應用技術快速構建土木工程在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案樣本

應用NI技術迅速構建土木工程在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案作者：李濤職務：軟件工程師單位：清華大學深圳研究生院應用領域：研究開發(fā)使用產(chǎn)品：cFP-CompactFieldPoint控制器模塊cFP-AI-110CompactFieldPoint模仿輸入模塊cFP-TC-120CompactFieldPoint熱電偶輸入模塊cFP-SG-140CompactFieldPoint應變片輸入模塊PXI-1052PXI與SCXI復合機箱PXI-8186PXI控制器PXI-6220M系列多功能數(shù)據(jù)采集板卡SCXI-1520應變片調(diào)理模塊SCXI-1530加速度輸入調(diào)理模塊LabVIEW7.1圖形化集成開發(fā)環(huán)境挑戰(zhàn)：將眾多采集設備集成到一種開放平臺下，統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)采集，并需要有一便捷工具來迅速地構建信號計算解決模型。在室外無人執(zhí)守條件下，要保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運營，并需要具備一定故障自恢復能力。同步整個系統(tǒng)要具備較好靈活性以及軟硬件兼容性，老式土木工程安全監(jiān)測解決方案大多是定制方案，不利于系統(tǒng)自身擴展也不利于整個方案推廣到其他類似系統(tǒng)上。應用方案：應用NICompactFieldPoint、PXI硬件，以LabVIEW為軟件平臺，開發(fā)一套橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，對深圳大學城內(nèi)某在役橋梁進行了實時安全監(jiān)測。這樣一套以虛擬儀器技術為核心方案具備較好擴展性和移植性，同步NI公司軟硬件無縫集成更為整個系統(tǒng)開發(fā)提供了很大便利，并且運營實時操作系統(tǒng)平臺提高了系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性。簡介：土木工程監(jiān)測具備監(jiān)測點多、分布廣、環(huán)境影響因素復雜等特點。應用NICompactFieldPoint系列分布式測控模塊實現(xiàn)相應變、溫度等靜態(tài)參數(shù)精準測量，詳細來說，本系統(tǒng)中使用了AI-110、TC-120、SG-140分別對鋼筋銹蝕傳感器、熱電偶、混凝土應變信號進行采集。而對于振弦式傳感器讀數(shù)儀與光纖光柵解調(diào)儀，可以通過cFP-主控模塊提供RS232/485接口，代替PC機來控制；應用PXI模塊化采集硬件實現(xiàn)對振動、加速度等動態(tài)參數(shù)測量，詳細設計上，采用NIPXI-1052PXI/SCXI組合機箱，將PXI-8186控制器、PXI-6220采集卡、SCXI-1520、SCXI-1530信號調(diào)理模塊集中到一種機箱里，構成一種基于Windows測量平臺。并應用LabVIEW信號分析解決工具對采集信號進行計算解決，作為評估構造安全根據(jù)。正文：1系統(tǒng)綜述土木工程安全性受它自身材料特性、力學特性以及所處環(huán)境影響。土木工程安全監(jiān)測系統(tǒng)是一種實現(xiàn)涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析管理、智能決策等各種功能龐大系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)最基本功能。土木構造安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集普通涉及靜態(tài)監(jiān)測和動態(tài)測量。靜態(tài)監(jiān)測普通是不間斷進行；動態(tài)測試周期可依照構造實際狀況來擬定。介于以上需求，需要一種長期穩(wěn)定運營計算機系統(tǒng)對構造數(shù)據(jù)進行采集、分析、管理，以此作為評估構造安全性根據(jù)。