CN108982810A - 一种动力响应时空重构装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动力响应时空重构装置，所述动力响应时空重构装置用于整个动力试验过程的数据采集、处理以及最终数据处理结果的可视化展示和重现，所述动力响应时空重构装置包括试验数据采集模块、试验数据时空重构模块、试验数据管理与存储模块；所述试验数据时空重构模块用于将采集到的动力响应原始数据直接经过一步实时处理分析得到最终数据处理结果并进行可视化展示和重现，所述的可视化展示和重现是指一个时间点或者多个连续的时间点采集到的所有数据的处理结果、和/或按照一定的时间和空间顺序对采集到的所有时间点的所有数据的处理结果进行可视化展示和重现。本发明可以同步处理大规模数据，指导试验过程，提高试验人员的数据处理效率。

Description

一种动力响应时空重构装置

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其涉及一种动力响应时空重构装置。

背景技术

在土木工程领域，人们通常采用观测和预测手段来认识土木工程对象的行为，判断它的服役性能和安全性，并做出相应的对策。观测，主要是原型观测，它是通过在竣工后的工程结构物中埋设测量元件，直接获取工程结构工作性状的信息，这种研究是一种事后研究，不能事先对工程结构的设计进行指导。预测分为两种，一种手段是数值分析(numericalanalysis)，另一种手段就是物理模拟(physical modelling)技术，物理模拟可以根据相似律和原型工况(例如，真实的建筑物情况)来合理地设定和控制模型边界条件，模拟假想的设计荷载受力条件，从而预测或再现多种因素组合情况下工程结构的力学响应和工作性状，甚至模拟其破坏的全过程，物理模拟所得的信息具有超前性，能够充分地为设计提供技术依据或信息，也可以用来验证数值分析的成果。

目前常用的土工物理模拟的方法主要有：小比例尺模型试验、大比例尺模型试验、校准筒试验、振动台试验等。在岩土地震工程领域中，振动台试验是最常见的试验方式，将布满传感器的土工建构筑物(高坝、高陡边坡、软弱地基、地铁车站、隧道、地下综合管廊、城市建筑群、核电站等)模型放置在振动台上，通过振动台输出地震动，传感器记录土工建构筑物在振动过程中的响应，后续对传感器记录的大量数据进行分析处理以综合评价土工建构筑物的地震响应特征。其中，振动台试验可分为常重力振动台试验和超重力振动台试验。超重力振动台试验是通过离心机进行的一种模拟试验，将缩小尺寸的土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物的自重应力损失。当离心机产生100g的超重力场时，1m尺度的土体就能等效原型100m尺度的场地岩土体，历时1s的高频激振复现100s持时的实际地震动。

当然，振动台试验仅仅是土木工程中常见的一种动力试验类型，像盾构的掘进试验、高坝的溃坝试验、边坡的滑坡试验、海洋风电的波浪试验、高铁路基的振动试验等都属于动力试验的范畴。对上述动力试验进行分析可以发现，由机械装置产生的动力时间比较短，并且如果这些机械装置放于超重力离心机中进行动力试验，离心机的缩时效应这种动力时间会更短(与超重力倍数成反比)。通常在动力试验过程中会布置大量的传感器进行监测，由传感器进行动力响应原始数据的动态采集，将采集到的动力响应原始数据进行多个步骤的处理，得到数据处理结果，所述的数据处理结果可以通过二维图表(例如，X-Y平面图，excel表格)进行展示。

以岩土地震工程中的超重力振动台试验为例，单次振动的时间不超过3秒，用于记录动力响应原始数据的传感器分辨率非常高，对响应数据非常灵敏，单位时间内传感器获取的数据量非常庞大，一个传感器1秒钟记录的数据高达上千甚至上万个，一次超重力振动台试验通常需要数十甚至上百个传感器，因此所有传感器累加测得的数据量就非常庞大，并且这些传感器测得的响应数据需要交叉分析才能得到最终响应分析结果，一次超重力振动台试验需要进行数十种数据分析，数据分析量大、复杂程度高。

通常在动力试验过程中需要采用多种传感器对岩土体动力响应进行联合监测与表征，一些传感器的功能和采集的数据具体类型如下表所示，通常这些传感器记录的数据类型为加速度原始数据、孔压原始数据、土压原始数据、轴压原始数据、应变原始数据、压电弯曲元原始数据、压电压缩元原始数据、激光位移计原始数据、LVDT原始数据、CPTu原始数据、T-bar原始数据、TDR原始数据、热成像仪原始数据、运动相机或高速相机原始数据、光纤光栅原始数据等原始数据格式。试验人员需要先将按照试验需求，人工截取某一时间段的原始数据并进行第一步数据处理，得到相应的标准格式数据(第一步数据处理结果)，所述的第一步数据处理结果可以是加速度真实值、孔压真实值、土压真实值、压力真实值、应变真实值、波动图谱、位移真实值、砂土强度真实值、粘土强度真实值、含水量真实值、温度真实值、标准格式图片、光学信号反演值等，所述的光学信号反演值选自加速度真实值、孔压真实值、土压真实值、应变真实值、含水量真实值、温度真实值的任意一个或多个；然后根据相应传感器处理方式分别进行第二步数据处理，如加速度对比等初步数据处理分析，得到第二步数据处理结果，所述的第二步数据处理结果可以是加速计对比分析、归一化孔隙水压力、土压力变化、轴压变化、结构体应变分布、剪切波速、压缩波速、土体累积变形、结构体累积变形、砂土土体强度、粘土强度、土体含水量变化、温度变化、PIV(粒子成像测速)分析等；最后，将第二步数据处理结果分别导入各种专业化软件进行相应的第三步数据处理，得到第三步数据处理结果，所述的第三步数据处理结果为可以指导工程抗震设计的最终数据结果；例如，利用Matlab软件编程进行PIV分析、利用MathCad软件计算土体剪应力剪应变、利用GeoStudio软件进行孔隙水渗流场分析、利用Structural 6software package软件分析土结相互作用、利用Clip和LiqSVs软件分析场地液化可能性等，所述第三步数据处理结果可以是加速度演变规律，土体剪应力剪应变、加速度计三维位移、液化深度/范围规律、孔隙水渗流场分析、多个模型断面应力场分析、土-结相互作用分析、结构体弯矩、轴力、变形计算分析、土体刚度、土体饱和度、场地变形规律、结构体变形规律、砂土强度演变与液化规律、粘土强度演变、场地液化过程含水量变化、液化相变过程演示、场地地表和断面变形规律等。需要说明的是，所述的最终数据处理结果(第三步数据处理结果)需要将第二步数据处理结果分别导入相应的专业化软件才能计算得到，这些专业化软件往往是异构的，各软件之间分别独立完成各自的功能，各软件之间互不关联。相应的处理分析步骤如表1所示：

