CC BY
52
УДК 629.039.58
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНФОРМНОСТИ РЕШЕТЧАТЫХ ОТОБРАЖЕНИЙ ДАННЫХ ЦИФРОВОГО МОНИТОРИНГА ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
Ж.Г. Могилюк, С.И. Завалишин, М.С. Хлыстунов
Исследуются механизмы возникновения амплитудных искажений в цифровых системах динамического мониторинга и обследования зданий и сооружений. Представлены результаты исследования влияния амплитудных искажений на достоверность вычисления истинных значений интенсивности векторных полей многомодовых динамических нагрузок и форм колебаний строительных конструкций.
Ключевые слова: здания, сооружения, динамические обследования, мониторинг, цифровые технологии, амплитудные искажения, достоверность.
Введение. Цифровые технологии фактически охватили все области высоких технологий. Широкое распространение цифровые технологии также получили и в измерительной технике, и в системах диагностики и мониторинга безопасности технического состояния, включая динамические обследования, ответственных строительных или экологически опасных промышленных объектов [1,2].
Таким образом, учитывая особую ответственность применения цифровых измерительных технологий в этих сферах, обеспечение высокого качества и(или) достоверности измерений приобретает критический характер [1,2]. По этой причине особое внимание разработчиков таких технологий и пользователей уделяется оценке возможных метрологических «сбоев» цифровых измерительных систем и, в первую очередь, в виде амплитудных искажений исходной физической информации [3].
Более века назад «пионеры» цифровых технологий со всей тщательностью анализировали проблемы достоверности при применении цифровых технологий [4].
Однако широкое внедрение цифровых технологий в измерительную технику и практику на современном этапе реализуется с некоторой долей метрологического «авантюризма» и с «романтической» уверенностью в их непогрешимость, даже при решении ответственных и тонких задач динамических обследований и мониторинга объектов повышенной категории опасности.
Рассмотрим с этой точки зрения специфические и характерные для цифровых технологий метрологические «сбои» в части внесения в результаты мониторинга существенных амплитудных искажений.
Спектральный анализ амплитудных искажений. В данном анализе мы будем полагать, что классические принципы подготовки аналогового сигнала датчиков цифровой системы мониторинга для последующих
цифровых операций выполнены. Например, проведена «глубокая» фильтрация низких частот, обеспечивающая выполнение с высокой точность критерия Найквиста-Котельникова-Шенонна, когда верхняя граничная частота сигнала в канале измерения не превышает половины частоты его дискретизации.
Отсутствие явных проблем в амплитудно-временном представлении решетчатых отображений оригиналов измеряемых «аналоговых» процессов, не означает, что в спектральных Фурье-отображениях этих функций не появятся существенные амплитудные искажения.
В общем виде подвергнутый аналого-цифровому преобразованию распределенный во времени непрерывный динамический процесс (параметр) х$) можно представить в спектральной области в виде Фурье-отображения.
+¥
хю = X Х(Т. , (1)
П = —¥
где Х(юп) - спектр решетчатой функции х(1г), причем спектр Х(ю) периодической функции координат или времени, например, х(Х) после дискретизации также будет дискретным (решетчатым) Х(юп), а спектр решетчатой функции х^г) - периодическим.
Однако в реальном случае бесконечные пределы суммирования заменяются на конкретный интервал длиной в N выборок решетчатой функции:
_ N
ХК) = Xх(С)е-ЛЧ . (2)
п=0
Именно после двух перечисленных выше операций (дискретизации и фрагментации непрерывного массива на фрагменты длиной N выборок) происходит формирование амплитудных искажений, зависящих от соотношения частоты дискретизации и длины массива (см. рис.1 для гармонического сигнала). В результате этих операций в спектре происходит формирование боковых лепестков (ложных или несуществующих резонансов), а в зависимости от положения массива на оси времени его спектры могут существенно отличаться как между собой, так и от истинного спектра Х(ю)исх измеряемого сигнала.
Наряду с явным искажением амплитуды спектра сигнала, как показано на рис.1 в зависимости от длины выборок, так же существенно искажается форма спектра в связи с нерегулярностью положения массива на оси времени. Это происходит из-за того, что в современных системах мониторинга существует режим запуска регистрации измерений сигнала при возникновении всплеска интенсивности контролируемого параметра динамического процесса, например, при ударных воздействиях [1].
В этом случае процесс фрагментации будет носить нерегулярный характер, а в отображении Фурье эта нерегулярность будет неизбежно
восприниматься как модуляция сигнала по фазе и(или) амплитуде. В результате в его спектре Х(ю)нерег будут формироваться целая сетка ложных (фантомных) сигналов как показано на рис.2.
