基于CompactRIO的橋梁結構安全監測系統研究

一． 引言
隨著(zhù)橋梁設計水平和施工技術(shù)的日見(jiàn)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(zhù)規模的大型化、形式的輕柔化、功能的復雜化發(fā)展。同時(shí)，橋梁結構的安全性與耐久性越來(lái)越受到人們的高度重視，有關(guān)大型橋梁的結構健康監測、安全評估以及壽命預測等問(wèn)題已經(jīng)成為當前橋梁工程界必須解決的問(wèn)題。目前，隨著(zhù)傳感測試技術(shù)、計算機信息處理技術(shù)、結構分析技術(shù)和橋梁工程技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，針對特大型橋梁結構的安全監測與安全預警研究和實(shí)踐成為可能。原本應用于軍事領(lǐng)域的先進(jìn)智能材料與結構技術(shù)，也在橋梁結構健康監測領(lǐng)域得到應用，使得對大型橋梁結構進(jìn)行健康監測的技術(shù)總體上正朝著(zhù)智能化和系統化的方向發(fā)展。

二． 集美大橋的系統背景與設計原則
廈門(mén)集美大橋及接線(xiàn)工程是廈門(mén)市城市道路交通網(wǎng)絡(luò )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(mén)市出島交通路網(wǎng)規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，結構安全監測的重要性就顯得格外突出。

系統整體監測項目如下：
1）荷載源監測：主要為橋址區域環(huán)境荷載監測：① 風(fēng)荷載監測；② 溫度、濕度監測；③ 控制截面溫度梯度監測；④ 交通荷載（與計重收費系統共用）
2）結構動(dòng)、靜態(tài)響應監測
①主橋的空間位置變化監測，主要為各跨跨中下?lián)媳O測；②主、引橋控制截面靜應力監測；③主、引橋體外預應力監測；④主、引橋體內預應力監測；④主、引橋結構動(dòng)力及振動(dòng)特性及其變化監測

三． 橋梁結構監測安全預警系統的總體設計
根據系統的功能要求本系統包括以下子系統：
1) 自動(dòng)化傳感測試子系統，其包括以下幾大模塊：
① 傳感器子模塊
    通過(guò)傳感器將各類(lèi)監測轉換為電（光）信號。
② 數據采集與傳輸模塊
    將監測信號轉換為數字信號并完成遠程傳輸。
③ 數據處理與控制模塊
    將監測信號進(jìn)行預處理以向其它子系統提供有效的監測數據，根據需要控制監測參數的采集。
以上3部分構成自動(dòng)化傳感測試子系統。
2) 電子化人工巡檢養護管理子系統
3) 綜合安全評估子系統
4) 中心數據庫子系統
5) 用戶(hù)界面子系統
其結構示意圖如圖1所示：

 
                      圖1橋梁結構安全監測系統結構示意圖

接下來(lái)將重點(diǎn)介紹監測系統的數據采集、傳輸、預處理與控制的子系統。
1. 自動(dòng)化傳感測試子系統各類(lèi)信號采集、處理方案
整個(gè)系統共設置3個(gè)cRIO采集站。采集站在左右兩幅橋各布置一個(gè)，BRT橋布置一個(gè)。
實(shí)現的采集工作包括加速度同步采集壓力變送器、溫濕度儀、風(fēng)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(lèi)多種多樣，大大增加了采集系統構筑的難度。系統針對不同類(lèi)型的傳感器，選用合適的采集設備和方案。系統結構組成如圖2所示。
 

                                          圖2自動(dòng)化傳感子系統結構示意圖

cRIO可編程工業(yè)I/O系統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N(xiāo)I-9104為8槽嵌入式機箱，具有-40-70°C的操作溫度范圍，3百萬(wàn)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(dòng)生成自定義控制和信號處理電路。
? 采用cRIO的4通道高速同步數據采集卡NI-9215對于單向和三向加速度計進(jìn)行電壓信號采集。
? NI-9401八通道高速數字I/O信號，100ns超高速數字輸入輸出，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(jìn)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(fēng)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(lèi)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(luò )分析儀進(jìn)行采集，其輸出為以太網(wǎng)信號。
本系統的監測項目梁體振動(dòng)加速度需要較好的同步性和實(shí)時(shí)性，我們采用GPS精確授時(shí)技術(shù)、在每個(gè)采集站安裝GPS時(shí)鐘接收機，借助NI-9401 100ns超高速數字同步卡，通過(guò)軟件方法和采集策略的配置保證加速度數據采集的同步性。
2. 數據采集傳輸與控制
采集站實(shí)現的采集工作于LabVIEW-RT實(shí)時(shí)系統環(huán)境下，在終端硬件的支持下主要完成對信號數據的采集和傳輸。用戶(hù)一般不直接與其進(jìn)行交互，但其提供一系列的標準接口和命令與用戶(hù)所在的控制終端、監測終端和數據存儲終端進(jìn)行交互。采集站狀態(tài)與控制如圖3所示。
數據處理與控制系統服務(wù)器通過(guò)向cRIO采集站發(fā)送網(wǎng)絡(luò )命令報文實(shí)現數據采集和控制功能：
1) 控制傳感器啟動(dòng)、停止數據采集；
2) 查詢(xún)傳感器和采集單元、調理器、其它采集設備的工作狀態(tài)；
3) 查看、修改采集單元和調理器的參數，標簽等信息；
4) 通過(guò)修改配置文件上傳至采集站實(shí)現采集任務(wù)、存儲任務(wù)的配置和更改。
 

