基于CompactRIO的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

一． 引言
隨著橋梁設(shè)計(jì)水平和施工技術(shù)的日見(jiàn)成熟，橋梁的建設(shè)取得了突破性的成就，一批大跨徑橋梁應(yīng)運(yùn)而生，橋梁建設(shè)正朝著規(guī)模的大型化、形式的輕柔化、功能的復(fù)雜化發(fā)展。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估以及壽命預(yù)測(cè)等問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前橋梁工程界必須解決的問(wèn)題。目前，隨著傳感測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)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(duì)特大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警研究和實(shí)踐成為可能。原本應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的先進(jìn)智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)，也在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，使得對(duì)大型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)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(shè)計(jì)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(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(dān)巨大的出入島交通流，因此，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的重要性就顯得格外突出。

系統(tǒng)整體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下：
1）荷載源監(jiān)測(cè)：主要為橋址區(qū)域環(huán)境荷載監(jiān)測(cè)：① 風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)；② 溫度、濕度監(jiān)測(cè)；③ 控制截面溫度梯度監(jiān)測(cè)；④ 交通荷載（與計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)共用）
2）結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)監(jiān)測(cè)
①主橋的空間位置變化監(jiān)測(cè)，主要為各跨跨中下?lián)媳O(jiān)測(cè)；②主、引橋控制截面靜應(yīng)力監(jiān)測(cè)；③主、引橋體外預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)；④主、引橋體內(nèi)預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)；④主、引橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力及振動(dòng)特性及其變化監(jiān)測(cè)

三． 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)安全預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
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(dòng)化傳感測(cè)試子系統(tǒng)，其包括以下幾大模塊：
① 傳感器子模塊
    通過(guò)傳感器將各類監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換為電（光）信號(hào)。
② 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊
    將監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并完成遠(yuǎn)程傳輸。
③ 數(shù)據(jù)處理與控制模塊
    將監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理以向其它子系統(tǒng)提供有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)需要控制監(jiān)測(cè)參數(shù)的采集。
以上3部分構(gòu)成自動(dòng)化傳感測(cè)試子系統(tǒng)。
2) 電子化人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)
3) 綜合安全評(píng)估子系統(tǒng)
4) 中心數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

接下來(lái)將重點(diǎn)介紹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、預(yù)處理與控制的子系統(tǒng)。
1. 自動(dòng)化傳感測(cè)試子系統(tǒng)各類信號(hào)采集、處理方案
整個(gè)系統(tǒng)共設(shè)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(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(fēng)速儀、振弦式應(yīng)力計(jì)、磁通量索力計(jì)信號(hào)和串口信號(hào)的采集。這些傳感器輸出信號(hào)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(duì)不同類型的傳感器，選用合適的采集設(shè)備和方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。
 

