基于CompactRIO的大型桥梁结构安全监测系统研究

作者：中交公路规划设计院有限公司  周兵    孙小飞   

应用领域：远程结构监测、分布式数据采集、数字化桥梁

挑战：大跨径特大型桥梁是一个分布式、非线性、强耦合、多变量和时变性复杂的系统，对其结构参数的验证与分析是一项庞大的工程。国内首次将CompactRIO分布式采集系统成功应用到大跨径特大型桥梁的结构监测中去，通过先进的自动化测试技术，对大桥的静/动态响应、动态交通荷载、环境荷载等信号进行实时、精确同步的测量和分析，为实时监测结构损伤及内力状态，有效的掌控运营期桥梁的结构使用状态及其发展演化趋势，并为制定相应的大桥管理对策提供技术支持建立桥梁全寿命期的数字化、信息化“档案”提供了科学依据。

应用方案：基于CompactRIO的可重配置平台和丰富的信号采集模块，利用NI LabVIEW FPGA开发一套适用于整个大桥结构监测的分布式信号采集系统。同时，结合NI LabVIEW提供的大量经典的信号处理函数和现代的高级信号分析工具，迅速、准确的完成结构参数的在线分析和二次处理，为大跨径特大型桥梁综合监测系统有关数据采集传输预处理与控制的建立提供了一套完备而系统的方案。



一． 引言

随着桥梁设计水平和施工技术的日见成熟，桥梁的建设取得了突破性的成就，一批大跨径桥梁应运而生，桥梁建设正朝着规模的大型化、形式的轻柔化、功能的复杂化发展。同时，桥梁结构的安全性与耐久性越来越受到人们的高度重视，有关大型桥梁的结构健康监测、安全评估以及寿命预测等问题已经成为当前桥梁工程界必须解决的问题。目前，随着传感测试技术、计算机信息处理技术、结构分析技术和桥梁工程技术等相关学科的进一步发展，针对特大型桥梁结构的安全监测与安全预警研究和实践成为可能。原本应用于军事领域的先进智能材料与结构技术，也在桥梁结构健康监测领域得到应用，使得对大型桥梁结构进行健康监测的技术总体上正朝着智能化和系统化的方向发展。

二．集美大桥的系统背景与设计原则

厦门集美大桥及接线工程是厦门市城市道路交通网络布局中本岛与大陆腹地跨海通道的重要组成部分，也是厦门市出岛交通路网规划中重要的跨海通道之一。大桥建成后将承担巨大的出入岛交通流，因此，结构安全监测的重要性就显得格外突出。

系统整体监测项目如下：

1）荷载源监测：主要为桥址区域环境荷载监测：① 风荷载监测；② 温度、湿度监测；③ 控制截面温度梯度监测；④ 交通荷载（与计重收费系统共用）

2）结构动、静态响应监测

①主桥的空间位置变化监测，主要为各跨跨中下挠监测；②主、引桥控制截面静应力监测；③主、引桥体外预应力监测；④主、引桥体内预应力监测；④主、引桥结构动力及振动特性及其变化监测

三．桥梁结构监测安全预警系统的总体设计

根据系统的功能要求本系统包括以下子系统：
1)    自动化传感测试子系统，其包括以下几大模块：
①    传感器子模块
    通过传感器将各类监测转换为电（光）信号。
②    数据采集与传输模块
    将监测信号转换为数字信号并完成远程传输。
③    数据处理与控制模块
    将监测信号进行预处理以向其它子系统提供有效的监测数据，根据需要控制监测参数的采集。
以上3部分构成自动化传感测试子系统。

2)    电子化人工巡检养护管理子系统

3)    综合安全评估子系统

4)    中心数据库子系统

5)    用户界面子系统

其结构示意图如图1所示：


图1桥梁结构安全监测系统结构示意图

接下来将重点介绍监测系统的数据采集、传输、预处理与控制的子系统。

1.    自动化传感测试子系统各类信号采集、处理方案

整个系统共设置3个cRIO采集站。采集站在左右两幅桥各布置一个，BRT桥布置一个。
实现的采集工作包括加速度同步采集压力变送器、温湿度仪、风速仪、振弦式应力计、磁通量索力计信号和串口信号的采集。这些传感器输出信号种类多种多样，大大增加了采集系统构筑的难度。系统针对不同类型的传感器，选用合适的采集设备和方案。系统结构组成如图2所示。