表1动力试验常用传感器的数据处理分析步骤

注：LVDT—位移传感器；CPTu—孔压静力触探；TDR—时域反射电磁波装置；T-bar用于测试粘土强度；PIV—粒子图像测速；光纤光栅是将一个或多个微型传感器串联到同一根光纤上，根据光纤反射谱/折射谱的不同解调出相应传感器的响应数据，所述的响应数据为光学信号反演值，所述的微型传感器选自微型加速度计、微型土压力计、微型孔压计、微型位移计、微型应变计、微型温度计、微型含水量传感器等的一种或多种；土-结相互作用分析是指土与结构体相互作用分析，所述结构体选择桩、隧道、地下综合管廊、地铁车站、核电站、挡土墙、堤坝、路堤等土工建构筑物、模型箱中的一种或多种。

下面以处理桩体(结构体)应变片数据为例详细说明整个数据处理过程。应变片传感器主要是用于测量应变值并反算出桩体(结构体)弯矩、轴力和变形，在使用应变片传感器之前需要对传感器进行标定，通过桩体(结构体)加载标定出应变原始数据与应变真实值(第一步数据处理数据结果)之间的系数。在超重力振动台试验过程中，单个应变片会在3秒的振动时间会记录出约3000个数据点，试验人员第一步需要将传感器采集到的电压(原始数据)转化为应变真实值(第一步数据处理结果)，第二步需要将同一时刻桩体所有应变真实值利用Excel软件进行曲线拟合(通常是按照试验工况采用相应的拟合方程进行拟合)得到桩体(结构体)应变分布(第二步数据处理结果)，第三步是将桩体(结构体)弯矩利用Matlab软件进行微分/积分运算得到桩体(结构体)弯矩、轴力、变形计算分析(第三步数据处理结果)。因为在超重力振动台试验过程中数据采集时间短、采集量庞大(在群桩(结构体)的超重力振动台试验中，应变片的数量就可以达到400个，测得的数据量高达120万个数据点)，目前无法做到在试验过程中实时处理数据，只能在试验之后花费大量时间去处理。此外，目前的数据处理技术只能对一个或多个分散的时间点采集到的部分数据进行分析，而无法将整个试验过程中所有时间点产生的所有数据进行整体分析，因此很有可能会对漏掉试验的关键数据(比如，根据一个或多个时间点的部分数据得到的桩体(结构体)弯矩很有可能并不是整个试验过程中最大的弯矩)。此外，对于第三步数据处理结果的呈现，现有技术只能将一个或多个分散的时间点采集到的部分数据的处理结果进行二维图表展示，无法将整个超重力振动台试验过程采集到的所有时间点的所有数据的处理结果进行多维度可视化展示和重现。具体地，现有技术无法实现一个时间点采集到的所有数据的处理结果、也无法实现多个连续的时间点的采集到的所有数据的处理结果、更无法实现按照一定的时间和空间顺序对采集到的所有时间点的所有数据的处理结果的进行多维度可视化重现。可以看出当前的数据呈现方式受制于高速记录的庞大数据量以及落后的数据处理模式，当前的数据可视化模式无法切实指导当前先进瞬态动力试验中的海量数据。

在大型岩土体及复杂岩土体的动力试验中，通常是由表1所列举的多种传感器共同使用进行全方面的监测。以当前最大的超重力振动台(日本大林组超重力振动台模型箱内部尺寸为2×0.9×0.85m)为例，动力试验所需要的传感器为：布置的土压力计可达100个、孔压计可达100个、加速度计可达50个、轴力计可达50个、应变片可达200对、压电弯曲元阵列可达16组、压电压缩元阵列可达16组、激光位移计和LVDT位移传感器可达30个、光纤光栅可达16通道(每个通道上连接的传感器数量可达50个)、CPTu(孔压静力触探)、T-bar、TDR(时域反射电磁波装置)各一个、相机记录的图像数据可达500G。由此可见在动力试验中传感器记录的数据信息量非常巨大，需要处理的数据甚至高达百万个，但动力试验的时间却很短，仅在数秒内完成(例如，3-10秒内完成)。

因此，在一次超重力振动台试验中传感器记录的数据量非常巨大，现有技术无法将传感器记录的原始数据直接经过一步处理分析得到最终数据处理结果，而是需要试验人员按照上述的三个数据处理步骤一步一步进行操作才能完成试验数据处理工作。例如，试验人员需要花费1-2个月时间将原始数据转化为标准格式数据(第一步数据处理)，花费1-2个月时间完成初步数据处理分析(第二步数据处理)，最后花费3-5个月时间完成专业化分析(第三步数据处理)，由于数据量大且数据分析复杂，还需要花费1-2个月完成最终处理数据结果的二维图表展示。可见，现有技术中，3秒的超重力振动台试验产生的数据，分析处理数据的时间至少要半年，效率极其低下。

此外，现有技术无法实现从原始数据一次性实时获得第一步数据处理结果、第二步数据处理结果、第三步数据处理结果中的任何一种或多种结果，更无法实时展示和重现以上数据处理结果，所述的数据处理结果可以是加速度演变规律、土体剪应力剪应变、加速度计三维位移、孔隙水渗流场分析、多个模型断面应力场分析、结构体弯矩/轴力/变形计算、土体刚度计算、土体饱和度计算、砂土强度演变与液化规律、粘土强度演变规律、场地液化过程含水量变化、场地变形规律、结构体变形规律、液化相变过程分析、场地变形规律、场地地表和断面变形规律等等。并且，目前的地震剪应力剪应变计算和PIV分析都是后处理分析，需要将相应的数据导入相应的专业程序并进行编程才能实现。这种后处理方式(试验完成之后处理数据)往往需要专业人士进行编程二次开发才能得到结果，并且在得到计算结果之后还需要将结果导出进行二维展示，整个计算和展示过程相对比较繁琐耗时，不利于对动力试验数据的深度挖掘分析和高效指导实际工程建设。

