何 晉，潘書文，朱西平

(成都信息工程學(xué)院，四川成都610225)

0 引言

橋梁在服役過程中不可避免地受到設(shè)計載荷、環(huán)境腐蝕、材料老化等問題，以及一些突發(fā)事件、臺風(fēng)、地震、撞擊等載荷引起損傷[1]，橋梁坍塌等事故的發(fā)生容易造成交通運輸?shù)钠款i和慘重的人員經(jīng)濟損失[2]。隨著橋梁橋齡和交通負荷的不斷增大，以及暴露在周圍的環(huán)境溫度、濕度、降水均衡、風(fēng)力等因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)的完整性和性能都受到顯著的影響[3]，橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測和在線安全監(jiān)測成為當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的熱點問題[4]。根據(jù)橋梁自動化監(jiān)測的工程需求開發(fā)了一套基于LabVIEW的智能監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁所處環(huán)境荷載以及橋梁結(jié)構(gòu)性能進行實時監(jiān)測，從而為橋梁的養(yǎng)護與維修提供指導(dǎo)依據(jù)，為橋梁監(jiān)測的自動損傷識別和安全評估構(gòu)建良好的軟硬件平臺。

1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)由兩個部分構(gòu)成。第一部分是將獲得的機器當(dāng)前狀態(tài)信號或者參數(shù)變成標(biāo)準(zhǔn)電流或者電壓信號的傳感器系統(tǒng)，它由振動傳感器，溫度、濕度、位移傳感器等各種測量部分組成。第二部分是將獲得的信號進行具體數(shù)值顯示并進行進一步分析、處理的虛擬儀器部分。橋梁監(jiān)測系統(tǒng)所需的基本硬件設(shè)備包括傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡等。傳感器部分主要是獲得被測對象的各種信號;信號調(diào)理模塊主要是對信號進行濾波、差分放大等信號調(diào)理工作;數(shù)據(jù)采集卡主要控制多路開關(guān)對通道進行切換，同時進行數(shù)據(jù)采集工作，并通過LAN總線將數(shù)據(jù)傳輸至主控PC機;主控PC機完成數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示和存儲。本文中，采取傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡3部分合為一體通過網(wǎng)線連接主控PC機的設(shè)計方案，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成

1.1 傳感器選型

在保證傳感器的量程、靈敏度、精度、頻率響應(yīng)范圍等功能適用性基礎(chǔ)上，綜合考慮傳感器的穩(wěn)定性、可靠性、耐久性以及與數(shù)據(jù)采集、通信設(shè)備的相容性、橋梁結(jié)構(gòu)分布等因素[5－6]，選擇了yd-302型壓電式加速度傳感器用于振動監(jiān)測。在溫濕度分布監(jiān)測方面，傳統(tǒng)的溫度測控方案，大部分都需要將置于測量點的溫度傳感器(熱電偶或熱電阻)與溫度變送器用信號線連接，然后才能變送輸出控制系統(tǒng)需要的信號。由于探頭本身的物理特性，測量距離很受限制，而且信號線的線阻對探頭反饋的溫度精度影響很大。選用將溫度傳感器和變送器集成在一起的TS-FTWI2/3/4/5型一體式溫度變送器，并直接輸出模擬量或者數(shù)字量信號，能夠輕松解決上述問題。在位移監(jiān)測方面采用了結(jié)合角度傳感器和直線位移傳感器優(yōu)點的MPS-S-1000mm-V型拉繩式位移傳感器，滿足長行程測量的高精度需求。當(dāng)同一監(jiān)測內(nèi)容由多個監(jiān)測點的多個傳感器共同監(jiān)測時，可采取多傳感器一致性數(shù)據(jù)融合算法對多傳感器信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行融合處理[7]。

1.2 測控平臺

綜合考慮系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及可擴展性等要求，選擇NI公司的工業(yè)級嵌入式測控平臺CompactRIO(cRIO)對安裝在橋梁上的各個數(shù)據(jù)采集點進行控制。整個數(shù)據(jù)采集平臺由NI 9074型cRIO機箱控制器、NI 9234型振動采集模塊、NI 9205數(shù)據(jù)采集卡組建構(gòu)成。在設(shè)計中通過cRIO機箱將傳感器上傳的信號進行信號調(diào)理，并實時進行分析，同時各cRIO模塊之間通過GPS模塊進行時間同步，保證上傳數(shù)據(jù)的時間一致性。由于cRIO機箱有一定的緩沖存儲數(shù)據(jù)的能力，對各種原因引起的數(shù)據(jù)丟失有一定的改善，cRIO中的控制器部分還有自己的實時操作系統(tǒng)，因此具有獨立運行的能力，從而保證了系統(tǒng)的魯棒性。結(jié)合cRIO模塊集成的接口設(shè)備以及LabVIEW軟件，可以快捷地設(shè)置cRIO采集模塊的屬性，將橋梁上各個測量點方便地集成在一起，通過網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 軟件的功能模塊組成

