使用LabVIEW和PXI進行東海大橋結構健康監(jiān)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PXI機箱組成的系統(tǒng)，以獲取追蹤大橋結構完整性及當前狀況的重要數(shù)據(jù)。

借助于精確的GPS同步和時間標識、NI PXI動態(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堅固的、模塊化、可靠且低維護的高精度監(jiān)測系統(tǒng)。

- Yonglin Zhan, JUST ONE Technology

挑戰(zhàn):

在可能出現(xiàn)臺風、地震、海水腐蝕的環(huán)境中，對跨海大橋結構完整性和環(huán)境因素產生的影響進行同步實時監(jiān)測，需要一個高可靠、低維護的操作系統(tǒng)。

解決方案:

部署一個堅固耐用的PXI系統(tǒng)來監(jiān)測環(huán)境對大橋產生的影響，進行實時計算以確定大橋的即時結構健康狀況，并將數(shù)據(jù)儲存，進行離線處理。

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。六車道的大橋將上海與洋山島連在了一起，大橋全長32.5千米，并設計成S形以避開臺風和海浪區(qū)，以保證車輛安全行駛。

我們搭建了一個結構健康監(jiān)測(SHM)系統(tǒng)，它能夠提供大量的數(shù)據(jù)來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(shù)據(jù)可以對橋梁的設計和建造技術進行研究。上海巨一科技發(fā)展有限公司(JUST ONE Technology)使用基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)和NI LabVIEW軟件，被選中來搭建這個結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。

我們使用基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(qū)域中。事實證明，系統(tǒng)在安裝完畢后成功地克服了大橋所遇到的濕度、灰塵、震動和化學腐蝕等各種難題。使用LabVIEW，工程師能夠進行重要的實時分析，同時，能夠對大橋上大量的傳感器產生的信號進行離線處理。

硬件系統(tǒng)設置

對東海大橋實施監(jiān)控需要使用超過500個傳感器，在大橋每段都放置了加速度計和FBG光學傳感器，來采集環(huán)境激勵所引起的頻率響應。同時，大橋還配備了風速儀和壓式傳感器，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數(shù)據(jù)采集站，配備NI PXI-4472B動態(tài)信號采集卡(DSA)從周圍的加速度計采集相關數(shù)據(jù)。

另外，我們使用NI PXI-6652同步模塊和 NI PXI-6602計數(shù)器模塊，以及NI PXI-8187機箱控制器，來解決數(shù)據(jù)采集的同步問題。

在對東海大橋上的系統(tǒng)進行設置時，我們給每個PXI機箱都安裝了一個GPS，使用脈沖每秒(PPS)和IRIG-B定時信號分別進行信號同步和時間標識。PPS每秒傳輸一千萬脈沖，為每個機箱提供采樣基準時鐘。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現(xiàn)精確同步采樣。

軟件系統(tǒng)設置

從大海大橋系統(tǒng)獲取原始數(shù)據(jù)后，我們需要對其進行分析和處理，然后為用戶提供最終信息。我們將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測中心進行處理器密集離線處理，而PXI控制器則負責進行即時處理工作。

離線分析

東海大橋系統(tǒng)中主要進行的離線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離線區(qū)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(tǒng)辨識工具包共同處理數(shù)據(jù)。

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可操作的模態(tài)分析方式。通過這種方式，自然環(huán)境和車輛行駛對大橋所產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(shù)進行計算，這種方法使用了只輸出系統(tǒng)識別技術，將在LabVIEW高級信號處理工具包中實現(xiàn)。

在線分析

為了能夠監(jiān)測大橋的實時結構健康狀態(tài)，在加速度計采集到數(shù)據(jù)后，東海大橋系統(tǒng)能夠實時地計算出共振頻率。因為我們在采集數(shù)據(jù)的同時，需要實時并行地對數(shù)據(jù)進行處理，所以共振頻率的計算必須快速高效。SSI算法能夠完美地進行這些運算，但需要進行太多的實時運算。為了克服這個困難，我們使用了遞歸隨機子空間識別(RSSI)算法。當數(shù)據(jù)被采集后，數(shù)據(jù)的值將被導入算法，以計算新的共振頻率。只需經過一個初始化階段，RSSI算法就能以極快的速度運行，計算實時頻率值。

總結

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

借助于精確的GPS同步和時間標識、NI PXI動態(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堅固的、模塊化、可靠且低維護的高精度監(jiān)測系統(tǒng)。

更多資源：

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

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