聚星儀器隔空把脈 實時監(jiān)測橋梁健康狀況

大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)需要24小時連續(xù)監(jiān)測大量不同類型的信號，對于振動信號還需要精確的同步采集。這不僅要求采集終端有很好開放性、靈活性和穩(wěn)定性以集成不同種類的數(shù)據(jù)采集模塊對不同類型的信號進行統(tǒng)一的連續(xù)采集，而且要求采集終端提供高性能的時鐘和觸發(fā)同步功能。同時，惡劣的海洋環(huán)境及橋面路況影響對采集終端的環(huán)境適應性也提出了很高的要求。

解決方案：

采用堅固的CompactRIO控制平臺建立起分布式實時監(jiān)測系統(tǒng)，對大橋進行24小時不間斷監(jiān)控，另外，聚星研發(fā)的VI 6011可以進行GSP信號接收和時基同步。

完整案例分析

隨著區(qū)域經濟與工程技術水平的發(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。這些橋梁設施不但要抵抗海水江水的沖擊和腐蝕、地震臺風等自然災害，還要經受各種交通工具對橋梁結構造成的緩慢損害。近年來，國內外多起橋梁坍塌事故引起了相關部門對橋梁安全的高度重視，對橋梁進行長期的健康監(jiān)測能讓橋梁養(yǎng)護人員對橋梁的異常情況及時采取措施，不僅可以延長橋梁的使用壽命，更使人們的生命安全得到了保障。

一套成熟的采集記錄系統(tǒng)

我們基于NI CompactRIO硬件平臺，利用NI LabVIEW開發(fā)出一套適用于全天候地震監(jiān)測的多通道數(shù)字強震記錄儀。記錄儀可通過網絡進行分布式擴展組成監(jiān)測臺網，為地震信號的監(jiān)測、分析及預報提供最底層的數(shù)據(jù)支持。

多通道數(shù)字強震記錄儀提供16×3路加速度信號接入接口（含16路加速度計校準信號輸出）、外觸發(fā)信號接口、GPS天線接口和以太網接口。系統(tǒng)的機箱和控制器分別選用cRIO-9104和cRIO-9014；選用3塊cRIO-9205對16×3路加速度信號進行采集；選用1塊cRIO-9403接入外觸發(fā)信號，并輸出16路加速度計校準信號；選用1塊由聚星儀器研發(fā)的符合cRIO模塊接口標準的VISN GPS C87（VI 6011）進行GPS信號接收和時基同步。

系統(tǒng)的軟件結構由數(shù)據(jù)采集和通信兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集部分又可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎和數(shù)據(jù)觸發(fā)引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和狀態(tài)接口組成。在LabVIEW中實現(xiàn)時，這些不同的引擎和接口都是獨立運行的VI，通過上層的動態(tài)調用來執(zhí)行。這樣可利用LabVIEW多線程的特性，避免各個模塊之間的相互阻塞干擾。

這些所有的引擎和接口都是在cRIO-9014的RT上實現(xiàn)的，它們分別以確定的時間特性實時地完成特定的任務。cRIO-9401、cRIO-9215、cRIO-9203 和cRIO-9871 等模塊對相應信號的數(shù)據(jù)采集是在cRIO-9104 的FPGA 上完成的，具有硬件級的同步、定時和觸發(fā)特性。它們將采集到的數(shù)據(jù)通過DMA 傳送到RT上的數(shù)據(jù)采集引擎進行降采樣、濾波等預處理。

GPS 同步采集，遠程處理不再是難題

為滿足大橋模態(tài)分析的要求，各數(shù)據(jù)采集終端需要對大橋的振動信號進行精確的同步采集。對于大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)而言，各數(shù)據(jù)采集終端的距離都在100米以上，傳統(tǒng)的主從終端同步采集方案已經不能適用。我們利用基于cRIO-9401和cRIO-9215的GPS同步采集方案可以很好的解決遠距離終端同步采集的難題。具體而言，我們?yōu)槊總€數(shù)據(jù)采集終端配置一個GPS接收機，它們分別獲取已與衛(wèi)星同步的GPS絕對時間信號和PPS秒脈沖信號，并送至對應采集終端的cRIO-9014 的串口和cRIO-9401 進行采集、同步和計數(shù)。我們在cRIO-9104 的FPGA 上構建了一個數(shù)字鎖相環(huán)和同步觸發(fā)模塊，參考由cRIO-9401 引入的PPS 秒脈沖信號，經過一系列硬件級的鎖相、計數(shù)和觸發(fā)機制，確保不同終端上的所有cRIO-9215（包括cRIO-9203）在同一絕對時刻以同頻同相的采樣時鐘對大橋的振動信號進行精確的同步采集。

結束語

基于NI優(yōu)秀的CompactRIO硬件平臺和強大的LabVIEW軟件平臺，我們在短時間內成功開發(fā)出集不間斷數(shù)據(jù)采集、強震信號記錄與實時傳輸、強震信號預警等功能于一體的多通道數(shù)字強震記錄儀，并成功運用于深圳灣大橋、集美大橋、虎門大橋等多座跨海大橋的監(jiān)測。以往此類設備幾乎全部依靠整套進口，昂貴的費用負擔和技術約束在一定程度上制約了我國防震減災工作的進一步發(fā)展。基于CompactRIO的多通道數(shù)字強震記錄儀的成功推出和應用，填補了國內地震監(jiān)測領域的一項技術空白，在各類性能指標達到國際同類先進技術產品的同時，降低了應用成本，形成了自主知識產權的軟件及系統(tǒng)產品。