因此，现有技术无法对动力试验过程进行实时指导，更无法实现试验数据的实时可视化展示和重现，例如在试验过程中出现某些传感器损坏、移位等故障无法及时通过查看传感器数据感知并排除(以孔压计为例，孔压计主要测量水压，地下某一深度处的孔压计测出的孔压是唯一的，孔压计会将其动力响应原始数据以电压信号进行传输，这些原始孔压信号(电压)可能会存在波动，小幅度的波动可以是允许的测量误差，但是大幅度的波动就可能是孔压计损坏或孔压计接触不良，现有技术无法根据这种响应数据进行实时可视化重现并马上判断孔压计的状况，需要花费好几个月得到归一化孔隙水压力才知道孔压计损坏，整套试验数据都不能用了，一般的振动台试验所用孔压计达到20-30个，并且这些数据是相互关联的，损失一个就会对整个响应分析产生比较大的影响，造成巨大损失)；例如不能根据岩土体在某一次振动过程中表现的特性确定下一次振动方式或重点关注的振动数据(以孔压计为例，现有技术只能是振动结束之后花费好几个月时间才能得到液化深度/范围规律，不能在振动过程中实时呈现和展示该规律，因此不能根据液化深度/范围规律确定下一次振动是采用更大的振动加速度还是更小的振动加速度进行研究)；例如不能直接建立三维模型形象表现地震产生的土体变形规律(即不能通过传感器记录的数据重现振动过程中土体的响应，例如不能直接获知在振动的某一时间点或者某一时间段场地的变形情况或场地在整个振动过程中的连续变形情况，不能获得场地响应动画复现整个振动过程)。因而这种复杂的专业化、分散化处理分析严重制约数据处理效率，并且会显著增加试验成本(大型超重力振动试验单次试验的成本高达10～20万，需要处理的数据量达到几百万个数据点，并且处理数据需要花费几个月时间)，容易产生试验误差，不符合当前的发展趋势。

另一方面，在原始数据人工截取阶段也会存在一定的时间误差(例如，孔压传感器记录的孔压值与用于PIV处理的图像存在0.1s的误差、加速度计记录的加速度与激光位移传感器记录的变形数据存在0.1s的误差)，需要注意到一般动力试验过程中单次动力时间都非常短，这种人为误差是比较大的。现有技术无法实现多个传感器采集的原始数据的同步截取。

由此可见当前这种低效的大规模试验数据处理方式、数据截取方式以及数据后处理模式会严重制约科研人员的试验效率、降低试验成果的稳定性和增加试验成本。

现有技术无法同步截取不同传感器采集的动力响应原始数据、将所述原始数据直接经过一步处理分析得到最终数据处理结果，也无法实现准确实时动态采集多种不同类型数据、一次性实时处理不同类型的数据，并且无法对整个动力试验过程的数据处理结果进行可视化展示和重现，所述的可视化展示和重现是指一个时间点或者多个连续的时间点采集到的所有数据的处理结果、和/或按照一定的时间和空间顺序对采集到的所有时间点的所有数据的处理结果进行可视化展示和重现，极大降低试验效率，并且无法保证数据处理的质量，无法满足岩土地震工程研究的行业需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：针对动力试验传感器数量多、试验时间短(数秒内完成)、数据处理量大(数据量甚至高达百万个)、数据处理复杂的特点(例如，动力试验会在较短的振动过程中产生大量的加速度原始数据、孔压原始数据、土压原始数据、轴压原始数据、应变原始数据、压电弯曲元原始数据、压电压缩元原始数据、激光位移计原始数据、LVDT原始数据、CPTu原始数据、T-bar原始数据、TDR原始数据、热成像仪原始数据、运动相机或高速相机原始数据、光纤光栅原始数据等，这些数据现有技术需要借助于专业软件经过三步处理分析才能得到最终试验结果)，提供一种动力响应时空重构装置，所述的装置可以同步截取多个传感器采集的不同类型的动力响应原始数据、将所述原始数据直接经过一步处理分析得到最终数据处理结果，将整个动力试验过程的所有数据处理结果进行可视化展示和重现，所述的可视化展示和重现是指一个时间点或者多个连续的时间点采集到的所有数据的处理结果、和/或按照一定的时间和空间顺序对采集到的所有时间点的所有数据的处理结果进行可视化展示和重现，实现了对动力响应原始数据的实时处理分析、可视化展示和重现，以此指导动力试验过程，提高试验人员的数据处理效率，保证试验数据的质量，节约时间和经济成本，满足岩土地震工程研究的行业需求。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以对动力试验采集到的数据经过动力响应时空重构模块一步处理分析得到最终结果并进行多维度可视化展示和重现，基于试验结果的可视化展示和重现可以对试验过程进行指导，大幅度提高了试验效率，提高了试验精度。

(2)本发明可以同步高效处理大规模不同类型的数据，集成多种专业化处理分析和多种可视化方式展示和重现，避免试验人员利用异构软件处理分析不同试验数据，提高试验人员的数据处理效率，节约时间和经济成本。