Рис. 1. Искажения амплитуды спектра гармонического сигнала в зависимости от длины массива выборок N
Практически все виды перечисленных искажений амплитудного и фазового спектра гармонической функции имеют место при наложении сглаживающих окон на фрагмент функции, подвергаемый Фурье-анализу.
Рис.2. Искажение амплитуды и формы спектра в результате нерегулярности выборки массивов в режиме контроля экстремальных
событий
Возникновение спектральных амплитудных искажений спектра измеряемого параметра динамического процесса происходит также при наложении сглаживающих окон, применяемых для подавления ложных гармоник («резонансов»), которые формируются в результате тривиальной операции вырезания фрагмента массива из непрерывной функции, то есть при наложении на эту функцию прямоугольного окна. В качестве иллюст-
359
рации на рис.3 приведено сопоставление амплитудно-частотной характеристики |^Н(ю)| искажений формы спектров при наложении прямоугольного окна и сглаживающего, треугольного.
Рис.3. Иллюстрация влияния треугольного окна на подавление ложных боковых лепестков спектра, формируемых прямоугольным окном, где ют - доминирующая частота для заданной длины массива
Применение и разработка новых оконных функции продолжается уже в течение многих десятилетий параллельно развитию цифровых технологий и, главным образом, направлено на улучшение быстродействия, разрешающей способности и на лучшее подавление ложных боковых лепестков по сравнению с треугольным. Среди широко распространенных окон, улучшающих метрологические свойства цифрового метода мониторинга, можно выделить окна Ханна, Чебышева, Блэкмэна, Наталла, Хем-минга и другие.
Однако, к сожалению, в технических паспортах и описаниях, а также в руководствах по эксплуатации многоканальных систем мониторинга динамических параметров безопасности пространственных процессов и объектов оценка возможных амплитудных искажений при применении таких систем не предоставляется пользователям или покупателям, вероятно, в целях предотвращения антирекламы или претензий, что вводит эксплуатирующего систему специалиста в заблуждение.
Заключение. Применение цифровых технологий мониторинга, обследования и расчетного моделирования динамических нагрузок в пространстве строительной конструкции и оснований в современную эпоху опасной эволюции геолого-геофизических и метеорологических процессов и резкого роста мощности техносферы приобретает особо важное значение в плане контроля безопасности экологически опасных строительных объектов и промышленных предприятий [5-9]. В связи с этим настораживает отсутствие специальных разделов, как в описаниях систем мониторинга и
в руководствах оператора, так и среди тестовых или поверочных измерений, по метрологической аттестации или калибровке таких систем. Наряду с этим в правилах общей оценки качества программных средств, в том числе используемых по прямому назначению и для обработки данных мониторинга, включая ГОСТ 28195-89, ГОСТ 28806-90 и ГОСТ Р ИСО/МЭК 12119-2000, ограничений или предписаний о сертификации или обязательной оценке важнейших метрологических характеристик для случая использования в измерительных системах не представлено.
Такие же замечания могут быть предъявлены к ИСО/МЭК 9126-93, который хотя и содержит рекомендации по оценке точности результата решения измерительных задач с использованием вычислительных процедур, вместе с тем, в нем не указываются требования по оценке погрешностей, вносимых спектральными амплитудными и фазовыми искажениями.
Таким образом современное состояние оценки достоверности цифровых технологий мониторинга и динамических обследований строительных объектов требует серьезного и детального анализа со стороны надзорных органов и отраслевых метрологических служб, включая службы Архстройнадзора и аналогичные подразделения саморегулируемых организаций (СРО).
В настоящее время в России и за рубежом информационноизмерительные системы и программные комплексы закупаются и эксплуатируются на экологически опасных объектах без надлежащего контроля ни со стороны СРО, ни со стороны федеральных и отраслевых метрологических служб. В связи с этим уже на этапе оформления договорной документации необходимо предписывать проведение метрологической экспертизы по обеспечению метрологической достоверности результатов применения таких систем и программных комплексов [10].
Список литературы
1. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Вибродозиметрический метод мониторинга и прогноза эволюции остаточного ресурса на базе вибродо-зиметрической станции СВД-60У. - М.: WELD, Труды Межд. конференции «ПАЗИС», 9-10 июня 2009 г. С. 29 - 35.
2. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Проектная оценка, мониторинг и прогноз эволюции геодеформационных рисков неравномерных осадок зданий и сооружений методами динамической теории упругости с использованием программно-алгоритмического комплекса «Композит-7». - М.: Издание Weld, Труды Международной конференции «Повышение безопасности зданий и сооружений в процессе строительства и эксплуатации», 9-10 июня 2009 г. С.36 - 40.
3. Савостьянов В.Н., Немчинов В.В., Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Оценка динамической погрешности разностных схем численного мо-
делирования в решениях задач механики твердого тела. -М.: АСВ, Вестник МГСУ, №2, том 2, с. 184-188.
