基于PXI總線和LabVIEW RT的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)

在橋梁規(guī)模越建越大和橋梁破壞事故頻發(fā)的今天，對重要的大跨度橋梁建立一個耐用、可靠的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)是非常迫切和必要的。但由于橋梁結(jié)構(gòu)是直接暴露在交通噪聲、灰塵、極端溫度和海洋腐蝕性氣候等惡劣環(huán)境下，要求結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、耐用和抗干擾性強。

通過在橋梁結(jié)構(gòu)不同位置以適當距離分布NIPXI機箱和信號調(diào)理、采集模塊，完成對附近各種類型傳感器信號的穩(wěn)定可靠采集。各個采集站的PXI機箱均與GPS時鐘同步信號接收器相連，以實現(xiàn)遠距離間的各個信號通道的高精度同步。在軟件層面上，用NI公司的LabVIEW平臺及LabVIEWRT模塊來完成整個可靠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及上位機監(jiān)控程序的開發(fā)。

"NI公司的基于PXI總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集模塊是經(jīng)過工業(yè)認證的高可靠、高精確的產(chǎn)品，LabVIEW平臺及RT模塊具有很好的硬件兼容性，并且具有高效率和實時性的特點"

一、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)概述

深港西部通道深圳灣公路大橋是一座連接深圳蛇口與香港元朗的跨海灣跨境橋梁，全長5公里，其中主跨180m的主通航孔橋結(jié)構(gòu)特點是獨塔、單索面的斜拉橋，通車后承擔著以貨柜車為主的大交通流量。同時，大橋處于臺風(fēng)頻繁的深圳灣海域，海洋環(huán)境腐蝕、地震、臺風(fēng)、交通荷載以及大橋結(jié)構(gòu)材料的老化均會造成大橋結(jié)構(gòu)的突然或緩慢損傷。對橋梁主體結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，隨時獲知橋梁當前的健康安全狀況，并對各種突發(fā)事件及時做出報警，通知大橋養(yǎng)護管理人員上橋檢查或采取相應(yīng)對策(如封橋等)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

我們建立的大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)主要針對橋梁主體結(jié)構(gòu)的通航孔橋。設(shè)計和實施的監(jiān)測項目主要可以分為兩類：

(一)荷載源，包括環(huán)境荷載和交通荷載;

(二)結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括結(jié)構(gòu)位移、索力、振動加速度等。

針對每一項監(jiān)測項目，選用合適的傳感器。大橋結(jié)構(gòu)整個監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器類型及布點情況如圖1所示。

圖1. 深圳灣公路大橋(深圳側(cè))結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)傳感器總體布點圖

二、基于PXI總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集硬件模塊

對于每一類傳感器，根據(jù)信號輸出類型和要求的采樣頻率，采用適當?shù)腘I信號調(diào)理模塊和采集模塊完成數(shù)據(jù)采集。如：對于溫濕度、壓力變送器、索塔傾斜儀等只需要1Hz采樣頻率的緩變信號，先經(jīng)過NI SCXI-1125模塊進行信號調(diào)理，然后再送給PXI-6280采集卡進行采集;對于應(yīng)變信號，由于需要以10Hz采樣率采集動態(tài)應(yīng)變進行后續(xù)的結(jié)構(gòu)疲勞分析，但同時也由于橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測點比較分散，各個測點到采集站機箱的距離都在幾十米甚至上百米，所以將應(yīng)變信號直接走線接到NI的PXI應(yīng)變模塊(如PXI-1520)上將會導(dǎo)致信號的急劇衰減而不可用。在本項目實施中，將此類應(yīng)變信號先就地經(jīng)過專用的485調(diào)理器進行調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成485數(shù)字信號再經(jīng)過長距離傳輸后送給NIPXI-8423模塊;對于需要以較高頻率(如100Hz)采樣的而且還需要嚴格同步的加速度信號，則是采用高性能、高精度的動態(tài)信號采集卡NIPXI-4472進行采集。一個典型的數(shù)據(jù)采集外站的傳感器和NI數(shù)據(jù)采集模塊連接如圖2所示。

圖2. 數(shù)據(jù)采集站傳感器和采集設(shè)備連接圖

深圳灣公路大橋的監(jiān)測系統(tǒng)共有4個數(shù)據(jù)采集外站，每個站的配置類似，差別只在于每個站由于傳感器類型和數(shù)量不同而使用的采集和調(diào)理模塊數(shù)量略有區(qū)別。機箱采用8槽PXI，4槽SCXI的NIPXI-1050。另外，為了實現(xiàn)4個采集站之間的高精度同步，還配置了PXI-6652模塊和PXI-6624模塊，分別用于接收GPS授時機的10MHz時鐘信號和1PPS秒脈沖信號，GPS的絕對時間信號則通過232串口直接送給采集站控制器NIPXI-8196RT。經(jīng)實驗，應(yīng)用該技術(shù)方案，遠距離分布的數(shù)據(jù)采集外站之間的同步精度在4個微秒左右。另外，由于大橋橋面的溫度可能超過50℃，避免高溫和海洋腐蝕對PXI模塊和控制器構(gòu)成威脅，還專門設(shè)計了帶工業(yè)級空調(diào)的機柜，所有橋面采集、供電和通信設(shè)備放在橋面的機柜內(nèi)，如下圖3所示。