軟件系統(tǒng)的需求分為功能性需求和非功能性需求，功能性需求包括24小時實時監(jiān)測、用戶信息管理、提供參考依據(jù)、各類數(shù)據(jù)分析、多重分級預(yù)警等[8]。非功能性需求包括軟件的通用性、擴展性、時效性、開放性、美觀性、易操作性等。在擴展性方面，考慮可能出現(xiàn)晚上人員不在現(xiàn)場時等情況，可在PC端將異常報警通過計算機網(wǎng)絡(luò)或GSM網(wǎng)絡(luò)傳至移動終端等方式實現(xiàn)遠程報警[9]。基于LabVIEW平臺設(shè)計的系統(tǒng)功能模塊設(shè)計如圖2所示。

圖2 軟件功能功能模塊設(shè)計

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

綜合文獻[10]對數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件子系統(tǒng)的基本要求，將數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件子系統(tǒng)軟件分解為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、實時顯示、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、報警記錄7個模塊來設(shè)計組成。各模塊的功能描述及對應(yīng)功能點如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能模塊描述表

數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)目蚣苋鐖D3所示，首先由傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳至實時系統(tǒng)，實時系統(tǒng)的程序控制傳感器的采集并負責(zé)將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳遞至PC端進行顯示、處理。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的程序分為兩部分分別寫在cRIO控制器內(nèi)和PC上。在cRIO實時系統(tǒng)內(nèi)的RT(Real-Time)程序主要完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，而在PC上的HOST程序完成參數(shù)配置、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、實時顯示、報警記錄等功能，實時系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絇C端。以下將分別講述RT程序和HOST程序的實現(xiàn)方法。

圖3 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的框架

HOST主程序的設(shè)計模式有一般狀態(tài)機模式、消息隊列模式、用戶事件模式、總/從結(jié)構(gòu)模式和生產(chǎn)者/消費者模式這五種較為普遍。由于本系統(tǒng)需要并行響應(yīng)事件，即在數(shù)據(jù)采集的同時，響應(yīng)前面板事件。因此在數(shù)據(jù)采集時的子VI之間的數(shù)據(jù)通信采用生產(chǎn)者/消費者模式，數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)顯示以及前面板參數(shù)的輸入3部分需要有3個生產(chǎn)消費者結(jié)構(gòu)，在事件結(jié)構(gòu)下對各個事件分別編程做出響應(yīng)。機控制器RT端的主程序是用于高實時性要求的控制和采集任務(wù)[11]，數(shù)據(jù)采集模塊利用替換數(shù)組子集函數(shù)將16路通道的信號寫進一個16維數(shù)組中，并將該數(shù)組值賦給線程間的共享變量節(jié)點，將數(shù)據(jù)傳輸模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的循環(huán)頻率都設(shè)為相同10 ms的間隔，線程間的共享變量傳遞數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)共享變量，實現(xiàn)HOST程序?qū)崟r系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制。

為方便程序擴展，將參數(shù)配置模塊的參數(shù)全部捆綁成簇，制作自定義類型，并利用生產(chǎn)者/消費者模式將參數(shù)簇傳遞給數(shù)據(jù)分析模塊，該模塊接收到前面板設(shè)置的參數(shù)之后，對數(shù)據(jù)做出分析。數(shù)據(jù)接收模塊利用網(wǎng)絡(luò)共享變量節(jié)點對RT端通過以太網(wǎng)傳遞過來的信號進行接收，并利用索引數(shù)組函數(shù)將16路通道信號還原。數(shù)據(jù)存儲模塊利用TDMS文件讀寫速度快、占用磁盤空間小等優(yōu)點存儲實時系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)的存儲[12]，并為振動信號、濕度信號、溫度信號及位移信號4組信號分別存有4個通道數(shù)據(jù)，程序如圖4所示。為了防止保存的文件過大導(dǎo)致文件讀取速度過慢，系統(tǒng)每隔1小時重新新建1個TDMS文件。

圖4 TDMS文件保存程序

數(shù)據(jù)的預(yù)處理需根據(jù)傳感器的參數(shù)曲線，在軟件上實現(xiàn)輸出電量與對應(yīng)物理量的轉(zhuǎn)換。下面以振動傳感器為例，傳感器輸出電壓為V，靈敏度為S，因此加速度的計算公式為