(3)本发明可以高精度同步准确截取所有类型数据，保证数据分析的同步性，提高试验数据分析处理的质量，降低试验成本。

(4)本发明可以实现试验数据的动态采集分析并支持历史离线数据的导入分析，既支持动力试验的数据处理分析又可以处理常规试验数据，应用范围广、拓展延伸性强。

附图说明

图1是本发明所述传感器三维建模过程示意图。

图2是本发明所述动力响应数据的处理流程图。

图3是本发明所述试验数据采集模块的数据采集流程图。

图4是本发明所述动力响应时空重构装置三条运行主线流程图。

图5是本发明所述加速度计三维位移可视化展示。

图6是本发明所述模型场地某时刻断面液化深度/范围可视化展示。

图7是本发明所述结构体(模型箱)变形三维可视化展示。

图8是本发明实施例中倾斜场地液化范围计算结果可视化展示。

图9是本发明实施例中倾斜场地地表位移计算结果可视化展示。

图10是本发明实施例中倾斜场地断面位移趋势计算结果可视化展示。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供一种动力响应时空重构装置，所述动力响应时空重构装置用于整个动力试验过程的数据采集、处理以及最终数据处理结果的可视化展示和重现，所述动力响应时空重构装置包括试验数据采集模块、试验数据时空重构模块、试验数据管理与存储模块，所述试验数据采集模块用于实时采集并同步截取不同传感器采集的动力响应原始数据和导入历史数据；所述试验数据时空重构模块用于将采集到的动力响应原始数据直接经过一步实时处理分析得到最终数据处理结果并进行可视化展示和重现，所述的可视化展示和重现是指一个时间点或者多个连续的时间点采集到的所有数据的处理结果、和/或按照一定的时间和空间顺序对采集到的所有时间点的所有数据的处理结果进行可视化展示和重现；所述的试验数据管理与存储模块用于所述动力响应时空重构装置所有数据的存储和管理；所述的动力响应原始数据选自加速度原始数据、孔压原始数据、土压原始数据、轴压原始数据、应变原始数据、压电弯曲元原始数据、压电压缩元原始数据、激光位移计原始数据、LVDT原始数据、CPTu原始数据、T-bar原始数据、TDR原始数据、热成像仪原始数据、运动相机或高速相机原始数据、光纤光栅原始数据的任意一个或多个；所述的最终数据处理结果选自加速度演变规律、土体剪应力剪应变、加速度计三维位移、液化深度/范围规律、孔隙水渗流场分析、多个模型断面应力场分析、土-结相互作用分析、结构体弯矩/轴力/变形计算分析、土体刚度、土体饱和度、场地变形规律、结构体变形规律、砂土强度演变与液化规律、粘土强度演变规律、场地液化过程中含水量变化、液化相变过程分析、场地地表和断面变形规律的任意一个或多个。

本发明的动力响应时空重构装置，首次实现了将动力试验短时间内产生的大量数据一步实时处理分析，并进行可视化展示和重现，可用于对动力试验过程进行实时指导。也就是，本发明的动力响应时空重构装置可以从动力响应原始数据直接得到动力响应时空重构结果(最终数据处理结果)，实现动力响应原始数据的实时处理分析和实时可视化展示和重现，所述的可视化展示和重现是指以三维图、表格、曲线、云图、动画、单值、柱状图、仪表等形式中的任意一种或多种对一个时间点或者多个连续的时间点采集到的所有数据的处理结果、和/或按照一定的时间和空间顺序对采集到的所有时间点的所有数据的处理结果进行可视化展示和重现。

进一步地，传感器与试验数据时空重构结果的对应关系如表2所示。

表2动力响应时空重构数据处理分析步骤

进一步地，所述可视化展示和重现的内容选自加速度演变规律，土体剪应力剪应变，加速度计三维位移，液化深度/范围规律，孔隙水渗流场分析，多个模型断面应力场分析，土-结相互作用，结构体弯矩、轴力、变形计算分析，土体刚度，土体饱和度，场地变形规律，结构体变形规律，砂土强度演变与液化规律，粘土强度演变规律，场地液化过程含水量变化，液化相变过程分析，场地地表和断面变形规律等的一种或多种，所述结构体选择桩、隧道、地下综合管廊、地铁车站、核电站、挡土墙、堤坝、路堤等土工建构筑物、模型箱中的一种或多种。

进一步地，所述可视化展示和重现的形式选自三维图、表格、曲线、云图、动画、单值、柱状图、仪表中的任意一种或多种。

进一步地，所述的试验数据采集模块包括传感器、数据采集软件、光端机、数采设备、供电转换设备等部件，所述的试验数据采集模块通过数据采集软件控制数采设备实现数据采集，由供电转换设备将实验室标准电压转化为传感器适用电压并对传感器进行供电，由数采设备连接传感器实现动力响应原始数据的采集，由光端机连接数采设备实现动力响应原始数据的数字化转换和传输。试验数据采集模块采集数据的过程如图3所示。

进一步地，所述的传感器选自加速度计、孔压计、土压力计、压电弯曲元、压电压缩元、激光位移计、LVDT位移传感器、应变片、轴力计、CPTu、T-bar、时域反射电磁波装置TDR、微型运动相机、高速相机、光纤光栅、热成像仪中的一个或多个。所述的传感器需要在进行动力试验之前进行标定和测试，然后按照试验需求预先埋置于试验模型岩土体内或架设于试验所用模型箱上，接着打开动力响应时空重构装置输入试验岩土体的尺寸信息、试验离心加速度大小，传感器的位置信息和标定系数等。完成上述步骤之后便可开展动力试验。其中，光纤光栅是将微型传感器串联到同一根光纤光栅上，根据光纤光栅反射谱/折射谱的不同解调出相应传感器的响应数据，所述的微型传感器选自微型加速度计、微型土压力计、微型孔压计、微型位移计、微型应变计、微型温度计、微型含水量传感器等的一种或多种，各种传感器的建模过程如图1所示。

进一步地，所述的试验数据采集模块可多通道、高分辨率采集动力响应原始数据；优选地，所述通道的数量≥256个，时间分辨率≤2μs；更优选地，通道的数量≥512个，时间分辨率≤1μs。

进一步地，所述的试验数据时空重构模块包括试验数据第一步数据处理子系统、试验数据第二步数据处理子系统、试验数据第三步数据处理子系统和试验数据可视化展示与重现子系统，其中：

所述的试验数据第一步数据处理子系统将采集到的动力响应原始数据实时生成标准格式数据，所述的标准格式数据选自加速度真实值、孔压真实值、土压真实值、压力真实值、应变真实值、波动图谱、位移真实值、砂土强度真实值、粘土强度真实值、含水量真实值、温度真实值、标准格式图片、光学信号反演值中的任意一个或多个；所述光学信号反演值选自加速度真实值、孔压真实值、土压真实值、应变真实值、含水量真实值、温度真实值中的一个或多个。在动力试验过程中，动力响应原始数据是同步传输给试验数据第一步数据处理子系统进行处理，试验数据第一步数据处理子系统主要是根据前期输入的标定系数进行数据转化和数据曲线拟合。

