强震观测辅助教学与数据分析系统开发＊

卢 滔 杜振宇 霍敬妍

（防灾科技学院，燕郊三河 065201）

强震观测辅助教学与数据分析系统开发＊

卢 滔 杜振宇 霍敬妍

（防灾科技学院，燕郊三河 065201）

强震观测是防震减灾工作中的重要环节，该项工作中涉及的部分概念相对比较抽象，对于本科教学而言，难度较大。为了提高教学效果，本研究基于MATLAB GUI，开发了可视交互式的辅助教学与数据分析系统。算例表明，该系统可较好的满足强震观测相关的辅助教学和常规数据分析工作的需要。

强震观测；MATLAB；辅助教学；数据分析

引言

强震观测是防灾减灾工作中重要的一个环节，部分高等院校和研究所的本科和研究生阶段学习过程中开设了强震观测课程；强震观测数据分析中涉及的理论知识较为抽象，数理基础较弱的工科学生理解起来存在一定困难，如何将抽象的理论形象化，使该层次的强震观测课程教学效果有所提高是一个亟待解决的问题。

MATLAB作为通用的理工类分析计算平台软件，具有数学工具库丰富，代码编写简便，维护扩展容易，面向对象编程容易等特点，开发相应的基于MATLAB GUI的强震观测辅助教学与分析系统，将有助于本科甚至研究生阶段学生对强震观测相关知识的理解，可以使教学效果进一步提高。

1 MATLAB及GUI编程思想

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要包括MATLAB和Simulink两大部分；它不仅能解决大量的数值计算和矩阵运算，而且将图像与图形、显示及处理、图形界面设计集于一身，非常适合辅助教学和交互式数据分析处理的应用；MATLAB为各行各业的用户提供了大量的数学函数和数学工具箱，使代码编写、维护以及面向对象编程变得非常简便；正是有着这些特点使得它在工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等多个领域都得到了广泛的应用［1］。

MATLAB为用户提供了一个开发图形用户界面（GUI）的集成环境GUIDE，它是一个面向对象编程的设计工具集，MATLAB把所有GUI支持的用户控件都集成在这个环境中，并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法。

GUI使用FIGURE文件来保存用户设计的GUI界面，FIGURE文件中包含若干个控件，控件具有相应的属性，并能对相应的动作（如单击鼠标左键）进行响应；GUI使用M文件来进行GUI初始化和组件界面布局，并采用函数（function）程序段对控件的动作进行响应并开展相应的运算，图1即为简单的MATLAB GUI的结构组成形式。

图1 简单MATLAB GUI的组成结构

基于MATLAB GUI的交互式软件系统开发主要工作包括编辑FIG文件完成界面设计和编写M文件完成界面控件对象的动作响应函数。

2 强震观测与系统构成

强震动观测，它是利用仪器来观测地震时的强地面运动过程以及在地震作用下工程结构的反应情况，进而为地震工程学和近场地震学提供基础研究资料［2］。

强震动观测的目的就是要针对各类场地和工程结构上布设强震动观测台网，对地震动的特性（强度、频谱、持续时间）及其影响因素，以及各种工程结构的地震反应特性进行观测，获取真实可靠的强地面运动记录和工程结构地震反应资料，为研究强地面运动的特性和工程结构抗震设计方法与技术提供重要的基础资料；同时可以通过强震动观测结果来检验已有的抗震设计理论和方法是否符合各个领域实际，以加深人们对于客观规律的认识，不断推动地震工程研究和结构抗震设计方法的发展。

强震观测工作中的一个重点工作就是强震数据的处理，数据处理是前期观测记录数据的总结，并且是后续工作的基础；本研究基于MATLAB GUI开发了强震观测辅助教学和数据分析系统，用于课程内容的教学和课程相关的数据分析工作，旨在使本科学生能对课程中涉及的重要概念更好地理解掌握，并能采用该系统方便、交互式地开展数据分析。

基于这一考虑，该系统由辅助教学和数据分析两大模块组成（图2），其中辅助教学主要是用于课程教学中较为抽象内容的演示和交互式学习，而数据分析模块是用于强震观测数据分析的实际运算操作；每个模块内又分成多个子模块，两个模块内容基本可以满足本科阶段“强震观测”教学内容和数据分析的需要；该系统基于MATLAB GUI开发而成，代码简单明了，维护方便，并具有较强的开放性，可以根据课程内容和实际工作内容需求的增加，轻松地对该系统进行功能的扩展和算法的优化。