文中采用yd-302的型號，其靈敏度為0.5 V/ms－2，因此，加速度計算公式為

在測試物理量向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換的過程中，根據(jù)傳感器的不同采用不同的策略處理數(shù)據(jù)[13]并進行傳感器數(shù)據(jù)可信度評價[14]。振動傳感器經(jīng)過預(yù)處理后獲得的參數(shù)是加速度，振動參數(shù)的提取還需要對加速度數(shù)據(jù)進行FFT變換等頻域分析，從中獲得結(jié)構(gòu)特征參數(shù)如頻率等。位移需要進行統(tǒng)計分析，獲取平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等信息，同時對位移量手工設(shè)限，進行預(yù)警，分析程序如圖5所示。獲得預(yù)處理的數(shù)據(jù)后，利用LabVIEW自帶的功能函數(shù)模塊對這些數(shù)據(jù)進行濾波處理、時域分析、頻域分析。

圖5 位移分析子程序

2.3 用戶界面軟件子系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

軟件界面劃分為用戶管理模塊、實時監(jiān)測與預(yù)警模塊以及數(shù)據(jù)查詢3個模塊，主界面如圖6所示。

圖6 主界面

實時監(jiān)測與預(yù)警模塊主要是對各功能模塊以及數(shù)據(jù)的顯示，與數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的功能重疊，不再贅述。數(shù)據(jù)查詢模塊采用TDMS特有的TDMS查看器方式，可以自由選擇顯示數(shù)據(jù)還是波形，并且可以選擇某一時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進行查看。用戶管理模塊由于LabVIEW不能直接訪問數(shù)據(jù)庫，因此需要借助其他的數(shù)據(jù)庫訪問方法來完成數(shù)據(jù)庫的訪問功能。在Lab-VIEW編程環(huán)境下實現(xiàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的接口進行連接的幾種方法[15]，這些方法雖然都能夠連接數(shù)據(jù)庫并對其進行訪問，但都有不足之處。通過數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL實現(xiàn)用戶管理模塊的要求，其過程可分為以下4個步驟:

(1)通過ADO Create.vi創(chuàng)建一個連接對象;

(2)利用ADO Connection Open.vi創(chuàng)建一個和數(shù)據(jù)庫連接的函數(shù);

(3)利用 ADO SQL Execute.vi實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的增、刪、查、改等操作;

(4)利用 ADO Connection Close.vi以及 ADO Connection Destroy.vi關(guān)閉程序與數(shù)據(jù)庫之間的連接。

3 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)測試與分析

監(jiān)測主界面如圖6所示，用戶登錄后在界面右上角顯示當(dāng)前用戶的用戶名、權(quán)限、日期時間等信息，并通過界面左側(cè)的功能按鈕對監(jiān)測系統(tǒng)進行控制和操作，振動報警、溫度報警、濕度報警和位移報警均可在主界面實時顯示。振動監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測和位移監(jiān)測在界面上可顯示振動時域分析圖、頻域分析圖、特征參數(shù)的監(jiān)測以及設(shè)置參數(shù)。振動監(jiān)測測試效果如圖7所示，實時顯示每一個通道的加速度值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差等特征參數(shù)值，通過參數(shù)設(shè)置模塊能夠?qū)Σ蓸勇省V波器的類型、截止頻率以及加速度閾值進行設(shè)置。位移監(jiān)測測試效果如圖8所示，可根據(jù)參數(shù)設(shè)置監(jiān)測顯示位移信號的趨勢圖、位移數(shù)值、統(tǒng)計波形。

圖7 振動監(jiān)測結(jié)果

圖8 位移監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)束語

文中根據(jù)橋梁監(jiān)測的通用需求，開發(fā)了一套基于LabVIEW軟件平臺和NI硬件平臺的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)功能準(zhǔn)確、可靠、易拓展，采用面板式操作和顯示，分析結(jié)果直觀，操作簡單，具有較好的人機界面交互功能。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究工作雖然以及歷經(jīng)了半世紀(jì)之久，但目前仍然處于應(yīng)用和推廣的初級階段，研究的主要內(nèi)容是針對系統(tǒng)在軟硬件實現(xiàn)過程中的研究和分析。隨著自組織網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)處理以及傳感技術(shù)的不斷進步，位于橋梁監(jiān)測前端的傳感器網(wǎng)絡(luò)和后期的數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)仍有大量的改善空間，推動橋梁監(jiān)測系統(tǒng)向著更加智能、便捷、快速、準(zhǔn)確的方向發(fā)展。

致謝:感謝成都市科技惠民計劃項目(13Z130)對本文的資助

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