使用LabVIEW和PXI進(jìn)行東海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

　　東海大橋作為中國首座跨海大橋，耗資12億美元，于2005年完成通車。六車道的大橋?qū)⑸虾Ｅc洋山島連在了一起，大橋全長32.5千米，并設(shè)計(jì)成S形以避開臺風(fēng)和海浪區(qū)，以保證車輛安全行駛?！　?/p>本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/136417.htm

　　我們搭建了一個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)系統(tǒng)，它能夠提供大量的數(shù)據(jù)來評估大橋損壞和退化程度、結(jié)構(gòu)性能狀況、對于突發(fā)性災(zāi)難的反應(yīng)。利用這些數(shù)據(jù)可以對橋梁的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)進(jìn)行研究。上海巨一科技發(fā)展有限公司(JUST ONE Technology)使用基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)和NI LabVIEW軟件，被選中來搭建這個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

　　我們使用基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，源于其良好的堅(jiān)固性和小巧的體積，適用于放置在大橋的保護(hù)區(qū)域中。事實(shí)證明，系統(tǒng)在安裝完畢后成功地克服了大橋所遇到的濕度、灰塵、震動和化學(xué)腐蝕等各種難題。使用LabVIEW，工程師能夠進(jìn)行重要的實(shí)時(shí)分析，同時(shí)，能夠?qū)Υ髽蛏洗罅康?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/傳感器">傳感器產(chǎn)生的信號進(jìn)行離線處理。

　　硬件系統(tǒng)設(shè)置

　　對東海大橋?qū)嵤┍O(jiān)控需要使用超過500個(gè)傳感器，在大橋每段都放置了加速度計(jì)和FBG光學(xué)傳感器，來采集環(huán)境激勵所引起的頻率響應(yīng)。同時(shí)，大橋還配備了風(fēng)速儀和壓式傳感器，以記錄頻率響應(yīng)所對應(yīng)的環(huán)境條件。大橋每一段還設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)采集站，配備NI PXI-4472B動態(tài)信號采集卡(DSA)從周圍的加速度計(jì)采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　另外，我們使用NI PXI-6652同步模塊和 NI PXI-6602計(jì)數(shù)器模塊，以及NI PXI-8187機(jī)箱控制器，來解決數(shù)據(jù)采集的同步問題。

　　在對東海大橋上的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，我們給每個(gè)PXI機(jī)箱都安裝了一個(gè)GPS，使用脈沖每秒(PPS)和IRIG-B定時(shí)信號分別進(jìn)行信號同步和時(shí)間標(biāo)識。PPS每秒傳輸一千萬脈沖，為每個(gè)機(jī)箱提供采樣基準(zhǔn)時(shí)鐘。這使得采集模塊可以在100納秒的分辨率下對大橋上所有設(shè)備的通道實(shí)現(xiàn)精確同步采樣。

　　軟件系統(tǒng)設(shè)置

　　從大海大橋系統(tǒng)獲取原始數(shù)據(jù)后，我們需要對其進(jìn)行分析和處理，然后為用戶提供最終信息。我們將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測中心進(jìn)行處理器密集離線處理，而PXI控制器則負(fù)責(zé)進(jìn)行即時(shí)處理工作。

　　離線分析

　　東海大橋系統(tǒng)中主要進(jìn)行的離線分析是多通道信號頻譜分析和模態(tài)分析。我們把這兩種計(jì)算都放在一個(gè)離線區(qū)域，這里有許多功能強(qiáng)大的電腦運(yùn)行LabVIEW，由LabVIEW高級信號處理工具包和LabVIEW系統(tǒng)辨識工具包共同處理數(shù)據(jù)。

　　因?yàn)槠胀ǖ慕Y(jié)構(gòu)模態(tài)分析應(yīng)用及測量響應(yīng)的方式對于像東海大橋這樣大型的分布式結(jié)構(gòu)是不適用的，所以我們采用了另一個(gè)可操作的模態(tài)分析方式。通過這種方式，自然環(huán)境和車輛行駛對大橋所產(chǎn)生的影響力將作為激勵信號，大橋傳感器所采集的信號將作為響應(yīng)信號，然后，使用隨機(jī)子空間識別(SSI)算法對模態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這種方法使用了只輸出系統(tǒng)識別技術(shù)，將在LabVIEW高級信號處理工具包中實(shí)現(xiàn)。

　　在線分析

　　為了能夠監(jiān)測大橋的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，在加速度計(jì)采集到數(shù)據(jù)后，東海大橋系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地計(jì)算出共振頻率。因?yàn)槲覀冊诓杉瘮?shù)據(jù)的同時(shí)，需要實(shí)時(shí)并行地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所以共振頻率的計(jì)算必須快速高效。SSI算法能夠完美地進(jìn)行這些運(yùn)算，但需要進(jìn)行太多的實(shí)時(shí)運(yùn)算。為了克服這個(gè)困難，我們使用了遞歸隨機(jī)子空間識別(RSSI)算法。當(dāng)數(shù)據(jù)被采集后，數(shù)據(jù)的值將被導(dǎo)入算法，以計(jì)算新的共振頻率。只需經(jīng)過一個(gè)初始化階段，RSSI算法就能以極快的速度運(yùn)行，計(jì)算實(shí)時(shí)頻率值。

　　總結(jié)

　　使用NI PXI設(shè)備構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，為東海大橋——世界上最大型的大橋之一，提供完美的監(jiān)測解決方案。兩位從未使用過LabVIEW的工程師，使用LabVIEW軟件，結(jié)合LabVIEW高級信號處理和LabVIEW系統(tǒng)識別工具包，只用了三個(gè)月的時(shí)間就開發(fā)了整套東海大橋監(jiān)測系統(tǒng)。得益于系統(tǒng)的易用性和NI一流的服務(wù)支持，只需三位工程師便可完成整座大橋的監(jiān)測工作，由此將維護(hù)成本控制在最低。

　　借助于精確的GPS同步和時(shí)間標(biāo)識、NI PXI動態(tài)信號采集硬件設(shè)備和LabVIEW軟件，我們的團(tuán)隊(duì)成功地為東海大橋搭建了一個(gè)堅(jiān)固的、模塊化、可靠且低維護(hù)的高精度監(jiān)測系統(tǒng)。