強(qiáng)震觀測(cè)輔助教學(xué)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開發(fā)＊

盧 滔 杜振宇 霍敬妍

（防災(zāi)科技學(xué)院，燕郊三河 065201）

強(qiáng)震觀測(cè)輔助教學(xué)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開發(fā)＊

盧 滔 杜振宇 霍敬妍

（防災(zāi)科技學(xué)院，燕郊三河 065201）

強(qiáng)震觀測(cè)是防震減災(zāi)工作中的重要環(huán)節(jié)，該項(xiàng)工作中涉及的部分概念相對(duì)比較抽象，對(duì)于本科教學(xué)而言，難度較大。為了提高教學(xué)效果，本研究基于MATLAB GUI，開發(fā)了可視交互式的輔助教學(xué)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。算例表明，該系統(tǒng)可較好的滿足強(qiáng)震觀測(cè)相關(guān)的輔助教學(xué)和常規(guī)數(shù)據(jù)分析工作的需要。

強(qiáng)震觀測(cè)；MATLAB；輔助教學(xué)；數(shù)據(jù)分析

引言

強(qiáng)震觀測(cè)是防災(zāi)減災(zāi)工作中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，部分高等院校和研究所的本科和研究生階段學(xué)習(xí)過程中開設(shè)了強(qiáng)震觀測(cè)課程；強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)分析中涉及的理論知識(shí)較為抽象，數(shù)理基礎(chǔ)較弱的工科學(xué)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(qiáng)震觀測(cè)課程教學(xué)效果有所提高是一個(gè)亟待解決的問題。

MATLAB作為通用的理工類分析計(jì)算平臺(tái)軟件，具有數(shù)學(xué)工具庫(kù)豐富，代碼編寫簡(jiǎn)便，維護(hù)擴(kuò)展容易，面向?qū)ο缶幊倘菀椎忍攸c(diǎn)，開發(fā)相應(yīng)的基于MATLAB GUI的強(qiáng)震觀測(cè)輔助教學(xué)與分析系統(tǒng)，將有助于本科甚至研究生階段學(xué)生對(duì)強(qiáng)震觀測(cè)相關(guān)知識(shí)的理解，可以使教學(xué)效果進(jìn)一步提高。

1 MATLAB及GUI編程思想

MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分；它不僅能解決大量的數(shù)值計(jì)算和矩陣運(yùn)算，而且將圖像與圖形、顯示及處理、圖形界面設(shè)計(jì)集于一身，非常適合輔助教學(xué)和交互式數(shù)據(jù)分析處理的應(yīng)用；MATLAB為各行各業(yè)的用戶提供了大量的數(shù)學(xué)函數(shù)和數(shù)學(xué)工具箱，使代碼編寫、維護(hù)以及面向?qū)ο缶幊套兊梅浅：?jiǎn)便；正是有著這些特點(diǎn)使得它在工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

MATLAB為用戶提供了一個(gè)開發(fā)圖形用戶界面（GUI）的集成環(huán)境GUIDE，它是一個(gè)面向?qū)ο缶幊痰脑O(shè)計(jì)工具集，MATLAB把所有GUI支持的用戶控件都集成在這個(gè)環(huán)境中，并提供界面外觀、屬性和行為響應(yīng)方式的設(shè)置方法。

GUI使用FIGURE文件來保存用戶設(shè)計(jì)的GUI界面，F(xiàn)IGURE文件中包含若干個(gè)控件，控件具有相應(yīng)的屬性，并能對(duì)相應(yīng)的動(dòng)作（如單擊鼠標(biāo)左鍵）進(jìn)行響應(yīng)；GUI使用M文件來進(jìn)行GUI初始化和組件界面布局，并采用函數(shù)（function）程序段對(duì)控件的動(dòng)作進(jìn)行響應(yīng)并開展相應(yīng)的運(yùn)算，圖1即為簡(jiǎn)單的MATLAB GUI的結(jié)構(gòu)組成形式。

圖1 簡(jiǎn)單MATLAB GUI的組成結(jié)構(gòu)

基于MATLAB GUI的交互式軟件系統(tǒng)開發(fā)主要工作包括編輯FIG文件完成界面設(shè)計(jì)和編寫M文件完成界面控件對(duì)象的動(dòng)作響應(yīng)函數(shù)。

