利用CompactRIO 和LabVIEW在法國(guó)阿爾卑斯山脈研究雪崩中雪流特性

　　技術(shù)人員正在“減勢(shì)土墩”上安裝設(shè)備

　　作者:

　　Florence NAAIM BOUVET - Cemagref (ETNA)

　　Hervé BELLOT - Cemagref (ETNA)

　　Frédérick Bernard - Saphir

　　行業(yè):科研

　　產(chǎn)品:實(shí)時(shí)模塊, FPGA模塊, CompactRIO

　　挑戰(zhàn):通過(guò)收集關(guān)于雪流速度和壓力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確定雪崩中雪流規(guī)律以及雪崩阻滯屏障的有效性。

　　解決方案:

　　利用NI的LabVIEW軟件和CompactRIO硬件開(kāi)發(fā)一個(gè)堅(jiān)固的測(cè)量系統(tǒng)，以便在惡劣的山地條件下精確、可靠地進(jìn)行快速數(shù)據(jù)采集。

　　"CompactRIO和LabVIEW之間的無(wú)縫集成，以及易于使用的軟件使產(chǎn)品成為顯而易見(jiàn)的應(yīng)用選擇。"

　　法國(guó)農(nóng)業(yè)與環(huán)境工程研究院(Cemagref)是一家受法國(guó)農(nóng)業(yè)和研究部監(jiān)管的研究機(jī)構(gòu)，專門進(jìn)行環(huán)境科學(xué)和技術(shù)方面的研究。Cemagref的格勒諾布爾分部(Grenoble)側(cè)重研究與山地環(huán)境有關(guān)的問(wèn)題。ETNA(山洪、積雪和雪崩)研究部打算著手開(kāi)發(fā)一套用于預(yù)防雪崩、風(fēng)害、急流尼流、洪水和巖崩等自然山區(qū)危險(xiǎn)的工具。

　　塔貢那茲(Taconnaz)冰川位于法國(guó)夏蒙尼的阿爾卑斯山脈的查默尼克斯(Chamonix)谷內(nèi)，是著名的“ 雪崩走廊”。塔貢那茲(Taconnaz)雪崩走廊的長(zhǎng)度超過(guò)7500米，平均坡度是46°，并且寬度可達(dá)300米至400米。一旦頂部的冰峰掉落，則有可能在雪崩帶的各個(gè)區(qū)域造成雪崩的發(fā)生。其中，最高的可能的雪崩起始區(qū)域位于4000米高度。一旦發(fā)生百年不遇的大雪崩，總雪量估計(jì)可達(dá)180萬(wàn)立方米。雪崩帶后擁有長(zhǎng)達(dá)1100米左右的減速區(qū)域。政府計(jì)劃在減速區(qū)域中建造一條雪崩阻滯屏障，包含減勢(shì)土墩、沉積區(qū)以及側(cè)面和正面的堤壩。

　　測(cè)量雪流特性

　　ETNA研究團(tuán)隊(duì)與National Instruments的系統(tǒng)聯(lián)盟商SAPHIR一起開(kāi)發(fā)了一個(gè)參數(shù)事件監(jiān)測(cè)的相關(guān)方法，以減少由于錯(cuò)誤引發(fā)雪崩引起的飽和風(fēng)險(xiǎn)。ETNA已經(jīng)與SAPHIR進(jìn)行了十多年的項(xiàng)目合作，以研究各種自然風(fēng)險(xiǎn)的要素。

　　為了達(dá)到研究目標(biāo)，流體力學(xué)專家為塔貢那茲(Taconnaz)雪崩阻滯屏障的三個(gè)減勢(shì)土墩安裝了壓力和速度傳感器。團(tuán)隊(duì)打算著手確定雪崩雪流的規(guī)律以及與雪崩阻滯屏障的相互影響。

　　研究團(tuán)隊(duì)希望能夠同步獲得三個(gè)獨(dú)立測(cè)點(diǎn)的速度(高達(dá)60米/秒)和壓力(高達(dá)100 rpm²)，同步精度需要小于0.1秒。此外，這一應(yīng)用還要求測(cè)量系統(tǒng)必須在-30 °C環(huán)境下工作，達(dá)到100kHz/通道的采樣率，并提供自動(dòng)事件檢測(cè)，事件發(fā)生前后的數(shù)據(jù)記錄與流盤等功能。

　　系統(tǒng)詳情

　　為了構(gòu)造一個(gè)堅(jiān)固、可靠并且能夠經(jīng)受惡劣山地條件的測(cè)量系統(tǒng)，研究員選擇了三個(gè)配備有控制器和NI 9239 、NI 9215模擬輸入模塊的CompactRIO 機(jī)箱。每個(gè)CompactRIO機(jī)箱都通過(guò)防漏接口與控制臺(tái)連接。此外，LabVIEW軟件通過(guò)NI 9472模塊輸出的數(shù)字信號(hào)來(lái)控制數(shù)據(jù)記錄儀并且保證數(shù)據(jù)記錄儀的同步。CompactRIO和LabVIEW之間的無(wú)縫集成，以及易于使用的軟件使產(chǎn)品成為顯而易見(jiàn)的應(yīng)用選擇。