4. Nyquist H. Certain topics in telegraph transmission theory. - N.-Y.: Trans. AIEE, vol. 47, Apr. 1928, pp. 617-644
5. Хлыстунов М.С. Теория геодинамической безопасности АС. I Научно-техническая конференция «Научно-инновационное сотрудничество» Минатома и Минобразования России Сб. научных трудов. -М.: МИФИ, 2002 С. 17 - 19.
6. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г.Исследования и компьютерное моделирование локальных геотехнических рисков при неравномерном вибросейсмическом возбуждении оснований промзон и районов массовой застройки мегаполисов. II Научно-техническая конференция «Научноинновационное сотрудничество Минобразования и ФССС РФ». Сб. научных трудов. -М.: МГСУ, 2003 С.32 - 36
7. Хлыстунов М.С. Прикладная динамическая теория упругости и
математическое моделирование динамических нагрузок в системах типа «объект-основание». Сборник докладов Тематической научно-
практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан». Часть 1. В рамках Научнотехнического конгресса по безопасности "Безопасность - основа устойчивого развития регионов и мегаполисов". -М.: МГСУ, 2005. С. 261 - 267.
8. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Вибродозиметрический метод проектной оценки динамических и геоэкологических рисков. Сборник докладов Тематической научно-практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан». Часть 1. В рамках Научно-технического конгресса по безопасности "Безопасность - основа устойчивого развития регионов и мегаполисов".-М.:МГСУ, 2005. С. 268 -275.
9. Киселёв М.И., Подувальцев В.В., Хлыстунов М.С. Проблемы метрологического обеспечения объектов техносферы, строительной науки и практики. Наука и Образование: электронное научно-техническое издание. 2011. Выпуск 11. URL http://technomag.edu.ru/doc/ 252086.html.
10. Подувальцев В.В. О метрологической экспертизе и наиболее на-
сущных проблемах метрологического обеспечения. Наука и Образование: электронное научно-техническое издание. 2012. Выпуск 2. URL
http://technomag.edu.ru/doc/327076.html.
Могилюк Ж.Г., канд. техн. наук., доц., заведующая научно-исследовательской лабораторией, [email protected], 8-495-583-47-26, Россия, Москва, Москоский государственный строительный университет,
Завалишин С.И., канд. техн. наук, проф., директор института, [email protected], 8-499-183-52-83, Россия, Москва, Москоский государственный строительный университет,
Хлыстунов М.С., канд. техн. наук., проф., заведующий отраслевой научноисследовательской лабораторией, SPIN:6539-9617, [email protected], 8-985-769-73-87, Россия, Москва, Москоский государственный строительный университет
THE LA TTICE MAPPINGS CONFORMITY SPECTRAL ANALYSIS OF DYNAMIC LOADS MONITORING DIGITAL DA TA
Z.G. Mogiljuk, S.I. Zavalishin, M.S. Hlystunov
The amplitude distortions occurrence mechanisms in digital systems of the buildings and constructions dynamic monitoring and inspection are investigated. The amplitude distortions influence research results on the true values calculation reliability of the multimode dynamic loads vector fields intensity and the building structures oscillation modes are presented.
Key words: buildings, structures, dynamic inspection, monitoring, digital technology, amplitude distortion, waveform distortion, reliability.
Mogilyuk Zhanna Gennadievna, candidate of technical Sciences, associate professor, head of the research laboratory, [email protected], 8-495-583-47-26, Russia, Moscow, National Research University Moscow State University of Civil Engineering.
Zavalishin Sergei Iosifovich, candidate of technical Sciences, professor, Director of the Institute, [email protected], 8-499-183-52-83, Russia, Moscow, National Research University Moscow State University of Civil Engineering.
Hlystunov Mihail Sergeevich, candidate of technical Sciences, professor, head of the branch research laboratory, SPIN:6539-9617, [email protected], 8-985-769-73-87, Russia, Moscow, National Research University Moscow State University of Civil Engineering.
УДК 621.941
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ
ОТВЕРСТИЙ
А.Ю. Горелова, А. А. Плешаков, М.Г. Кристаль
Рассмотрены основные погрешности, возникающие при обработке глубоких отверстий. Приведен анализ существующих методов повышения точности обработки и предложено их разделение на четыре группы. Выявлены недостатки каждой группы методов и предложен способ обработки с использованием демпфирующего устройства, позволяющего уменьшить увод и непрямолинейность оси обрабатываемого глубокого отверстия относительно оси инструмента.
Ключевые слова: глубокое сверление, демпфирующие устройства, увод оси, отклонение от прямолинейности оси, компенсация увода.
Операции глубокого сверления и растачивания сопровождают характерные дефекты, возникающие в продольном и поперечном сечениях обрабатываемого отверстия. К погрешностям продольного сечения относят
363
