作者：周  兵    孫小飛    中交公路規劃設計院有限公司    

應用領域：遠程結構監測、分布式數據采集、數字化橋梁
 
挑戰：大跨徑特大型橋梁是一個分布式、非線性、強耦合、多變量和時變性復雜的系統，對其結構參數的驗證與分析是一項龐大的工程。國內首次將 CompactRIO 分布式采集系統成功應用到大跨徑特大型橋梁的結構監測中去，通過先進的自動化測試技術，對大橋的靜/動態響應、動態交通荷載、環境荷載等信號進行實時、精確同步的測量和分析，為實時監測結構損傷及內力狀態，有效的掌控運營期橋梁的結構使用狀態及其發展演化趨勢，并為制定相應的大橋管理對策提供技術支持建立橋梁全壽命期的數字化、信息化“檔案”提供了科學依據。
 
應用方案：基于 CompactRIO的可重配置平臺和豐富的信號采集模塊，利用 NI LabVIEW FPGA開發一套適用于整個大橋結構監測的分布式信號采集系統。同時，結合 NI LabVIEW 提供的大量經典的信號處理函數和現代的高級信號分析工具，迅速、準確的完成結構參數的在線分析和二次處理，為大跨徑特大型橋梁綜合監測系統有關數據采集傳輸預處理與控制的建立提供了一套完備而系統的方案。
 
使用的產品：
LabVIEW 8.2 軟件開發平臺
LabVIEW RT 8.2實時模塊
LabVIEW FPGA 8.2工具包
LabVIEW Internet Toolkit 6.0工具包
LabVIEW.Database.Connectivity.Toolkit.v1.0.2 工具包
Measurement Studio 6.0類庫和控件庫
CompactRIO-9104可重新配置嵌入式機箱
CompactRIO-9014嵌入式控制器
CompactRIO-9401高速同步計時卡
CompactRIO-9215高速電壓信號采集模塊
CompactRIO-9871標準串口轉換模塊
CompactRIO-9203模擬電流采集模塊

正文： 
一．  引言
    隨著橋梁設計水平和施工技術的日見成熟，橋梁的建設取得了突破性的成就，一批大跨徑橋梁應運而生，橋梁建設正朝著規模的大型化、形式的輕柔化、功能的復雜化發展。同時，橋梁結構的安全性與耐久性越來越受到人們的高度重視，有關大型橋梁的結構健康監測、安全評估以及壽命預測等問題已經成為當前橋梁工程界必須解決的問題。目前，隨著傳感測試技術、計算機信息處理技術、結構分析技術和橋梁工程技術等相關學科的進一步發展，針對特大型橋梁結構的安全監測與安全預警研究和實踐成為可能。原本應用于軍事領域的先進智能材料與結構技術，也在橋梁結構健康監測領域得到應用，使得對大型橋梁結構進行健康監測的技術總體上正朝著智能化和系統化的方向發展。

二．集美大橋的系統背景與設計原則
    廈門集美大橋及接線工程是廈門市城市道路交通網絡布局中本島與大陸腹地跨海通道的重要組成部分，也是廈門市出島交通路網規劃中重要的跨海通道之一。大橋建成后將承擔巨大的出入島交通流，因此，結構安全監測的重要性就顯得格外突出。
 

系統整體監測項目如下：
1）荷載源監測：主要為橋址區域環境荷載監測：① 風荷載監測；② 溫度、濕度監測；③ 控制截面
溫度梯度監測；④ 交通荷載（與計重收費系統共用）
2）結構動、靜態響應監測
①主橋的空間位置變化監測，主要為各跨跨中下撓監測；②主、引橋控制截面靜應力監測；③主、引橋體外預應力監測；④主、引橋體內預應力監測；④主、引橋結構動力及振動特性及其變化監測
 