所述的试验数据第二步数据处理子系统将所述标准格式数据实时转化为加速度对比、归一化孔隙水压力、土压力变化、轴压变化、结构体应变分布、剪切波速、压缩波速、土体累积变形、结构体累积变形、砂土土体强度、粘土土体强度、土体含水量变化、温度变化、PIV分析等结果，然后传输给试验数据第三步数据处理子系统进行专业化处理。其中，所述加速度对比分析是将不同位置处的加速度计在同一时刻的关键数据进行对比分析；所述归一化孔隙水压力是将孔压计记录的孔压除以孔压计所处位置的竖向有效应力形成归一化孔隙水压力；所述土压力变化、轴压变化、土体累积变形、结构体累积变形、土体含水量变化、温度变化等是将同一个传感器在某一时刻记录的数据与上一次记录的数据做差进行对比分析；所述剪切波速和压缩波速是根据成对压电弯曲元和压电压缩元激发时间和到达时间的差异计算出来的；所述土体强度是根据强度真实值和修正系数反演出来的；所述的PIV分析是将标准图片按照时间顺序导入并根据像素追踪原理计算土颗粒的运动轨迹。

所述的试验数据第三步数据处理子系统用于数据的专业化分析处理，将所述专业化分析处理结果传输给试验数据可视化展示与重现子系统，所述专业化分析处理选自以下的任意一个或多个：

1)根据加速度对比分析结果分析加速度演变规律并进行土体剪应力剪应变和加速度计三维位移计算，主要进行积分运算以及关键数据对比分析；所述的加速度演变规律是指振动产生的岩土体振动加速度由基岩向地表在水平双向和竖向三个维度内的传播规律，所述的土体剪应力剪应变是指振动过程中岩土体在不同深度所呈现出来的应力应变关系，所述的加速度计三维位移是指由加速度计记录的数据反映其所处位置处岩土体的三维变形；

2)根据归一化孔隙水压力计算结果进行液化深度/范围规律分析和孔隙水渗流场分析，所述孔隙水渗流分析是指孔隙液体(水)在振动过程中的迁移过程分析，主要依据归一化孔隙水压力进行区域拟合和动力分析；

3)根据土压力变化计算结果进行多个模型断面应力场分析和孔隙水渗流场分析；所述的多个模型断面应力场分析是指振动过程中岩土体由于动力荷载作用引起的应力场变化；

4)根据轴力变化计算结果进行土-结相互作用分析；所述的土-结相互作用分析是指岩土体与结构体的相互作用，包括应力和变形的相互影响分析；

5)根据结构体应变分布结果进行土-结相互作用分析、结构体弯矩计算、轴力计算和位移计算，主要进行积分、微分运算；

6)根据剪切波速计算结果计算土体刚度，主要依据剪切波速与土体刚度之间的特征关系式进行反演；

7)根据压缩波速计算结果计算土体饱和度，主要依据压缩波速与土体饱和度之间的特征关系式进行反演；

8)根据土体累积变形和结构体累积变形计算结果分析场地变形规律和结构体变形规律，主要依据累积变形计算结果进行场地变形区域拟合和结构体变形曲线拟合；

9)根据CPTu传感器计算的砂土土体强度结果计算岩土体在不同位置处的强度演变与液化规律；

10)根据T-bar传感器计算的粘土土体强度结果计算岩土体在不同位置处的强度演变规律；

11)根据土体含水量变化结果分析场地液化过程含水量变化；

12)根据温度变化结果分析场地液化相变过程；

13)根据PIV处理结果分析场地地表和断面变形规律，主要依据PIV处理结果进行变形趋势拟合。

所述的试验数据可视化展示与重现子系统用于实现所有数据处理结果的可视化展示和重现。其中，加速度计三维位移可视化展示如图5所示，加速度计在未振动时候为竖直均匀排列的，经过振动之后，加速度计产生了三维变形，该三维变形直接跟岩土体的三维变形相关，从加速度计排布的扭曲程度上可以看出上覆土体产生的比较大的侧向变形，将加速度计三维位移可视化展示按照一定的时间顺序呈现土体在振动过程中的连续变形即为加速度计三维位移可视化重现；液化深度/范围可视化展示如图6所示，将加速度计与孔压计进行联合分析，提取加速度时程曲线上红点时刻的所有孔压数据进行分析，r_u值大于0.8可以认为是液化点，将所有归一化孔压数据进行区域拟合就得到液化深度/范围规律并进行可视化展示，将液化深度/范围可视化展示按照一定的时间顺序呈现土体在振动过程中液化深度/范围连续变化情况即为液化深度/范围可视化重现；结构体变形可视化展示如图7所示，模型箱上有应变片传感器，根据应变片记录的数据反算出模型箱的变形并通过变形云图可视化展示，将某结构体变形可视化展示按照一定时间顺序呈现结构体连续变形情况即为结构体变形可视化重现。

进一步地，所述的试验数据第二步数据处理子系统处理所述标准格式数据的方法选自滤波处理、转换处理、插值处理。

进一步地，所述滤波处理选自FFT滤波、IFFT滤波、巴特沃兹滤波、频谱分析等。

进一步地，所述的试验数据可视化展示与重现子系统接收第三步转化处理数据并进行可视化展示和重现，包括在动力实验过程中可以对试验数据第一步、第二步和最终数据处理结果实时读取和展示，在动力试验结束后展示和重现加速度演变规律，土体剪应力剪应变，加速度计三维位移，液化深度/范围规律，多个模型断面应力场分析，孔隙水渗流场分析，土-结相互作用分析，结构体弯矩、轴力、变形计算分析，土体刚度，土体饱和度，场地变形规律，结构体变形规律，砂土强度演变与液化规律，粘土强度演变规律，场地液化过程含水量变化，液化相变过程分析，场地地表和断面变形规律。

进一步地，所述的试验数据管理与存储模块包括试验数据管理子系统和系统配置子系统，所述试验数据管理子系统用于对所述动力响应时空重构装置所有数据进行统一的存储管理；所述的系统配置子系统用于提升所述试验数据管理子系统的通用性和扩展性。

进一步地，所述的试验数据管理与存储模块还包括数据共享子系统，所述数据共享子系统用于实现数据的远程共享。

进一步地，所述试验数据管理与存储模块为试验人员提供了一个统一的数据管理入口，实现分类管理、工况关联、数据检索、数据导出和报告生成，以及数据存储管理和远程实时共享。

