基于LabVIEW的橋梁運行狀態(tài)長(cháng)期

基于LabVIEW的橋梁運行狀態(tài)長(cháng)期

論述鐵路橋梁運行狀態(tài)長(cháng)期監測系統的設計方法，
介紹它的硬件組成、軟件結構以及系統功能，本系統利用網(wǎng)絡(luò )傳感器、以太網(wǎng)技術(shù)和虛擬儀

器技術(shù)，在LabVIEW平臺上實(shí)現了現場(chǎng)數據的網(wǎng)絡(luò )化遠程傳輸、監控和數據查詢(xún)。
　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò )傳感器；遠程監控；LabVIEW；虛擬儀器?

Design of Long?term Bridge Monitoring System Based on LabVIEW

YANG Yan1, MA Zengqiang1, SHI Yancong2

(1.Department of Computer, Shijiazhuang Railway Institute,
Shijiazhua

ng 050043, China;
2.Department of Electrical Engineering, Shijiazhuang Railway Institute,
Shijiazh

uang 050043, China)

　　Abstract: The paper demonstrates the design method of long?term

bridge monitoring system. Not only the structure of its hardware and software b

ut also its functions are presented. With the application of technology of netwo

rked sensor、 Ethernet and virtual instrument, the networked transmission, monit

oring and querying of data information are realized by the developing platform o

f LabVIEW.
　　Keywords: networked sensor; remote monitoring; LabVIEW; VI

1硬件系統組成
　　監測系統框圖如圖1所示，該系統的監測內容主要包括：上行線(xiàn)列車(chē)運行特征，上、

下行線(xiàn)過(guò)車(chē)時(shí)上、下行線(xiàn)各孔跨中的橫向振動(dòng)；上行線(xiàn)重點(diǎn)監測孔跨中的豎向、橫向振動(dòng)，

豎向撓度、相關(guān)橋墩的橫向振動(dòng)、環(huán)境溫度、鋼軌溫度、雨水情況等。各被測量經(jīng)過(guò)相應的

傳感器就近接入各個(gè)數據采集站，各采集站的數據經(jīng)本地交換機送入局域網(wǎng)傳送至遠程監控

中心。
　　在本系統中，以Rabbit 3000微處理器為核心的各數據采集站是傳感器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò )通信

技術(shù)相結合的結果，我們稱(chēng)之為網(wǎng)絡(luò )化傳感器，其結構圖如圖2所示。

　　網(wǎng)絡(luò )傳感器的關(guān)鍵部分采用美國Z?World公司的核心模塊RCM3200，該模塊使用新一代嵌

入式系統CPU——Rabbit 3000，它是8位高性能微處理器，其程序存儲器中固化有當前流行

的Internet協(xié)議棧，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP等，而且集成有10/100Base

T以太網(wǎng)接口，這樣網(wǎng)絡(luò )傳感器在進(jìn)行數據采集或完成I/O控制任務(wù)的同時(shí)，可以完成Inte

rnet協(xié)議處理，實(shí)現與上位機之間信息的實(shí)時(shí)發(fā)布與共享。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )傳感器有

自己的IP地址和端口號，在整個(gè)監測系統中，可以安裝多個(gè)網(wǎng)絡(luò )傳感器，用交換機相連，組

成以太網(wǎng)。
　　網(wǎng)絡(luò )傳感器實(shí)現了橋梁健康狀態(tài)監測系統的完全數字化和網(wǎng)絡(luò )化，使得測控網(wǎng)與信息網(wǎng)融為

一體，而且還可以做到“即插即用”，非常方便于系統的擴充和維護。?

