EVIDENČNÍ FORMULÁŘ Název výsledku: Software pro vyhodnocení vibrační analýzy heterogenních systémů 1. Informace o projektu Název projektu, v rámci kterého předkládaný výsledek vznikl: PRVOUK P38 Biologické aspekty zkoumání lidského pohybu SVV 260346 Specifický vysokoškolský výzkum Evidenční číslo projektu přidělené poskytovatelem: KAB/2016/SW5 Doba řešení projektu: 2 roky Stručný popis projektu: Software (SW) slouží k semiautomatickému vyhodnocení zašuměných dat vibračních zkoušek nehomogeních, zejména biologických systémů, jako např. v průběhu pohybu člověka u axiálního systému. SW je vytvořen na dvou platformách, jednak v prostředí matlab, a jednak v prostředí Visual Basic pro MS Excel. SW umožňuje v prvním kroku načíst vstupní data, převést Fast Fourier Transformation (FFT) rozklad analyzovaného signálu a jeho zpětnou rekonstrukci. V dalším kroku je na základě volby provedena filtrace dat. V posledním kroku je provedeno statistické zpracování dat a určení rezonanční frekvence a koeficientu útlumu sledovaného systému. 2. Tvůrce (v kolonce podíl na řešení je určen jeden garant výsledku): Jmeno a přijmeni, titul: Václav Bittner Adresa bydliště: Rubínová 1183/5, Liberec 6, 46006 Nazev zaměstnavatele: Fakulta tělesne vychovy a sportu University Karlovy Sidlo zaměstnavatele: Jose Martiho 31, Praha 6 IČ zaměstnavatele: 00216208 Odděleni/utvar: katedra Anatomie a Biomechaniky Telefonni čislo/a: 732765015 E-mail: vbittner@seznam.cz Přispěvek tvůrce (slovně): vývoj SW po matematické stránce, statistické zpracování dat, programování kódu. Podil na řešeni v %: garant vysledku 40%? Jméno a příjmení, titul: Šárka Panská Adresa bydliště: Trávníčkova 1776/29, 155 00 Praha 5 Stodůlky Název zaměstnavatele: Fakulta tělesné výchovy a sportu University Karlovy Sídlo zaměstnavatele: José Martiho 31, Praha 6 IČ zaměstnavatele: 00216208 Oddělení/útvar: Katedra Gymnastiky Telefonní číslo/a: 724194052 E-mail: panska@ftvs.cuni.cz Příspěvek tvůrce (slovně): tvorba software Podíl na řešení v %: 35% původce na programátorská činnost Jméno a příjmení, titul: doc.dr. Karel Jelen,CSc. Adresa bydliště: Malířská 8, 17000 Praha 7 Název zaměstnavatele: Fakulta tělesné výchovy a sportu University Karlovy Sídlo zaměstnavatele: José Martiho 31, Praha 6 IČ zaměstnavatele: 00216208 Oddělení/útvar: katedra Anatomie a Biomechaniky Telefonní číslo/a: 603 526 656 E-mail: jelen@ftvs.cuni.cz Příspěvek tvůrce (slovně): tvorba schématu funkcí Podíl na řešení v %: 25% původce a schéma funkčnosti Stránka 1/13
3. Kategorie výsledku: poloprovoz ověřená technologie prototyp funkční vzorek cerfikovaná metodika software specializované mapy výzkumná zpráva 4. název a podnázev výsledku: Software pro vyhodnocení vibrační analýzy heterogenních systémů, Software pro semiautomatické vyhodnocení vibrační analýzy nehomogenních systémů. 5. Stručný popis výsledku: SW slouží k semiautomatickému vyhodnocení zašuměných dat vibračních zkoušek nehomogeních, zejména biologických systémů. SW je vytvořen na dvou platformách. Jednak v prostředí matlab, jednak v prostředí Visual Basic pro MS Excel. SW umožňuje v prvním kroku načíst vstupní data, převést FFT rozklad analyzovaného signálu a jeho zpětnou rekonstrukci. V dalším kroku je na základě volby provedena filtrace dat. V posledním kroku je provedeno statistické zpracování dat a určení rezonanční frekvence a koeficientu útlumu sledovaného systému. 6. Technické parametry výsledku (uveďte technické aj. parametry): Popis algoritmu Technický výsledek projektu je pojat jako open source SW a to v prostředí Matlab a Visual Basic pro MS Excel. Do obou kódů lze volně zasahovat. Tím je možné měnit nastavení filtru signálu, vymezení oblasti pro stanovení rezonanční frekvence a koeficientu útlumu i grafické výstupy jednotlivých kroků zpracování. 7. Ekonomické parametry výsledku např. roční zvýšení objemu výroby, zisku, exportu, atd. Vytvoření software mělo nákladovou cenu 30 000 CZK, přičemž došlo ke zrychlení a zautomatizování použití měřícího zařízení detekujícího vibrace axiálního systému člověka. Rychlost zadávání a vyhodnocení dat z měřícího zařízení byla zvýšena. Dřívější jedno měření 90 min, nyní 5 minut. 9.Průmyslová využitelnost: SW je možné využít v laboratořích zabývajících se vyhodnocováním vibrační analýzy složitých nehomogenních systémů, zejména biologické podstaty. 10. seznam podpůrných dokumentů: 1, soubor txt. se sepsaným programem http://www.ftvs.cuni.cz/ftvs-887.html Stránka 2/13
