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

東海大橋是中國(guó)第一座跨海大橋，我們?cè)谏厦媸褂昧硕鄠€(gè)PXI機(jī)箱組成的系統(tǒng)，以獲取追蹤大橋結(jié)構(gòu)完整性及當(dāng)前狀況的重要數(shù)據(jù)。

借助于精確的GPS同步和時(shí)間標(biāo)識(shí)、NI PXI動(dòng)態(tài)信號(hào)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(cè)系統(tǒng)。

- Yonglin Zhan, JUST ONE Technology

挑戰(zhàn):

在可能出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)、地震、海水腐蝕的環(huán)境中，對(duì)跨海大橋結(jié)構(gòu)完整性和環(huán)境因素產(chǎn)生的影響進(jìn)行同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要一個(gè)高可靠、低維護(hù)的操作系統(tǒng)。

解決方案:

部署一個(gè)堅(jiān)固耐用的PXI系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)大橋產(chǎn)生的影響，進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算以確定大橋的即時(shí)結(jié)構(gòu)健康狀況，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，進(jìn)行離線處理。

東海大橋作為中國(guó)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(zhǎng)32.5千米，并設(shè)計(jì)成S形以避開(kāi)臺(tái)風(fēng)和海浪區(qū)，以保證車輛安全行駛。

我們搭建了一個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)系統(tǒng)，它能夠提供大量的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估大橋損壞和退化程度、結(jié)構(gòu)性能狀況、對(duì)于突發(fā)性災(zāi)難的反應(yīng)。利用這些數(shù)據(jù)可以對(duì)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(lái)搭建這個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(dòng)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髽蛏洗罅康膫鞲衅鳟a(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行離線處理。

硬件系統(tǒng)設(shè)置

對(duì)東海大橋?qū)嵤┍O(jiān)控需要使用超過(guò)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(lái)采集環(huán)境激勵(lì)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(duì)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(dòng)態(tài)信號(hào)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(lái)解決數(shù)據(jù)采集的同步問(wèn)題。

在對(duì)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(hào)分別進(jìn)行信號(hào)同步和時(shí)間標(biāo)識(shí)。PPS每秒傳輸一千萬(wàn)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(duì)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(duì)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(cè)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(hào)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(jí)信號(hào)處理工具包和LabVIEW系統(tǒng)辨識(shí)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(cè)量響應(yīng)的方式對(duì)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(guò)這種方式，自然環(huán)境和車輛行駛對(duì)大橋所產(chǎn)生的影響力將作為激勵(lì)信號(hào)，大橋傳感器所采集的信號(hào)將作為響應(yīng)信號(hào)，然后，使用隨機(jī)子空間識(shí)別(SSI)算法對(duì)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(shí)別技術(shù)，將在LabVIEW高級(jí)信號(hào)處理工具包中實(shí)現(xiàn)。

在線分析

為了能夠監(jiān)測(cè)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(cè)诓杉瘮?shù)據(jù)的同時(shí)，需要實(shí)時(shí)并行地對(duì)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(shí)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(guò)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(cè)解決方案。兩位從未使用過(guò)LabVIEW的工程師，使用LabVIEW軟件，結(jié)合LabVIEW高級(jí)信號(hào)處理和LabVIEW系統(tǒng)識(shí)別工具包，只用了三個(gè)月的時(shí)間就開(kāi)發(fā)了整套東海大橋監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)、NI PXI動(dòng)態(tài)信號(hào)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(cè)系統(tǒng)。

更多資源：

NI LabVIEW 2012全新模板與范例 http://www.21ic.com/ni/labview2012.htm

LabVIEW資深用戶編程技巧總匯 http://dl.21ic.com/ebook-107267.html