　　在遠程監控中心，有一個(gè)服務(wù)器，兩臺微機，其中一臺用于遠程現場(chǎng)數據的實(shí)時(shí)顯示，另一

臺用于數據查詢(xún)。在這里可以實(shí)時(shí)顯示列車(chē)通過(guò)橋頭和橋中時(shí)的時(shí)間、車(chē)速、軸數、軸距(

根據這

些參數再結合橋梁跨中撓度及軸重監測的結果，可大致推斷出列車(chē)的編組情況、

車(chē)輛

類(lèi)型、載貨情況(是否空車(chē)或空、重混編))、實(shí)時(shí)顯示各采集量(如各孔橋梁豎向、橫向振動(dòng)

位移，主梁跨中橫向、豎向加速度、撓度，相關(guān)橋墩的橫向振動(dòng)位移，重點(diǎn)實(shí)驗主梁下緣應

力等)的時(shí)程曲線(xiàn)、最大值、超限報警等，列車(chē)通過(guò)后，所有數據入數據庫保存。通過(guò)數據

查詢(xún)系統可對庫存數據進(jìn)行分析、對比、處理等工作，用戶(hù)還可查詢(xún)每次列車(chē)過(guò)橋時(shí)各種被

測量的歷史數據、曲線(xiàn)及其特征值。

2系統功能實(shí)現
　　在LabVIEW平臺上建立遠程監控系統，LabVIEW運用內嵌的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議組通訊，通過(guò)

TCP/IP結點(diǎn)使用服務(wù)器/客戶(hù)機模式實(shí)現局域網(wǎng)通信。
　　下面主要介紹遠程監控中心數據實(shí)時(shí)采集控制、顯示、分析功能的實(shí)現方法：首先，系統啟

動(dòng)橋頭測速的TCP連接，監測是否有列車(chē)到達信號，如果有車(chē)到達則繼續接收測速站的數據

，直到列車(chē)軸數大于等于4之后(目的是剔除虛警，因車(chē)頭軸數≥4)，啟動(dòng)第一組的TCP連接(

若連接次數大于指定次數后，仍不能正確連接，則認為本組網(wǎng)絡(luò )連接故障，退出本組數采，

啟動(dòng)第二組TCP連接)，測速監測循環(huán)繼續接收測速站發(fā)來(lái)的數據，直至列車(chē)通過(guò)橋頭后，斷

開(kāi)與測速站的TCP連接。每組數采循環(huán)采用兩個(gè)TCP Read節點(diǎn)，第一個(gè)節點(diǎn)讀出數據包長(cháng)，

第二個(gè)節點(diǎn)根據包長(cháng)將數據全部讀出，然后將數據按通道拆分后，將每通道上傳的傳感器測

得的電壓數據轉換為相應的物理單位后送實(shí)時(shí)數據顯示、極值統計并顯示、檢查是否超限，若超限則聲光報警等。并對本組指定通道的振幅數據實(shí)時(shí)監測是否大于啟動(dòng)下組的啟動(dòng)

閾值，若是則啟動(dòng)下組的TCP連接，開(kāi)始下組的數采。這種前后組的振幅啟動(dòng)控制對貨車(chē)比

較適合，因為貨車(chē)的振動(dòng)幅值較大；但由于車(chē)頭和客車(chē)的振動(dòng)幅值較小，采用振幅啟動(dòng)方法

只能降低振幅啟動(dòng)閾值，這樣勢必引起下組數據數采的提前TCP連接和采集，導致入庫數

據量增加，所以針對這種情況，增加了另一種數采控制方法，即速度啟動(dòng)：根據橋頭測速站

測到的列車(chē)速度和每組距橋頭的距離推算列車(chē)到達每組的時(shí)間，當啟動(dòng)下組時(shí)間到或本組振

幅大于啟動(dòng)下組的啟動(dòng)閾值時(shí)都可啟動(dòng)下一組的TCP連接，繼而開(kāi)始下一組的數采。
　　由于大橋長(cháng)達3公里以上，所以列車(chē)在橋上行駛時(shí)存在加速和減速情況，僅用列車(chē)經(jīng)過(guò)橋頭

