基于NI CompactRIO系統(tǒng)和LabVIEW實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計

一. 引言

隨著橋梁設計水平和施工技術的日見成熟，橋梁的建設取得了突破性的成就，一批大跨徑橋梁應運而生，橋梁建設正朝著規(guī)模的大型化、形式的輕柔化、功能的復雜化發(fā)展。同時，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性越來越受到人們的高度重視，有關大型橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、安全評估以及壽命預測等問題已經(jīng)成為當前橋梁工程界必須解決的問題。目前，隨著傳感測試技術、計算機信息處理技術、結(jié)構(gòu)分析技術和橋梁工程技術等相關學科的進一步發(fā)展，針對特大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測與安全預警研究和實踐成為可能。原本應用于軍事領域的先進智能材料與結(jié)構(gòu)技術，也在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領域得到應用，使得對大型橋梁結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測的技術總體上正朝著智能化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。

二.集美大橋的系統(tǒng)背景與設計原則

廈門集美大橋及接線工程是廈門市城市道路交通網(wǎng)絡布局中本島與大陸腹地跨海通道的重要組成部分，也是廈門市出島交通路網(wǎng)規(guī)劃中重要的跨海通道之一。大橋建成后將承擔巨大的出入島交通流，因此，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的重要性就顯得格外突出。

系統(tǒng)整體監(jiān)測項目如下：

1)荷載源監(jiān)測：主要為橋址區(qū)域環(huán)境荷載監(jiān)測：① 風荷載監(jiān)測;② 溫度、濕度監(jiān)測;③ 控制截面溫度梯度監(jiān)測;④ 交通荷載(與計重收費系統(tǒng)共用)

2)結(jié)構(gòu)動、靜態(tài)響應監(jiān)測

①主橋的空間位置變化監(jiān)測，主要為各跨跨中下?lián)媳O(jiān)測;②主、引橋控制截面靜應力監(jiān)測;③主、引橋體外預應力監(jiān)測;④主、引橋體內(nèi)預應力監(jiān)測;④主、引橋結(jié)構(gòu)動力及振動特性及其變化監(jiān)測

三.橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測安全預警系統(tǒng)的總體設計

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求本系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)：

1) 自動化傳感測試子系統(tǒng)，其包括以下幾大模塊：

① 傳感器子模塊

通過傳感器將各類監(jiān)測轉(zhuǎn)換為電(光)信號。

② 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊

將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并完成遠程傳輸。

③ 數(shù)據(jù)處理與控制模塊

將監(jiān)測信號進行預處理以向其它子系統(tǒng)提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)需要控制監(jiān)測參數(shù)的采集。

以上3部分構(gòu)成自動化傳感測試子系統(tǒng)。

2) 電子化人工巡檢養(yǎng)護管理子系統(tǒng)

3) 綜合安全評估子系統(tǒng)

4) 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

5) 用戶界面子系統(tǒng)

其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

接下來將重點介紹監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、預處理與控制的子系統(tǒng)。

1. 自動化傳感測試子系統(tǒng)各類信號采集、處理方案

整個系統(tǒng)共設置3個cRIO采集站。采集站在左右兩幅橋各布置一個，BRT橋布置一個。

實現(xiàn)的采集工作包括加速度同步采集壓力變送器、溫濕度儀、風速儀、振弦式應力計、磁通量索力計信號和串口信號的采集。這些傳感器輸出信號種類多種多樣，大大增加了采集系統(tǒng)構(gòu)筑的難度。系統(tǒng)針對不同類型的傳感器，選用合適的采集設備和方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 自動化傳感子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

cRIO可編程工業(yè)I/O系統(tǒng)具有嵌入式控制器和機箱，選配多種功能的信號采集卡，完全工業(yè)級的設計。

* 采用的cRIO控制器NI9014為嵌入式控制器。

* 采用的cRIO機箱NI-9104為8槽嵌入式機箱，具有-40-70°C的操作溫度范圍，3百萬可重新配置I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的處理能力，使用LabVIEW自動生成自定義控制和信號處理電路。

