基于LabVIEW的橋梁運行狀態(tài)長期

基于LabVIEW的橋梁運行狀態(tài)長期

論述鐵路橋梁運行狀態(tài)長期監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法，
介紹它的硬件組成、軟件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能，本系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)傳感器、以太網(wǎng)技術(shù)和虛擬儀

器技術(shù)，在LabVIEW平臺上實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化遠程傳輸、監(jiān)控和數(shù)據(jù)查詢。
　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)傳感器；遠程監(jiān)控；LabVIEW；虛擬儀器?

Design of Long?term Bridge Monitoring System Based on LabVIEW

YANG Yan1, MA Zengqiang1, SHI Yancong2

(1.Department of Computer, Shijiazhuang Railway Institute,
Shijiazhua

ng 050043, China;
2.Department of Electrical Engineering, Shijiazhuang Railway Institute,
Shijiazh

uang 050043, China)

　　Abstract: The paper demonstrates the design method of long?term

bridge monitoring system. Not only the structure of its hardware and software b

ut also its functions are presented. With the application of technology of netwo

rked sensor、 Ethernet and virtual instrument, the networked transmission, monit

oring and querying of data information are realized by the developing platform o

f LabVIEW.
　　Keywords: networked sensor; remote monitoring; LabVIEW; VI

1硬件系統(tǒng)組成
　　監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容主要包括：上行線列車運行特征，上、

下行線過車時上、下行線各孔跨中的橫向振動；上行線重點監(jiān)測孔跨中的豎向、橫向振動，

豎向撓度、相關(guān)橋墩的橫向振動、環(huán)境溫度、鋼軌溫度、雨水情況等。各被測量經(jīng)過相應(yīng)的

傳感器就近接入各個數(shù)據(jù)采集站，各采集站的數(shù)據(jù)經(jīng)本地交換機送入局域網(wǎng)傳送至遠程監(jiān)控

中心。
　　在本系統(tǒng)中，以Rabbit 3000微處理器為核心的各數(shù)據(jù)采集站是傳感器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信

技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，我們稱之為網(wǎng)絡(luò)化傳感器，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　網(wǎng)絡(luò)傳感器的關(guān)鍵部分采用美國Z?World公司的核心模塊RCM3200，該模塊使用新一代嵌

入式系統(tǒng)CPU——Rabbit 3000，它是8位高性能微處理器，其程序存儲器中固化有當(dāng)前流行

的Internet協(xié)議棧，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP等，而且集成有10/100Base

T以太網(wǎng)接口，這樣網(wǎng)絡(luò)傳感器在進行數(shù)據(jù)采集或完成I/O控制任務(wù)的同時，可以完成Inte

rnet協(xié)議處理，實現(xiàn)與上位機之間信息的實時發(fā)布與共享。每個網(wǎng)絡(luò)傳感器有

自己的IP地址和端口號，在整個監(jiān)測系統(tǒng)中，可以安裝多個網(wǎng)絡(luò)傳感器，用交換機相連，組

成以太網(wǎng)。
　　網(wǎng)絡(luò)傳感器實現(xiàn)了橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的完全數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，使得測控網(wǎng)與信息網(wǎng)融為

一體，而且還可以做到“即插即用”，非常方便于系統(tǒng)的擴充和維護。?

　　在遠程監(jiān)控中心，有一個服務(wù)器，兩臺微機，其中一臺用于遠程現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時顯示，另一

臺用于數(shù)據(jù)查詢。在這里可以實時顯示列車通過橋頭和橋中時的時間、車速、軸數(shù)、軸距(

根據(jù)這

些參數(shù)再結(jié)合橋梁跨中撓度及軸重監(jiān)測的結(jié)果，可大致推斷出列車的編組情況、

車輛

類型、載貨情況(是否空車或空、重混編))、實時顯示各采集量(如各孔橋梁豎向、橫向振動

位移，主梁跨中橫向、豎向加速度、撓度，相關(guān)橋墩的橫向振動位移，重點實驗主梁下緣應(yīng)

力等)的時程曲線、最大值、超限報警等，列車通過后，所有數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù)庫保存。通過數(shù)據(jù)

查詢系統(tǒng)可對庫存數(shù)據(jù)進行分析、對比、處理等工作，用戶還可查詢每次列車過橋時各種被

測量的歷史數(shù)據(jù)、曲線及其特征值。

2系統(tǒng)功能實現(xiàn)
　　在LabVIEW平臺上建立遠程監(jiān)控系統(tǒng)，LabVIEW運用內(nèi)嵌的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議組通訊，通過

TCP/IP結(jié)點使用服務(wù)器/客戶機模式實現(xiàn)局域網(wǎng)通信。
　　下面主要介紹遠程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)實時采集控制、顯示、分析功能的實現(xiàn)方法：首先，系統(tǒng)啟

動橋頭測速的TCP連接，監(jiān)測是否有列車到達信號，如果有車到達則繼續(xù)接收測速站的數(shù)據(jù)