2, foto výstupů Vstupní data, FFT rekonstrukce: Stránka 3/13
Filtrace dat: Grafický výstup: Stránka 4/13
3. Návod k Použití Úvod Stručný MANUAL (Software pro vyhodnocení vibrační analýzy heterogenních systémů) Předložený SW slouží k semiautomatickému vyhodnocení zašuměných dat vibračních zkoušek heterogenních, zejména biologických systémů. SW je vytvořen v prostředí MATLAB. Program umožňuje v prvním kroku načíst vstupní data, převést FFT rozklad analyzovaného signálu a jeho zpětnou rekonstrukci. V dalším kroku je na základě volby provedena filtrace dat. V posledním kroku je provedeno statistické zpracování dat a určení rezonanční frekvence a koeficientu útlumu sledovaného systému. Do kódu programu lze volně zasahovat. Tím je možné měnit nastavení filtru signálu, vymezení oblasti pro stanovení rezonanční frekvence a koeficientu útlumu i grafické výstupy jednotlivých kroků zpracování. Taktéž je možné upravovat druhy grafických výstupů a způsob statistického zpracování dat. V případě zájmu ze strany uživatele je možné se obrátit na SW podporu na email: valclav.bittner@tul.cz. Rádi proškolíme obsluhu, případně upravíme kód s ohledem na charakter vstupních a výstupních dat. V rámci další spolupráce jsme taktéž schopni podílet se na komplexní analýze dat z vibračních zkoušek včetně tvorby příslušných matematických modelů a stanovení příslušných materiálových charakteristik studovaného heterogenního systému. Vše jsme taktéž schopni připravit v prostředí Excel (viz příloha SW balíku sw_excel). Vstupní soubor a formát vstupních dat Program pracuje s jediným vstupním souborem, který je ve formátu csv. Jmenuje se data.csv a je uložen v kořenovém adresáři spolu s dalšími částmi SW. Má následující strukturu, kterou je pro bezchybný chod celého výpočtu nutno zachovat. V prvním sloupci se nachází vektor vibračních frekvencí (Hz), v dalších sloupcích jsou pak postupně uloženy vektory zrychlení (ms -2 ) z jednotlivých čidel. Předpokládá se, že první čidlo je umístěno na zdroji buzení vibrací a pro další výpočty se nepoužívá, viz obr. 1. Dále se předpokládá, že čidla jsou rozmístěna lineárně v ekvidistantních vzdálenostech od místa buzení vibrací. Veškeré ukázky v tomto textu jsou pro soubor údajů z dvaceti čidel. Do souboru data.csv je možné podle výše uvedených instrukcí nakopírovat vlastní naměřená data. Stránka 5/13
Obr. 1: Ukázka struktury vstupního csv souboru a formátu vstupních dat. Vlastní ovládání programu Jak již bylo zmíněno v úvodu, výchozí uživatelskou platformou je prostředí MATLAB. V něm je nutné postupně otevřít a spustit (ikona Run) tři samostatné soubory: Data_vstup.m, Filtrace.m a Statistica.m. Všechny tři soubory mají stejnou strukturu. V první části s názvem Vstupní koeficienty je možné volit vstupní parametry příslušného souboru. Ve stření části je zapsaný samotný kód SW. Poslední část je věnována grafickým a textovým výstupům. V následujícím textu je popsáno, co jednotlivé části SW dělají: a) Data_vstup.m Tato část programu se věnuje načtení vstupních dat z data.csv, rozložení jednotlivých sloupcových vektorů do FFT spektra, jejich zpětnou rekonstrukci a vizualizaci. Ve dvou grafických výstupech je pak možné celý proces kontrolovat, viz obr. 2 a 3. Vstupní koeficienty jsou proměnné: n počet čidel, ze kterých bude vytvořen první grafický výstup (figure 1), K počet FFT koeficientů použitých pro zpětnou rekonstrukci signálu. První grafický výstup (figure 1) představuje v prvním řádku vykreslení naměřených závislostí z čidel 1 až n (modře) a jejich příslušné rekonstrukce pomocí FFT spektra (červeně). V druhém řádku je pak znázorněno příslušné FFT spektrum. Stránka 6/13
