基于NI cRIO的多通道强震动监测与报警系统开发

挑战：系统在高动态范围、高计时精度、高频谱纯度和多通道设计上，具有一定的难度；在FPGA上，GPS同步、数字降采样、标定信号的多路转换控制和多种复杂的触发策略的实现极具挑战性；在数据接口中， miniSEED地震数据包的封装和基于NetSeisIP地震数据流的通信又是一个难点；在数据分析上，既可以分析信号的时域指标，又可进行频谱分析和时频谱分析并综合数据处理结果进行强震动报警。

应用方案：利用NI公司的cRIO模块和LabVIEW 8.6集成开发软件快速构建软硬件平台，进行多通道强震动监测与报警系统开发，实现地震动信号调理、数据采集、时钟同步、数据压缩传输、数据实时分析、数据离线分析、健康诊断、突发性震动破坏事件报警、网络通信和仪器控制等功能。数据采集器的终端软件采用Sever和Client两种模式并行工作，在广东虎门大桥的地震反应专用台阵的应用中，一方面将采集到的36通道震动信号，实时封装成miniSEED地震数据包，以Client方式，按照NetSeisIP协议发送到路桥公司的数据中心服务器，再由其它地震专业处理模块进行互相关处理；另一方面，数据采集器作为Sever，监听数据中心上位机通信分析软件的各项功能请求并作出相关响应，实现对大桥的强震动监测与报警。

使用的产品：

LabVIEW 8.6软件开发平台
cRIO-9014嵌入式实时控制器
cRIO-9104 cRIO背板
cRIO-9205 模拟输入模块
cRIO-9263 模拟输出模块
cRIO-9401 高速数字IO模块

介绍：

目前，从国外整套进口的地震反应专用台阵的数据采集设备，其性价比和功能已经不能很好满足国内的需要。通过多方选型，决定采用NI 的cRIO搭建硬件平台，使用LabVIEW8.6自主进行多通道强震动监测与报警系统开发。

NI cRIO是一款高级嵌入式控制和采集系统，具有耐久较好、功耗较低等特点。借助NI cRIO，我们低成本、短周期、高可靠地开发了采集系统。系统中的数据触发存储功能更为强大和专业，支持地震业界标准的文件格式，全面满足地震信号处理与分析的专业要求。在NI平台上实现的地震业界通用的数据交换格式miniSEED的实时打包，并且基于NetSeisIP地震数据流的通信协议传输数据，更具创新性。

“基于NI cRIO的多通道强震动监测与报警系统”已经在广东虎门大桥的地震反应专用台阵上投入使用，初见成效。

1、项目背景

随着我国经济建设步伐的加快，地震对社会和经济的影响更显突出，建设高密度数字强震台网、台阵和系列配套软硬件，已成为减轻地震灾害的重要举措，已受到政府高度重视。“十五”期间，国家在在21个国家地震重点监视防御区内建设了1160个固定自由场强震动观测台，在全国建设了活断层影响、地震动衰减、场地地形影响、大型桥梁、水库大坝、典型建筑结构等12个地震反应专用台阵，但是这方面的数据采集设备几乎全部依靠整套进口，承受着昂贵的费用负担和技术约束，在一定程度上制约了我国防震减灾和社会经济的发展。

我们国家经过30年改革开放的飞速发展，修建了大量的重大工程、生命线工程(机场、港口、燃气枢纽、供水管道、海洋平台等)、超高层建筑(电视塔、商务中心等)和特殊结构(地铁、新型桥梁、大坝、核电站等)，而这些工程的地震反应专用台阵的布设甚少，工程建筑结构物的健康诊断和突发性震动破坏报警技术没有得到深层次的发展与应用，远远跟不上社会经济发展的速度，满足不了时代发展的需求。

我们非常迫切需要研制一套集振动信号检测、数据采集、数据传输与分析、工程建筑结构物的健康诊断和突发性震动破坏事件报警技术等功能于一体的“多通道强震动监测与报警系统”。该系统的研制成功，将减轻费用的负担，形成拥有自主知识产权的软件产品，更好地满足社会经济发展的需要。通过部署这套系统到重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构上，将获取丰富的结构抗震性能信息、提高结构分析和设计水平，将能实时地对工程建筑结构物的健康进行诊断。特别是在遇到突发性震动破坏事件时，能对重大工程、生命线工程实行监测报警，及时采取应急措施，进而减轻突发性破坏事件造成的经济损失、人员伤亡。

“多通道强震动监测与报警系统”，将能加速科技成果转化、形成产业化，为全国的重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构的抗震设防、健康诊断和破坏性震动事件预警提供更为准确和可靠的科学依据。

2、强震动监测与报警系统组成

“基于NI cRIO的多通道强震动监测与报警系统”是针对重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构远程实时长期地开展强震动监测和分析其健康状况而设计的，能够以分布式布设，也可以作为单一监测系统独立工作。系统由地震观测站点、专线网络和数据中心三大部分构成，如图 1所示。地震观测站点则由数据采集器、加速度计、供电设备和防雷设施组成，主要进行数据采集和预处理。专线网络提供了地震观测站点到数据中心的通信链路，使数据实时传输和交互通信有了便捷的途径。数据中心主要部署了服务器、客户端等设备。服务器加载了地震数据流模块、数据存储模块、交互分析模块等，负责实时数据的接收与对外分发、数据的存储和交互分析。此外，服务器上还安装了上位机通信控制及分析软件，以Client的方式主动连接远程的数据采集器，启动第二路实时数据流的接收和数据的实时显示、实时处理、实时警报。


图1 强震动监测与报警系统组成