为基于-CompactRIO的大型桥梁结构安全监测系统研究.doc

作者：周  兵    孙小飞    中交公路规划设计院有限公司    
应用领域：远程结构监测、分布式数据采集、数字化桥梁

挑战：大跨径特大型桥梁是一个分布式、非线性、强耦合、多变量和时变性复杂的系统，对其结构参数的验证与分析是一项庞大的工程。国内首次将 CompactRIO 分布式采集系统成功应用到大跨径特大型桥梁的结构监测中去，通过先进的自动化测试技术，对大桥的静/动态响应、动态交通荷载、环境荷载等信号进行实时、精确同步的测量和分析，为实时监测结构损伤及内力状态，有效的掌控运营期桥梁的结构使用状态及其发展演化趋势，并为制定相应的大桥管理对策提供技术支持建立桥梁全寿命期的数字化信息化“档案”提供了科学依据。

应用方案：基于 CompactRIO的可重配置平台和丰富的信号采集模块，利用 NI LabVIEW FPGA开发一套适用于整个大桥结构监测的分布式信号采集系统。同时，结合 NI LabVIEW 提供的大量经典的信号处理函数和现代的高级信号分析工具，迅速、准确的完成结构参数的在线分析和二次处理，为大跨径特大型桥梁综合监测系统有关数据采集传输预处理与控制的建立提供了一套完备而系统的方案。

使用的产品：
LabVIEW 8.2 软件开发平台
LabVIEW RT 8.2实时模块
LabVIEW FPGA 8.2工具包
LabVIEW Internet Toolkit 6.0工具包
LabVIEW.Database.Connectivity.Toolkit.v1.0.2 工具包
Measurement Studio 6.0类库和控件库
CompactRIO-9104可重新配置嵌入式机箱
CompactRIO-9014嵌入式控制器
CompactRIO-9401高速同步计时卡
CompactRIO-9215高速电压信号采集模块
CompactRIO-9871标准串口转换模块
CompactRIO-9203模拟电流采集模块
正文： 
一．  引言
    随着桥梁设计水平和施工技术的日见成熟，桥梁的建设取得了突破性的成就，一批大跨径桥梁应运而生，桥梁建设正朝着规模的大型化、形式的轻柔化、功能的复杂化发展。同时，桥梁结构的安全性与耐久性越来越受到人们的高度重视，有关大型桥梁的结构健康监测、安全评估以及寿命预测等问题已经成为当前桥梁工程界必须解决的问题。目前，随着传感测试技术、计算机信息处理技术、结构分析技术和桥梁工程技术等相关学科的进一步发展，针对特大型桥梁结构的安全监测与安全预警研究和实践成为可能。原本应用于军事领域的先进智能材料与结构技术，也在桥梁结构健康监测领域得到应用，使得对大型桥梁结构进行健康监测的技术总体上正朝着智能化和系统化的方向发展。

二．集美大桥的系统背景与设计原则
    厦门集美大桥及接线工程是厦门市城市道路交通网络布局中本岛与大陆腹地跨海通道的重要组成部分，也是厦门市出岛交通路网规划中重要的跨海通道之一。大桥建成后将承担巨大的出入岛交通流，因此，结构安全监测的重要性就显得格外突出。

系统整体监测项目如下：
1）荷载源监测：主要为桥址区域环境荷载监测：① 风荷载监测；② 温度、湿度监测；③ 控制截面
温度梯度监测；④ 交通荷载（与计重收费系统共用）
2）结构动、静态响应监测
①主桥的空间位置变化监测，主要为各跨跨中下挠监测；②主、引桥控制截面静应力监测；③主、引桥体外预应力监测；④主、引桥体内预应力监测；④主、引桥结构动力及振动特性及其变化监测

三．  桥梁结构监测安全预警系统的总体设计
    根据系统的功能要求本系统包括以下子系统： 
    1)  自动化传感测试子系统，其包括以下几大模块： 
    ① 传感器子模块
    通过传感器将各类监测转换为电（光）信号。 
    ② 数据采集与传输模块
    将监测信号转换为数字信号并完成远程传输。 
    ③ 数据处理与控制模块
    将监测信号进行预处理以向其它子系统提供有效的监测数据，根据需要控制监测参数的采集。
以上 3部分构成自动化传感测试子系统。
2)  电子化人工巡检养护管理子系统
3)  综合安全评估子系统
4)  中心数据库子系统
5)  用户界面子系统
其结构示意图如图 1所示：

图 1 桥梁结构安全监测系统结构示意图 
    接下来将重点介绍监测系统的数据采集、传输、预处理与控制的子系统。
    1.  自动化传感测试子系统各类信号采集、处理方案
    整个系统共设置 3个cRIO采集站。采集站在左右两幅桥各布置一个，BRT桥布置一个。
    实现的采集工作包括加速度同步采集压力变送器、温湿度仪、风速仪、振弦式应力计、磁通量索力计信号和串口信号的采集。这些传感器输出信号种类多种多样，大大增加了采集系统构筑的难度。系统针对不同类型的传感器，选用合适的采集设备和方案。系统结构组成如图 2所示。