                                          圖2自動(dòng)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(jī)箱，選配多種功能的信號(hào)采集卡，完全工業(yè)級(jí)的設(shè)計(jì)。
? 采用的cRIO控制器NI9014為嵌入式控制器。
? 采用的cRIO機(jī)箱NI-9104為8槽嵌入式機(jī)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)，F(xiàn)PGA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(hào)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(duì)于單向和三向加速度計(jì)進(jìn)行電壓信號(hào)采集。
? NI-9401八通道高速數(shù)字I/O信號(hào)，100ns超高速數(shù)字輸入輸出，用于加速度同步。
? NI-9871標(biāo)準(zhǔn)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(hào)，接入NI-9871。
? NI-9871標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊卡，超聲波三向風(fēng)速儀直接輸出485信號(hào)，接入標(biāo)準(zhǔn)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(hào)分別為4-20mA電流，對(duì)于這類輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的傳感器接入NI-9203。
? 光纖光柵溫度傳感器與應(yīng)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(hào)。
本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(jī)，借助NI-9401 100ns超高速數(shù)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(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(shí)現(xiàn)的采集工作于LabVIEW-RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)環(huán)境下，在終端硬件的支持下主要完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。用戶一般不直接與其進(jìn)行交互，但其提供一系列的標(biāo)準(zhǔn)接口和命令與用戶所在的控制終端、監(jiān)測(cè)終端和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)終端進(jìn)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(wù)器通過(guò)向cRIO采集站發(fā)送網(wǎng)絡(luò)命令報(bào)文實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制功能：
1) 控制傳感器啟動(dòng)、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(shè)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(biāo)簽等信息；
4) 通過(guò)修改配置文件上傳至采集站實(shí)現(xiàn)采集任務(wù)、存儲(chǔ)任務(wù)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(guò)數(shù)據(jù)處理與控制模塊（子系統(tǒng)）對(duì)其進(jìn)行預(yù)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(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)及用戶界面4部分組成。系統(tǒng)關(guān)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(guān)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(yīng)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(hào)。將傳感器獲得的電信號(hào)向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)向測(cè)試物理量的轉(zhuǎn)換
傳感器電信號(hào)向測(cè)試物理量的轉(zhuǎn)換通常利用標(biāo)定證書(shū)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(cè)試物理量向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換
測(cè)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(jìn)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(duì)于靜態(tài)數(shù)據(jù)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(shù)將僅包含溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，這種過(guò)濾一般可以采用低通濾波的方式，實(shí)現(xiàn)的時(shí)候可以采用幅值域分析的方式。對(duì)于動(dòng)態(tài)參數(shù)則應(yīng)考慮所需要測(cè)試的頻率范圍進(jìn)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(chǔ)
a) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)引擎將指定的數(shù)據(jù)按照時(shí)間標(biāo)簽存入數(shù)據(jù)文件。
每個(gè)數(shù)據(jù)包中包含一個(gè)測(cè)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)采通道）一段時(shí)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(kāi)始時(shí)間（小時(shí)-分-秒）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式（數(shù)據(jù)觸發(fā)說(shuō)明）、采樣率、數(shù)據(jù)點(diǎn)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(diǎn)采樣數(shù)據(jù)。
b) 數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)策略根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式的不同而異，具體如下：
間斷存儲(chǔ)時(shí)，每個(gè)通道每段連續(xù)的信號(hào)數(shù)據(jù)保存為一個(gè)文件；觸發(fā)存儲(chǔ)時(shí)，被觸發(fā)的每個(gè)通道每段連續(xù)的信號(hào)數(shù)據(jù)保存為一個(gè)文件；人工連續(xù)存儲(chǔ)時(shí)，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(dòng)更換一個(gè)文件保存；根據(jù)硬盤空間的大小，自動(dòng)刪除部分（一周）以前的數(shù)據(jù)文件。

四． 軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)成果
1. 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
軟件系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：
1） 數(shù)據(jù)采集軟件（下位機(jī)FPGA部分）
作為基于LabVIEW的RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)的FPGA下位機(jī)程序，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)和控制任務(wù)，主要實(shí)現(xiàn)加速度、風(fēng)、溫度等信號(hào)的采樣與降采樣和振動(dòng)特征值計(jì)算、GPS對(duì)時(shí)、定時(shí)存儲(chǔ)、采集通道設(shè)定等功能。該部分程序燒寫在FPGA硬件模塊上，由FPGA硬件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)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(yùn)行。多個(gè)采集站采用統(tǒng)一軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)采集任務(wù)的模塊化和規(guī)范化，多機(jī)箱間的精確的同步采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)。。
2） 數(shù)據(jù)處理與控制軟件（上位機(jī)部分）
數(shù)據(jù)傳輸、處理與控制軟件是基于LabVIEW8.2平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，數(shù)據(jù)處理與控制工作站軟件平臺(tái)是基于LabVIEW8.2平臺(tái)下的狀態(tài)機(jī)機(jī)制，通過(guò)TCP協(xié)議實(shí)時(shí)接收下位機(jī)的原始數(shù)據(jù)與設(shè)備工作站的工作狀態(tài)，按照指定報(bào)文格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收解譯與命令的發(fā)送。同時(shí)，使用LabVIEW自帶的信號(hào)分析、數(shù)字濾波和統(tǒng)計(jì)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(guò)queue隊(duì)列形式完成各VI之間的數(shù)據(jù)交互，隊(duì)列的先進(jìn)先出機(jī)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(tái)采用可視性強(qiáng)、界面豐富的NI LabVIEW平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。電力監(jiān)測(cè)軟件為用戶提供一個(gè)可視化的監(jiān)測(cè)界面，讓用戶直觀、方便、快捷地了解現(xiàn)場(chǎng)傳感器、UPS、磁彈儀、采集器的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整和負(fù)荷的控制。用戶通過(guò)查詢歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，可以調(diào)出電力設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)曲線，并完成上位機(jī)對(duì)應(yīng)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(chǔ)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(shí)別模塊、數(shù)據(jù)下載與入庫(kù)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(shí)時(shí)展示與預(yù)警軟件界面
承臺(tái)地震動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)時(shí)顯示、預(yù)警軟件子模塊界面如圖8。除了上述各個(gè)預(yù)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(wù)器傳過(guò)來(lái)的1秒鐘數(shù)據(jù)包波形圖、安裝截面位置示意圖、預(yù)警燈和信息，以及當(dāng)前1秒鐘加速度時(shí)程曲線和自功率譜曲線圖。
 