                                   圖3 數據采集站狀態(tài)與控制界面

3. 數據處理與控制模塊
采集系統收集到的數據必須經(jīng)過(guò)數據處理與控制模塊（子系統）對其進(jìn)行預處理方能夠提交給后續子系統使用。本子系統由數據采集控制模塊，數據分類(lèi)、抽取模塊，監測數據庫及用戶(hù)界面4部分組成。系統關(guān)系結構如圖4所示。
 

                                     圖4 數據采集、處理與控制子系統關(guān)系結構圖

1) 反映結構狀態(tài)的特征參數確定及其提取方案
結構狀態(tài)特征參數是指能夠反映結構特征的物理量，比如：撓度，應力，索力等；而傳感器－采集系統所獲得是傳感器的讀數，這些讀數一般反映的是電信號。將傳感器獲得的電信號向結構特征參數轉換是極其重要的過(guò)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換
傳感器電信號向測試物理量的轉換通常利用標定證書(shū)提供的曲線(xiàn)或參數可以完成傳感器讀數向物理量的轉換。
b) 測試物理量向結構特征參數的轉換
測試物理量向結構特征參數的轉換需要其它傳感器的配合，需要進(jìn)行數據的分析處理。
c) 各種參數有效數據的抽取
d) 數字濾波
對于靜態(tài)數據需要進(jìn)行活載及風(fēng)振的過(guò)濾，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的靜態(tài)參數將僅包含溫度對結構的影響，這種過(guò)濾一般可以采用低通濾波的方式，實(shí)現的時(shí)候可以采用幅值域分析的方式。對于動(dòng)態(tài)參數則應考慮所需要測試的頻率范圍進(jìn)行帶通濾波。

 
                                       圖5 數據處理與控制軟件流程圖

2) 數據存儲
a) 數據存儲引擎將指定的數據按照時(shí)間標簽存入數據文件。
每個(gè)數據包中包含一個(gè)測點(diǎn)（對應一個(gè)數據采通道）一段時(shí)間（定為1秒）連續采集數據的內容。數據文件的文件名包括以下信息：采樣數據開(kāi)始時(shí)間（小時(shí)-分-秒）、數據存儲模式（數據觸發(fā)說(shuō)明）、采樣率、數據點(diǎn)數、數據最大值、最小值、均值、方差。文件內容包括各點(diǎn)采樣數據。
b) 數據文件的存儲策略根據數據存儲模式的不同而異，具體如下：
間斷存儲時(shí)，每個(gè)通道每段連續的信號數據保存為一個(gè)文件；觸發(fā)存儲時(shí)，被觸發(fā)的每個(gè)通道每段連續的信號數據保存為一個(gè)文件；人工連續存儲時(shí)，如果某通道要保存的連續數據很大，根據數據文件的大小，可以每10分鐘自動(dòng)更換一個(gè)文件保存；根據硬盤(pán)空間的大小，自動(dòng)刪除部分（一周）以前的數據文件。

四． 軟件實(shí)現與現場(chǎng)成果
1. 系統軟件結構
軟件系統主要分為兩個(gè)部分：
1） 數據采集軟件（下位機FPGA部分）
作為基于LabVIEW的RT實(shí)時(shí)系統的FPGA下位機程序，能夠實(shí)時(shí)進(jìn)行大量數據的采集與存儲和控制任務(wù)，主要實(shí)現加速度、風(fēng)、溫度等信號的采樣與降采樣和振動(dòng)特征值計算、GPS對時(shí)、定時(shí)存儲、采集通道設定等功能。該部分程序燒寫(xiě)在FPGA硬件模塊上，由FPGA硬件進(jìn)行實(shí)現，經(jīng)過(guò)一系列的轉換，最終被編譯為比特流文件，并下載到FPGA模塊上運行。多個(gè)采集站采用統一軟件架構，實(shí)現采集任務(wù)的模塊化和規范化，多機箱間的精確的同步采集，同時(shí)實(shí)現數據的本地存儲。。
2） 數據處理與控制軟件（上位機部分）
數據傳輸、處理與控制軟件是基于LabVIEW8.2平臺開(kāi)發(fā)的，數據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(guò)TCP協(xié)議實(shí)時(shí)接收下位機的原始數據與設備工作站的工作狀態(tài)，按照指定報文格式進(jìn)行數據的接收解譯與命令的發(fā)送。同時(shí)，使用LabVIEW自帶的信號分析、數字濾波和統計分析等子VI，完成結構狀態(tài)的特征參數提取工作。數據首先采用自定義結構體包裝，通過(guò)queue隊列形式完成各VI之間的數據交互，隊列的先進(jìn)先出機制有效的解決的數據完整性和穩定性。
3) 電力監控部分軟件
軟件平臺采用可視性強、界面豐富的NI LabVIEW平臺和數據分析技術(shù)，采用標準的數據接口。電力監測軟件為用戶(hù)提供一個(gè)可視化的監測界面，讓用戶(hù)直觀(guān)、方便、快捷地了解現場(chǎng)傳感器、UPS、磁彈儀、采集器的運行狀態(tài)，并根據數據分析的結果進(jìn)行運行狀態(tài)的調整和負荷的控制。用戶(hù)通過(guò)查詢(xún)歷史數據庫，可以調出電力設備的歷史運行狀態(tài)曲線(xiàn)，并完成上位機對應的數據管理功能。界面如圖6所示。
 