為達到此規(guī)定，采集設備必要能在野外惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，并要保證采集數(shù)據(jù)可靠性；軟件一方面能以統(tǒng)一模式管理從眾多傳感器采集來數(shù)據(jù)，另一方面要能依照不同工程需要迅速重新構建數(shù)據(jù)采集、分析子系統(tǒng)。NICompactFieldPoint是結實和可靠平臺，其主控模塊運營RT操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運營；并且提供了豐富通訊接口，通過LabVIEWRT開發(fā)應用，能控制現(xiàn)場光纖儀、振弦儀工作。PXI同樣是可運營RT系統(tǒng)牢固模塊化平臺，其精準定期和觸發(fā)功能保證了大型構造測量時各種測點同步采樣，并且有豐富SCXI信號調(diào)理模塊供選用。本系統(tǒng)以cFP為核心構建靜態(tài)監(jiān)測模塊，以PXI為核心構建動態(tài)測試模塊，組合成一種橋梁安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)到實時數(shù)據(jù)庫。靜態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以長期在線形式運營，重要目是獲取運營土木構造隨時間變化狀態(tài)數(shù)據(jù)；而動態(tài)測試重要是為了在構造浮現(xiàn)損傷后對其損傷進行辨認和鑒定。系統(tǒng)中統(tǒng)一以標簽來管理數(shù)據(jù)，將采集來原始數(shù)據(jù)和通過信號解決后計算數(shù)據(jù)分為模仿量、數(shù)字量、波(模仿量序列)進行數(shù)據(jù)庫存取。而在數(shù)據(jù)解決模塊中則使用LabVIEW開發(fā)了各種計算分析模型用于分析構造特性。系統(tǒng)構造請參照圖1、圖2。圖1系統(tǒng)物理構造示意圖圖2系統(tǒng)邏輯示意圖2基于CompactFieldPoint靜態(tài)監(jiān)測在本系統(tǒng)中，靜態(tài)監(jiān)測內(nèi)容涉及混凝土滲入、鋼筋銹蝕、混凝土構件應力應變及開裂狀況。用于土木工程監(jiān)測傳感器普通分三類：光纖光柵傳感器、振弦式傳感器和老式基于電信號傳感器。依照監(jiān)測位置及物理對象不同，三種傳感器均有所用，而對每種傳感器均有其專用采集儀。光纖傳感器測量精度高，抗腐蝕性強，比較合用于埋入構造內(nèi)部，進行分布式溫度、應變監(jiān)測；振弦傳感器抗干擾性強，可重復性好，成本相對較低，慣用在構造監(jiān)測位移、應變測量上；而電子傳感器則在測量動態(tài)信號時具備不可代替作用，此外大某些化學傳感器輸出也是電信號。NICompactFieldPoint提供了各種IO模塊，本系統(tǒng)中使用了AI-110、TC-120、SG-140分別對鋼筋銹蝕傳感器、熱電偶、混凝土應變信號進行采集。而對于振弦式傳感器讀數(shù)儀與光纖光柵解調(diào)儀，可以通過cFP-主控模塊提供RS232/485接口，代替PC機來控制。cFP-上運營了RT操作系統(tǒng)，應用LabVIEWVISA串口驅(qū)動，開發(fā)一種儀器通訊程序，如此，所有采集儀數(shù)據(jù)便匯總到cFP-主控模塊。cFP-還提供了以太網(wǎng)接口，可以很以便地將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心計算機。cFP系統(tǒng)硬件實物圖如圖3所示。圖3運營RT系統(tǒng)CompactFieldPoint模塊LabVIEWRT中提供了各種網(wǎng)絡通訊方式，像DataSocket、TCP、UDP、SMTP，此外還可通過共享內(nèi)存方式與主機互換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中使了TCP方式，cFP-作為TCP客戶端，與監(jiān)控中心主機TCPServer建立連接后，將采集到數(shù)據(jù)封裝成XML文檔，通過該TCP連接發(fā)送到主機。cFP-帶有一種CompactFlash槽，可插入一塊512M存儲卡，如果由于網(wǎng)絡故障暫時不能將數(shù)據(jù)傳到主機，可將數(shù)據(jù)以文獻形式存儲在Flash上，網(wǎng)絡通訊恢復時由將其發(fā)送到主機，保證數(shù)據(jù)不丟失。cFP-內(nèi)置了看門狗，設備在發(fā)生運營故障時可自行重啟，有效提高了系統(tǒng)長期監(jiān)測可靠性。