應(yīng)用技術(shù)快速構(gòu)建土木工程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案

應(yīng)用NI技術(shù)快速構(gòu)建土木工程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案作者：李濤職務(wù)：軟件工程師單位：清華大學(xué)深圳研究生院應(yīng)用領(lǐng)域：研究開(kāi)發(fā)使用的產(chǎn)品：cFP-2023CompactFieldPoint控制器模塊cFP-AI-110CompactFieldPoint模擬輸入模塊cFP-TC-120CompactFieldPoint熱電偶輸入模塊cFP-SG-140CompactFieldPoint應(yīng)變片輸入模塊PXI-1052PXI與SCXI復(fù)合機(jī)箱PXI-8186PXI控制器PXI-6220M系列多功能數(shù)據(jù)采集板卡SCXI-1520應(yīng)變片調(diào)理模塊SCXI-1530加速度輸入調(diào)理模塊LabVIEW7.1圖形化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境挑戰(zhàn)：將眾多采集設(shè)備集成到一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)下，統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并需要有一便捷的工具來(lái)快速地構(gòu)建信號(hào)計(jì)算解決模型。在室外無(wú)人執(zhí)守的條件下，要保證系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，并需要具有一定的故障自恢復(fù)能力。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)要具有很好的靈活性以及軟硬件的兼容性，傳統(tǒng)的土木工程安全監(jiān)測(cè)解決方案大多是定制的方案，不利于系統(tǒng)自身的擴(kuò)展也不利于整個(gè)方案推廣到其它類(lèi)似的系統(tǒng)上。應(yīng)用方案：應(yīng)用NI的CompactFieldPoint、PXI硬件，以LabVIEW為軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)一套橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)深圳大學(xué)城內(nèi)某在役橋梁進(jìn)行了實(shí)時(shí)的安全監(jiān)測(cè)。這樣一套以虛擬儀器技術(shù)為核心的方案具有很好的擴(kuò)展性和移植性，同時(shí)NI公司軟硬件的無(wú)縫集成更為整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了很大便利，并且運(yùn)營(yíng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的平臺(tái)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。介紹：土木工程監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、分布廣、環(huán)境影響因素復(fù)雜等特點(diǎn)。應(yīng)用NI的CompactFieldPoint系列分布式測(cè)控模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)變、溫度等靜態(tài)參數(shù)的精確測(cè)量，具體來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)中使用了AI-110、TC-120、SG-140分別對(duì)鋼筋銹蝕傳感器、熱電偶、混凝土應(yīng)變的信號(hào)進(jìn)行采集。而對(duì)于振弦式傳感器讀數(shù)儀與光纖光柵解調(diào)儀，可以通過(guò)cFP-2023主控模塊提供的RS232/485接口，代替PC機(jī)來(lái)控制；應(yīng)用PXI模塊化采集硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)、加速度等動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量，具體設(shè)計(jì)上，采用NIPXI-1052PXI/SCXI組合機(jī)箱，將PXI-8186控制器、PXI-6220采集卡、SCXI-1520、SCXI-1530信號(hào)調(diào)理模塊集中到一個(gè)機(jī)箱里，組成一個(gè)基于Windows的測(cè)量平臺(tái)。并應(yīng)用LabVIEW信號(hào)分析解決工具對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行計(jì)算解決，作為評(píng)估結(jié)構(gòu)安全的依據(jù)。正文：1系統(tǒng)綜述土木工程的安全性受它自身的材料特性、力學(xué)特性以及所處的環(huán)境影響。