                                                       圖8地震動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊

偏位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)時(shí)顯示、預(yù)警軟件子模塊界面如圖9。除了各個(gè)預(yù)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(wù)器傳過(guò)來(lái)的1秒鐘數(shù)據(jù)包波形圖、安裝截面位置示意圖、預(yù)警燈和信息，以及當(dāng)前縱橫橋向當(dāng)前的偏位情況實(shí)時(shí)顯示。
 

                                                圖9 偏位子模塊界面

4. 現(xiàn)場(chǎng)成果
安裝在現(xiàn)場(chǎng)的工作站一共有三個(gè)，主要完成就進(jìn)傳感器的數(shù)據(jù)收集、整理與傳輸。CRIO采集模塊首先對(duì)安裝在大橋上的各種類型傳感器的信號(hào)完成必要的預(yù)調(diào)理后按一定的采樣頻率進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D），同時(shí)在數(shù)據(jù)采集站計(jì)算機(jī)上保存，最后各種類型的傳感器的模擬或數(shù)字信號(hào)經(jīng)預(yù)處理、采集后從現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集站通過(guò)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(jì)算機(jī)上。具體安裝如圖10所示。

 
                     圖10 現(xiàn)場(chǎng)工作站實(shí)拍圖片

五． 結(jié)論
從技術(shù)角度去講，NI CompactRIO系統(tǒng)和LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)縫連接使用戶輕松的通過(guò)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境訪問(wèn)底層硬件，快速建立嵌入式系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，大大降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、 生產(chǎn)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。LabVIEW 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理功能極大地節(jié)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?qū)崟r(shí)高質(zhì)量地完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的工作，為整個(gè)大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供靈活、強(qiáng)大的底層數(shù)據(jù)支持。
同時(shí)，惡劣的海洋環(huán)境及橋面路況影響，對(duì)NI CompactRIO系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性也提出了很高的要求。事實(shí)證明，NI CompactRIO系統(tǒng)設(shè)計(jì)精巧而堅(jiān)固，滿足苛刻的工業(yè)級(jí)指標(biāo)，完全適用于對(duì)可靠性有嚴(yán)格要求的復(fù)雜惡劣海洋環(huán)境中應(yīng)用。
在國(guó)內(nèi)首次將LabVIEW和NI的分布式數(shù)據(jù)采集設(shè)備cRIO系列引入到橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)分析中去，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和信號(hào)分析技術(shù)，為大跨徑特大型橋梁綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有關(guān)數(shù)據(jù)采集傳輸預(yù)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(cè)的若干問(wèn)題研究中取得的一些創(chuàng)新性成果，對(duì)橋梁綜合監(jiān)測(cè)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(shè)備cRIO系列在廈門集美大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用是cRIO平臺(tái)在國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的首次成功案例，截至目前運(yùn)行正常，工作穩(wěn)定，得到業(yè)內(nèi)的一致好評(píng)。事實(shí)證明，NI cRIO平臺(tái)是構(gòu)建該采集終端的理想解決方案之一，對(duì)接下來(lái)的耗資700億港珠澳大橋系統(tǒng)實(shí)施具有很強(qiáng)的示范性和參考價(jià)值。