* 采用cRIO的4通道高速同步數(shù)據(jù)采集卡NI-9215對于單向和三向加速度計進行電壓信號采集。

* NI-9401八通道高速數(shù)字I/O信號，100ns超高速數(shù)字輸入輸出，用于加速度同步。

* NI-9871標準RS485通訊卡，磁通量傳感器采用磁彈儀進行采集，其輸出為485信號，接入NI-9871。

* NI-9871標準RS485通訊卡，超聲波三向風速儀直接輸出485信號，接入標準RS485通訊卡NI-9871。

* NI-9203采用8通道模擬電流采集模塊，壓力變送器和溫濕度儀輸出信號分別為4-20mA電流，對于這類輸出為標準電流信號的傳感器接入NI-9203。

* 光纖光柵溫度傳感器與應變傳感器采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡分析儀進行采集，其輸出為以太網(wǎng)信號。

本系統(tǒng)的監(jiān)測項目梁體振動加速度需要較好的同步性和實時性，我們采用GPS精確授時技術、在每個采集站安裝GPS時鐘接收機，借助NI-9401 100ns超高速數(shù)字同步卡，通過軟件方法和采集策略的配置保證加速度數(shù)據(jù)采集的同步性。

2. 數(shù)據(jù)采集傳輸與控制

采集站實現(xiàn)的采集工作于LabVIEW-RT實時系統(tǒng)環(huán)境下，在終端硬件的支持下主要完成對信號數(shù)據(jù)的采集和傳輸。用戶一般不直接與其進行交互，但其提供一系列的標準接口和命令與用戶所在的控制終端、監(jiān)測終端和數(shù)據(jù)存儲終端進行交互。采集站狀態(tài)與控制如圖3所示。

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)服務器通過向cRIO采集站發(fā)送網(wǎng)絡命令報文實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制功能：

1) 控制傳感器啟動、停止數(shù)據(jù)采集;

2) 查詢傳感器和采集單元、調(diào)理器、其它采集設備的工作狀態(tài);

3) 查看、修改采集單元和調(diào)理器的參數(shù)，標簽等信息;

4) 通過修改配置文件上傳至采集站實現(xiàn)采集任務、存儲任務的配置和更改。

圖3 數(shù)據(jù)采集站狀態(tài)與控制界面

3. 數(shù)據(jù)處理與控制模塊

采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與控制模塊(子系統(tǒng))對其進行預處理方能夠提交給后續(xù)子系統(tǒng)使用。本子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集控制模塊，數(shù)據(jù)分類、抽取模塊，監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及用戶界面4部分組成。系統(tǒng)關系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集、處理與控制子系統(tǒng)關系結(jié)構(gòu)圖

1) 反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參數(shù)確定及其提取方案

結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征參數(shù)是指能夠反映結(jié)構(gòu)特征的物理量，比如：撓度，應力，索力等;而傳感器-采集系統(tǒng)所獲得是傳感器的讀數(shù)，這些讀數(shù)一般反映的是電信號。將傳感器獲得的電信號向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)轉(zhuǎn)換是極其重要的過程。具體流程如圖5所示。

a) 傳感器電信號向測試物理量的轉(zhuǎn)換

傳感器電信號向測試物理量的轉(zhuǎn)換通常利用標定證書提供的曲線或參數(shù)可以完成傳感器讀數(shù)向物理量的轉(zhuǎn)換。

b) 測試物理量向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換

測試物理量向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換需要其它傳感器的配合，需要進行數(shù)據(jù)的分析處理。

c) 各種參數(shù)有效數(shù)據(jù)的抽取

d) 數(shù)字濾波

對于靜態(tài)數(shù)據(jù)需要進行活載及風振的過濾，經(jīng)過過濾后的靜態(tài)參數(shù)將僅包含溫度對結(jié)構(gòu)的影響，這種過濾一般可以采用低通濾波的方式，實現(xiàn)的時候可以采用幅值域分析的方式。對于動態(tài)參數(shù)則應考慮所需要測試的頻率范圍進行帶通濾波。

