已有的信號處理方法的基礎上提出STFT主頻幅值比法求解預應力錨索自由段、錨固段長度，并利用頻差法求解預應力大小。然后，根據對錨索無損檢測數據分析的任務需求及模塊化編程思想將軟件分為四個層面：數據訪問及管理層、數據計算層、繪圖及操作層、結果計算及展示層，同時基于MVC框架思想、DirectX設計軟件核心內容：模型計算、繪圖及控制框架。最后，通過Delphi編程設計并實現軟件系統，并對軟件的設計方法、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

隨著我國經濟的建設與發展，預應力錨索被廣泛應用于水利工程、交通工程、市政工程等領域[1]。預應力錨索的錨固質量涉及整個工程的安全問題，所以對預應力錨索錨固質量的檢測至關重要[2][3]。通過無損檢測及數據的分析實現對預應力錨索錨固質量的評價是當前預應力檢測研究的熱門方向[4]。

目前階段，無損檢測相應的儀器設備及信號處理分析方法均有較大發展，但對預應力錨索的無損檢測及數據分析還不夠系統，且分析方法各有不 足[4]。通過軟件系統實現對無損檢測數據系統性的 分析及預應力錨索錨固質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”求解錨索預應力，該方法采用四川升托檢測公司的預應力多功能檢測儀提取錨頭的震蕩響應數據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據處理，并無成熟的軟件分析系統，且其檢測理論是基于檢測參數假設，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模擬方法實現對預應力的檢測，但該方只停留在借助PFC-2D軟件進行數值模擬分析的層面，無成熟分析系統及實際工程的應用[5]。

本論文以應力波反射法[6]的無損檢測數據為原始數據，通過軟件編程實現對無損檢測數據的系統性分析，同時在STFT的基礎上提出STFT主頻幅值比法，實現對預應力錨索錨固質量的計算評價。該軟件系統實現了對檢測數據的系統性分析、操作規范簡便、經濟高效，同時相對其它方法該軟件系統的分析結果精度高。

1 基本原理及算法簡介

1.1 FFT、STFT簡介

離散傅里葉變換DFT在各種數字信號處理的算法中起著核心作用，其研究與應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，FFT算法有了進一步發展，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，實現對數字信號的傅里葉變換。基-2 FFT算法（庫利-圖基算法）中，需滿足序列點數為2，為整數。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）通過窗函數截取信號以確定窗內存在的頻率成分，得到頻率隨時間的變化關系[9]。其定義如公式（2）

其中，()為輸入信號，()是STFT的窗函數。

1.2 基于主頻幅值比的錨索長度計算

本論文在已有的數字信號處理理論的基礎上提出了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主要成分的變化。基于以上原理，本軟件通過“主頻幅值比曲線”模型實現了對錨索介質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 軟件結構設計

根據預應力錨索無損檢測數據分析處理的需求及模塊化程序設計思想[11-12]，論文將軟件分為4個部分：數據訪問及管理層、數據計算層、繪圖及操作層、結果計算層。其中，根據MVC框架的模型、視圖與操作相互分離的思想設計，設計并實現了“模型計算、繪圖及控制”框架——數據計算層、繪圖及操作層。

軟件結構設計如圖2所示。數據訪問及管理層包含SEG數據文件[13]加載模塊、文件信息的訪問模塊、配置信息的訪問模塊；在數據計算層，先通過FFT數據濾波模塊對原始數據進行預處理，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據模型；繪圖及操作層結合數據計算層的相關算法，以DirectX為基礎提供了一個繪圖及操作框架，并通過核心控制模塊與數據計算層相連接，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，同時根據繪圖效果添加圖形操作及參數設置模塊；結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、預應力計算模塊，同時設計結果展示及誤差分析模塊、報表生成模塊。

圖2 軟件結構設計

2.1 數據訪問及管理層

根據錨索數據的工程信息、參數配置信息、SEG數據等屬性，設計錨索數據文件系統，同時設計相關程序模塊。

文件信息訪問模塊可編輯工程相關信息、錨索設計信息等，實現對無損檢測數據的管理。SEG文件數據為預應力錨索的無損檢測數據，其文件格式為SEG協會制定的一種標準地震數據記錄格式[13]，SEG文件格式包含磁帶頭、文件頭、擴展文本頭、采樣數據等內容。跟據SEG文件格式對文件的數據結構進行設計，并編程實現文件讀取、數據解碼等相關程序模塊。配置信息用以記錄默認參數、歷史參數、歷史結果、歷史記錄等信息，該類信息將隨程序的運行動態改變，可方便用戶使用程序。

2.2 數據計算層、繪圖及操作層

軟件系統中數據模型復雜、繪圖種類多且圖形操作復雜。根據MVC架構[14-16]中模型、視圖與控制相互分離的思想，以微軟DirectX為基礎設計程序的核心內容“模型計算、繪圖及控制框架”，可分為數據計算層、繪圖及操作層。軟件系統通過核心控制模塊連接數據計算層與繪圖及操作層。

在數據計算層中，數據的預處理為FFT數據濾波模塊，數據模型計算為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）及操作兩方面內容。在圖形繪制方面，通過濾波曲線可初步觀察數據特征及數據預處理效果，窗口幅-頻曲線可實時分析數據頻率成分，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果計算相關的中間數據，通過結果計算模塊的進一步計算可得到預應力錨索分析檢測結果。

2.3 結果計算及展示層

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

計算結果與誤差分析將在結果展示模塊反饋給用戶，同時生成結果報表。

3 基于Delphi的軟件編程實現

Delphi是面向對象的程序設計語言，其開發程序運行效率高，有利于實現大量數據運算及繪圖操作。通過面向對象程序設計思想將數據與方法封裝，實現各功能模塊。在程序控制及方法調用方面，通過核心控制模塊實現邏輯判斷及統一調度。

軟件GUI界面設計分為5個界面，如圖3所示，分別為：（1）錨索數據文件系統訪問界面；（2）基于FFT的數據濾波界面；（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力計算界面；（5）結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為無損檢測數據原始曲線，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力錨索檢測數據的頻率變換，通過主頻幅值比曲線可提取自由段、錨固段數據頻率特征。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 錨索質量分析系統GUI設計

圖4 基于STFT主頻幅值比的長度分析界面

4 結論

錨索質量分析系統實現了對預應力錨索無損檢測數據的系統化分析及對預應力錨索錨固質量的評估，對預應力錨索無損檢測技術的發展、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力錨索檢測評估的效率，并且極大節約成本。

論文在已有的無損檢測儀器基礎上設計一套綜合性的錨索質量分析系統，提出了STFT主頻幅值比法，設計并實現基于MVC、DirectX的“模型計算、繪圖及控制”框架，并以此提供了系統性的數據分析方法及豐富圖形操作功能，操作規范簡便，彌補了當前無成熟的預應力錨索無損檢測數據分析系統的不足。

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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《基于應力波反射法的錨索質量無損檢測研究》大學生創新項目（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。

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