基于LabVIEW 和PXI技術(shù)的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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本文介紹以LabVIEW、PXI技術(shù)和地震動(dòng)測(cè)量傳感器,研制成功的基于虛擬儀器的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)用美國(guó)NI公司LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)（包信號(hào)處理軟件）、先進(jìn)的PXI技術(shù)和地震動(dòng)測(cè)量傳感器，在較短時(shí)間內(nèi)，研制成功了基于虛擬儀器的核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有力地支持了中國(guó)核電站的發(fā)展。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地震信號(hào)處理功能強(qiáng)大，信息表達(dá)豐富、多樣、人機(jī)界面友好。它的主要功能是，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地震加速度隨時(shí)間變化過程，并判別真?zhèn)蔚卣?，?dāng)?shù)卣鹦盘?hào)超過報(bào)警閾值時(shí)，顯示、記錄地震加速度峰值并向主控室發(fā)出報(bào)警信號(hào)；采集記錄地震加速度反應(yīng)時(shí)程數(shù)據(jù)，計(jì)算基礎(chǔ)地面設(shè)備加速度響應(yīng)譜和設(shè)計(jì)響應(yīng)譜，并與理論設(shè)計(jì)響應(yīng)譜進(jìn)行比較，以驗(yàn)證抗震I類構(gòu)筑物和設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)是否合理，或判別是否需要對(duì)某些物項(xiàng)實(shí)施地震后檢查。

虛擬儀器（virtualinstrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。

基礎(chǔ)地面設(shè)備地震動(dòng)測(cè)量原理

設(shè)一基礎(chǔ)地面設(shè)備的單自由度模型如圖1所示：

對(duì)上述方程（7）、（8）和（9），應(yīng)用兩階牛頓向前插值公式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得地面設(shè)備的加速度響應(yīng)譜曲線。

按照ASME規(guī)范的規(guī)定，根據(jù)計(jì)算所得的加速度響應(yīng)譜曲線，按頻率±15%拓寬加速度響應(yīng)譜峰值點(diǎn)，然后平行連接生成相應(yīng)的設(shè)計(jì)響應(yīng)譜曲線。

核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前，已經(jīng)完成了地震網(wǎng)絡(luò)計(jì)算支撐平臺(tái)的基本構(gòu)架，初步實(shí)現(xiàn)計(jì)算應(yīng)用系統(tǒng)的計(jì)算應(yīng)用資源注冊(cè)管理、任務(wù)分發(fā)與調(diào)度管理、集群計(jì)算資源管理、用戶與訪問管理等功能，基本完成了"加卸載響應(yīng)比時(shí)空掃描地震預(yù)測(cè)"、"各向異性殼幔結(jié)構(gòu)反演"、"地殼應(yīng)力場(chǎng)分析"和"構(gòu)造變形場(chǎng)模擬"的計(jì)算模型并行重構(gòu)和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，并開始網(wǎng)絡(luò)計(jì)算應(yīng)用試驗(yàn)。

核電站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其主要功能為：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地震加速度隨時(shí)間的變化過程，并判別真?zhèn)蔚卣鹦盘?hào)；當(dāng)?shù)卣鹦盘?hào)超過報(bào)警閾值時(shí)顯示、記錄地震加速度峰值并向主控室發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，供值班人員決策是否發(fā)布警報(bào)或者停堆；

（2）采集、記錄基礎(chǔ)地面地震加速度反應(yīng)時(shí)程數(shù)據(jù)，算出地面設(shè)備的加速度響應(yīng)譜和設(shè)計(jì)響應(yīng)譜，以了解和驗(yàn)證抗震Ⅰ類構(gòu)筑物和設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)是否合理，或判斷是否需要對(duì)某些物項(xiàng)實(shí)施震后檢查；

（3）顯示和打印采集到的地震加速度信號(hào)和分析獲得的數(shù)據(jù)、圖形，并存儲(chǔ)歸檔。

系統(tǒng)構(gòu)成

地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由美國(guó)NI公司的LabVIEW6i、PXI-1010、PXIPCI18335、SCX1102,PXI3031E,MXI-3、SignalProcessingSuite、三軸向加速度傳感器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、激光打印機(jī)構(gòu)成（圖3）。

數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)

●數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面板

數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)面板見圖4和圖5.該系統(tǒng)平臺(tái)采用LabVIEW的標(biāo)簽翻頁功能，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能一目了然，功能之間的相互關(guān)系層次清晰，選用方便。例如圖4的面板所示，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正處在地震監(jiān)測(cè)功能下，此時(shí)正測(cè)量和顯示自由場(chǎng)，-15m和11m各基礎(chǔ)地面三個(gè)方向上的加速度時(shí)程，同時(shí)顯示加速度的和值。圖5顯示的是阻尼ξ為2%時(shí)的自由場(chǎng)、-15m和11m處基礎(chǔ)地面上的設(shè)備的計(jì)算地震加速度響應(yīng)譜。

由LabVIEW和信號(hào)處理包完成的地震信號(hào)分析軟件主要功能是：地震信號(hào)的調(diào)理、采集、存儲(chǔ)、真?zhèn)蔚卣鸬呐卸ê蛨?bào)警；設(shè)備計(jì)算響應(yīng)譜和設(shè)計(jì)響應(yīng)譜的生成以及設(shè)計(jì)響應(yīng)譜與理論響應(yīng)譜的比較，輸出完整的地震數(shù)據(jù)文件。

下面舉例說明地震信號(hào)分析軟件中的聯(lián)合時(shí)頻分析和小波分析的應(yīng)用。

●聯(lián)合時(shí)頻分析

對(duì)于地震信號(hào)的分析，人們除了要知道地震發(fā)生時(shí)的地震動(dòng)加速度幅值和頻率外，還需要知道地震發(fā)生時(shí)期，地震動(dòng)頻率隨時(shí)間的變化，也就是需要對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合時(shí)頻分析，以得到地震動(dòng)頻率與時(shí)間的關(guān)系。我們應(yīng)用LabVIEW的聯(lián)合時(shí)頻分析軟件包，使用同濟(jì)大學(xué)地震試驗(yàn)臺(tái)模擬地震信號(hào)，得到了地震動(dòng)頻率-時(shí)間關(guān)系，圖6至圖7是用STFT和ConeShaped兩種算法得到的分析結(jié)果，從圖中可以看到，約在0-20秒時(shí)間范圍內(nèi)，地震動(dòng)中心頻率大約為1.5HZ,約在8秒時(shí)，地震動(dòng)頻率約為3.0Hz.

●小波分析

自1986年以來，小波分析得到了迅速的發(fā)展，其應(yīng)用也逐漸地變得越來越廣泛，其在噪聲消除，微弱信號(hào)的提取和圖象處理等方面也取得超乎尋常的成果。，圖8（a）是原始數(shù)據(jù)，圖8（b）是重構(gòu)信號(hào)，（c）是高通濾波后的信號(hào)，（d）是低通濾波后的地震信號(hào)。應(yīng)用小波分析技術(shù)，將信號(hào)中的高頻和低頻部分進(jìn)行"細(xì)化和放大",低通濾波后的地震信號(hào)（d）更加清晰。

結(jié)論

本文應(yīng)用美國(guó)NI公司的LabVIEW和PXI等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW[2]中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線