土木工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析管理、智能決策等多種功能的龐大系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是整個(gè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的功能。土木結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通常涉及靜態(tài)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)測(cè)量。靜態(tài)監(jiān)測(cè)通常是不間斷進(jìn)行的；動(dòng)態(tài)測(cè)試的周期可根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況來(lái)擬定。介于以上的需求，需要一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、管理，以此作為評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性依據(jù)。為達(dá)成此規(guī)定，采集設(shè)備必須能在野外惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，并要保證采集數(shù)據(jù)的可靠性；軟件一方面能以統(tǒng)一模式管理從眾多傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)，另一方面要能根據(jù)不同工程的需要迅速重新構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、分析子系統(tǒng)。NI的CompactFieldPoint是堅(jiān)固和可靠的平臺(tái)，其主控模塊運(yùn)營(yíng)RT操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)；并且提供了豐富的通訊接口，通過(guò)LabVIEWRT開(kāi)發(fā)應(yīng)用，能控制現(xiàn)場(chǎng)的光纖儀、振弦儀工作。PXI同樣是可運(yùn)營(yíng)RT系統(tǒng)的牢固的模塊化平臺(tái)，其精確的定期和觸發(fā)功能保證了大型結(jié)構(gòu)測(cè)量時(shí)多個(gè)測(cè)點(diǎn)同步采樣，并且有豐富的SCXI信號(hào)調(diào)理模塊供選用。本系統(tǒng)以cFP為核心構(gòu)建靜態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，以PXI為核心構(gòu)建動(dòng)態(tài)測(cè)試模塊，組合成一個(gè)橋梁安全監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。靜態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以長(zhǎng)期在線(xiàn)的形式運(yùn)營(yíng)，重要目的是獲取運(yùn)營(yíng)的土木結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的狀態(tài)數(shù)據(jù)；而動(dòng)態(tài)測(cè)試重要是為了在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后對(duì)其損傷進(jìn)行辨認(rèn)和鑒定。系統(tǒng)中統(tǒng)一以標(biāo)簽來(lái)管理數(shù)據(jù)，將采集來(lái)的原始數(shù)據(jù)和通過(guò)信號(hào)解決后的計(jì)算數(shù)據(jù)分為模擬量、數(shù)字量、波(模擬量序列)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存取。而在數(shù)據(jù)解決模塊中則使用LabVIEW開(kāi)發(fā)了多種計(jì)算分析模型用于分析結(jié)構(gòu)特性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)請(qǐng)參照?qǐng)D1、圖2。圖1系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)示意圖圖2系統(tǒng)邏輯示意圖2基于CompactFieldPoint的靜態(tài)監(jiān)測(cè)在本系統(tǒng)中，靜態(tài)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容涉及混凝土的滲透、鋼筋銹蝕、混凝土構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變及開(kāi)裂狀況。用于土木工程監(jiān)測(cè)的傳感器通常分三類(lèi)：光纖光柵傳感器、振弦式傳感器和傳統(tǒng)的基于電信號(hào)的傳感器。根據(jù)監(jiān)測(cè)位置及物理對(duì)象的不同，三種傳感器均有所用，而對(duì)每種傳感器均有其專(zhuān)用的采集儀。