圖6 采集站電力監控界面

2. 數據處理與控制軟件界面
數據傳輸、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(wù)管理模塊、采集任務(wù)管理模塊、傳感器狀態(tài)模塊、網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)識別模塊、數據下載與入庫模塊、電力監控模塊、用戶(hù)管理模塊、系統幫助模塊。界面如圖7所示。
 

                                             圖7 采集站狀態(tài)及控制模塊界面

3. 數據實(shí)時(shí)展示與預警軟件界面
承臺地震動(dòng)監測項目實(shí)時(shí)顯示、預警軟件子模塊界面如圖8。除了上述各個(gè)預警軟件子模塊共有的操作按鈕和顯示控件外，該模塊還有從數據處理與控制服務(wù)器傳過(guò)來(lái)的1秒鐘數據包波形圖、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(shí)程曲線(xiàn)和自功率譜曲線(xiàn)圖。
 

                                                       圖8地震動(dòng)監測模塊

偏位監測項目實(shí)時(shí)顯示、預警軟件子模塊界面如圖9。除了各個(gè)預警軟件子模塊共有的操作按鈕和顯示控件外，該模塊還有從數據處理與控制服務(wù)器傳過(guò)來(lái)的1秒鐘數據包波形圖、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(shí)時(shí)顯示。
 

                                                圖9 偏位子模塊界面

4. 現場(chǎng)成果
安裝在現場(chǎng)的工作站一共有三個(gè)，主要完成就進(jìn)傳感器的數據收集、整理與傳輸。CRIO采集模塊首先對安裝在大橋上的各種類(lèi)型傳感器的信號完成必要的預調理后按一定的采樣頻率進(jìn)行模數轉換（A/D），同時(shí)在數據采集站計算機上保存，最后各種類(lèi)型的傳感器的模擬或數字信號經(jīng)預處理、采集后從現場(chǎng)的數據采集站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)有線(xiàn)傳送至位于管理監控中心的數據處理與控制計算機上。具體安裝如圖10所示。

 
                     圖10 現場(chǎng)工作站實(shí)拍圖片

五． 結論
從技術(shù)角度去講，NI CompactRIO系統和LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)縫連接使用戶(hù)輕松的通過(guò)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境訪(fǎng)問(wèn)底層硬件，快速建立嵌入式系統控制和數據采集應用，大大降低了系統開(kāi)發(fā)、 生產(chǎn)的技術(shù)風(fēng)險。LabVIEW 強大的數據采集和信號處理功能極大地節省了采集終端軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間，在LabVIEW RT和LabVIEW FPGA模塊的配合下使得采集終端能夠實(shí)時(shí)高質(zhì)量地完成數據采集、信號處理、數據傳送和數據存儲的工作，為整個(gè)大橋結構安全監測系統提供靈活、強大的底層數據支持。
同時(shí)，惡劣的海洋環(huán)境及橋面路況影響，對NI CompactRIO系統的環(huán)境適應性也提出了很高的要求。事實(shí)證明，NI CompactRIO系統設計精巧而堅固，滿(mǎn)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。
在國內首次將LabVIEW和NI的分布式數據采集設備cRIO系列引入到橋梁結構安全監測和結構分析中去，結合先進(jìn)的數據處理和信號分析技術(shù)，為大跨徑特大型橋梁綜合監測系統有關(guān)數據采集傳輸預處理與控制的建立提供了一套完備而系統的方案，在橋梁健康監測的若干問(wèn)題研究中取得的一些創(chuàng )新性成果，對橋梁綜合監測系統的發(fā)展有著(zhù)重要的意義。
NI的分布式數據采集設備cRIO系列在廈門(mén)集美大橋結構安全監測系統中的實(shí)際應用是cRIO平臺在國內結構安全監測領(lǐng)域的首次成功案例，截至目前運行正常，工作穩定，得到業(yè)內的一致好評。事實(shí)證明，NI cRIO平臺是構建該采集終端的理想解決方案之一，對接下來(lái)的耗資700億港珠澳大橋系統實(shí)施具有很強的示范性和參考價(jià)值。