一種振動突頻快速統計與瀑布圖重建分析系統

高林

（西安航天動力試驗技術研究所，陜西西安710100）

一種振動突頻快速統計與瀑布圖重建分析系統

高林

（西安航天動力試驗技術研究所，陜西西安710100）

在液體火箭發動機試驗過程中，對獲得的試驗振動頻域二維數據進行快速提取與分析以及通過三維瀑布圖詳細查看某時刻的突頻數據有著重要的意義。在LMS Test.Lab Rev軟件的基礎上，使用VS2010與Eclipse聯合開發環境編寫程序對其導出的.txt數據進行處理，實現二維突頻數據的快速統計與排版以及三維數據的彩色顯示與頻譜切片。在二維數據快速統計程序設計中，提出了一種大文本數據快速統計算法；在三維瀑布圖顯示中，提出了一種基于文本數據重建三維瀑布圖的算法。通過闡述兩種算法并對程序進行測試，結果表明程序有著高可靠性與應用推廣價值。

發動機；振動突頻；快速統計；三維瀑布圖；頻譜切片

0 引言

液體火箭發動機試驗的最終目的是獲取試驗數據，但數據獲取的可靠性、及時性是液體火箭發動機試驗成功的保證與對發動機性能做出有效分析與評估的必要條件。長期以來，試驗后對振動突頻數據的處理，一般使用LMS Test.Lab Rev軟件并拖動數據到Navigator視圖下的1×1平均頻譜圖中手動標記每個參數的頻譜極值，并將精度處理后的頻率及對應的幅值填寫到Word報告中的方法，但是該方法消耗較大的人力和時間成本。另一方面，隨著數據量的增多，使用該方法對突頻點標記容易誤標到共頻點上，從而對后續的檢查和修改帶來較大的不便。

當技術人員需查看振動歷史數據時，一般需要數據處理人員重新處理試驗數據進行分析，這樣導致大量的重復勞動。本文提出一種數據處理算法不僅快速地得到發動機各個部位的振動突頻數據報告，而且還為數據解析到數據庫奠定基礎。這樣，一方面可以將數據庫中的歷史數據進行存儲、查詢和比對等，還可以對存儲的數據做進一步的分析，如采用閾值檢驗算法驗證頻譜的有效性。此外，本文采用MFC+OpenGL技術編程實現了三維瀑布圖的重建、顯示與分析功能，首先解決了LMS Test.Lab Rev軟件只能通過屬性對話框中設置視角參數來改變視角操作繁瑣的缺點。其次解決了視角改變幅度有限以及視角改變后三維立體效果直線下降，顯示效果類似“偽3D”，不利于用戶靈活分析數據的缺點。接著解決了單色三維瀑布圖數據顯示混疊、顯示效果模糊、區分度不強等缺點，最后，為動態視角數據分析模塊、縮放坐標軸數據分析模塊、頻譜切片數據分析模塊等新的數據分析模塊提供可擴展接口。

1 需求分析

在當前振動測量領域中，比利時生產的LMS Test.Lab測試系統及其軟件占據重要的地位，但是結合液體火箭發動機試驗速變參數特點，存在對任意頻率區間突頻值求取不能一步到位的問題，需要繁瑣地在1×1平均頻譜圖手動逐個標記突頻值，軟件雖然自帶有求取全頻段最大值的函數，但是在一個1×1平均頻譜圖只能標記1個點，而試驗要求是5個點且針對較多參數時，仍然需要一系列的繁瑣操作。此外，還存在不能將求取的突頻值快速寫入Word報告中的問題。同時，軟件的1×1瀑布圖雖然可以顯示三維振動頻譜數據且具有任意縮放坐標軸查看數據的功能，但由于液體火箭發動機試驗對數據分析獨具的高要求性，需要直觀清晰地查看頻域數據，本文對三維頻譜數據在時間軸進行頻譜切片，即對三維數據進行降維，在三維坐標系的時間軸提取某時刻有用的頻域數據。同時，取LMS Test.Lab Rev軟件自帶的例子數據拖動到該軟件的1×1三維瀑布圖中顯示效果如圖1所示，存在著單色三維瀑布圖數據顯示混疊、顯示效果模糊、區分度不強、切換視角查看數據需在屬性中重新調整角度進行設置、視角改變幅度有限以及視角改變后三維立體效果直線下降，顯示效果類似“偽3D”等一系列缺點?；谠撥浖俨紙D導出的.txt文本數據采用MFC+OpenGL技術重建三維瀑布圖的方法，將單色顯示變為可由程序控制的彩色顯示，這樣使得數據分析時更加清晰地查看三維頻譜數據。通過以上需求分析，設計開發出一種振動突頻快速統計與排版及三維瀑布圖重建與分析系統。

圖1 LMS-Desktop-Advanced 1×1三維瀑布圖Fig.1 LMS-Desktop-Advanced 1×1 three-dimensional waterfall plot

