聚星儀器隔空把脈 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁健康狀況

大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)大量不同類型的信號(hào)，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)還需要精確的同步采集。這不僅要求采集終端有很好開放性、靈活性和穩(wěn)定性以集成不同種類的數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)不同類型的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一的連續(xù)采集，而且要求采集終端提供高性能的時(shí)鐘和觸發(fā)同步功能。同時(shí)，惡劣的海洋環(huán)境及橋面路況影響對(duì)采集終端的環(huán)境適應(yīng)性也提出了很高的要求。

解決方案：

采用堅(jiān)固的CompactRIO控制平臺(tái)建立起分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)大橋進(jìn)行24小時(shí)不間斷監(jiān)控，另外，聚星研發(fā)的VI 6011可以進(jìn)行GSP信號(hào)接收和時(shí)基同步。

完整案例分析

隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)與工程技術(shù)水平的發(fā)展，同時(shí)為了滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，世界上越來(lái)越多的地區(qū)開始興修大型橋梁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)，僅僅橫跨長(zhǎng)江兩岸的特大橋就有60 余座，并且出現(xiàn)了多座已建成、在建或處于立項(xiàng)階段的跨海大橋，如東海大橋、杭州灣大橋、虎門大橋等。這些橋梁設(shè)施不但要抵抗海水江水的沖擊和腐蝕、地震臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害，還要經(jīng)受各種交通工具對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的緩慢損害。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多起橋梁坍塌事故引起了相關(guān)部門對(duì)橋梁安全的高度重視，對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)能讓橋梁養(yǎng)護(hù)人員對(duì)橋梁的異常情況及時(shí)采取措施，不僅可以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，更使人們的生命安全得到了保障。

一套成熟的采集記錄系統(tǒng)

我們基于NI CompactRIO硬件平臺(tái)，利用NI LabVIEW開發(fā)出一套適用于全天候地震監(jiān)測(cè)的多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀。記錄儀可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式擴(kuò)展組成監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，為地震信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析及預(yù)報(bào)提供最底層的數(shù)據(jù)支持。

多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀提供16×3路加速度信號(hào)接入接口（含16路加速度計(jì)校準(zhǔn)信號(hào)輸出）、外觸發(fā)信號(hào)接口、GPS天線接口和以太網(wǎng)接口。系統(tǒng)的機(jī)箱和控制器分別選用cRIO-9104和cRIO-9014；選用3塊cRIO-9205對(duì)16×3路加速度信號(hào)進(jìn)行采集；選用1塊cRIO-9403接入外觸發(fā)信號(hào)，并輸出16路加速度計(jì)校準(zhǔn)信號(hào)；選用1塊由聚星儀器研發(fā)的符合cRIO模塊接口標(biāo)準(zhǔn)的VISN GPS C87（VI 6011）進(jìn)行GPS信號(hào)接收和時(shí)基同步。

系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集和通信兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集部分又可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎和數(shù)據(jù)觸發(fā)引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和狀態(tài)接口組成。在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些不同的引擎和接口都是獨(dú)立運(yùn)行的VI，通過(guò)上層的動(dòng)態(tài)調(diào)用來(lái)執(zhí)行。這樣可利用LabVIEW多線程的特性，避免各個(gè)模塊之間的相互阻塞干擾。

這些所有的引擎和接口都是在cRIO-9014的RT上實(shí)現(xiàn)的，它們分別以確定的時(shí)間特性實(shí)時(shí)地完成特定的任務(wù)。cRIO-9401、cRIO-9215、cRIO-9203 和cRIO-9871 等模塊對(duì)相應(yīng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集是在cRIO-9104 的FPGA 上完成的，具有硬件級(jí)的同步、定時(shí)和觸發(fā)特性。它們將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA 傳送到RT上的數(shù)據(jù)采集引擎進(jìn)行降采樣、濾波等預(yù)處理。

GPS 同步采集，遠(yuǎn)程處理不再是難題

為滿足大橋模態(tài)分析的要求，各數(shù)據(jù)采集終端需要對(duì)大橋的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行精確的同步采集。對(duì)于大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，各數(shù)據(jù)采集終端的距離都在100米以上，傳統(tǒng)的主從終端同步采集方案已經(jīng)不能適用。我們利用基于cRIO-9401和cRIO-9215的GPS同步采集方案可以很好的解決遠(yuǎn)距離終端同步采集的難題。具體而言，我們?yōu)槊總€(gè)數(shù)據(jù)采集終端配置一個(gè)GPS接收機(jī)，它們分別獲取已與衛(wèi)星同步的GPS絕對(duì)時(shí)間信號(hào)和PPS秒脈沖信號(hào)，并送至對(duì)應(yīng)采集終端的cRIO-9014 的串口和cRIO-9401 進(jìn)行采集、同步和計(jì)數(shù)。我們?cè)赾RIO-9104 的FPGA 上構(gòu)建了一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)和同步觸發(fā)模塊，參考由cRIO-9401 引入的PPS 秒脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列硬件級(jí)的鎖相、計(jì)數(shù)和觸發(fā)機(jī)制，確保不同終端上的所有cRIO-9215（包括cRIO-9203）在同一絕對(duì)時(shí)刻以同頻同相的采樣時(shí)鐘對(duì)大橋的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行精確的同步采集。

結(jié)束語(yǔ)

基于NI優(yōu)秀的CompactRIO硬件平臺(tái)和強(qiáng)大的LabVIEW軟件平臺(tái)，我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)成功開發(fā)出集不間斷數(shù)據(jù)采集、強(qiáng)震信號(hào)記錄與實(shí)時(shí)傳輸、強(qiáng)震信號(hào)預(yù)警等功能于一體的多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀，并成功運(yùn)用于深圳灣大橋、集美大橋、虎門大橋等多座跨海大橋的監(jiān)測(cè)。以往此類設(shè)備幾乎全部依靠整套進(jìn)口，昂貴的費(fèi)用負(fù)擔(dān)和技術(shù)約束在一定程度上制約了我國(guó)防震減災(zāi)工作的進(jìn)一步發(fā)展?；贑ompactRIO的多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀的成功推出和應(yīng)用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)空白，在各類性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品的同時(shí)，降低了應(yīng)用成本，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件及系統(tǒng)產(chǎn)品。