Author(s):
Bing Zhou - CCCC Highway Consultants CO., Ltd.,
Xiaofei Sun - CCCC Highway Consultants CO., Ltd.,
Industry:
Construction
Products:
cRIO-9104, NI 9215, Measurement Studio Advanced Analysis Library, LabVIEW Real-Time Module, cRIO-9014, NI 9401, Measurement Studio PID Control Toolset, LabVIEW, Internet Toolkit, FPGA Module, NI 9871, Database Connectivity Toolkit, NI 9203
The Challenge:
大跨徑特大型橋梁是一個分布式、非線性、強耦合、多變量和時變性復(fù)雜的系統(tǒng)，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)的驗證與分析是一項龐大的工程。
The Solution:
基于CompactRIO的可重配置平臺和豐富的信號采集模塊，利用NI LabVIEW FPGA開發(fā)一套適用于整個大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測的分布式信號采集系統(tǒng)。同時，結(jié)合NI LabVIEW提供的大量經(jīng)典的信號處理函數(shù)和現(xiàn)代的高級信號分析工具，迅速、準(zhǔn)確的完成結(jié)構(gòu)參數(shù)的在線分析和二次處理，為大跨徑特大型橋梁綜合監(jiān)測系統(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。
"我們在國內(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)處理和信號分析技術(shù)，為大跨徑特大型橋梁綜合監(jiān)測系統(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)測的若干問題研究中取得的一些創(chuàng)新性成果，對橋梁綜合監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的意義。"
隨著橋梁設(shè)計水平和施工技術(shù)的日見成熟，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，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性越來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、安全評估以及壽命預(yù)測等問題已經(jīng)成為當(dāng)前橋梁工程界必須解決的問題。目前，隨著傳感測試技術(shù)、計算機信息處理技術(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，針對特大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測與安全預(yù)警研究和實踐成為可能。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)測領(lǐng)域得到應(yīng)用，使得對大型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測的技術(shù)總體上正朝著智能化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。
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)測的重要性就顯得格外突出。
系統(tǒng)整體監(jiān)測項目
● 荷載源監(jiān)測：主要為橋址區(qū)域環(huán)境荷載監(jiān)測：風(fēng)荷載監(jiān)測；溫度、濕度監(jiān)測；控制截面溫度梯度監(jiān)測；交通荷載（與計重收費系統(tǒng)共用）
● 結(jié)構(gòu)動、靜態(tài)響應(yīng)監(jiān)測：主橋的空間位置變化監(jiān)測，主要為各跨跨中下?lián)媳O(jiān)測；主、引橋控制截面靜應(yīng)力監(jiān)測；主、引橋體外預(yù)應(yīng)力監(jiān)測；主、引橋體內(nèi)預(yù)應(yīng)力監(jiān)測；主、引橋結(jié)構(gòu)動力及振動特性及其變化監(jiān)測
橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測安全預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計
●自動化傳感測試子系統(tǒng)，其包括以下幾大模塊：傳感器子模塊： 通過傳感器將各類監(jiān)測轉(zhuǎn)換為電（光）信號。數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊：將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并完成遠(yuǎn)程傳輸。數(shù)據(jù)處理與控制模塊：將監(jiān)測信號進(jìn)行預(yù)處理以向其它子系統(tǒng)提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)需要控制監(jiān)測參數(shù)的采集。
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接下來將重點介紹監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、預(yù)處理與控制的子系統(tǒng)。
自動化傳感測試子系統(tǒng)各類信號采集、處理方案
整個系統(tǒng)共設(shè)置3個cRIO采集站。采集站在左右兩幅橋各布置一個，BRT橋布置一個。
實現(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、磁通量索力計信號和串口信號的采集。這些傳感器輸出信號種類多種多樣，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。
CompactRIO可編程工業(yè)I/O系統(tǒng)具有嵌入式控制器和機箱，選配多種功能的信號采集卡，完全工業(yè)級的設(shè)計。
采用cRIO-9014為嵌入式控制器。
采用cRIO-9104為8槽嵌入式機箱，具有-40-70°C的操作溫度范圍，3百萬可重新配置I/O(RIO)，F(xiàn)PGA核心具有高超的處理能力，使用LabVIEW自動生成自定義控制和信號處理電路。
采用 cRIO的4通道高速同步數(shù)據(jù)采集卡NI 9215對于單向和三向加速度計進(jìn)行電壓信號采集。
NI 9401八通道高速數(shù)字I/O信號，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，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，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分別為4-20mA電流，對于這類輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號的傳感器接入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。
本系統(tǒng)的監(jiān)測項目梁體振動加速度需要較好的同步性和實時性，我們采用GPS精確授時技術(shù)、在每個采集站安裝GPS時鐘接收機，借助NI-9401 100ns超高速數(shù)字同步卡，通過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。
數(shù)據(jù)采集傳輸與控制
采集站實現(xiàn)的采集工作于LabVIEW Real-Time Module實時系統(tǒng)環(huán)境下，在終端硬件的支持下主要完成對信號數(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)測終端和數(shù)據(jù)存儲終端進(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)器通過向cRIO采集站發(fā)送網(wǎng)絡(luò)命令報文實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制功能：
1.控制傳感器啟動、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.通過修改配置文件上傳至采集站實現(xiàn)采集任務(wù)、存儲任務(wù)的配置和更改。
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)過數(shù)據(jù)處理與控制模塊（子系統(tǒng)）對其進(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)測數(shù)據(jù)庫及用戶界面4部分組成。系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖4所示。
數(shù)據(jù)存儲
每個數(shù)據(jù)包中包含一個測點（對應(yīng)一個數(shù)據(jù)采通道）一段時間（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)開始時間（小時-分-秒）、數(shù)據(jù)存儲模式（數(shù)據(jù)觸發(fā)說明）、采樣率、數(shù)據(jù)點數(shù)、數(shù)據(jù)最大值、最小值、均值、方差。文件內(nèi)容包括各點采樣數(shù)據(jù)。
間斷存儲時，<