，直到列車軸數(shù)大于等于4之后(目的是剔除虛警，因車頭軸數(shù)≥4)，啟動第一組的TCP連接(

若連接次數(shù)大于指定次數(shù)后，仍不能正確連接，則認為本組網(wǎng)絡(luò)連接故障，退出本組數(shù)采，

啟動第二組TCP連接)，測速監(jiān)測循環(huán)繼續(xù)接收測速站發(fā)來的數(shù)據(jù)，直至列車通過橋頭后，斷

開與測速站的TCP連接。每組數(shù)采循環(huán)采用兩個TCP Read節(jié)點，第一個節(jié)點讀出數(shù)據(jù)包長，

第二個節(jié)點根據(jù)包長將數(shù)據(jù)全部讀出，然后將數(shù)據(jù)按通道拆分后，將每通道上傳的傳感器測

得的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理單位后送實時數(shù)據(jù)顯示、極值統(tǒng)計并顯示、檢查是否超限，若超限則聲光報警等。并對本組指定通道的振幅數(shù)據(jù)實時監(jiān)測是否大于啟動下組的啟動

閾值，若是則啟動下組的TCP連接，開始下組的數(shù)采。這種前后組的振幅啟動控制對貨車比

較適合，因為貨車的振動幅值較大；但由于車頭和客車的振動幅值較小，采用振幅啟動方法

只能降低振幅啟動閾值，這樣勢必引起下組數(shù)據(jù)數(shù)采的提前TCP連接和采集，導(dǎo)致入庫數(shù)

據(jù)量增加，所以針對這種情況，增加了另一種數(shù)采控制方法，即速度啟動：根據(jù)橋頭測速站

測到的列車速度和每組距橋頭的距離推算列車到達每組的時間，當(dāng)啟動下組時間到或本組振

幅大于啟動下組的啟動閾值時都可啟動下一組的TCP連接，繼而開始下一組的數(shù)采。
　　由于大橋長達3公里以上，所以列車在橋上行駛時存在加速和減速情況，僅用列車經(jīng)過橋頭

時的速度推算列車到各測站的時間是不夠準確的，故在橋中增加了一個測速站，列車到達橋

中時啟動第五組的TCP連接和數(shù)采，由橋中列車速度和各測站與橋中的距離推算列車到達后

面幾組測站(6-9組)的時間和每組指定通道的振幅來啟動下面一組的TCP連接和數(shù)采工作。
　　采集結(jié)束控制：在每組的數(shù)據(jù)采集過程中，監(jiān)視指定通道(即指定孔)的振幅，若振幅小于本

組的關(guān)閉閾值則延時若干時間后，關(guān)閉本組的數(shù)據(jù)采集；為加強采集控制的可靠性(由于傳

感器失靈可能導(dǎo)致列車通過該測點后振動幅度仍可能不減小、上下行會車等原因造成的振幅

不減小情況，如果僅靠振幅控制結(jié)束采集勢必造成采集時間過長，無用數(shù)據(jù)過多，增加數(shù)據(jù)存

儲的壓力)，針對測速站測得的每趟車的軸數(shù)不同(貨車100根軸以上，一般情況下車頭和客

車的軸數(shù)少于100)，每組采集時間分為兩擋：貨車3分鐘，車頭和客車1.5分鐘，從啟

動本組數(shù)采開始計時，采集時間到也可關(guān)閉本組數(shù)據(jù)采集，斷開本組TCP連接。和每組的

啟動條件類似，振幅關(guān)閉和時間關(guān)閉采用或邏輯，哪個條件先到達則那個條件起關(guān)閉本組數(shù)

采的作用。
　　正常情況下，隨著列車依次到達各測站，各站的TCP連接和采集工作依次啟動，并隨著列車

的通過而依次關(guān)閉數(shù)采和TCP連接，系統(tǒng)重新開始下一趟列車的監(jiān)測過程。
　　由于本遠程監(jiān)測系統(tǒng)分布范圍較大，監(jiān)測點多，所用網(wǎng)絡(luò)組件較多，任何部分出現(xiàn)故障都可

能造成數(shù)采流程的不能正常結(jié)束，為此，在系統(tǒng)中增加了系統(tǒng)總清控制，即在橋頭測速站測

到列車到達后，啟動系統(tǒng)總定時，當(dāng)定時時間到達10分鐘后，監(jiān)控程序發(fā)出總清命令，結(jié)束

各測站的數(shù)據(jù)采集，斷開所有測站的TCP連接，系統(tǒng)重新進入初始監(jiān)測狀態(tài)(一般來講，列車

過橋

時間不會超過10分鐘)。系統(tǒng)基本工作流程圖見圖3。

　　圖4為測速流程的框圖程序，圖5是從數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)調(diào)出的某次列車經(jīng)過時，部分橋梁橫向振

動波形。
　　由于在網(wǎng)絡(luò)傳感器中的Rabbit 3000使用了看門狗技術(shù)，遠程測控軟件也采用了軟件濾波等

多項抗干擾技術(shù)及自復(fù)位措施，使得系統(tǒng)運行具有很強的健壯性和可靠性。?

3結(jié)束語
　　本系統(tǒng)現(xiàn)已經(jīng)在黃河大橋上運行將近半年，該系統(tǒng)的成功運行為橋工處的橋梁狀態(tài)

實時遠程監(jiān)測、橋梁維護、故障預(yù)警、橋梁運行數(shù)據(jù)查詢等管理工作提供了科學(xué)依據(jù)，

庫存數(shù)據(jù)為橋梁學(xué)家研究橋梁振動理論提供了豐富的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)可應(yīng)用于各種大型鐵路橋

梁、公路橋梁、水庫大壩等的運行狀態(tài)和健康狀態(tài)的遠程監(jiān)測。