三．  橋梁結構監測安全預警系統的總體設計
    根據系統的功能要求本系統包括以下子系統： 
    1)  自動化傳感測試子系統，其包括以下幾大模塊： 
    ① 傳感器子模塊
    通過傳感器將各類監測轉換為電（光）信號。 
    ② 數據采集與傳輸模塊
    將監測信號轉換為數字信號并完成遠程傳輸。 
    ③ 數據處理與控制模塊
    將監測信號進行預處理以向其它子系統提供有效的監測數據，根據需要控制監測參數的采集。
以上 3部分構成自動化傳感測試子系統。
2)  電子化人工巡檢養護管理子系統
3)  綜合安全評估子系統
4)  中心數據庫子系統
5)  用戶界面子系統
其結構示意圖如圖 1所示：

圖 1 橋梁結構安全監測系統結構示意圖 

    接下來將重點介紹監測系統的數據采集、傳輸、預處理與控制的子系統。
    1.  自動化傳感測試子系統各類信號采集、處理方案
    整個系統共設置 3個cRIO采集站。采集站在左右兩幅橋各布置一個，BRT橋布置一個。
    實現的采集工作包括加速度同步采集壓力變送器、溫濕度儀、風速儀、振弦式應力計、磁通量索力計信號和串口信號的采集。這些傳感器輸出信號種類多種多樣，大大增加了采集系統構筑的難度。系統針對不同類型的傳感器，選用合適的采集設備和方案。系統結構組成如圖 2所示。

圖 2 自動化傳感子系統結構示意圖

    cRIO 可編程工業 I/O 系統具有嵌入式控制器和機箱，選配多種功能的信號采集卡，完全工業級的設計。
    *采用的 cRIO控制器 NI9014為嵌入式控制器。 
    *采用的 cRIO機箱 NI-9104 為 8 槽嵌入式機箱，具有-40-70° C 的操作溫度范圍，3 百萬可重新配置 I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的處理能力，使用 LabVIEW 自動生成自定義控制和信號處理電路。 
    *采用 cRIO的4通道高速同步數據采集卡 NI-9215對于單向和三向加速度計進行電壓信號采集。 
    *NI-9401八通道高速數字 I/O信號，100ns超高速數字輸入輸出，用于加速度同步。 
    *NI-9871標準 RS485通訊卡，磁通量傳感器采用磁彈儀進行采集，其輸出為 485信號，接入 NI-9871。 
    *NI-9871 標準 RS485 通訊卡，超聲波三向風速儀直接輸出 485 信號，接入標準 RS485 通訊卡NI-9871。 
    *NI-9203 采用 8 通道模擬電流采集模塊，壓力變送器和溫濕度儀輸出信號分別為 4-20mA 電流，對于這類輸出為標準電流信號的傳感器接入 NI-9203。 
    *光纖光柵溫度傳感器與應變傳感器采用光纖光柵傳感網絡分析儀進行采集，其輸出為以太網信號。 
    本系統的監測項目梁體振動加速度需要較好的同步性和實時性，我們采用 GPS 精確授時技術、在每個采集站安裝 GPS 時鐘接收機，借助 NI-9401  100ns 超高速數字同步卡，通過軟件方法和采集策略的配置保證加速度數據采集的同步性。
2.  數據采集傳輸與控制
    采集站實現的采集工作于 LabVIEW-RT 實時系統環境下，在終端硬件的支持下主要完成對信號數據的采集和傳輸。用戶一般不直接與其進行交互，但其提供一系列的標準接口和命令與用戶所在的控制終端、監測終端和數據存儲終端進行交互。采集站狀態與控制如圖 3所示。
    數據處理與控制系統服務器通過向 cRIO采集站發送網絡命令報文實現數據采集和控制功能： 
    1)  控制傳感器啟動、停止數據采集； 
    2)  查詢傳感器和采集單元、調理器、其它采集設備的工作狀態； 
    3)  查看、修改采集單元和調理器的參數，標簽等信息； 
    4)  通過修改配置文件上傳至采集站實現采集任務、存儲任務的配置和更改。 

圖 3 數據采集站狀態與控制界面 

3.  數據處理與控制模塊 
    采集系統收集到的數據必須經過數據處理與控制模塊（子系統）對其進行預處理方能夠提交給后續子系統使用。本子系統由數據采集控制模塊，數據分類、抽取模塊，監測數據庫及用戶界面 4 部分組成。系統關系結構如圖 4所示。

