Проблема статистической обработки данных при ультразвуковом контроле свай
Статистическая обработка данных при ультразвуковом контроле бетона свай является проблемой в работе испытательных лабораторий. МИТ УЗК МОНОЛИТ от М-Инструмент решил эту проблему. ГОСТ Р 71039-2023 рекомендует вычислять среднюю (нормальную) скорость на профиле измерения с использованием алгоритма статистической обработки массива данных, использующие робастные методы оценки. Но российский норматив не содержит алгоритма расчета и анализа, оставляя сложный и ответственный процесс обработки данных на усмотрение испытателей.
Мы решили изучить зарубежные нормативы. Результаты анализа иностранных технических регламентов легли в основу алгоритма статистической обработки данных МИТ УЗК МОНОЛИТ.
Обзор зарубежных стандартов: США, Франция, Китай
АSTM D6760-16 (США), NF P 94-160-1 (Франция) статистические методы не приводят. Оценка целостности проводиться путем визуального анализа графиков времени и энергии прохождения ультразвука. Стандарты устанавливают лишь минимальные требования, делая упор на квалификацию специалиста, который и определяет наличие дефекта и даст.
JGJ 106-2014 (Китай) содержит вероятностно-статистический метод оценки. Он заключается в итеративном отбрасывании экстремальных значений скорости с вычислением среднего значения, стандартного отклонения и критических значений для оставшейся выборки. Именно этот алгоритм обработки данных и лег в основу МИТ УЗК МОНОЛИТ. Разберем этот алгоритм подробнее ниже.
Алгоритм статистической обработки данных, реализованный в МИТ УЗК МОНОЛИТ
1. Расчёт времени, скорости, амплитуды и частоты для каждой акустической линии
При параллельном или наклонном сканировании для каждой акустической линии значение времени, скорости звука, амплитуды и частоты волны рассчитываются на основе данных, полученных на месте проведения испытаний в соответствии со следующими формулами:
где
- i — номер акустической линии, который присваивается последовательно снизу вверх (или сверху вниз) для каждого измерительного профиля;
- j — номер измерительного профиля;
- время i-ой акустической линии j-го измерительного профиля, мкс;
- измеренное значение акустического времени i-ой акустической линии j-го измерительного профиля, мкс;
- аппаратная задержка, мкс;
- поправочное значение времени на акустические трубки и слой воды связи, мкс;
- расстояние между внешними стенками двух акустических трубок по i-ой акустическому линии j-го измерительного профиля, мм. При параллельном расположении труб допускается принимать равным расстоянию между внешними стенками труб на уровне оголовка сваи; при наклонном сканировании — это расстояние между внешними стенками трубок в точках, соответствующих серединам излучающего и приёмного преобразователей, которое может быть рассчитано по расстоянию между трубками на уровне оголовка и разнице высот между преобразователями;
- скорость звука i-ой акустической линии j-го измерительного профиля, км/с;
- амплитуда первого вступления волны i-ой акустической линии j-го измерительного профиля, дБ;
- амплитуда первого вступления сигнала i-ой акустической линии j-го измерительного профиля, В;
- амплитуда сигнала, соответствующая нулю децибел, В;
- значение частоты сигнала i-ой акустической линии j-го измерительного профиля, кГц, которое может быть получено путем спектрального анализа сигнала;
- период сигнала i-й акустической линии j-го измерительного профиля (мкс).
2. Вероятностные статистические значения для определения аномалий скорости
В случае применения параллельного или наклонного сканирования вероятностные статистические значения для определения аномалий скорости звука для j-го измерительного профиля определяются в соответствии со следующей процедурой:
2.1. Располагают значения скорости звука для каждой акустической линии j-го измерительного профиля в порядке убывания и последовательно применяют формулу: (4)
где
- скорость звука i-й акустической линии j-го измерительного профиля, i = 1, 2, …, n;
- n — общее количество акустических линий в j-м измерительном профиле;
- k — количество удаляемых наименьших значений скорости звука, k = 0, 1, 2, …;
- k' — количество удаляемых наибольших значений скорости звука, k' = 0, 1, 2, ….
2.2. Для оставшихся данных после последовательного удаления k наименьших и k' наибольших значений выполняются статистические расчёты по следующим формулам: (5), (6), (7), (8), (9)
где
- оценочное значение аномалии для малых значений;
- оценочное значение аномалии для больших значений;
- среднее значение;
- стандартное отклонение;
- коэффициент вариации;
- λ — коэффициент (критерий выявления выбросов), определяемый по Таблице 1 в зависимости от (n - k - k').
Примечание: коэффициент λ применяется для определения границ нормы в зависимости от объема единичных результатов измерений.