光纖傳感器測(cè)量精度高，抗腐蝕性強(qiáng)，比較合用于埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，進(jìn)行分布式溫度、應(yīng)變監(jiān)測(cè)；振弦傳感器抗干擾性強(qiáng)，可反復(fù)性好，成本相對(duì)較低，常用在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的位移、應(yīng)變測(cè)量上；而電子傳感器則在測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)具有不可替代的作用，此外大部分化學(xué)傳感器輸出也是電信號(hào)。NI的CompactFieldPoint提供了多種IO模塊，本系統(tǒng)中使用了AI-110、TC-120、SG-140分別對(duì)鋼筋銹蝕傳感器、熱電偶、混凝土應(yīng)變的信號(hào)進(jìn)行采集。而對(duì)于振弦式傳感器讀數(shù)儀與光纖光柵解調(diào)儀，可以通過(guò)cFP-2023主控模塊提供的RS232/485接口，代替PC機(jī)來(lái)控制。cFP-2023上運(yùn)營(yíng)了RT操作系統(tǒng)，應(yīng)用LabVIEWVISA串口驅(qū)動(dòng)，開(kāi)發(fā)一個(gè)儀器的通訊程序，如此，所有采集儀的數(shù)據(jù)便匯總到cFP-2023主控模塊。cFP-2023還提供了以太網(wǎng)接口，可以很方便地將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)。cFP系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖如圖3所示。圖3運(yùn)營(yíng)RT系統(tǒng)的CompactFieldPoint模塊LabVIEWRT中提供了多種網(wǎng)絡(luò)通訊方式，像DataSocket、TCP、UDP、SMTP，此外還可通過(guò)共享內(nèi)存的方式與主機(jī)互換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中使了TCP的方式，cFP-2023作為T(mén)CP客戶(hù)端，與監(jiān)控中心主機(jī)TCPServer建立連接后，將采集到的數(shù)據(jù)封裝成XML文檔，通過(guò)該TCP連接發(fā)送到主機(jī)。cFP-2023帶有一個(gè)CompactFlash槽，可插入一塊512M的存儲(chǔ)卡，假如由于網(wǎng)絡(luò)故障暫時(shí)不能將數(shù)據(jù)傳到主機(jī)，可將數(shù)據(jù)以文獻(xiàn)形式存儲(chǔ)在Flash上，網(wǎng)絡(luò)通訊恢復(fù)時(shí)由將其發(fā)送到主機(jī)，保證數(shù)據(jù)不丟失。cFP-2023內(nèi)置了看門(mén)狗，設(shè)備在發(fā)生運(yùn)營(yíng)故障時(shí)可自行重啟，有效提高了系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的可靠性。通過(guò)安裝LabVIEWRT，可在運(yùn)營(yíng)Windows的主機(jī)上，LabVIEW環(huán)境下，運(yùn)用開(kāi)發(fā)Windows程序的方法，來(lái)開(kāi)發(fā)cFP所需的實(shí)時(shí)軟件，而不需要了解RT系統(tǒng)更多的細(xì)節(jié)。如此，通過(guò)更可靠的RT系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與PC機(jī)同樣靈活的功能，而在軟件開(kāi)發(fā)上還是相本地容易。本系統(tǒng)靜態(tài)監(jiān)測(cè)部分的軟件界面如圖4所示。圖4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)3基于PXI的動(dòng)態(tài)測(cè)試土木結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測(cè)試的目的是診斷結(jié)構(gòu)損傷的限度和位置。橋梁的動(dòng)態(tài)測(cè)試重要涉及橋跨結(jié)構(gòu)自振特性和橋跨結(jié)構(gòu)在載荷作用下逼迫振動(dòng)特性測(cè)量。此外某些橋梁的局部構(gòu)件也需進(jìn)行自振特性測(cè)量，例如斜拉橋的索，鋼梁橋的鋼桁梁等。橋梁的動(dòng)態(tài)測(cè)試通常需要多個(gè)點(diǎn)同步進(jìn)行，各點(diǎn)間的相位誤差要控制在一個(gè)較小范圍內(nèi)。同時(shí)需要有相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)控制采集儀在產(chǎn)生激勵(lì)后開(kāi)始采樣。PXI結(jié)合高速PCI總線(xiàn)和專(zhuān)為測(cè)量與自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)計(jì)的完整的定期和觸發(fā)功能，為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試提供了一個(gè)高效的、易用的平臺(tái)。