如圖2所示，將整個軟件系統劃分為快速統計程序子系統與三維瀑布圖子系統兩大子系統。如快速統計程序子系統應該具有頻譜極值輸出功能并基于該功能讀取輸出的文本結果數據擴展出生成報告功能，針對數據管理用例，還可將輸出的文本結果數據解析入數據庫的表中，技術人員通過查詢數據用例的功能可隨時查看二維頻譜數據并繪制二維曲線圖，這樣可大大節省數據比對時間，方便快速獲得有用信息。而根據試驗實際應用需求，三維瀑布圖子系統主要劃分為三維數據壓縮、三維數據顯示、譜線切片等用例。

圖2 軟件系統功能用例圖Fig.2 Functional use case diagram of software system

2 軟件系統架構與設計

2.1 系統架構

系統采用典型的C/S架構，部署在本地的客戶端軟件和本地或遠程數據庫服務器，圖3不僅展示了整個系統功能組成，還從宏觀的角度來闡述各個模塊之間的關系。

在對Word報告排版功能中采用著名的MVC模型-視圖-控制器軟件體系結構，使用業務層控制類將FreeMarker組件生成的模版映射為Word報告，這種方法非常適合輕型化的系統軟件。本對于三維瀑布圖使用JNI技術調用基于MFC+ OpenGL編譯好的.lib動態鏈接庫嵌入并顯示到系統軟件界面中［1-3］。數據訪問層的主要職責是讀取數據庫存儲層的數據和傳遞查詢返回的數據，這樣的好處是可以封裝對數據庫的操作，將運算直接放在數據庫服務器，減少客戶端軟件運行時的壓力，并提高軟件執行的效率。在數據庫存儲層存放試驗數據臨時表結構，并將頻譜數據解析到該表中，好處是當存儲過程執行完成時，將自動刪除創建的本地臨時表，避免重復執行數據庫操作。

2.2 算法設計

針對快速統計子系統，提出了一種數據處理算法并構建出一種數據處理系統［4-5］，如圖4所示。系統啟動后會掃描固定路徑下的xxx.txt文件，用戶按下預處理后軟件會自動提取參數名、數據列信息并調用編寫的刪除列算法將文本中多余的頻率和相位列刪除，得到新的xxx.txt文件，然后系統將該文本數據解析到后臺數據庫中，并調用編寫的SQL語句得到極大值的結果集數據寫入到xxx.csv文件。系統采用Struts2框架中的FreeMarker模版引擎組件實現生成Word報告功能。根據歷史經驗統計，得到發動機各個部位的傳感器或電纜故障振動閾值，可以初步識別發生故障的采集參數，不僅可以驗證頻譜數據的有效性而且自動在Word報告中對失效突頻數據進行初步的標記。

三維瀑布圖子系統基于MFC+OpenGL技術提出了一種三維瀑布圖重建算法，算法流程圖如圖5所示，首先讀取一種格式的原始.txt文件數據中有效的三維頻譜數據并存入數組。該種格式的.txt文件由頭文件信息字符串和頻率列、幅值列、相位列依次按一定規律存儲的數據列字符串組成。其中提取頭文件中形如“Tracking time 0 s（間隔一個Tab鍵）0.32 s（間隔一個Tab鍵）0.64 s...”時間軸字符串到一維數組中，提取頭文件中形如“X axis increment 6.25 Hz”與“X axis 0-12800 Hz”頻率軸字符串并存儲到一維數組中。然后按照索引方式提取頻率列、幅值列、相位列信息中有效部分到二維數組中，該有效部分為按照一定規律提取的不同時刻對應的幅值列信息，從而將. txt文件數據保存為重建三維瀑布圖循環讀取的二維數組數據結構。最后，按照索引方式依頻率、時間遞增的方向循環讀取按照索引方式存儲的幅值列二維數組并繪制在三維坐標系中。

圖3 系統架構圖Fig.3 Diagram of system architecture

圖4 快速統計程序子系統流程圖Fig.4 Process diagram for subsystem of quick statistics program

此外，拖動鼠標可改變查看視角，從而可以多角度地分析三維振動數據，縮放坐標軸時調用點云三角化算法使用適量三維數據重繪瀑布圖輪廓［6-7］。對數據處理過程中涉及到的各個細節，均對數據處理算法進行優化以獲得最高效的性能，如對獲取有效的振動頻率與幅值數據編寫了特定的刪除列算法［8］。

圖5 三維瀑布圖重建算法流程圖Fig.5 Flow chart for reconstruction algorithm of three-dimensional waterfall plot

2.3 數據庫設計

在數據庫設計方面應用了關系型數據庫處理數據庫中的數據的核心思想［9］。由于使用LMS Test. Lab Rev軟件導出文本格式的數據具有按照頻率、幅值、相位有規律排列的特點，所以將原始的文本數據映射到原始數據表，將文本處理后的數據映射為后期管理的突頻數據表。顯然突頻數據表是原始數據表的子集。概括模型有一個很重要的性質：繼承性，即子類繼承超類上定義的所有抽象，這樣突頻數據表繼承了原始數據表的所有屬性，當然，子類突頻數據表還可以增加自己的屬性，如試驗代號、振動測點的參數名，該屬性與用戶查詢界面輸入的參數值進行匹配，篩選出所選目標結果集。