時(shí)的速度推算列車(chē)到各測站的時(shí)間是不夠準確的，故在橋中增加了一個(gè)測速站，列車(chē)到達橋

中時(shí)啟動(dòng)第五組的TCP連接和數采，由橋中列車(chē)速度和各測站與橋中的距離推算列車(chē)到達后

面幾組測站(6-9組)的時(shí)間和每組指定通道的振幅來(lái)啟動(dòng)下面一組的TCP連接和數采工作。
　　采集結束控制：在每組的數據采集過(guò)程中，監視指定通道(即指定孔)的振幅，若振幅小于本

組的關(guān)閉閾值則延時(shí)若干時(shí)間后，關(guān)閉本組的數據采集；為加強采集控制的可靠性(由于傳

感器失靈可能導致列車(chē)通過(guò)該測點(diǎn)后振動(dòng)幅度仍可能不減小、上下行會(huì )車(chē)等原因造成的振幅

不減小情況，如果僅靠振幅控制結束采集勢必造成采集時(shí)間過(guò)長(cháng)，無(wú)用數據過(guò)多，增加數據存

儲的壓力)，針對測速站測得的每趟車(chē)的軸數不同(貨車(chē)100根軸以上，一般情況下車(chē)頭和客

車(chē)的軸數少于100)，每組采集時(shí)間分為兩擋：貨車(chē)3分鐘，車(chē)頭和客車(chē)1.5分鐘，從啟

動(dòng)本組數采開(kāi)始計時(shí)，采集時(shí)間到也可關(guān)閉本組數據采集，斷開(kāi)本組TCP連接。和每組的

啟動(dòng)條件類(lèi)似，振幅關(guān)閉和時(shí)間關(guān)閉采用或邏輯，哪個(gè)條件先到達則那個(gè)條件起關(guān)閉本組數

采的作用。
　　正常情況下，隨著(zhù)列車(chē)依次到達各測站，各站的TCP連接和采集工作依次啟動(dòng)，并隨著(zhù)列車(chē)

的通過(guò)而依次關(guān)閉數采和TCP連接，系統重新開(kāi)始下一趟列車(chē)的監測過(guò)程。
　　由于本遠程監測系統分布范圍較大，監測點(diǎn)多，所用網(wǎng)絡(luò )組件較多，任何部分出現故障都可

能造成數采流程的不能正常結束，為此，在系統中增加了系統總清控制，即在橋頭測速站測

到列車(chē)到達后，啟動(dòng)系統總定時(shí)，當定時(shí)時(shí)間到達10分鐘后，監控程序發(fā)出總清命令，結束

各測站的數據采集，斷開(kāi)所有測站的TCP連接，系統重新進(jìn)入初始監測狀態(tài)(一般來(lái)講，列車(chē)

過(guò)橋

時(shí)間不會(huì )超過(guò)10分鐘)。系統基本工作流程圖見(jiàn)圖3。

　　圖4為測速流程的框圖程序，圖5是從數據查詢(xún)系統調出的某次列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，部分橋梁橫向振

動(dòng)波形。
　　由于在網(wǎng)絡(luò )傳感器中的Rabbit 3000使用了看門(mén)狗技術(shù)，遠程測控軟件也采用了軟件濾波等

多項抗干擾技術(shù)及自復位措施，使得系統運行具有很強的健壯性和可靠性。?

3結束語(yǔ)
　　本系統現已經(jīng)在黃河大橋上運行將近半年，該系統的成功運行為橋工處的橋梁狀態(tài)

實(shí)時(shí)遠程監測、橋梁維護、故障預警、橋梁運行數據查詢(xún)等管理工作提供了科學(xué)依據，

庫存數據為橋梁學(xué)家研究橋梁振動(dòng)理論提供了豐富的數據。本系統可應用于各種大型鐵路橋

梁、公路橋梁、水庫大壩等的運行狀態(tài)和健康狀態(tài)的遠程監測。