图2 自动化传感子系统结构示意图

cRIO可编程工业I/O系统具有嵌入式控制器和机箱，选配多种功能的信号采集卡，完全工业级的设计。
* 采用的cRIO控制器NI9014为嵌入式控制器。
* 采用的cRIO机箱NI-9104为8槽嵌入式机箱，具有-40-70°C的操作温度范围，3百万可重新配置I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的处理能力，使用LabVIEW自动生成自定义控制和信号处理电路。
* 采用cRIO的4通道高速同步数据采集卡NI-9215对于单向和三向加速度计进行电压信号采集。
* NI-9401八通道高速数字I/O信号，100ns超高速数字输入输出，用于加速度同步。
* NI-9871标准RS485通讯卡，磁通量传感器采用磁弹仪进行采集，其输出为485信号，接入NI-9871。
* NI-9871标准RS485通讯卡，超声波三向风速仪直接输出485信号，接入标准RS485通讯卡NI-9871。
* NI-9203采用8通道模拟电流采集模块，压力变送器和温湿度仪输出信号分别为4-20mA电流，对于这类输出为标准电流信号的传感器接入NI-9203。
* 光纤光栅温度传感器与应变传感器采用光纤光栅传感网络分析仪进行采集，其输出为以太网信号。

本系统的监测项目梁体振动加速度需要较好的同步性和实时性，我们采用GPS精确授时技术、在每个采集站安装GPS时钟接收机，借助NI-9401 100ns超高速数字同步卡，通过软件方法和采集策略的配置保证加速度数据采集的同步性。

2.  数据采集传输与控制

采集站实现的采集工作于LabVIEW-RT实时系统环境下，在终端硬件的支持下主要完成对信号数据的采集和传输。用户一般不直接与其进行交互，但其提供一系列的标准接口和命令与用户所在的控制终端、监测终端和数据存储终端进行交互。采集站状态与控制如图3所示。
数据处理与控制系统服务器通过向cRIO采集站发送网络命令报文实现数据采集和控制功能：

1)    控制传感器启动、停止数据采集；
2)    查询传感器和采集单元、调理器、其它采集设备的工作状态；
3)    查看、修改采集单元和调理器的参数，标签等信息；
4)    通过修改配置文件上传至采集站实现采集任务、存储任务的配置和更改。


图3 数据采集站状态与控制界面

3.    数据处理与控制模块

采集系统收集到的数据必须经过数据处理与控制模块（子系统）对其进行预处理方能够提交给后续子系统使用。本子系统由数据采集控制模块，数据分类、抽取模块，监测数据库及用户界面4部分组成。系统关系结构如图4所示。


图4 数据采集、处理与控制子系统关系结构图

1)    反映结构状态的特征参数确定及其提取方案

结构状态特征参数是指能够反映结构特征的物理量，比如：挠度，应力，索力等；而传感器－采集系统所获得是传感器的读数，这些读数一般反映的是电信号。将传感器获得的电信号向结构特征参数转换是极其重要的过程。具体流程如图5所示。

a)    传感器电信号向测试物理量的转换

传感器电信号向测试物理量的转换通常利用标定证书提供的曲线或参数可以完成传感器读数向物理量的转换。

b)    测试物理量向结构特征参数的转换

测试物理量向结构特征参数的转换需要其它传感器的配合，需要进行数据的分析处理。

c)    各种参数有效数据的抽取

d)    数字滤波

对于静态数据需要进行活载及风振的过滤，经过过滤后的静态参数将仅包含温度对结构的影响，这种过滤一般可以采用低通滤波的方式，实现的时候可以采用幅值域分析的方式。对于动态参数则应考虑所需要测试的频率范围进行带通滤波。


图5 数据处理与控制软件流程图

2)    数据存储

a)    数据存储引擎将指定的数据按照时间标签存入数据文件。

每个数据包中包含一个测点（对应一个数据采通道）一段时间（定为1秒）连续采集数据的内容。数据文件的文件名包括以下信息：采样数据开始时间（小时-分-秒）、数据存储模式（数据触发说明）、采样率、数据点数、数据最大值、最小值、均值、方差。文件内容包括各点采样数据。

b)    数据文件的存储策略根据数据存储模式的不同而异，具体如下：

间断存储时，每个通道每段连续的信号数据保存为一个文件；触发存储时，被触发的每个通道每段连续的信号数据保存为一个文件；人工连续存储时，如果某通道要保存的连续数据很大，根据数据文件的大小，可以每10分钟自动更换一个文件保存；根据硬盘空间的大小，自动删除部分（一周）以前的数据文件。