NI產(chǎn)品為橋梁健康把脈

Author(s):
Bernard Basile - Advitam, Inc.

Industry:
Process Industries

Products:
PXI/CompactPCI,

The Challenge:
開發(fā)出結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，測量和確定Rion-Antirion大橋在正常工作下、大風(fēng)作用下和地震情況時的狀態(tài)。

The Solution:
應(yīng)用PAC 對東海大橋以及Rion-Antirion 大橋進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測

近年來，NI產(chǎn)品在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域有越來越多的應(yīng)用。本文選取了我國東海大橋和希臘Rion-Antirion大橋的案例，以點代面地展現(xiàn)了NI 產(chǎn)品在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用。東海大橋是我國第一座外?？绾４髽?，全長32.5 公里；希臘的Rion-Antirion 大橋全長2883 米，通過四座斜拉塔支撐起長度居世界第二的斜拉橋面。這兩座跨海橋梁都成功運用了NI 的PAC 平臺，以多機站方式實現(xiàn)了對橋梁結(jié)構(gòu)的分布式實時監(jiān)測。

隨著區(qū)域經(jīng)濟與工程技術(shù)水平的發(fā)展，同時為了滿足日益增長的交通需求，世界上越來越多的地區(qū)開始興修大型橋梁。據(jù)統(tǒng)計，在中國，僅僅橫跨長江兩岸的特大橋就有60 余座，并且出現(xiàn)了多座已建成、在建或處于立項階段的跨海大橋，如東海大橋、杭州灣大橋、虎門大橋等。這些橋梁設(shè)施不但要抵抗海水江水的沖擊和腐蝕、地震臺風(fēng)等自然災(zāi)害，還要經(jīng)受各種交通工具對橋梁結(jié)構(gòu)造成的緩慢損害。

2007 年8 月到9 月的短短兩個月內(nèi)，就在中國、美國、越南等地發(fā)生了四起重大大橋坍塌事故，造成了無法彌補的人員傷亡和經(jīng)濟損失，引發(fā)了各國政府和社會對橋梁安全的高度重視。那么，為了避免事故再次發(fā)生，可以做些什么呢？或許我們能從我國東海大橋和希臘Rion-Antirion大橋的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中獲得一些啟發(fā)。

為東海大橋量身定制“體檢方案”

建成于2005 年的東海大橋是我國第一座外?？绾４髽?，全長32.5 公里，從上海南匯區(qū)蘆潮港跨越杭州灣北部海域到達浙江嵊泗群島的小洋山島。該橋擔(dān)負著連接上海市區(qū)與深水港樞紐的重任，因此需要對橋梁健康狀況進行實時監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性對于橋梁的評估和研究尤為重要。然而，要全面監(jiān)測一座超過30 公里的特大橋梁，不僅需要在大橋上多個位置進行數(shù)據(jù)采集，還需要在每個位置上采集不同的參數(shù)，如變形、應(yīng)力、溫度、沉降等，因此整個監(jiān)測系統(tǒng)需要成百上千個采集通道，這是傳統(tǒng)的測試儀器無法實現(xiàn)的。而且由于橋梁結(jié)構(gòu)特殊，構(gòu)造范圍廣，監(jiān)測點分散在各處，很多監(jiān)測項目又具有實時性的特點，如地震、臺風(fēng)、交通事故等，因此各部位監(jiān)測數(shù)據(jù)需要非常準確的時間同步，一旦出現(xiàn)微小偏差，會嚴重影響橋梁健康的研究分析。

東海大橋應(yīng)用NI 的GPS 同步解決方案同步各個分布式機站

令人欣喜的是，NI PXI平臺和動態(tài)信號采集卡的組合非常輕松地解決了通道數(shù)方面的難題，在一個PXI機箱中就可以實現(xiàn)超過150個通道的采集，通過為每個工作站配備一個PXI 機箱，可以很好地滿足全橋14 個工作站的通道需求。為了實現(xiàn)同步，工程師們采用了NI 基于GPS 信號的同步解決方案。GPS除了可用于全球定位之外，還會不斷發(fā)出精確的時間信號。通過接收該信號，每個工作站的PXI 采集平臺就會將這個信號作為參考時鐘，整個系統(tǒng)的運行就好像擁有了一個“心臟”一樣，達到多機站之間同步的要求。在此硬件基礎(chǔ)上，工程師運用Labview 及相關(guān)軟件開發(fā)包設(shè)計開發(fā)了整個同步監(jiān)測系統(tǒng)，為東海大橋量身定制了一套實時的“體檢方案”，可以及時獲知橋梁的健康狀況，對各種突發(fā)事件做出響應(yīng)，以便進行必要的養(yǎng)護工作，從而延長橋梁的使用壽命。

該系統(tǒng)目前已經(jīng)全部開發(fā)完成并正式開始運行，對東海大橋的健康安全起著至關(guān)重要的作用，得到了業(yè)主及相關(guān)橋梁研究人員的肯定。

NI 為結(jié)構(gòu)監(jiān)測提供全方位軟硬件支持

無獨有偶，于2004 年落成的希臘Rion-Antirion 大橋也采用了NI PXI 機箱進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測。該橋全長2883 米，跨越柯林斯海灣連接了伯羅奔尼撒半島和巴爾干大陸。大橋采用鋼索斜拉結(jié)構(gòu)，具有四個斜拉塔，撐起了世界第二長斜拉橋面（僅次于法國的Millau 公路橋）。法國Advitam 公司在四個斜拉塔下分別放置了一個PXI/SCXI 混合機箱，獲取各種物理參數(shù)的測量數(shù)據(jù)。四個機箱通過光纖以太網(wǎng)連至大橋營運大樓內(nèi)的PC 機。由于這套系統(tǒng)在Rion-Antirion 大橋上的成功應(yīng)用，Millau公路橋也將建設(shè)一套類似的監(jiān)測系統(tǒng)。事實上，除了PXI 平臺，NI PAC 家族的CompactRIO 和Compact FieldPoint 也很適合用于橋梁的結(jié)構(gòu)監(jiān)測，由于它們更加小巧堅固，成本也更低，近年來的應(yīng)用越來越多。在軟件方面，基于LabVIEW 平臺，NI 提供了聲音與振動工具包等一系列開發(fā)工具，為土木與結(jié)構(gòu)工程師的工作帶來便利。

希臘Rion-Antirion 大橋采用PXI-SCXI 混合機箱進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測

除了橋梁健康監(jiān)測以外，類似的系統(tǒng)也完全適用于其他一些大型結(jié)構(gòu)項目的健康監(jiān)測。NI 成熟的多機箱同步解決方案對于大型結(jié)構(gòu)項目的分布式監(jiān)測，有著得天獨厚的優(yōu)勢。

就像為了身體健康，我們需要定期去體檢一樣，橋梁的健康監(jiān)測對于預(yù)防事故的發(fā)生以及延長橋梁壽命有著舉足輕重的作用。NI PAC 平臺幫助建筑工程師們高效地搭建了東海大橋和Rion-Antirion 大橋的監(jiān)測系統(tǒng)，為橋梁健康把脈，從而樹立了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的新標準。