Таблица 1. Значения статистического коэффициента λ для вероятностного определения аномалий скорости звука
| n | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 20 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| λ | 1,28 | 1,33 | 1,38 | 1,43 | 1,47 | 1,50 | 1,53 | 1,56 | 1,59 | 1,64 |
| n | 20 | 22 | 24 | 26 | 28 | 30 | 32 | 34 | 36 | 38 |
| λ | 1,64 | 1,69 | 1,73 | 1,77 | 1,80 | 1,83 | 1,86 | 1,89 | 1,91 | 1,94 |
| n | 40 | 42 | 44 | 46 | 48 | 50 | 52 | 54 | 56 | 58 |
| λ | 1,96 | 1,98 | 2,00 | 2,02 | 2,04 | 2,05 | 2,07 | 2,09 | 2,10 | 2,11 |
| n | 60 | 62 | 64 | 66 | 68 | 70 | 72 | 74 | 76 | 78 |
| λ | 2,13 | 2,14 | 2,15 | 2,17 | 2,18 | 2,19 | 2,20 | 2,21 | 2,22 | 2,23 |
| n | 80 | 82 | 84 | 86 | 88 | 90 | 92 | 94 | 96 | 98 |
| λ | 2,24 | 2,25 | 2,26 | 2,27 | 2,28 | 2,29 | 2,29 | 2,30 | 2,31 | 2,32 |
| n | 100 | 105 | 110 | 115 | 120 | 125 | 130 | 135 | 140 | 145 |
| λ | 2,33 | 2,34 | 2,36 | 2,38 | 2,39 | 2,41 | 2,42 | 2,43 | 2,45 | 2,46 |
| n | 150 | 160 | 170 | 180 | 190 | 200 | 220 | 240 | 260 | 280 |
| λ | 2,47 | 2,50 | 2,52 | 2,54 | 2,56 | 2,58 | 2,61 | 2,64 | 2,67 | 2,69 |
| n | 300 | 320 | 340 | 360 | 380 | 400 | 420 | 440 | 470 | 500 |
| λ | 2,72 | 2,74 | 2,76 | 2,77 | 2,79 | 2,81 | 2,82 | 2,84 | 2,86 | 2,88 |
| n | 550 | 600 | 650 | 700 | 750 | 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 |
| λ | 2,91 | 2,94 | 2,96 | 2,98 | 3,00 | 3,02 | 3,04 | 3,06 | 3,08 | 3,09 |
| n | 1100 | 1200 | 1300 | 1400 | 1500 | 1600 | 1700 | 1800 | 1900 | 2000 |
| λ | 3,12 | 3,14 | 3,17 | 3,19 | 3,21 | 3,23 | 3,24 | 3,26 | 3,28 | 3,29 |
2.3. В порядке k = 0, k' = 0; k = 1, k' = 1; k = 2, k' = 2 … последовательно сравниваются наименьшее значение в статистической выборке c оценочным значением аномалии для малых значений. Когда выполняется условие — удаляется наименьшее значение. Сравнивается наибольшее значение с оценочным значением аномалии для больших значений. Когда выполняется условие — удаляется наибольшее значение. Каждый раз удаляется только одно значение; для оставшейся последовательности данных повторяются шаги вычислений, пока не будут выполнены следующие два условия: (10), (11)
3. Критическое значение для определения аномалий скорости звука
Вероятностное статистическое значение для определения аномалий скорости звука для j-го измерительного профиля рассчитывается по формуле: (12)
где вероятностное статистическое значение для определения аномалий скорости звука j-го измерительного профиля.
Для сваи только с одним измерительным профилем её критическое значение для определения аномалий скорости звука равно критическому значению для определения аномалий скорости звука на этом измерительном профиле, т.е.: (13)
Для сваи с тремя или более измерительными профилями за критическое значение для определения аномалий скорости звука для каждой акустической линии данной сваи принимается среднее арифметическое критических значений для определения аномалий скорости звука каждого измерительного профиля, т.е.: (14)
где
- критическое значение для определения аномалий скорости звука на j-м измерительном профиле;
- вероятностное статистическое значение для определения аномалий скорости звука на j-м измерительном профиле.
4. Определение аномалии скорости звука
Аномалия скорости звука определяется из следующего условия: (15)
где
- скорость звука i-й акустической линии j-го измерительного профиля;
- критическое значение для определения аномалий скорости звука j-го измерительного профиля.
5. Критическое значение для определения аномалий амплитуды волны
Критическое значение для определения аномалий амплитуды волны рассчитывается по следующим формулам: (16), (17)
Значение амплитуды считается аномальной, если выполняется следующее условие: (18)
где
- среднее значение амплитуды всех акустических линий j-го измерительного профиля (дБ);
- значение амплитуды i-й акустической линии j-го измерительного профиля (дБ);
- критическое значение для определения аномалий амплитуды волны j-го измерительного профиля (дБ);
- n — общее количество акустических линий в j-м измерительном профиле.
6. Критерий PSD (Probability Slope Difference; метод наклона)
Критерий PSD применяется в качестве вспомогательного критерия для определения аномальных акустических линий. Значение PSD представляет собой произведение наклона прямой, соединяющей две соседние точки на кривой «время – глубина», на разность значений времени, и рассчитывается по следующей формуле: (20)
где
- PSD — значение PSD, мкс²/м;
- акустическое время i-й акустической линии j-го измерительного профиля, мкс;
- акустическое время (i-1)-й акустической линии j-го измерительного профиля, мкс;
- глубина i-й акустической линии, м;
- глубина (i-1)-й акустической линии, м.