2 強(qiáng)震觀測(cè)與系統(tǒng)構(gòu)成

強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)，它是利用儀器來觀測(cè)地震時(shí)的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)過程以及在地震作用下工程結(jié)構(gòu)的反應(yīng)情況，進(jìn)而為地震工程學(xué)和近場(chǎng)地震學(xué)提供基礎(chǔ)研究資料［2］。

強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的目的就是要針對(duì)各類場(chǎng)地和工程結(jié)構(gòu)上布設(shè)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，對(duì)地震動(dòng)的特性（強(qiáng)度、頻譜、持續(xù)時(shí)間）及其影響因素，以及各種工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性進(jìn)行觀測(cè)，獲取真實(shí)可靠的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)記錄和工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)資料，為研究強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的特性和工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法與技術(shù)提供重要的基礎(chǔ)資料；同時(shí)可以通過強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)結(jié)果來檢驗(yàn)已有的抗震設(shè)計(jì)理論和方法是否符合各個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H，以加深人們對(duì)于客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)，不斷推動(dòng)地震工程研究和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展。

強(qiáng)震觀測(cè)工作中的一個(gè)重點(diǎn)工作就是強(qiáng)震數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)處理是前期觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)的總結(jié)，并且是后續(xù)工作的基礎(chǔ)；本研究基于MATLAB GUI開發(fā)了強(qiáng)震觀測(cè)輔助教學(xué)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，用于課程內(nèi)容的教學(xué)和課程相關(guān)的數(shù)據(jù)分析工作，旨在使本科學(xué)生能對(duì)課程中涉及的重要概念更好地理解掌握，并能采用該系統(tǒng)方便、交互式地開展數(shù)據(jù)分析。

基于這一考慮，該系統(tǒng)由輔助教學(xué)和數(shù)據(jù)分析兩大模塊組成（圖2），其中輔助教學(xué)主要是用于課程教學(xué)中較為抽象內(nèi)容的演示和交互式學(xué)習(xí)，而數(shù)據(jù)分析模塊是用于強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)分析的實(shí)際運(yùn)算操作；每個(gè)模塊內(nèi)又分成多個(gè)子模塊，兩個(gè)模塊內(nèi)容基本可以滿足本科階段“強(qiáng)震觀測(cè)”教學(xué)內(nèi)容和數(shù)據(jù)分析的需要；該系統(tǒng)基于MATLAB GUI開發(fā)而成，代碼簡(jiǎn)單明了，維護(hù)方便，并具有較強(qiáng)的開放性，可以根據(jù)課程內(nèi)容和實(shí)際工作內(nèi)容需求的增加，輕松地對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能的擴(kuò)展和算法的優(yōu)化。

圖2 強(qiáng)震觀測(cè)輔助教學(xué)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成

在該系統(tǒng)具體編程開發(fā)的過程中，嚴(yán)格按照商用軟件開發(fā)的要求，代碼編寫規(guī)范，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，考慮了系統(tǒng)使用和操作的友好性，具有輸入數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)和實(shí)時(shí)幫助等功能。

3 算例

強(qiáng)震觀測(cè)輔助教學(xué)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的運(yùn)行，從統(tǒng)一的主界面進(jìn)入（圖3），通過選擇菜單欄的項(xiàng)目進(jìn)入相應(yīng)的輔助教學(xué)或數(shù)據(jù)分析的具體功能模塊（或子模塊）。

3.1 強(qiáng)震記錄的常規(guī)分析

該功能模塊能交互式地完成強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)基本分析的全過程，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（電壓值向加速度的轉(zhuǎn)換）、基線校正、信噪比分析、濾波、快速傅立葉變換和反應(yīng)譜計(jì)算等功能，輸入文件為強(qiáng)震儀記錄到三通道（UD、NS、EW）的加速度對(duì)應(yīng)的電壓值時(shí)程，輸出為所有選擇分析選項(xiàng)的分析數(shù)據(jù)結(jié)果和分析結(jié)果圖件；下面結(jié)合具體強(qiáng)震記錄分析其具體過程。