圖3. 橋面采集外站機柜照片

三、基于LabVIEW平臺和RT模塊的軟件開發(fā)

為保證大橋監(jiān)測系統(tǒng)在惡劣的使用環(huán)境下長期穩(wěn)定、可靠地運行，底層數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)采用LabVIEW RT模塊在上位機開發(fā)完畢后再下載到實時控制器NIPXI-8196 RT上運行，為保證數(shù)據(jù)采集軟件的最大靈活性，采集模塊硬件信息、系統(tǒng)信息和采集任務(wù)等的設(shè)置均通過配置文件的方式。大橋?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)以文本數(shù)據(jù)文件的形式先在采集站控制器的硬盤上保存，以避免網(wǎng)絡(luò)中斷造成的數(shù)據(jù)丟失。

監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器每天定期地連接橋上4個數(shù)據(jù)采集站(下位機)，通過FTP下載最新的文本格式原始監(jiān)測數(shù)據(jù)文件，將4個站的數(shù)據(jù)文件按天統(tǒng)一整理在本地服務(wù)器保存，然后將本地保存路徑信息和每個文件中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值(最大、最小、均值)進入數(shù)據(jù)庫表格進行管理。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序采用SQL Server 2000平臺開發(fā)，數(shù)據(jù)庫只儲存數(shù)據(jù)文件信息，而非實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而有效地減輕了海量監(jiān)測數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的壓力。

監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)安全預(yù)警服務(wù)器上基于LabVIEW開發(fā)的實時預(yù)警、處理應(yīng)用程序通過TCP/IP實時地接收下位機發(fā)送過來的原始信號數(shù)據(jù)，并通過采用LabVIEW中自帶的信號分析、數(shù)學(xué)運算、統(tǒng)計分析等子VI將這些原始數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成實際工程量數(shù)據(jù)，如大橋結(jié)構(gòu)整體線型、撓度、應(yīng)力、橋塔偏位等，然后與這些結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)的設(shè)計值進行比較，如超出閾值界限或數(shù)據(jù)明顯不正常，則及時以黃燈或紅燈閃爍分別對應(yīng)兩級報警的形式通知用戶。同時，該應(yīng)用程序還通過NI Database Connectivity Toolset 工具包與數(shù)據(jù)庫連接，將每一路信號的報警結(jié)果入庫保存，供后期查詢。對于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析、應(yīng)力疲勞分析等需要人工干預(yù)的數(shù)據(jù)處理則在監(jiān)控中心的結(jié)構(gòu)健康評估服務(wù)器上通過數(shù)據(jù)庫查詢，調(diào)出已經(jīng)下載到本地的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)文件，用其他專業(yè)軟件進行后期離線分析、處理與評估。

監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸、處理與控制服務(wù)器通過光纖以太網(wǎng)接收實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。在LabVIEW平臺上開發(fā)上位機軟件，完成數(shù)據(jù)的接收、處理與顯示，同時實現(xiàn)對遠程數(shù)據(jù)采集站控制器的開始采集、停止采集、重新啟動等控制操作。另外，通過“系統(tǒng)設(shè)置”按鈕可以完成對控制器系統(tǒng)信息、采集模塊和采集任務(wù)配置文件的下載、編輯和上傳等功能。上位機軟件界面如下圖4所示。

圖4. 上位機數(shù)據(jù)傳輸、處理與顯示軟件界面

四、結(jié)論與展望

應(yīng)用NI公司數(shù)據(jù)采集的PXI硬件平臺和LabVIEW及RT軟件平臺，集成了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了NI公司高性能、高精度和帶隔離抗干擾的數(shù)據(jù)采集硬件模塊和保證高可靠性的LabVIEW RT開發(fā)模塊，不僅滿足了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)對抗環(huán)境惡劣性、實時性和長期運行穩(wěn)定性的要求，也大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本。系統(tǒng)經(jīng)過了幾個月的運行，目前運行情況良好、穩(wěn)定。

為適應(yīng)未來更大規(guī)模的大橋監(jiān)測系統(tǒng)的需求，在硬件平臺上，可以考慮NI公司的更適合于分布式數(shù)據(jù)采集，工作溫度范圍更廣(-40℃～70℃)也更堅固可靠的ComPACtRIO系統(tǒng)。