圖5 數(shù)據(jù)處理與控制軟件流程圖

2) 數(shù)據(jù)存儲

a) 數(shù)據(jù)存儲引擎將指定的數(shù)據(jù)按照時間標簽存入數(shù)據(jù)文件。

每個數(shù)據(jù)包中包含一個測點(對應一個數(shù)據(jù)采通道)一段時間(定為1秒)連續(xù)采集數(shù)據(jù)的內(nèi)容。數(shù)據(jù)文件的文件名包括以下信息：采樣數(shù)據(jù)開始時間(小時-分-秒)、數(shù)據(jù)存儲模式(數(shù)據(jù)觸發(fā)說明)、采樣率、數(shù)據(jù)點數(shù)、數(shù)據(jù)最大值、最小值、均值、方差。文件內(nèi)容包括各點采樣數(shù)據(jù)。

b) 數(shù)據(jù)文件的存儲策略根據(jù)數(shù)據(jù)存儲模式的不同而異，具體如下：

間斷存儲時，每個通道每段連續(xù)的信號數(shù)據(jù)保存為一個文件;觸發(fā)存儲時，被觸發(fā)的每個通道每段連續(xù)的信號數(shù)據(jù)保存為一個文件;人工連續(xù)存儲時，如果某通道要保存的連續(xù)數(shù)據(jù)很大，根據(jù)數(shù)據(jù)文件的大小，可以每10分鐘自動更換一個文件保存;根據(jù)硬盤空間的大小，自動刪除部分(一周)以前的數(shù)據(jù)文件。

四.軟件實現(xiàn)與現(xiàn)場成果

1. 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)主要分為兩個部分：

1) 數(shù)據(jù)采集軟件(下位機FPGA部分)

作為基于LabVIEW的RT實時系統(tǒng)的FPGA下位機程序，能夠?qū)崟r進行大量數(shù)據(jù)的采集與存儲和控制任務，主要實現(xiàn)加速度、風、溫度等信號的采樣與降采樣和振動特征值計算、GPS對時、定時存儲、采集通道設定等功能。該部分程序燒寫在FPGA硬件模塊上，由FPGA硬件進行實現(xiàn)，經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換，最終被編譯為比特流文件，并下載到FPGA模塊上運行。多個采集站采用統(tǒng)一軟件架構(gòu)，實現(xiàn)采集任務的模塊化和規(guī)范化，多機箱間的精確的同步采集，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲。

2) 數(shù)據(jù)處理與控制軟件(上位機部分)

數(shù)據(jù)傳輸、處理與控制軟件是基于LabVIEW8.2平臺開發(fā)的，數(shù)據(jù)處理與控制工作站軟件平臺是基于LabVIEW8.2平臺下的狀態(tài)機機制，通過TCP協(xié)議實時接收下位機的原始數(shù)據(jù)與設備工作站的工作狀態(tài)，按照指定報文格式進行數(shù)據(jù)的接收解譯與命令的發(fā)送。同時，使用LabVIEW自帶的信號分析、數(shù)字濾波和統(tǒng)計分析等子VI，完成結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參數(shù)提取工作。數(shù)據(jù)首先采用自定義結(jié)構(gòu)體包裝，通過queue隊列形式完成各VI之間的數(shù)據(jù)交互，隊列的先進先出機制有效的解決的數(shù)據(jù)完整性和穩(wěn)定性。

3) 電力監(jiān)控部分軟件

軟件平臺采用可視性強、界面豐富的NI LabVIEW平臺和數(shù)據(jù)分析技術，采用標準的數(shù)據(jù)接口。電力監(jiān)測軟件為用戶提供一個可視化的監(jiān)測界面，讓用戶直觀、方便、快捷地了解現(xiàn)場傳感器、UPS、磁彈儀、采集器的運行狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進行運行狀態(tài)的調(diào)整和負荷的控制。用戶通過查詢歷史數(shù)據(jù)庫，可以調(diào)出電力設備的歷史運行狀態(tài)曲線，并完成上位機對應的數(shù)據(jù)管理功能。界面如圖6所示。