NI提供了眾多PXI模塊，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)搭建自己的PXI測(cè)試系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用NIPXI-1052PXI/SCXI組合機(jī)箱，將PXI-8186控制器、PXI-6220采集卡、SCXI-1520、SCXI-1530信號(hào)調(diào)理模塊集中到一個(gè)機(jī)箱里，組成一個(gè)基于Windows的測(cè)量平臺(tái)。PXI-6220是NI新推出的M系列采集卡，由于采用了NI-STC2定期控制技術(shù)，使得多通道測(cè)量能達(dá)成一個(gè)較好的同步規(guī)定，如需更高規(guī)定的同步，可采用每通道配置一個(gè)ADC的S系列同步數(shù)據(jù)采集卡。硬件系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)物圖如圖5所示。圖5PXI模塊化測(cè)試儀系統(tǒng)使用了八個(gè)速度型低頻振動(dòng)傳感器測(cè)量橋梁的自振特性，該傳感器輸出信號(hào)為+/-10V電壓信號(hào)，測(cè)量頻率范圍0.35-50Hz，直接接到PXI-6220數(shù)據(jù)采集卡。采用脈動(dòng)法，激勵(lì)信號(hào)為隨機(jī)的環(huán)境激勵(lì)，不需要觸發(fā)，由軟件啟動(dòng)，每次測(cè)試以200Hz的采樣頻率采集600s的波形。直接使用LabVIEW的DAQAssistant生成一個(gè)采集任務(wù)。橋梁在載荷作用下逼迫振動(dòng)測(cè)試需要測(cè)量橋跨的動(dòng)撓度和應(yīng)變，撓度測(cè)量采用位移型低頻振動(dòng)傳感器，連接到PXI-6220采集卡；應(yīng)變測(cè)量采用電阻應(yīng)變橋，接到SCXI-1520應(yīng)變調(diào)理模塊。采用數(shù)字觸發(fā)方式，由紅外車(chē)輛探測(cè)器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)控制采集啟停。此外使用了四支MA21型加速度傳感器進(jìn)行了鋼桁梁自振特性測(cè)試，MA21輸出為IEPE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，直接接到SCXI-1530加速度輸入模塊，測(cè)試方法與橋梁自振測(cè)試相同。采樣頻率設(shè)為200Hz。使用LabVIEW開(kāi)發(fā)一個(gè)測(cè)試程序，由于有新的設(shè)備驅(qū)動(dòng)DAQmx和LabVIEWExpressVI支持，開(kāi)發(fā)變得非常簡(jiǎn)樸。本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試部分軟件設(shè)計(jì)為一個(gè)C/S結(jié)構(gòu)，運(yùn)營(yíng)于PXI控制器的是一個(gè)測(cè)試服務(wù)程序，可以本地操作，也也許由遠(yuǎn)程的客戶(hù)端軟件控制進(jìn)行測(cè)量。動(dòng)態(tài)測(cè)試遠(yuǎn)程控制端界面如圖6所示：圖6動(dòng)態(tài)測(cè)試遠(yuǎn)程控制端界面4動(dòng)態(tài)信號(hào)解決橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)量的信號(hào)解決涉及到的內(nèi)容比較廣泛，在此只作簡(jiǎn)樸陳述。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)診斷采用基于傅利葉變換的頻譜分析方法，從測(cè)得的動(dòng)態(tài)信號(hào)中提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，如固有頻率、振型、阻尼比等等，也可以通過(guò)微積分運(yùn)算獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)。不同的參數(shù)在鑒定結(jié)構(gòu)損傷限度的有效性上有明顯的差別。LabVIEW提供了數(shù)百個(gè)測(cè)量分析函數(shù)，能根據(jù)研究需要，迅速地建立相應(yīng)的分析計(jì)算模型，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)診斷方法的有效性。近年來(lái)，興起了基于小波分析的結(jié)構(gòu)健康診斷方法，由于其能從時(shí)頻兩域表征信號(hào)的局部特性，辨認(rèn)正常信號(hào)與異常信號(hào)間的細(xì)微差別，因此特別適合結(jié)構(gòu)損傷的診斷。NI在SignalProcessingTool包里提供了用LabVIEW實(shí)現(xiàn)小波變換的工具。5總結(jié)長(zhǎng)期無(wú)人執(zhí)守的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)需要控制設(shè)備運(yùn)營(yíng)RT操作系統(tǒng)，CompactFieldPoint、PXI、CompactRIO均提供了RT控制器保證系統(tǒng)能可靠運(yùn)營(yíng)。PXI對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試有不可取代的優(yōu)勢(shì)，特別在大型橋梁測(cè)試中，具有定期和觸發(fā)特性的PXI系統(tǒng)可提供多達(dá)5000