0407应用NI技术快速构建土木工程在线监测系统解决方案

应用NI技术快速构建土木工程在线监测系统解决方案作者：李涛职务：软件工程师单位：清华大学深圳研究生院应用领域：研究开发使用的产品：cFP-2020CompactFieldPoint控制器模块cFP-AI-110CompactFieldPoint模拟输入模块cFP-TC-120CompactFieldPoint热电偶输入模块cFP-SG-140CompactFieldPoint应变片输入模块PXI-1052PXI与SCXI复合机箱PXI-8186PXI控制器PXI-6220M系列多功能数据采集板卡SCXI-1520应变片调理模块SCXI-1530加速度输入调理模块LabVIEW7.1图形化集成开发环境挑战：将众多采集设备集成到一个开放平台下，统一进行数据采集，并需要有一便捷的工具来快速地构建信号计算处理模型。在室外无人执守的条件下，要保证系统能长期稳定运行，并需要具备一定的故障自恢复能力。同时整个系统要具备很好的灵活性以及软硬件的兼容性，传统的土木工程安全监测解决方案大多是定制的方案，不利于系统本身的扩展也不利于整个方案推广到其它类似的系统上。应用方案：应用NI的CompactFieldPoint、PXI硬件，以LabVIEW为软件平台，开发一套桥梁监测系统，对深圳大学城内某在役桥梁进行了实时的安全监测。这样一套以虚拟仪器技术为核心的方案具有很好的扩展性和移植性，同时NI公司软硬件的无缝集成更为整个系统的开发提供了很大便利，并且运行实时操作系统的平台提高了系统的实时性和稳定性。介绍：土木工程监测具有监测点多、分布广、环境影响因素复杂等特点。应用NI的CompactFieldPoint系列分布式测控模块实现对应变、温度等静态参数的精确测量，具体来说，本系统中使用了AI-110、TC-120、SG-140分别对钢筋锈蚀传感器、热电偶、混凝土应变的信号进行采集。而对于振弦式传感器读数仪与光纤光栅解调仪，可以通过cFP-2020主控模块提供的RS232/485接口，代替PC机来控制；应用PXI模块化采集硬件实现对振动、加速度等动态参数测量，具体设计上，采用NIPXI-1052PXI/SCXI组合机箱，将PXI-8186控制器、PXI-6220采集卡、SCXI-1520、SCXI-1530信号调理模块集中到一个机箱里，组成一个基于Windows的测量平台。并应用LabVIEW信号分析处理工具对采集信号进行计算处理，作为评估结构安全的依据。正文：1系统综述土木工程的安全性受它本身的材料特性、力学特性以及所处的环境影响。土木工程安全监测系统是一个实现包括数据采集、数据分析管理、智能决策等多种功能的庞大系统。数据采集是整个系统最基础的功能。土木结构安全监测系统的数据采集通常包括静态监测和动态测量。静态监测通常是不间断进行的；动态测试的周期可根据结构的实际状况来确定。介于以上的需求，需要一个长期稳定运行的计算机系统对结构的数据进行采集、分析、管理，以此作为评定结构安全性依据。为达到此要求，采集设备必须能在野外恶劣环境下长期稳定工作，并要保证采集数据的可靠性；软件一方面能以统一模式管理从众多传感器采集来的数据，另一方面要能根据不同工程的需要迅速重新构建数据采集、分析子系统。NI的CompactFieldPoint是坚固和可靠的平台，其主控模块运行RT操作系统，确保系统能长期稳定运行；并且提供了丰富的通讯接口，通过LabVIEWRT开发应用，能控制现场的光纤仪、振弦仪工作。PXI同样是可运行RT系统的牢固的模块化平台，其精确的定时和触发功能确保了大型结构测量时多个测点同步采样，并且有丰富的SCXI信号调理模块供选用。本系统以cFP为核心构建静态监测模块，以PXI为核心构建动态测试模块，组合成一个桥梁安全监测的数据采集系统，实现采集数据到实时数据库。静态监测系统以长期在线的形式运行，主要目的是获取运营的土木结构随时间变化的状态数据；而动态测试主要是为了在结构出现损伤后对其损伤进行识别和鉴定。系统中统一以标签来管理数据，将采集来的原始数据和经过信号处理后的计算数据分为模拟量、数字量、波(模拟量序列)进行数据库存取。而在数据处理模块中则使用LabVIEW开发了多种计算分析模型用于分析结构特性。系统结构请参照图1、图2。图1系统物理结构示意图图2系统逻辑示意图2基于CompactFieldPoint的静态监测在本系统中，静态监测的内容包括混凝土的渗透、钢筋锈蚀、混凝土构件的应力应变及开裂状况。用于土木工程监测的传感器通常分三类：光纤光栅传感器、振弦式传感器和传统的基于电信号的传感器。根据监测位置及物理对象的不同，三种传感器均有所用，而对每种传感器均有其专用的采集仪。光纤传感器测量精度高，抗腐蚀性强，比较适用于埋入结构内部，进行分布式温度、应变监测；振弦传感器抗干扰性强，可重复性好，成本相对较低，常用在结构监测的位移、应变测量上；而电子传感器则在测量动态信号时具有不可替代的作用，此外大部分化学传感器输出也是电信号。NI的CompactFieldPoint提供了多种IO模块，本系统中使用了AI-110、TC-120、SG-140分别对钢筋锈蚀传感器、热电偶、混凝土应变的信号进行采集。而对于振弦式传感器读数仪与光纤光栅解调仪，可以通过cFP-2020主控模块提供的RS232/485接口，代替PC机来控制。cFP-2020上运行了RT操作系统，应用LabVIEWVISA串口驱动，开发一个仪器的通讯程序，如此，所有采集仪的数据便汇总到cFP-2020主控模块。