图2 强震观测辅助教学和数据分析系统构成

在该系统具体编程开发的过程中，严格按照商用软件开发的要求，代码编写规范，在保证系统稳定的同时，考虑了系统使用和操作的友好性，具有输入数据错误检测和实时帮助等功能。

3 算例

强震观测辅助教学与数据分析系统的运行，从统一的主界面进入（图3），通过选择菜单栏的项目进入相应的辅助教学或数据分析的具体功能模块（或子模块）。

3.1 强震记录的常规分析

该功能模块能交互式地完成强震观测数据基本分析的全过程，包括数据转换（电压值向加速度的转换）、基线校正、信噪比分析、滤波、快速傅立叶变换和反应谱计算等功能，输入文件为强震仪记录到三通道（UD、NS、EW）的加速度对应的电压值时程，输出为所有选择分析选项的分析数据结果和分析结果图件；下面结合具体强震记录分析其具体过程。

（1）运行程序，进入常规分析模块，该模块主界面如图4；导入强震记录原始电压时程文件，并设定正确的灵敏度、采样率等转换参数，本算例记录设定灵敏度为2.5V/g，采样率为200sps；转换并输出三通道原始加速度时程曲线（图5）。

图3 强震观测辅助教学与数据分析系统主界面

图4 强震数据基本分析模块主界面

（2）根据显示的原始加速度时程曲线确定事件前时间，本算例记录设定为15s，对各通道原始加速度记录进行基线校正，并计算显示各通道的信号谱和噪声谱（图6），用于信噪比分析。

（3）根据信噪比分析结果，确定滤波低频和高频截止频率值，本算例记录选择通频带为0.5～50Hz进行滤波处理（图7）。

（4）选择需要分析输出的结果，开始分析，输出结果数据文件和图形文件，本次算例分析选择的分析项目是加速度、速度、位移时程和傅立叶幅值谱（图7）。

图5 强震原始加速度记录时程

图6 信噪比分析

图7 滤波参数确定、分析项目选择及计算分析输出结果

（5）如果一组记录分析完成后，需要对下一组记录开展分析，只需单击“再分析”按键，便能清空内存空间继续开展分析。

从本算例可以看出，本系统中的强震观测数据常规分析模块功能满足前述开发目标要求并能满足强震观测实际工作的需要，而且在分析过程中学生能采用交互的方式设定分析参数，当不熟悉具体操作时，只需在需要输入参数的空格处单击右键，便能在“说明”栏中显示出具体指导帮助文字。

3.2 滤波概念教学子模块

滤波是强震观测数据分析中的一个重要概念，本系统专门在“傅立叶频谱分析原理”教学模块中设置了相应的“滤波分析原理”教学子模块用于开展该概念的直观教学，使学生对该概念有更形象、深刻的理解。

该模块主要是开展强震观测数据分析中常用的带通滤波的概念教学演示，并能够用于实际的数据带通滤波处理；输入文件为已经过基线校正的加速度记录，设定好带通滤波低频高频截止频率，选择滤波器类型（巴特沃斯、切比雪夫Ⅰ型和Ⅱ型），在不同的绘图窗口便会显示出滤波前后的时程和傅立叶幅值谱曲线的对比（图8）；在该模块中可以设定不同的滤波截止频率与滤波器类型的参数组合，实时观察时程曲线和频谱曲线的变化，以加深学生对滤波的概念和滤波效果的理解；当滤波效果理想时，可以选择输出分析结果；同理，在相应的控件上单击鼠标右键，在“帮助说明”栏内会显示具体的帮助说明文字。

图8 滤波概念辅助教学子模块

4 结束语

强震观测是防灾减灾课程中的一门重要的课程，该课程教学中涉及一些重要概念的理论性和抽象性很强，缺乏实践的本科学生理解起来存在着一定的困难；基于MATLAB GUI强震观测辅助教学和数据分析的开发，使得这些概念和算法得以直观准确且能交互式地表达实现，算例表明，该系统切实可行，同时满足教学和实际工作的需要，有助于该课程教学和实践活动的开展。

（作者电子信箱，卢 滔：lutao＠fzxy.edu.cn）

［1］常巍，谢光军，黄朝峰.MATLAB R2007基础与提高.北京：电子工业出版社，2007

［2］周雍年.强震动观测技术讲义.燕郊：防灾科技学院，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。

中国地震局教师科研基金（20090111）。