通過安裝LabVIEWRT，可在運營Windows主機上，LabVIEW環(huán)境下，運用開發(fā)Windows程序辦法，來開發(fā)cFP所需實時軟件，而不需要理解RT系統(tǒng)更多細節(jié)。如此，通過更可靠RT系統(tǒng)，實現(xiàn)了與PC機同樣靈活功能，而在軟件開發(fā)上還是相本地容易。本系統(tǒng)靜態(tài)監(jiān)測某些軟件界面如圖4所示。圖4實時監(jiān)測數(shù)據(jù)3基于PXI動態(tài)測試土木構造動態(tài)測試目是診斷構造損傷限度和位置。橋梁動態(tài)測試重要涉及橋跨構造自振特性和橋跨構造在載荷作用下逼迫振動特性測量。此外某些橋梁局部構件也需進行自振特性測量，例如斜拉橋索，鋼梁橋鋼桁梁等。橋梁動態(tài)測試普通需要各種點同步進行，各點間相位誤差要控制在一種較小范疇內(nèi)。同步需要有相應觸發(fā)信號控制采集儀在產(chǎn)生勉勵后開始采樣。PXI結合高速PCI總線和專為測量與自動化應用設計完整定期和觸發(fā)功能，為構造動態(tài)測試提供了一種高效、易用平臺。NI提供了眾多PXI模塊，來滿足顧客搭建自己PXI測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用NIPXI-1052PXI/SCXI組合機箱，將PXI-8186控制器、PXI-6220采集卡、SCXI-1520、SCXI-1530信號調(diào)理模塊集中到一種機箱里，構成一種基于Windows測量平臺。PXI-6220是NI新推出M系列采集卡，由于采用了NI-STC2定期控制技術，使得多通道測量能達到一種較好同步規(guī)定，如需更高規(guī)定同步，可采用每通道配備一種ADCS系列同步數(shù)據(jù)采集卡。硬件系統(tǒng)構成實物圖如圖5所示。圖5PXI模塊化測試儀系統(tǒng)使用了八個速度型低頻振動傳感器測量橋梁自振特性，該傳感器輸出信號為+/-10V電壓信號，測量頻率范疇0.35-50Hz，直接接到PXI-6220數(shù)據(jù)采集卡。采用脈動法，勉勵信號為隨機環(huán)境勉勵，不需要觸發(fā)，由軟件啟動，每次測試以200Hz采樣頻率采集600s波形。直接使用LabVIEWDAQAssistant生成一種采集任務。橋梁在載荷作用下逼迫振動測試需要測量橋跨動撓度和應變，撓度測量采用位移型低頻振動傳感器，連接到PXI-6220采集卡；應變測量采用電阻應變橋，接到SCXI-1520應變調(diào)理模塊。采用數(shù)字觸發(fā)方式，由紅外車輛探測器產(chǎn)生數(shù)字信號控制采集啟停。此外使用了四支MA21型加速度傳感器進行了鋼桁梁自振特性測試，MA21輸出為IEPE工業(yè)原則信號，直接接到SCXI-1530加速度輸入模塊，測試辦法與橋梁自振測試相似。采樣頻率設為200Hz。使用LabVIEW開發(fā)一種測試程序，由于有新設備驅(qū)動DAQmx和LabVIEWExpressVI支持，開發(fā)變得非常簡樸。本系統(tǒng)動態(tài)測試某些軟件設計為一種C/S構造，運營于PXI控制器是一種測試服務程序，可以本地操作，也也許由遠程客戶端軟件控制進行測量。動態(tài)測試遠程控制端界面如圖6所示：圖6動態(tài)測試遠程控制端界面4動態(tài)信號解決橋梁構造動態(tài)測量信號解決涉及到內(nèi)容比較廣泛，在此只作簡樸陳述。老式構造診斷采用基于傅利葉變換頻譜分析辦法，從測得動態(tài)信號中提取構造模態(tài)參數(shù)，如固有頻率、振型、阻尼比等等，也可以通過微積分運算獲取構造應力應變參數(shù)。不同參數(shù)在鑒定構造損傷限度有效性上有明顯差別。LabVIEW提供了數(shù)百個測量分析函數(shù)，能依照研究需要，迅速地建立相應分析計算模型，驗證構造診斷辦法有效性。近年來，興起了基于小波分析構造健康診斷辦法，由于其能從時頻兩域表征信號局部特性，辨認正常信號與異常信號間細微差別，因而特別適合構造損傷診斷。NI在SignalProcessingTool包里提供了用LabVIEW實現(xiàn)小波變換工具。5總結長期無人執(zhí)守在線監(jiān)測需要控制設備運營RT操作系統(tǒng)，CompactFieldPoint、PXI、CompactRIO均提供了RT控制器保證系統(tǒng)能可靠運營。PXI對于構造動態(tài)測試有不可取代優(yōu)勢，特別在大型橋梁測試中，具備定期和觸發(fā)特性PXI系統(tǒng)可提供多達500