3 算例分析

3.1 快速統計程序算例分析

使用LMS Test.Lab測試系統任意采集一段數據，使用LMS Test.Lab Rev軟件做5 s的平均頻譜運算，假設采集的參數名為a1，a2和a3，將測試數據采用快速統計程序子系統進行處理生成振動突頻值統計Word報告，如表1所示。手動在1×3平均頻譜圖中標記各個參數在4～5 kHz頻率區間的5個突頻值進行驗證，如圖6所示。比較可得通過該數據快速統計算法得到的數據與手動標記的突頻數據完全吻合。

表1 快速統計程序突頻值統計Tab.1 Sudden frequency value statistics of fast statistical program

圖6 某次振動測試1×3平均頻譜圖Fig.6 1×3 average spectrum of the vibration test

由此得出，頻譜極值輸出模塊及生成報告模塊滿足預期要求。

此外，數據管理模塊可以將每次試驗數據解析入數據庫，以試驗代號、發動機參數名為輸入查詢頻譜極值并在信息提示界面進行顯示，還可將突頻坐標繪制為曲線圖［10］，在頻域上得到振動信號的頻域包絡線圖，從而為技術人員直觀地評估發動機各個部位性能和故障診斷提供很好的解決方案［11］。

3.2 三維瀑布圖重建算例分析

如圖7所示，對三維瀑布圖子系統中彩色三維瀑布圖重建、顯示功能進行算例分析，結果表明：使用彩色三維瀑布圖顯示解決了當前LMS Test.Lab Rev軟件中1×1瀑布圖功能中單色顯示存在的一系列問題，從而使得試驗數據分析更加直觀高效。

此外，對三維瀑布子系統中譜線切片功能進行測試，選取圖中三維坐標系Time（s）軸某時刻的頻譜切片，程序按照選擇的譜線序號導出為.txt文本數據，系統會將所提取的頻譜切片高亮顯示，而且導出的二維文本數據采用本文提出的快速統計算法可以快速得到頻域的二維特征數據，從而增加了一種對液體火箭發動機振動頻譜分析的手段。同時，對三維瀑布圖視角改變最大范圍進行測試，即前后左右上下均為90°進行測試，測試結果表明，多角度動態顯示模塊滿足預期要求。

圖7 三維瀑布圖子系統中三維瀑布圖Fig.7 Three-dimensional waterfall of three-dimensional subsystem

4 結論

提出了一種振動二維數據快速統計算法與一種基于文本數據的三維瀑布圖快速重建算法，并構建出一種數據處理分析系統。該系統將提取發動機振動突頻并生成Word報告這項工作完全自動化，大大減輕數據處理人員負擔并極大提高數據處理效率。

如一次試驗有40個發動機參數且含3段發動機工作時間，根據大量實測統計，工作效率可以從原來的約6小時/人次降低到約3分鐘/人次，工作效率可以提高近百倍。該系統可將振動極大值獲得的準確率提高到100%，保證了試驗數據的可靠性。通過對三維瀑布圖子系統進行算例驗證，得出該子系統不僅徹底解決了三維瀑布圖單色顯示數據效果欠佳的問題，而且可對三維數據靈活進行分析，如譜線切片分析。此外，對得到的振動突頻數據建立數據管理系統，可為事后比對分析歷史試驗數據提供很好的解決方案。更為重要的是，在每次試驗結束后，快速統計算法可幫助數據分析人員快速準確地獲得發動機參試部位的振動數據，對發動機的性能評估及故障診斷提供極其重要的參考。

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（編輯：陳紅霞）

A system for rapid statistics and waterfall plot reconstruction analysis of vibration sudden spectrum

GAO Lin
（Xi'an Aerospace Propulsion Test Technology Institute，Xi'an 710100，China）

In liquid rocket engine test，it is important to extract and analyze the two-dimensional data of the vibration test frequency domain quickly，and check the sudden frequency data in some moment by means of three-dimensional waterfall plot.Based on LMS-Desktop-Advanced software，VS2010 and Eclipse development environment are used to compile program to process the derived TXT data，and realize two-dimensional sudden frequency data's quick statistics，three-dimensional data's multi-color display and spectrum slice.In the design of two-dimensional data fast statistical program，a fast statistical algorithm of large-text data is proposed.And also an algorithm to reconstruct the waterfall plot on the basis of text data is proposed to display the three-dimensional waterfall plot. The two algorithms are elaborated in this paper.The program testing result shows that the program has high reliabilityand application value.

engine；vibration sudden frequency；rapid statistics；3D waterfall plot；spectrum slice

V434-34

A

1672-9374（2016）05-0033-06

2016-08-09；

2016-09-13

高林（1988—），男，碩士，主要研究領域為液體火箭發動機試驗測量技術