Obr. 2: Vykreslení záznamů z prvních n čidel, FFT spektrum a zpětná rekonstrukce (figure 1). Druhý grafický výstup (Figure 2) je pak 3D alternativou výstupu prvního. V něm jsou najednou znázorněny všechny závislosti uložené ve vstupním souboru data.csv a jejich FFT spektrum. Obr. 3: Vykreslení záznamů ze všech čidel a jejich FFT spektrum (figure 2). Stránka 7/13
Tato část programu nemá žádný textový výstup. neupravených dat. Slouží pouze jako vizualizace naměřených a zatím nijak b) Filtrace.m Následující část programu se věnuje filtraci původních dat. Ta je založena na rekonstrukci signálu z FFT spektra redukovaného o předem zvolený počet koeficientů. Vstupními koeficienty jsou: K celkový počet FFT koeficientů použitých pro zpětnou rekonstrukci signálu, L, M interval (L;M) vymezuje koeficienty, které při redukované rekonstrukci nebudou použity. K porovnání filtrovaných a původních závislostí slouží grafický výstup figure 3, viz obr 4. Obr. 4: Vykreslení záznamů ze všech čidel bez a s filtrací dat (figure 3). Textovým výstupem z této části programu je soubor filter.txt, ve kterém jsou uloženy zrekonstruované závislosti s daným rozsahem filtrace. V prvním sloupci se nachází vektor vibračních frekvencí (Hz), v dalších sloupcích jsou pak postupně uloženy vektory zrychlení (ms -2 ) z jednotlivých čidel. c) Statistica.m Poslední část tohoto SW nástroje se věnuje statistickému zpracování dat. V rámci vstupních koeficientů je nutné rozhodnout o hladině statistické významnosti, na které budou veškeré výsledky zpracovány. Vzhledem k existenci Stránka 8/13
možných lokálních maxim jednotlivých závislostí je taktéž nutné vymezit oblast zájmu, ze které budou rezonanční frekvence a útlumový koeficient stanoveny. alfa hladina statistické významnosti, dolnimez, hornimez interval (dolnimez;hornimez) vymezuje oblast, ze které bude stanovena rezonanční frekvence a útlumový koeficient. K vizuální kontrole slouží grafický výstup figure 4, viz obr. 5. Obr. 5: Graf rezonančních frekvencí z jednotlivých čidel vlevo Graf poklesu amplitud zrychlení na jednotlivých čidlech vpravo (figure 4). Červená čára u grafu vpravo znázorňuje aproximaci dané závislosti ve tvaru: bx y = Ae, kde b je hledaný útlumový koeficient. Textový výstup je připraven v několika formátech. V souboru vystup.txt je uložena matice rezonančních frekvencí a příslušných zrychlení z jednotlivých čidel. Odhadnutá rezonanční frekvence systému je uložena v souboru rezonancni_frekvence.txt. V jednom řádku je postupně vedena její průměrná hodnota, směrodatná odchylka, dolní a horní mez intervalu spolehlivosti na příslušné hladině statistické významnosti. Koeficienty exponenciální regrese (A, b) jsou v tomto pořadí uloženy v souboru utlum.txt. Souhrnný výsledek zahrnující údaje o rezonanční frekvenci a exponenciální regresi je uložen v dvouřádkovém souboru report.txt. Závěr Výše popsaný SW umožňuje na základě semiautomatického zpracování odhadnout rezonanční frekvenci a útlumový koeficient sledovaného heterogenního systému. V kombinaci se známou geometrií rozmístění jednotlivých čidel a vhodným reologickým modelem je možné z těchto údajů stanovit hledané materiálové charakteristiky (elasticita, viskozita) studovaného systému. Stránka 9/13
Prohlašuji, že popsaný výsledek naplňuje definici uvedenou v Příloze c. 1 Metodiky hodnocení výsledku výzkumu a vývoje v roce 2008 a že jsem si vědom důsledku plynoucích z porušení 14 zákona c. 130/2002 Sb. (ve znění platnémod 1. července 2009). Prohlašuji rovněž, že na požádání předložím technickou dokumentaci výsledku. Stránka 10/13