进一步地，所述的动力响应时空重构装置的运行过程包含在线分析线、离线分析线、数据管理线的一种或多种，其中：

所述的在线分析线用于对正在进行的动力试验进行在线实时动力响应时空重构，通过试验数据采集模块获取动力响应原始数据并实时传输到计算机上，由试验数据时空重构模块将采集到的动力响应原始数据直接经过一步处理分析得到最终数据处理结果并进行可视化展示和重现，从而实现试验过程中的实时动态响应监测；

所述的离线分析线用于导入历史数据并通过试验数据时空重构模块进行经过一步处理分析得到最终数据处理结果并进行可视化展示和重现，实现对试验数据的事后分析；

所述的数据管理线用于试验人员对所述动力响应时空重构装置所有数据进行管理，并对历史数据的深度挖掘；所述历史数据为在线分析线得到的最终数据处理结果和离线分析得到的最终数据处理结果。

所述动力响应时空重构装置三条运行主线流程如图4所示。

进一步地，所述的数据管理线用于试验人员对入库的各类试验数据进行有效管理，包括分类、查询、统计、报告导出等工作。

进一步地，所述的动力试验选自振动台试验、土工建构筑物循环加载试验、盾构的掘进试验、高坝的溃坝试验、边坡的滑坡试验、海洋风电的波浪试验、高铁路基的振动试验等。

实施例

在某倾斜场地的超重力动力试验中，需要重点研究倾斜场地在地震工况下的液化以及场地变形问题，因此在制备斜坡模型的过程中埋置了20个加速度计、40个孔压计、3对压电弯曲元、在表面布置了10个激光位移计，在模型箱上架设了一台CPTu以及3台运动相机，在模型箱侧面放置了一台高速相机，整个动力时间为3s，由加速度计记录的加速度原始数据达到20万个左右，孔压计记录的孔压原始数据达到40万个左右，3对压电弯曲元记录的压电弯曲元原始数据达到18组，激光位移计记录的激光位移计原始数据达到10个左右，CPTu记录的CPTu原始数据达到1万个左右，运动相机和高速相机记录的运动相机或高速相机原始数据达到10G左右。

所有传感器在埋置之前都进行了标定和测试，而后在转动离心机之前利用动力响应重构模块建模：第一步输入模型箱尺寸建立模型箱三维模型，第二步建立模型岩土的三维图以及相应的模型岩土体的参数和超重力g值等信息，第三步输入传感器(加速度计、孔压计、压电弯曲元、激光位移计、LVDT、CPTu、运动相机、高速相机等)位置的三维坐标信息以及相应的标定系数等信息，将倾斜场地的模型尺寸建立在动力响应时空重构装置内进行建模，并且将传感器的位置信息和标定系数也一起输入，输入结束后动力响应重构装置将会生成图1所示的传感器三维建模过程示意图。完成之后转动离心机并利用振动台进行施振，动力响应时空重构装置将会按照图2所示的流程进行工作：试验数据采集模块高速记录响应数据并实时传输给试验数据时空重构模块进行数据处理，试验数据时空重构模块分别经过试验数据第一步数据处理子系统、试验数据第二步数据处理子系统、试验数据第三步数据处理子系统和试验数据可视化展示与重现子系统，得到最终数据结果并将其呈现出来，试验数据管理与存储模块用于管理试验数据、配置子系统和数据共享。其中，数据采集模块将会按照图3所示的流程通过数据采集软件控制数采设备实现动力响应原始数据采集，由供电转换设备将实验室标准电压转化为传感器适用电压并对传感器进行供电，由数采设备连接传感器实现动力响应原始数据的采集，由光端机连接数采设备实现动力响应原始数据的数字化转换和传输，从而实现数据的高速同步采集，并根据图4所示的三条运行主线流程图进行处理分析。

加速度计记录的振动加速度原始数据经过试验数据第一步数据处理子系统处理就会生成加速度标准值，经过试验数据第二步数据处理子系统处理就会得到加速度对比，经过试验数据第三步数据处理子系统处理就会得到加速度演变规律、土体剪应力剪应变、加速度计三维位移，经过可视化展示与重现子系统就会将加速度演变规律、土体剪应力剪应变、加速度计三维位移进行可视化重现和展示，图5是所示的是加速度计三维位移可视化展示。

其中，加速度演变规律按下面的方式进行计算分析：

同一时刻，地下不同深度位置h1、h2、h3、h4、h5、h6处的加速度值分别为a1、a2、a3、a4、a5、a6；

以a1作为基准值，可以得到h1、h2、h3、h4、h5、h6处的地震动放大系数分别为1，a2/a1、a3/a1、a4/a1、a5/a1、a6/a1，将这些放大系数按照所处位置进行曲线拟合就得到了加速度演变规律可视化展示，将所有时刻或部分时刻得到的曲线拟合进行动画呈现就得到加速度演变规律可视化重现。

其中，土体剪应力剪应变应按下面的方式进行计算分析：

所有的加速度计按照由地表往下的顺序排布，设定地表剪应力为0：τ₁＝0；

第二个加速度计处的剪应力为：Δz₁为第1个加速度计和第2个加速度计之间的距离，a₁为第1个加速度计记录的加速度值，a₂为第2个加速度计记录的加速度值；

第i个加速度计处的剪应力为τ_i-1为第i-1个加速度计处的剪应力，a_i为第i个加速度计记录的加速度值，a_i-1为第i-1个加速度计记录的加速度值。

某一深度加速度的变形采用时域积分法进行积分：u_i＝∫a_idt²

根据相邻加速度的变形及其深度关系计算地震剪应变：

将上述得到的剪应力和剪应变按照时间顺序和空间顺序利用二维图表便可进行土体剪应力剪应变可视化重现和展示。

其中，加速度计三维位移计算按照下面的方式进行计算分析：

x向位移采用加速度时域积分：

y向位移采用加速度时域积分：

z向位移采用加速度时域积分：

将这三个方向得到的位移按照时间顺序和空间顺序就可以得到加速度计三维位移，再经过可视化展示与重现子系统得到如图5所示的加速度计三维位移可视化展示，将加速度计三维位移可视化展示按照一定时间顺序进行呈现即为加速度计三维位移可视化重现。