　　應(yīng)變計(jì)用于壓力測(cè)量

　　為了測(cè)量張力，研究人員使用了基于應(yīng)變計(jì)的傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是可以保留低頻信號(hào)并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。團(tuán)隊(duì)通過(guò)確定傳感器的剛性系數(shù)以及設(shè)置預(yù)期信號(hào)帶寬的大小，來(lái)確定最佳取樣頻率。

　　為了研究測(cè)量系統(tǒng)的聯(lián)合誤差，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)《測(cè)量不確定度表示法指導(dǎo)手冊(cè)(GUM)》對(duì)構(gòu)造函數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定性計(jì)算，以確保傳感器精度不受測(cè)量不確定性的影響。在本應(yīng)用實(shí)施的各種條件中，只有不到1%的測(cè)量不確定性由NI 9239造成的。

　　紅外傳感器用于速度測(cè)量

　　在測(cè)量速度方面，團(tuán)隊(duì)采用了被雪崩研究機(jī)構(gòu)廣泛使用的測(cè)量原理[R01: 登特等人(1998)]。這一測(cè)量原理在過(guò)去Col du Lac Blanc和Col du Lautaret等地進(jìn)行的兩次實(shí)驗(yàn)中也實(shí)施過(guò)。它是基于同雪流方向一致的紅外反射傳感器產(chǎn)生的兩個(gè)信號(hào)的相互關(guān)系而得出的。

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)臨時(shí)性雪流的測(cè)量方法，研究員構(gòu)建了一個(gè)全新的協(xié)議以確定計(jì)量參數(shù)。與測(cè)量有關(guān)的不確定性僅涉及在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的偏差。在有雪流的狀態(tài)下，設(shè)備上首次獲得了測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)論非常令人振奮，但是對(duì)這些結(jié)論的確認(rèn)還將通過(guò)在未來(lái)測(cè)量其他雪流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　基于上述的各種實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)附近的研究站采用這種測(cè)量技術(shù)。此外，系統(tǒng)還必須額外考慮兩個(gè)制約條件：雪崩可能施加給測(cè)量設(shè)備的壓力(設(shè)備應(yīng)能夠經(jīng)受住100噸/平方米的壓力)以及將要測(cè)量的最大速度(估計(jì)為60米/秒)。CompactRIO特別適合于解決流速的測(cè)量需要，因?yàn)樗軌蛟?00kHz/通道下進(jìn)行采樣。

　　實(shí)施

　　研究團(tuán)隊(duì)將CompactRIO信號(hào)采集設(shè)備放置在了一個(gè)防護(hù)室內(nèi)，靠近位于雪崩帶三個(gè)減勢(shì)土墩坡腳下的傳感器。這三個(gè)模塊通過(guò)以太網(wǎng)(Ethernet)相互連接，并且以太網(wǎng)還可以連接到大約300米外的一個(gè)地下室，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。研究員可以在地下室內(nèi)加載模塊列表、對(duì)模塊進(jìn)行配置并且下載已獲得的數(shù)據(jù)。

　　模塊會(huì)持續(xù)記錄循環(huán)內(nèi)存中的壓力和速度信號(hào)，并每60秒進(jìn)行一次數(shù)據(jù)留盤。在壓力傳感器監(jiān)測(cè)到地質(zhì)事件期間，CompactRIO 和 LabVIEW系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存地質(zhì)事件發(fā)生之前60秒和之后120秒的數(shù)據(jù)。當(dāng)某個(gè)采集設(shè)備檢測(cè)到事件時(shí)，它會(huì)通過(guò)以太網(wǎng)向5號(hào)護(hù)坡上的設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求，并經(jīng)由NI 9472模塊產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)。三個(gè)設(shè)備可接收到信號(hào)，確保團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)設(shè)備記錄的特定信號(hào)能夠被同步。

　　結(jié)論

　　利用CompactRIO 和 LabVIEW構(gòu)造雪崩雪流的測(cè)量系統(tǒng)提供了性能和速度上的明確的優(yōu)點(diǎn)，使其成為理想的解決方案。CompactRIO的采樣率可以滿足測(cè)量雪流的特殊需要，硬件足夠堅(jiān)固，能夠保證在惡劣山地條件下的可靠性。硬件和軟件平臺(tái)的靈活性允許進(jìn)行未來(lái)開(kāi)發(fā)，無(wú)需大量的額外投資。