圖 4 數據采集、處理與控制子系統關系結構圖

    1)  反映結構狀態的特征參數確定及其提取方案
    結構狀態特征參數是指能夠反映結構特征的物理量，比如：撓度，應力，索力等；而傳感器－采集系統所獲得是傳感器的讀數，這些讀數一般反映的是電信號。將傳感器獲得的電信號向結構特征參數轉換是極其重要的過程。具體流程如圖 5所示。 
    a)  傳感器電信號向測試物理量的轉換
    傳感器電信號向測試物理量的轉換通常利用標定證書提供的曲線或參數可以完成傳感器讀數向物理量的轉換。 
    b)  測試物理量向結構特征參數的轉換
    測試物理量向結構特征參數的轉換需要其它傳感器的配合，需要進行數據的分析處理。 
    c)  各種參數有效數據的抽取 
    d)  數字濾波
    對于靜態數據需要進行活載及風振的過濾，經過過濾后的靜態參數將僅包含溫度對結構的影響，這種過濾一般可以采用低通濾波的方式，實現的時候可以采用幅值域分析的方式。對于動態參數則應考慮所需要測試的頻率范圍進行帶通濾波。

    圖5 數據處理與控制軟件流程圖

    2)  數據存儲 
    a)  數據存儲引擎將指定的數據按照時間標簽存入數據文件。 
    每個數據包中包含一個測點（對應一個數據采通道）一段時間（定為 1 秒）連續采集數據的內容。數據文件的文件名包括以下信息：采樣數據開始時間（小時-分-秒）、數據存儲模式（數據觸發說明）、采樣率、數據點數、數據最大值、最小值、均值、方差。文件內容包括各點采樣數據。 
    b)  數據文件的存儲策略根據數據存儲模式的不同而異，具體如下： 
    間斷存儲時，每個通道每段連續的信號數據保存為一個文件；觸發存儲時，被觸發的每個通道每段連續的信號數據保存為一個文件；人工連續存儲時，如果某通道要保存的連續數據很大，根據數據文件的大小，可以每 10 分鐘自動更換一個文件保存；根據硬盤空間的大小，自動刪除部分（一周）以前的數據文件。

四．  軟件實現與現場成果 
    1.  系統軟件結構 
    軟件系統主要分為兩個部分：  
    1） 數據采集軟件（下位機 FPGA部分） 
    作為基于 LabVIEW 的 RT 實時系統的 FPGA 下位機程序，能夠實時進行大量數據的采集與存儲和控制任務，主要實現加速度、風、溫度等信號的采樣與降采樣和振動特征值計算、GPS 對時、定時存儲、采集通道設定等功能。該部分程序燒寫在 FPGA 硬件模塊上，由 FPGA 硬件進行實現，經過一系列的轉換，最終被編譯為比特流文件，并下載到 FPGA 模塊上運行。多個采集站采用統一軟件架構，實現采集任務的模塊化和規范化，多機箱間的精確的同步采集，同時實現數據的本地存儲。。 
    2） 數據處理與控制軟件（上位機部分） 
    數據傳輸、處理與控制軟件是基于 LabVIEW8.2平臺開發的，數據處理與控制工作站軟件平臺是基于LabVIEW8.2 平臺下的狀態機機制，通過 TCP 協議實時接收下位機的原始數據與設備工作站的工作狀態，按照指定報文格式進行數據的接收解譯與命令的發送。同時，使用 LabVIEW 自帶的信號分析、數字濾波和統計分析等子 VI，完成結構狀態的特征參數提取工作。數據首先采用自定義結構體包裝，通過 queue隊列形式完成各 VI之間的數據交互，隊列的先進先出機制有效的解決的數據完整性和穩定性。 
    3)  電力監控部分軟件 
    軟件平臺采用可視性強、界面豐富的 NI LabVIEW 平臺和數據分析技術，采用標準的數據接口。電力監測軟件為用戶提供一個可視化的監測界面，讓用戶直觀、方便、快捷地了解現場傳感器、UPS、磁彈儀、采集器的運行狀態，并根據數據分析的結果進行運行狀態的調整和負荷的控制。用戶通過查詢歷史數據庫，可以調出電力設備的歷史運行狀態曲線，并完成上位機對應的數據管理功能。界面如圖 6所示。