孔压计记录的孔压原始数据经过试验数据第一步数据处理子系统处理就会生成孔压标准值，经过试验数据第二步数据处理子系统处理就会生成归一化孔隙水压力，经过试验数据第三步数据处理子系统处理就会得到液化深度/范围规律和孔隙水渗流场分析，经过可视化展示与重现子系统就会将液化深度/范围规律和孔隙水渗流场分析进行可视化重现，图8所示的是孔压计经过上述处理之后可视化重现场地液化范围(颜色越深的区域代表场地液化区域)，其中对孔压数据进行可视化展示时发现某一个孔压计的真实值在未振动时候存在较大幅度波动，可以判断出该孔压计存在一定问题，停机检查后发现是该孔压计接线接触不良并采取了相应的补救措施。

其中，归一化孔隙水压力按照公式进行计算，u为孔压计记录的孔压值，σ′为孔压计所处位置处与深度相关的有效应力。将归一化孔隙水压力进行区域拟合就能得到液化深度/范围可视化展示，如图8所示，将液化深度/范围可视化展示按照一定时间顺序进行呈现即为液化深度/范围可视化重现。

压电弯曲元记录的压电弯曲元原始数据经过试验数据第一步数据处理子系统处理就会生成波动图谱，经过试验数据第二步数据处理子系统处理就会得到剪切波速，经过试验数据第三步数据处理子系统处理就会得到土体刚度，经过可视化展示与重现子系统就会将土体刚度按照时间和空间顺序排布就可得到可视化重现和展示。

其中，压电弯曲元得到的剪切波速应该按照公式进行计算，ρ是土体密度，V_s是土体剪切波速，G_max是反算出来的土体刚度。

激光位移计记录的激光位移计原始数据经过试验数据第一步数据处理子系统处理就会生成位移真实值，经过试验数据第二步数据处理子系统处理就会得到土体累积变形，经过试验数据第三步数据处理子系统处理就会得到场地变形规律，经过可视化展示与重现子系统将场地变形按照时间和空间顺序排布就可对场地变形规律进行可视化重现和展示，主要方法为曲线拟合。

LVDT记录的LVDT原始数据经过试验数据第一步数据处理子系统处理就会生成位移真实值，经过试验数据第二步数据处理子系统处理就会得到结构体累积变形，经过试验数据第三步数据处理子系统处理就会得到结构体变形规律，经过可视化展示与重现子系统就得结构体变形规律进行可视化重现和展示，主要方法是曲线拟合，图7所示的是结构体(模型箱)变形三维可视化展示，按照时间顺序将结构体(模型箱)连续变形进行呈现即为结构体(模型箱)变形三维可视化重现。

CPTu记录的CPTu原始数据经过试验数据第一步数据处理子系统处理就会生成强度真实值，经过试验数据第二步数据处理子系统处理就会得到砂土土体强度，经过试验数据第三步数据处理子系统处理就会得到土体强度演变与液化规律，经过可视化展示与重现子系统就会将土体强度演变与液化规律进行可视化重现，主要方式是根据CPTu记录的端阻值和侧阻值反算土体强度，并根据振前振后得时间顺序以及不同深度的空间位置呈现土体强度的变化即可得到土体强度演变和液化规律可视化重现和展示。

运动相机和高速相机记录的运动相机和高速相机原始数据经过试验数据第一步数据处理子系统处理就会生成标准图片，经过试验数据第二步数据处理子系统处理就会得到PIV分析，经过试验数据第三步数据处理子系统处理就会得到场地变形规律，经过可视化展示与重现子系统就会将场地变形规律进行可视化重现，主要方式是进行像素点追踪和曲线拟合，图9所示的是表面运动相机记录的照片经过上述数据处理之后可视化展示的地表位移，将地表位移按照时间顺序呈现地表连续变形即为地表位移可视化重现，根据该振动结果的时候反馈发现当前振动强度不会引起较大的场地变形，根据本次振动结果考虑下一次振动需要采取更大的振动加速度进行研究，图10所示的是高速相机记录的照片得到的场地断面位移趋势图可视化展示，将场地断面位移按照时间顺序呈现场地断面连续变形即为场地断面位移可视化重现。

经过本装置处理还能得到加速度演变规律、土体剪应力剪应变、土体刚度、土体强度及演变规律等试验结果并可视化重现。在试验结束之后停机。利用试验数据管理与存储模块对试验结果进行分类管理、工况关联、数据检索、数据导出和报告生成，并将试验结果进行远程共享。同时，本装置还支持历史数据的导入，即将已有的振动试验结果通过试验数据动力响应重构模块建模进行分析和可视化重现。

经过本装置对试验数据的高效处理，不但提高试验人员的数据处理效率，节约时间和经济成本，还可以对试验过程进行指导并保证数据分析的同步性提高试验数据分析处理的质量，降低试验成本。当然，本装置不仅仅适用于振动台试验，还适用于土工建构筑物循环加载试验、盾构的掘进试验、高坝的溃坝试验、边坡的滑坡试验、海洋风电的波浪试验和高铁路基的振动试验等，拓展性强。

Claims (10)

1.一种动力响应时空重构装置，其特征在于：所述动力响应时空重构装置用于整个动力试验过程的数据采集、处理以及最终数据处理结果的可视化展示和重现，所述动力响应时空重构装置包括试验数据采集模块、试验数据时空重构模块、试验数据管理与存储模块，所述试验数据采集模块用于实时采集并同步截取不同传感器采集的动力响应原始数据和导入历史数据；所述试验数据时空重构模块用于将采集到的动力响应原始数据直接经过一步实时处理分析得到最终数据处理结果并进行可视化展示和重现，所述的可视化展示和重现是指一个时间点或者多个连续的时间点采集到的所有数据的处理结果、和/或按照一定的时间和空间顺序对采集到的所有时间点的所有数据的处理结果进行可视化展示和重现；所述的试验数据管理与存储模块用于所述动力响应时空重构装置所有数据的存储和管理；所述的动力响应原始数据选自加速度原始数据、孔压原始数据、土压原始数据、轴压原始数据、应变原始数据、压电弯曲元原始数据、压电压缩元原始数据、激光位移计原始数据、LVDT原始数据、CPTu原始数据、T-bar原始数据、TDR原始数据、热成像仪原始数据、运动相机或高速相机原始数据、光纤光栅原始数据的任意一个或多个；所述的最终数据处理结果选自加速度演变规律、土体剪应力剪应变、加速度计三维位移、液化深度/范围规律、孔隙水渗流场分析、多个模型断面应力场分析、土-结相互作用分析、结构体弯矩/轴力/变形计算分析、土体刚度、土体饱和度、场地变形规律、结构体变形规律、砂土强度演变与液化规律、粘土强度演变规律、场地液化过程中含水量变化、液化相变过程分析、场地地表和断面变形规律的任意一个或多个。

