使用LabVIEW和PXI進(jìn)行東海大橋結構健康監測

東海大橋是中國第一座跨海大橋，我們在上面使用了多個(gè)PXI機箱組成的系統，以獲取追蹤大橋結構完整性及當前狀況的重要數據。

借助于精確的GPS同步和時(shí)間標識、NI PXI動(dòng)態(tài)信號采集硬件設備和LabVIEW軟件，我們的團隊成功地為東海大橋搭建了一個(gè)堅固的、模塊化、可靠且低維護的高精度監測系統。

- Yonglin Zhan, JUST ONE Technology

挑戰:

在可能出現臺風(fēng)、地震、海水腐蝕的環(huán)境中，對跨海大橋結構完整性和環(huán)境因素產(chǎn)生的影響進(jìn)行同步實(shí)時(shí)監測，需要一個(gè)高可靠、低維護的操作系統。

解決方案:

部署一個(gè)堅固耐用的PXI系統來(lái)監測環(huán)境對大橋產(chǎn)生的影響，進(jìn)行實(shí)時(shí)計算以確定大橋的即時(shí)結構健康狀況，并將數據儲存，進(jìn)行離線(xiàn)處理。

東海大橋作為中國首座跨海大橋，耗資12億美元，于2005年完成通車(chē)。六車(chē)道的大橋將上海與洋山島連在了一起，大橋全長(cháng)32.5千米，并設計成S形以避開(kāi)臺風(fēng)和海浪區，以保證車(chē)輛安全行駛。

我們搭建了一個(gè)結構健康監測(SHM)系統，它能夠提供大量的數據來(lái)評估大橋損壞和退化程度、結構性能狀況、對于突發(fā)性災難的反應。利用這些數據可以對橋梁的設計和建造技術(shù)進(jìn)行研究。上海巨一科技發(fā)展有限公司(JUST ONE Technology)使用基于NI PXI的數據采集(DAQ)系統和NI LabVIEW軟件，被選中來(lái)搭建這個(gè)結構健康監測系統。

我們使用基于NI PXI的數據采集系統，源于其良好的堅固性和小巧的體積，適用于放置在大橋的保護區域中。事實(shí)證明，系統在安裝完畢后成功地克服了大橋所遇到的濕度、灰塵、震動(dòng)和化學(xué)腐蝕等各種難題。使用LabVIEW，工程師能夠進(jìn)行重要的實(shí)時(shí)分析，同時(shí)，能夠對大橋上大量的傳感器產(chǎn)生的信號進(jìn)行離線(xiàn)處理。

硬件系統設置

對東海大橋實(shí)施監控需要使用超過(guò)500個(gè)傳感器，在大橋每段都放置了加速度計和FBG光學(xué)傳感器，來(lái)采集環(huán)境激勵所引起的頻率響應。同時(shí)，大橋還配備了風(fēng)速儀和壓式傳感器，以記錄頻率響應所對應的環(huán)境條件。大橋每一段還設有一個(gè)數據采集站，配備N(xiāo)I PXI-4472B動(dòng)態(tài)信號采集卡(DSA)從周?chē)募铀俣扔嫴杉嚓P(guān)數據。

另外，我們使用NI PXI-6652同步模塊和 NI PXI-6602計數器模塊，以及NI PXI-8187機箱控制器，來(lái)解決數據采集的同步問(wèn)題。

在對東海大橋上的系統進(jìn)行設置時(shí)，我們給每個(gè)PXI機箱都安裝了一個(gè)GPS，使用脈沖每秒(PPS)和IRIG-B定時(shí)信號分別進(jìn)行信號同步和時(shí)間標識。PPS每秒傳輸一千萬(wàn)脈沖，為每個(gè)機箱提供采樣基準時(shí)鐘。這使得采集模塊可以在100納秒的分辨率下對大橋上所有設備的通道實(shí)現精確同步采樣。

軟件系統設置

從大海大橋系統獲取原始數據后，我們需要對其進(jìn)行分析和處理，然后為用戶(hù)提供最終信息。我們將數據傳輸到中央監測中心進(jìn)行處理器密集離線(xiàn)處理，而PXI控制器則負責進(jìn)行即時(shí)處理工作。

離線(xiàn)分析

東海大橋系統中主要進(jìn)行的離線(xiàn)分析是多通道信號頻譜分析和模態(tài)分析。我們把這兩種計算都放在一個(gè)離線(xiàn)區域，這里有許多功能強大的電腦運行LabVIEW，由LabVIEW高級信號處理工具包和LabVIEW系統辨識工具包共同處理數據。

因為普通的結構模態(tài)分析應用及測量響應的方式對于像東海大橋這樣大型的分布式結構是不適用的，所以我們采用了另一個(gè)可操作的模態(tài)分析方式。通過(guò)這種方式，自然環(huán)境和車(chē)輛行駛對大橋所產(chǎn)生的影響力將作為激勵信號，大橋傳感器所采集的信號將作為響應信號，然后，使用隨機子空間識別(SSI)算法對模態(tài)參數進(jìn)行計算，這種方法使用了只輸出系統識別技術(shù)，將在LabVIEW高級信號處理工具包中實(shí)現。

在線(xiàn)分析

為了能夠監測大橋的實(shí)時(shí)結構健康狀態(tài)，在加速度計采集到數據后，東海大橋系統能夠實(shí)時(shí)地計算出共振頻率。因為我們在采集數據的同時(shí)，需要實(shí)時(shí)并行地對數據進(jìn)行處理，所以共振頻率的計算必須快速高效。SSI算法能夠完美地進(jìn)行這些運算，但需要進(jìn)行太多的實(shí)時(shí)運算。為了克服這個(gè)困難，我們使用了遞歸隨機子空間識別(RSSI)算法。當數據被采集后，數據的值將被導入算法，以計算新的共振頻率。只需經(jīng)過(guò)一個(gè)初始化階段，RSSI算法就能以極快的速度運行，計算實(shí)時(shí)頻率值。

總結

使用NI PXI設備構建的數據采集和處理系統，為東海大橋——世界上最大型的大橋之一，提供完美的監測解決方案。兩位從未使用過(guò)LabVIEW的工程師，使用LabVIEW軟件，結合LabVIEW高級信號處理和LabVIEW系統識別工具包，只用了三個(gè)月的時(shí)間就開(kāi)發(fā)了整套東海大橋監測系統。得益于系統的易用性和NI一流的服務(wù)支持，只需三位工程師便可完成整座大橋的監測工作，由此將維護成本控制在最低。

借助于精確的GPS同步和時(shí)間標識、NI PXI動(dòng)態(tài)信號采集硬件設備和LabVIEW軟件，我們的團隊成功地為東海大橋搭建了一個(gè)堅固的、模塊化、可靠且低維護的高精度監測系統。

更多資源：

NI LabVIEW 2012全新模板與范例 http://www.21ic.com/ni/labview2012.htm

LabVIEW資深用戶(hù)編程技巧總匯 http://dl.21ic.com/ebook-107267.html