cFP-2020还提供了以太网接口，可以很方便地将数据传送到监控中心的计算机。cFP系统的硬件实物图如图3所示。图3运行RT系统的CompactFieldPoint模块LabVIEWRT中提供了多种网络通讯方式，像DataSocket、TCP、UDP、SMTP，此外还可通过共享内存的方式与主机交换数据。本系统中使了TCP的方式，cFP-2020作为TCP客户端，与监控中心主机TCPServer建立连接后，将采集到的数据封装成XML文档，通过该TCP连接发送到主机。cFP-2020带有一个CompactFlash槽，可插入一块512M的存储卡，如果由于网络故障暂时不能将数据传到主机，可将数据以文件形式存储在Flash上，网络通讯恢复时由将其发送到主机，确保数据不丢失。cFP-2020内置了看门狗，设备在发生运行故障时可自行重启，有效提高了系统长期监测的可靠性。通过安装LabVIEWRT，可在运行Windows的主机上，LabVIEW环境下，运用开发Windows程序的方法，来开发cFP所需的实时软件，而不需要了解RT系统更多的细节。如此，通过更可靠的RT系统，实现了与PC机同样灵活的功能，而在软件开发上还是相当地容易。本系统静态监测部分的软件界面如图4所示。图4实时监测数据3基于PXI的动态测试土木结构的动态测试的目的是诊断结构损伤的程度和位置。桥梁的动态测试主要包括桥跨结构自振特性和桥跨结构在载荷作用下强迫振动特性测量。此外某些桥梁的局部构件也需进行自振特性测量，例如斜拉桥的索，钢梁桥的钢桁梁等。桥梁的动态测试通常需要多个点同步进行，各点间的相位误差要控制在一个较小范围内。同时需要有相应的触发信号控制采集仪在产生激励后开始采样。PXI结合高速PCI总线和专为测量与自动化应用设计的完整的定时和触发功能，为结构动态测试提供了一个高效的、易用的平台。NI提供了众多PXI模块，来满足用户搭建自己的PXI测试系统。本系统采用NIPXI-1052PXI/SCXI组合机箱，将PXI-8186控制器、PXI-6220采集卡、SCXI-1520、SCXI-1530信号调理模块集中到一个机箱里，组成一个基于Windows的测量平台。PXI-6220是NI新推出的M系列采集卡，由于采用了NI-STC2定时控制技术，使得多通道测量能达到一个较好的同步要求，如需更高要求的同步，可采用每通道配置一个ADC的S系列同步数据采集卡。硬件系统构成实物图如图5所示。图5PXI模块化测试仪系统使用了八个速度型低频振动传感器测量桥梁的自振特性，该传感器输出信号为+/-10V电压信号，测量频率范围0.35-50Hz，直接接到PXI-6220数据采集卡。采用脉动法，激励信号为随机的环境激励，不需要触发，由软件启动，每次测试以200Hz的采样频率采集600s的波形。直接使用LabVIEW的DAQAssistant生成一个采集任务。桥梁在载荷作用下强迫振动测试需要测量桥跨的动挠度和应变，挠度测量采用位移型低频振动传感器，连接到PXI-6220采集卡；应变测量采用电阻应变桥，接到SCXI-1520应变调理模块。采用数字触发方式，由红外车辆探测器产生的数字信号控制采集启停。另外使用了四支MA21型加速度传感器进行了钢桁梁自振特性测试，MA21输出为IEPE工业标准信号，直接接到SCXI-1530加速度输入模块，测试方法与桥梁自振测试相同。采样频率设为200Hz。使用LabVIEW开发一个测试程序，由于有新的设备驱动DAQmx和LabVIEWExpressVI支持，开发变得非常简单。本系统的动态测试部分软件设计为一个C/S结构，运行于PXI控制器的是一个测试服务程序，可以本地操作，也可能由远程的客户端软件控制进行测量。动态测试远程控制端界面如图6所示：图6动态测试远程控制端界面4动态信号处理桥梁结构动态测量的信号处理涉及到的内容比较广泛，在此只作简单陈述。传统的结构诊断采用基于傅利叶变换的频谱分析方法，从测得的动态信号中提取结构的模态参数，如固有频率、振型、阻尼比等等，也可以通过微积分运算获取结构的应力应变参数。不同的参数在鉴定结构损伤程度的有效性上有明显的差别。LabVIEW提供了数百个测量分析函数，能根据研究需要，迅速地建立相应的分析计算模型，验证结构诊断方法的有效性。近年来，兴起了基于小波分析的结构健康诊断方法，由于其能从时频两域表征信号的局部特征，识别正常信号与异常信号间的细微差别，因此特别适合结构损伤的诊断。NI在SignalProcessingTool包里提供了用LabVIEW实现小波变换的工具。5总结长期无人执守的在线监测需要控制设备运行RT操作系统，CompactFieldPoint、PXI、CompactRIO均提供了RT控制器确保系统能可靠运行。PXI对于结构动态测试有不可取代的优势，尤其在大型桥梁测试中，具有定时和触发特性的PXI系统可提供多达5000个通道同步测量，且相位误差在1KHz时小于0.1度。对于在恶劣环境下小型的结构测量，可考虑使用NI新推出的CompactRIO产品。LabVIEW在测试测量方面的专长和与PXI、cFP的无缝集成，使得整个系统开发变得非常高效，而且此套基于虚拟仪器的解决方案能够很灵活地重构。与传统的以硬件为核心的测量仪器相比，采用以软件为核心的虚拟仪器解决方案，明显减少系统的开发周期及成本，提高了整个系统的扩展性与可移植性，从而满足了工程安全监测不断变化的数据采集技术需求。