2.根据权利要求1所述的动力响应时空重构装置，其特征在于：所述可视化展示和重现的内容选自加速度演变规律，土体剪应力剪应变，加速度计三维位移，液化深度/范围规律，孔隙水渗流场分析，多个模型断面应力场分析，土-结相互作用，结构体弯矩、轴力、变形计算分析，土体刚度，土体饱和度，场地变形规律，结构体变形规律，砂土强度演变与液化规律，粘土强度演变规律，场地液化过程含水量变化，液化相变过程分析，场地地表和断面变形规律等的一种或多种，所述结构体选择桩、隧道、地下综合管廊、地铁车站、核电站、挡土墙、堤坝、路堤等土工建构筑物、模型箱中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的动力响应时空重构装置，其特征在于：所述可视化展示和重现的形式选自三维图、表格、曲线、云图、动画、单值、柱状图、仪表中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的动力响应时空重构装置，其特征在于：所述的试验数据采集模块包括传感器、数据采集软件、光端机、数采设备、供电转换设备等部件，所述的试验数据采集模块通过数据采集软件控制数采设备实现数据采集，由供电转换设备将实验室标准电压转化为传感器适用电压并对传感器进行供电，由数采设备连接传感器实现动力响应原始数据的采集，由光端机连接数采设备实现动力响应原始数据的数字化转换和传输。

5.根据权利要求1所述的动力响应时空重构装置，其特征在于：所述的传感器选自加速度计、孔压计、土压力计、压电弯曲元、压电压缩元、激光位移计、LVDT位移传感器、应变片、轴力计、CPTu、T-bar、时域反射电磁波装置TDR、微型运动相机、高速相机、光纤光栅、热成像仪中的一个或多个。

6.根据权利要求1的动力响应时空重构装置，其特征在于：所述的试验数据采集模块可多通道、高分辨率采集动力响应原始数据；优选地，所述通道的数量≥256个，时间分辨率≤2μs；更优选地，通道的数量≥512个，时间分辨率≤1μs。

7.根据权利要求1所述的动力响应时空重构装置，其特征在于：所述的试验数据时空重构模块包括试验数据第一步数据处理子系统、试验数据第二步数据处理子系统、试验数据第三步数据处理子系统和试验数据可视化展示与重现子系统，其中：

所述的试验数据第一步数据处理子系统将采集到的动力响应原始数据实时生成标准格式数据，所述的标准格式数据选自加速度真实值、孔压真实值、土压真实值、压力真实值、应变真实值、波动图谱、位移真实值、砂土强度真实值、粘土强度真实值、含水量真实值、温度真实值、标准格式图片、光学信号反演值中的任意一个或多个；所述光学信号反演值选自加速度真实值、孔压真实值、土压真实值、应变真实值、含水量真实值、温度真实值中的一个或多个；

所述的试验数据第二步数据处理子系统将所述标准格式数据实时转化为加速度对比、归一化孔隙水压力、土压力变化、轴压变化、结构体应变分布、剪切波速、压缩波速、土体累积变形、结构体累积变形、砂土土体强度、粘土土体强度、土体含水量变化、温度变化、PIV分析等结果，然后传输给试验数据第三步数据处理子系统进行专业化处理；

所述的试验数据第三步数据处理子系统用于数据的专业化分析处理，将所述专业化分析处理结果传输给试验数据可视化展示与重现子系统，所述专业化分析处理选自以下的任意一个或多个：

1）根据加速度对比结果分析加速度演变规律并进行土体剪应力剪应变和加速度计三维位移计算；

2）根据归一化孔隙水压力计算结果进行液化深度/范围规律分析和孔隙水渗流场分析；

3）根据土压力变化计算结果进行多个模型断面应力场分析和孔隙水渗流场分析；

4）根据轴压变化计算结果进行土-结相互作用分析；

5）根据结构体应变分布结果进行土-结相互作用分析，结构体弯矩计算、轴力计算和变形计算；

6）根据剪切波速计算结果计算土体刚度；

7）根据压缩波速计算结果计算土体饱和度；

8）根据土体/结构体累积变形计算结果分析场地变形规律和结构体变形规律；

9）根据砂土土体强度结果计算在不同位置处砂土强度演变与液化规律；

10）根据粘土土体强度结果计算在不同位置处粘土强度演变规律；

11）根据土体含水量变化结果分析场地液化过程含水量变化；

12）根据温度变化结果分析场地液化相变过程；

13）根据PIV分析结果分析场地地表和断面变形规律；

所述的试验数据可视化展示与重现子系统用于实现所有数据处理结果的可视化展示和重现。

8.根据权利要求7所述的动力响应时空重构装置，其特征在于：所述的试验数据第二步数据处理子系统处理所述标准格式数据的方法选自滤波处理、转换处理、插值处理。

9.根据权利要求8所述的动力响应时空重构装置，其特征在于：所述滤波处理选自FFT滤波、IFFT滤波、巴特沃兹滤波、频谱分析等。

10.根据权利要求7所述的动力响应时空重构装置，其特征在于：所述的试验数据可视化展示与重现子系统接收第三步转化处理数据并进行可视化展示和重现，包括在动力实验过程中可以对试验数据第一步、第二步和最终数据处理结果实时读取和展示，在动力试验结束后展示和重现加速度演变规律，土体剪应力剪应变，加速度计三维位移，液化深度/范围规律，多个模型断面应力场分析，孔隙水渗流场分析，土-结相互作用分析，结构体弯矩、轴力、变形计算分析，土体刚度，土体饱和度，场地变形规律，结构体变形规律，砂土强度演变与液化规律，粘土强度演变规律，场地液化过程含水量变化，液化相变过程分析，场地地表和断面变形规律。