（1）運(yùn)行程序，進(jìn)入常規(guī)分析模塊，該模塊主界面如圖4；導(dǎo)入強(qiáng)震記錄原始電壓時(shí)程文件，并設(shè)定正確的靈敏度、采樣率等轉(zhuǎn)換參數(shù)，本算例記錄設(shè)定靈敏度為2.5V/g，采樣率為200sps；轉(zhuǎn)換并輸出三通道原始加速度時(shí)程曲線（圖5）。

圖3 強(qiáng)震觀測(cè)輔助教學(xué)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主界面

圖4 強(qiáng)震數(shù)據(jù)基本分析模塊主界面

（2）根據(jù)顯示的原始加速度時(shí)程曲線確定事件前時(shí)間，本算例記錄設(shè)定為15s，對(duì)各通道原始加速度記錄進(jìn)行基線校正，并計(jì)算顯示各通道的信號(hào)譜和噪聲譜（圖6），用于信噪比分析。

（3）根據(jù)信噪比分析結(jié)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(jìn)行濾波處理（圖7）。

（4）選擇需要分析輸出的結(jié)果，開始分析，輸出結(jié)果數(shù)據(jù)文件和圖形文件，本次算例分析選擇的分析項(xiàng)目是加速度、速度、位移時(shí)程和傅立葉幅值譜（圖7）。

圖5 強(qiáng)震原始加速度記錄時(shí)程

圖6 信噪比分析

圖7 濾波參數(shù)確定、分析項(xiàng)目選擇及計(jì)算分析輸出結(jié)果

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

從本算例可以看出，本系統(tǒng)中的強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)常規(guī)分析模塊功能滿足前述開發(fā)目標(biāo)要求并能滿足強(qiáng)震觀測(cè)實(shí)際工作的需要，而且在分析過程中學(xué)生能采用交互的方式設(shè)定分析參數(shù)，當(dāng)不熟悉具體操作時(shí)，只需在需要輸入?yún)?shù)的空格處單擊右鍵，便能在“說明”欄中顯示出具體指導(dǎo)幫助文字。

3.2 濾波概念教學(xué)子模塊

濾波是強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)分析中的一個(gè)重要概念，本系統(tǒng)專門在“傅立葉頻譜分析原理”教學(xué)模塊中設(shè)置了相應(yīng)的“濾波分析原理”教學(xué)子模塊用于開展該概念的直觀教學(xué)，使學(xué)生對(duì)該概念有更形象、深刻的理解。

該模塊主要是開展強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)分析中常用的帶通濾波的概念教學(xué)演示，并能夠用于實(shí)際的數(shù)據(jù)帶通濾波處理；輸入文件為已經(jīng)過基線校正的加速度記錄，設(shè)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(huì)顯示出濾波前后的時(shí)程和傅立葉幅值譜曲線的對(duì)比（圖8）；在該模塊中可以設(shè)定不同的濾波截止頻率與濾波器類型的參數(shù)組合，實(shí)時(shí)觀察時(shí)程曲線和頻譜曲線的變化，以加深學(xué)生對(duì)濾波的概念和濾波效果的理解；當(dāng)濾波效果理想時(shí)，可以選擇輸出分析結(jié)果；同理，在相應(yīng)的控件上單擊鼠標(biāo)右鍵，在“幫助說明”欄內(nèi)會(huì)顯示具體的幫助說明文字。

圖8 濾波概念輔助教學(xué)子模塊

4 結(jié)束語

強(qiáng)震觀測(cè)是防災(zāi)減災(zāi)課程中的一門重要的課程，該課程教學(xué)中涉及一些重要概念的理論性和抽象性很強(qiáng)，缺乏實(shí)踐的本科學(xué)生理解起來存在著一定的困難；基于MATLAB GUI強(qiáng)震觀測(cè)輔助教學(xué)和數(shù)據(jù)分析的開發(fā)，使得這些概念和算法得以直觀準(zhǔn)確且能交互式地表達(dá)實(shí)現(xiàn)，算例表明，該系統(tǒng)切實(shí)可行，同時(shí)滿足教學(xué)和實(shí)際工作的需要，有助于該課程教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)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(chǔ)與提高.北京：電子工業(yè)出版社，2007

［2］周雍年.強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)技術(shù)講義.燕郊：防災(zāi)科技學(xué)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(guó)地震局教師科研基金（20090111）。