图 2 自动化传感子系统结构示意图
    cRIO 可编程工业 I/O 系统具有嵌入式控制器和机箱，选配多种功能的信号采集卡，完全工业级的设计。
    *采用的 cRIO控制器 NI9014为嵌入式控制器。 
    *采用的 cRIO机箱 NI-9104 为 8 槽嵌入式机箱，具有-40-70° C 的操作温度范围，3 百万可重新配置 I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的处理能力，使用 LabVIEW 自动生成自定义控制和信号处理电路。 
    *采用 cRIO的4通道高速同步数据采集卡 NI-9215对于单向和三向加速度计进行电压信号采集。 
    *NI-9401八通道高速数字 I/O信号，100ns超高速数字输入输出，用于加速度同步。 
    *NI-9871标准 RS485通讯卡，磁通量传感器采用磁弹仪进行采集，其输出为 485信号，接入 NI-9871。 
    *NI-9871 标准 RS485 通讯卡，超声波三向风速仪直接输出 485 信号，接入标准 RS485 通讯卡NI-9871。 
    *NI-9203 采用 8 通道模拟电流采集模块，压力变送器和温湿度仪输出信号分别为 4-20mA 电流，对于这类输出为标准电流信号的传感器接入 NI-9203。 
    *光纤光栅温度传感器与应变传感器采用光纤光栅传感网络分析仪进行采集，其输出为以太网信号。 
    本系统的监测项目梁体振动加速度需要较好的同步性和实时性，我们采用 GPS 精确授时技术、在每个采集站安装 GPS 时钟接收机，借助 NI-9401  100ns 超高速数字同步卡，通过软件方法和采集策略的配置保证加速度数据采集的同步性。
2.  数据采集传输与控制
    采集站实现的采集工作于 LabVIEW-RT 实时系统环境下，在终端硬件的支持下主要完成对信号数据的采集和传输。用户一般不直接与其进行交互，但其提供一系列的标准接口和命令与用户所在的控制终端监测终端和数据存储终端进行交互。采集站状态与控制如图 3所示。
    数据处理与控制系统服务器通过向 cRIO采集站发送网络命令报文实现数据采集和控制功能： 
    1)  控制传感器启动、停止数据采集； 
    2)  查询传感器和采集单元、调理器、其它采集设备的工作状态； 
    3)  查看、修改采集单元和调理器的参数，标签等信息； 
    4)  通过修改配置文件上传至采集站实现采集任务、存储任务的配置和更改。 
图 3 数据采集站状态与控制界面 
3.  数据处理与控制模块 
    采集系统收集到的数据必须经过数据处理与控制模块（子系统）对其进行预处理方能够提交给后续子系统使用。本子系统由数据采集控制模块，数据分类、抽取模块，监测数据库及用户界面 4 部分组成。系统关系结构如图 4所示。

图 4 数据采集、处理与控制子系统关系结构图
    1)  反映结构状态的特征参数确定及其提取方案
    结构状态特征参数是指能够反映结构特征的物理量，比如：挠度，应力，索力等；而传感器－采集系统所获得是传感器的读数，这些读数一般反映的是电信号。将传感器获得的电信号向结构特征参数转换是极其重要的过程。具体流程如图 5所示。 
    a)  传感器电信号向测试物理量的转换
    传感器电信号向测试物理量的转换通常利用标定证书提供的曲线或参数可以完成传感器读数向物理量的转换。 
    b)  测试物理量向结构特征参数的转换
    测试物理量向结构特征参数的转换需要其它传感器的配合，需要进行数据的分析处理。 
    c)  各种参数有效数据的抽取 
    d)  数字滤波
    对于静态数据需要进行活载及风振的过滤，经过过滤后的静态参数将仅包含温度对结构的影响，这种过滤一般可以采用低通滤波的方式，实现的时候可以采用幅值域分析的方式。对于动态参数则应考虑所需要测试的频率范围进行带通滤波。

    图5 数据处理与控制软件流程图
    2)  数据存储 
    a)  数据存储引擎将指定的数据按照时间标签存入数据文件。 
    每个数据包中包含一个测点（对应一个数据采通道）一段时间（定为 1 秒）连续采集数据的内容。数据文件的文件名包括以下信息：采样数据开始时间（小时-分-秒）、数据存储模式（数据触发说明）、采样率、数据点数、数据最大值、最小值、均值、方差。文件内容包括各点采样数据。 
    b)  数据文件的存储策略根据数据存储模式的不同而异，具体如下： 
    间断存储时，每个通道每段连续的信号数据保存为一个文件；触发存储时，被触发的每个通道每段连续的信号数据保存为一个文件；人工连续存储时，如果某通道要保存的连续数据很大，根据数据文件的大小，可以每 10 分钟自动更换一个文件保存；根据硬盘空间的大小，自动删除部分（一周）以前的数据文件。