Примечание: если значение PSD на некоторой глубине претерпевает резкое изменение (скачок), рекомендуется проводить анализ критерия PSD в сочетании с изменениями амплитуды волны.
Результаты работы алгоритма в программном комплексе МИТ УЗК МОНОЛИТ
По результатам расчетов согласно вышеуказанного алгоритма программный комплекс МИТ УЗК МОНОЛИТ предоставляет пользователю таблицу результатов измерений (см. Рис.3). Красным шрифтом выделяются значения скорости ультразвука и амплитуды сигнала неудовлетворяющие критериям оценки:
- фактическая скорость в точке измерения ниже критической;
- фактическая амплитуда сигнала ниже среднего значения более чем на 6 дБ.
Применения прибора МИТ УЗК Монолит 1-2к, а также программного комплекса МИТ УЗК МОНОЛИТ решает проблему статистической обработки данных при ультразвуковом контроле сплошности бетона свай.
Видео: работа с прибором и программным комплексом
О работе с прибором МИТ УЗК Монолит 1-2к вы можете ознакомиться в этом видео:
Подробнее о работе с программным комплексом МИТ УЗК МОНОЛИТ:
Список используемой литературы
- ГОСТ Р 71039-2023. Сваи буронабивных и «стены в грунте» траншейного и свайного типов. Межскважинный ультразвуковой метод контроля качества бетона.
- АSTM D6760-16. Стандартный метод испытания для оценки целостности бетонных глубоких фундаментов методом ультразвукового межскважинного (кросс-скважинного) прозвучивания.
- NF P 94-160-1. Грунты: разведки и испытания — обследование фундаментов — Часть 1: Звуковое кернирование (акустические каротажи).
- JGJ 106-2014. Технический регламент по методам испытаний строительных свай.
Хотите использовать этот алгоритм у себя в лаборатории?
МИТ УЗК Монолит 1-2к — двухканальный прибор для УЗК свай по ГОСТ Р 71039-2023 с автоматической статистической обработкой
Часто задаваемые вопросы
Почему МИТ УЗК МОНОЛИТ использует китайский JGJ 106-2014, а не российский ГОСТ Р 71039-2023?
Российский ГОСТ Р 71039-2023 рекомендует применять робастные методы оценки, но не приводит конкретных формул расчёта. Мы изучили ASTM D6760 (США), NF P 94-160-1 (Франция) и JGJ 106-2014 (Китай). Только JGJ 106-2014 содержит полный вероятностно-статистический алгоритм с итеративным отбрасыванием экстремальных значений — его и реализовали в МИТ УЗК МОНОЛИТ.
Как алгоритм МИТ УЗК МОНОЛИТ отбраковывает аномальные значения скорости ультразвука?
Значения скорости для каждой акустической линии сортируются по убыванию. Далее последовательно вычисляются среднее, стандартное отклонение, коэффициент вариации и оценочные значения аномалий для малых и больших значений. Каждое наименьшее и наибольшее значение сравнивается с критериями выбросов; при выполнении условия оно удаляется. Процедура повторяется до тех пор, пока оба крайних значения не окажутся в пределах нормы.
Что такое критерий PSD и когда он применяется?
PSD (Probability Slope Difference, метод наклона) — вспомогательный критерий для определения аномальных акустических линий. Значение PSD представляет собой произведение наклона прямой, соединяющей две соседние точки на кривой «время – глубина», на разность значений времени. Резкие скачки PSD на некоторой глубине сигнализируют о возможном дефекте — тогда анализ проводят в сочетании с изменениями амплитуды волны.
Совместим ли алгоритм МИТ УЗК МОНОЛИТ со стандартом ASTM D6760?
ASTM D6760-16 и французский NF P 94-160-1 не содержат статистических методов оценки — они устанавливают минимальные требования и делают упор на квалификацию оператора, который сам определяет наличие дефекта. Алгоритм JGJ 106-2014 в МИТ УЗК МОНОЛИТ идёт дальше — автоматизирует статистическую обработку и снимает субъективность оценки, что удовлетворяет как духу ASTM D6760, так и требованиям ГОСТ Р 71039-2023 к робастным методам.
Как МИТ УЗК МОНОЛИТ выводит результаты статистической обработки?
Программный комплекс МИТ УЗК МОНОЛИТ формирует таблицу результатов измерений с автоматической подсветкой красным шрифтом значений, не удовлетворяющих критериям оценки: фактическая скорость ультразвука ниже критической, либо фактическая амплитуда сигнала ниже среднего значения более чем на 6 дБ. Оператор сразу видит проблемные акустические линии и глубины.
Автор статьи: Денис Воробьев, начальник лаборатории ООО «Маттест». Экспертный текст подготовлен для сайта партнёрской компании ООО «М-Инструмент» (МАТТЕСТ ИНСТРУМЕНТ).