圖6 采集站電力監(jiān)控界面

2. 數(shù)據(jù)處理與控制軟件界面

數(shù)據(jù)傳輸、處理與控制軟件主要包括10大功能模塊：登錄模塊、采集站配置模塊、存儲任務管理模塊、采集任務管理模塊、傳感器狀態(tài)模塊、網(wǎng)絡狀態(tài)識別模塊、數(shù)據(jù)下載與入庫模塊、電力監(jiān)控模塊、用戶管理模塊、系統(tǒng)幫助模塊。界面如圖7所示。

圖7 采集站狀態(tài)及控制模塊界面

3. 數(shù)據(jù)實時展示與預警軟件界面

承臺地震動監(jiān)測項目實時顯示、預警軟件子模塊界面如圖8。除了上述各個預警軟件子模塊共有的操作按鈕和顯示控件外，該模塊還有從數(shù)據(jù)處理與控制服務器傳過來的1秒鐘數(shù)據(jù)包波形圖、安裝截面位置示意圖、預警燈和信息，以及當前1秒鐘加速度時程曲線和自功率譜曲線圖。

圖8地震動監(jiān)測模塊

偏位監(jiān)測項目實時顯示、預警軟件子模塊界面如圖9。除了各個預警軟件子模塊共有的操作按鈕和顯示控件外，該模塊還有從數(shù)據(jù)處理與控制服務器傳過來的1秒鐘數(shù)據(jù)包波形圖、安裝截面位置示意圖、預警燈和信息，以及當前縱橫橋向當前的偏位情況實時顯示。

圖9 偏位子模塊界面

4. 現(xiàn)場成果

安裝在現(xiàn)場的工作站一共有三個，主要完成就進傳感器的數(shù)據(jù)收集、整理與傳輸。CRIO采集模塊首先對安裝在大橋上的各種類型傳感器的信號完成必要的預調(diào)理后按一定的采樣頻率進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)，同時在數(shù)據(jù)采集站計算機上保存，最后各種類型的傳感器的模擬或數(shù)字信號經(jīng)預處理、采集后從現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集站通過工業(yè)以太網(wǎng)有線傳送至位于管理監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理與控制計算機上。具體安裝如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場工作站實拍圖片

五.結(jié)論

從技術角度去講，NI CompactRIO系統(tǒng)和LabVIEW開發(fā)環(huán)境無縫連接使用戶輕松的通過圖形化開發(fā)環(huán)境訪問底層硬件，快速建立嵌入式系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集應用，大大降低了系統(tǒng)開發(fā)、 生產(chǎn)的技術風險。LabVIEW 強大的數(shù)據(jù)采集和信號處理功能極大地節(jié)省了采集終端軟件的開發(fā)時間，在LabVIEW RT和LabVIEW FPGA模塊的配合下使得采集終端能夠?qū)崟r高質(zhì)量地完成數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)存儲的工作，為整個大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)提供靈活、強大的底層數(shù)據(jù)支持。

同時，惡劣的海洋環(huán)境及橋面路況影響，對NI CompactRIO系統(tǒng)的環(huán)境適應性也提出了很高的要求。事實證明，NI CompactRIO系統(tǒng)設計精巧而堅固，滿足苛刻的工業(yè)級指標，完全適用于對可靠性有嚴格要求的復雜惡劣海洋環(huán)境中應用。

在國內(nèi)首次將LabVIEW和NI的分布式數(shù)據(jù)采集設備cRIO系列引入到橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測和結(jié)構(gòu)分析中去，結(jié)合先進的數(shù)據(jù)處理和信號分析技術，為大跨徑特大型橋梁綜合監(jiān)測系統(tǒng)有關數(shù)據(jù)采集傳輸預處理與控制的建立提供了一套完備而系統(tǒng)的方案，在橋梁健康監(jiān)測的若干問題研究中取得的一些創(chuàng)新性成果，對橋梁綜合監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的意義。

NI的分布式數(shù)據(jù)采集設備cRIO系列在廈門集美大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)中的實際應用是cRIO平臺在國內(nèi)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測領域的首次成功案例，截至目前運行正常，工作穩(wěn)定，得到業(yè)內(nèi)的一致好評。事實證明，NI cRIO平臺是構(gòu)建該采集終端的理想解決方案之一，對接下來的耗資700億港珠澳大橋系統(tǒng)實施具有很強的示范性和參考價值。