圖 6 采集站電力監控界面

    2.  數據處理與控制軟件界面
    數據傳輸、處理與控制軟件主要包括 10 大功能模塊：登錄模塊、采集站配置模塊、存儲任務管理模塊、采集任務管理模塊、傳感器狀態模塊、網絡狀態識別模塊、數據下載與入庫模塊、電力監控模塊、用戶管理模塊、系統幫助模塊。界面如圖 7所示。
    3.  數據實時展示與預警軟件界面
    承臺地震動監測項目實時顯示、預警軟件子模塊界面如圖 8。除了上述各個預警軟件子模塊共有的操作按鈕和顯示控件外，該模塊還有從數據處理與控制服務器傳過來的 1 秒鐘數據包波形圖、安裝截面位置示意圖、預警燈和信息，以及當前 1秒鐘加速度時程曲線和自功率譜曲線圖。

圖 8 地震動監測模塊

    偏位監測項目實時顯示、預警軟件子模塊界面如圖 9。除了各個預警軟件子模塊共有的操作按鈕和顯示控件外，該模塊還有從數據處理與控制服務器傳過來的 1 秒鐘數據包波形圖、安裝截面位置示意圖、預警燈和信息，以及當前縱橫橋向當前的偏位情況實時顯示。

圖 9 偏位子模塊界面 

    4.  現場成果
    安裝在現場的工作站一共有三個，主要完成就進傳感器的數據收集、整理與傳輸。CRIO 采集模塊首先對安裝在大橋上的各種類型傳感器的信號完成必要的預調理后按一定的采樣頻率進行模數轉換（A/D），同時在數據采集站計算機上保存，最后各種類型的傳感器的模擬或數字信號經預處理、采集后從現場的數據采集站通過工業以太網有線傳送至位于管理監控中心的數據處理與控制計算機上。具體安裝如圖 10 所示。  

圖10 現場工作站實拍圖片

五．  結論
    從技術角度去講，NI CompactRIO系統和 LabVIEW 開發環境無縫連接使用戶輕松的通過圖形化開發環境訪問底層硬件，快速建立嵌入式系統控制和數據采集應用，大大降低了系統開發、 生產的技術風險。LabVIEW 強大的數據采集和信號處理功能極大地節省了采集終端軟件的開發時間，在 LabVIEW RT 和LabVIEW FPGA 模塊的配合下使得采集終端能夠實時高質量地完成數據采集、信號處理、數據傳送和數據存儲的工作，為整個大橋結構安全監測系統提供靈活、強大的底層數據支持。
    同時，惡劣的海洋環境及橋面路況影響，對 NI CompactRIO 系統的環境適應性也提出了很高的要求。事實證明，NI CompactRIO 系統設計精巧而堅固，滿足苛刻的工業級指標，完全適用于對可靠性有嚴格要求的復雜惡劣海洋環境中應用。
    在國內首次將 LabVIEW 和 NI的分布式數據采集設備 cRIO系列引入到橋梁結構安全監測和結構分析中去，結合先進的數據處理和信號分析技術，為大跨徑特大型橋梁綜合監測系統有關數據采集傳輸預處理與控制的建立提供了一套完備而系統的方案，在橋梁健康監測的若干問題研究中取得的一些創新性成果，對橋梁綜合監測系統的發展有著重要的意義。
    NI 的分布式數據采集設備 cRIO 系列在廈門集美大橋結構安全監測系統中的實際應用是 cRIO 平臺在國內結構安全監測領域的首次成功案例，截至目前運行正常，工作穩定，得到業內的一致好評。事實證明，NI cRIO平臺是構建該采集終端的理想解決方案之一，對接下來的耗資 700億港珠澳大橋系統實施具有很強的示范性和參考價值。