四．  软件实现与现场成果 
    1.  系统软件结构 
    软件系统主要分为两个部分：  
    1） 数据采集软件（下位机 FPGA部分） 
    作为基于 LabVIEW 的 RT 实时系统的 FPGA 下位机程序，能够实时进行大量数据的采集与存储和控制任务，主要实现加速度、风、温度等信号的采样与降采样和振动特征值计算、GPS 对时、定时存储、采集通道设定等功能。该部分程序烧写在 FPGA 硬件模块上，由 FPGA 硬件进行实现，经过一系列的转换，最终被编译为比特流文件，并下载到 FPGA 模块上运行。多个采集站采用统一软件架构，实现采集任务的模块化和规范化，多机箱间的精确的同步采集，同时实现数据的本地存储。。 
    2） 数据处理与控制软件（上位机部分） 
    数据传输、处理与控制软件是基于 LabVIEW8.2平台开发的，数据处理与控制工作站软件平台是基于LabVIEW8.2 平台下的状态机机制，通过 TCP 协议实时接收下位机的原始数据与设备工作站的工作状态，按照指定报文格式进行数据的接收解译与命令的发送。同时，使用 LabVIEW 自带的信号分析、数字滤波和统计分析等子 VI，完成结构状态的特征参数提取工作。数据首先采用自定义结构体包装，通过 queue队列形式完成各 VI之间的数据交互，队列的先进先出机制有效的解决的数据完整性和稳定性。 
    3)  电力监控部分软件 
    软件平台采用可视性强、界面丰富的 NI LabVIEW 平台和数据分析技术，采用标准的数据接口。电力监测软件为用户提供一个可视化的监测界面，让用户直观、方便、快捷地了解现场传感器、UPS、磁弹仪、采集器的运行状态，并根据数据分析的结果进行运行状态的调整和负荷的控制。用户通过查询历史数据库，可以调出电力设备的历史运行状态曲线，并完成上位机对应的数据管理功能。界面如图 6所示。

图 6 采集站电力监控界面
    2.  数据处理与控制软件界面
    数据传输、处理与控制软件主要包括 10 大功能模块：登录模块、采集站配置模块、存储任务管理模块、采集任务管理模块、传感器状态模块、网络状态识别模块、数据下载与入库模块、电力监控模块、用户管理模块、系统帮助模块。界面如图 7所示。
    3.  数据实时展示与预警软件界面
    承台地震动监测项目实时显示、预警软件子模块界面如图 8。除了上述各个预警软件子模块共有的操作按钮和显示控件外，该模块还有从数据处理与控制服务器传过来的 1 秒钟数据包波形图、安装截面位置示意图、预警灯和信息，以及当前 1秒钟加速度时程曲线和自功率谱曲线图。

图 8 地震动监测模块
    偏位监测项目实时显示、预警软件子模块界面如图 9。除了各个预警软件子模块共有的操作按钮和显示控件外，该模块还有从数据处理与控制服务器传过来的 1 秒钟数据包波形图、安装截面位置示意图、预警灯和信息，以及当前纵横桥向当前的偏位情况实时显示。

图 9 偏位子模块界面 
    4.  现场成果
    安装在现场的工作站一共有三个，主要完成就进传感器的数据收集、整理与传输。CRIO 采集模块首先对安装在大桥上的各种类型传感器的信号完成必要的预调理后按一定的采样频率进行模数转换（A/D），同时在数据采集站计算机上保存，最后各种类型的传感器的模拟或数字信号经预处理、采集后从现场的数据采集站通过工业以太网有线传送至位于管理监控中心的数据处理与控制计算机上。具体安装如图 10 所示。  

图10 现场工作站实拍图片
五．  结论
    从技术角度去讲，NI CompactRIO系统和 LabVIEW 开发环境无缝连接使用户轻松的通过图形化开发环境访问底层硬件，快速建立嵌入式系统控制和数据采集应用，大大降低了系统开发、 生产的技术风险。LabVIEW 强大的数据采集和信号处理功能极大地节省了采集终端软件的开发时间，在 LabVIEW RT 和LabVIEW FPGA 模块的配合下使得采集终端能够实时高质量地完成数据采集、信号处理、数据传送和数据存储的工作，为整个大桥结构安全监测系统提供灵活、强大的底层数据支持。
    同时，恶劣的海洋环境及桥面路况影响，对 NI CompactRIO 系统的环境适应性也提出了很高的要求。事实证明，NI CompactRIO 系统设计精巧而坚固，满足苛刻的工业级指标，完全适用于对可靠性有严格要求的复杂恶劣海洋环境中应用。
    在国内首次将 LabVIEW 和 NI的分布式数据采集设备 cRIO系列引入到桥梁结构安全监测和结构分析中去，结合先进的数据处理和信号分析技术，为大跨径特大型桥梁综合监测系统有关数据采集传输预处理与控制的建立提供了一套完备而系统的方案，在桥梁健康监测的若干问题研究中取得的一些创新性成果，对桥梁综合监测系统的发展有着重要的意义。
    NI 的分布式数据采集设备 cRIO 系列在厦门集美大桥结构安全监测系统中的实际应用是 cRIO 平台在国内结构安全监测领域的首次成功案例，截至目前运行正常，工作稳定，得到业内的一致好评。事实证明，NI cRIO平台是构建该采集终端的理想解决方案之一，对接下来的耗资 700亿港珠澳大桥系统实施具有很强的示范性和参考价值。