作者：周  兵    孫小飛    中交公路規劃設計院有限公司    

應用領域：遠程結構監測
、分布式數據采集
、數字化橋梁
 
挑戰：大跨徑特大型橋梁是一個分布式、非線性、強耦合、多變量和時變性複雜的係統
，對其結構參數的驗證與分析是一項龐大的工程。國內首次將 CompactRIO 分布式采集係統成功應用到大跨徑特大型橋梁的結構監測中去
，通過先進的自動化測試技術，對大橋的靜/動態響應
、動態交通荷載、環境荷載等信號進行實時、精(jing)確(que)同(tong)步(bu)的(de)測(ce)量(liang)和(he)分(fen)析(xi)，為(wei)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)結(jie)構(gou)損(sun)傷(shang)及(ji)內(nei)力(li)狀(zhuang)態(tai)
，有(you)效(xiao)的(de)掌(zhang)控(kong)運(yun)營(ying)期(qi)橋(qiao)梁(liang)的(de)結(jie)構(gou)使(shi)用(yong)狀(zhuang)態(tai)及(ji)其(qi)發(fa)展(zhan)演(yan)化(hua)趨(qu)勢(shi)，並(bing)為(wei)製(zhi)定(ding)相(xiang)應(ying)的(de)大(da)橋(qiao)管(guan)理(li)對(dui)策(ce)提(ti)供(gong)技(ji)術(shu)支(zhi)持(chi)建(jian)立(li)橋(qiao)梁(liang)全(quan)壽(shou)命(ming)期(qi)的(de)數(shu)字(zi)化(hua)
、信息化“檔案”提供了科學依據。
 
應用方案：基於 CompactRIO的可重配置平台和豐富的信號采集模塊，利用 NI LabVIEW FPGA開發一套適用於整個大橋結構監測的分布式信號采集係統。同時，結合 NI LabVIEW 提供的大量經典的信號處理函數和現代的高級信號分析工具，迅速、準zhun確que的de完wan成cheng結jie構gou參can數shu的de在zai線xian分fen析xi和he二er次ci處chu理li，為wei大da跨kua徑jing特te大da型xing橋qiao梁liang綜zong合he監jian測ce係xi統tong有you關guan數shu據ju采cai集ji傳chuan輸shu預yu處chu理li與yu控kong製zhi的de建jian立li提ti供gong了le一yi套tao完wan備bei而er係xi統tong的de方fang案an。
 
使用的產品：
LabVIEW 8.2 軟件開發平台
LabVIEW RT 8.2實時模塊
LabVIEW FPGA 8.2工具包
LabVIEW Internet Toolkit 6.0工具包
LabVIEW.Database.Connectivity.Toolkit.v1.0.2 工具包
Measurement Studio 6.0類庫和控件庫
CompactRIO-9104可重新配置嵌入式機箱
CompactRIO-9014嵌入式控製器
CompactRIO-9401高速同步計時卡
CompactRIO-9215高速電壓信號采集模塊
CompactRIO-9871標準串口轉換模塊
CompactRIO-9203模擬電流采集模塊

正文： 
一．  引言
    隨著橋梁設計水平和施工技術的日見成熟，橋梁的建設取得了突破性的成就，一批大跨徑橋梁應運而生，橋梁建設正朝著規模的大型化、形式的輕柔化
、功能的複雜化發展。同時，橋梁結構的安全性與耐久性越來越受到人們的高度重視，有關大型橋梁的結構健康監測、安全評估以及壽命預測等問題已經成為當前橋梁工程界必須解決的問題。目前

，隨著傳感測試技術、計算機信息處理技術、結(jie)構(gou)分(fen)析(xi)技(ji)術(shu)和(he)橋(qiao)梁(liang)工(gong)程(cheng)技(ji)術(shu)等(deng)相(xiang)關(guan)學(xue)科(ke)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)發(fa)展(zhan)
，針(zhen)對(dui)特(te)大(da)型(xing)橋(qiao)梁(liang)結(jie)構(gou)的(de)安(an)全(quan)監(jian)測(ce)與(yu)安(an)全(quan)預(yu)警(jing)研(yan)究(jiu)和(he)實(shi)踐(jian)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。原(yuan)本(ben)應(ying)用(yong)於(yu)軍(jun)事(shi)領(ling)域(yu)的(de)先(xian)進(jin)智(zhi)能(neng)材(cai)料(liao)與(yu)結(jie)構(gou)技(ji)術(shu)，也(ye)在(zai)橋(qiao)梁(liang)結(jie)構(gou)健(jian)康(kang)監(jian)測(ce)領(ling)域(yu)得(de)到(dao)應(ying)用(yong)，使(shi)得(de)對(dui)大(da)型(xing)橋(qiao)梁(liang)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)健(jian)康(kang)監(jian)測(ce)的(de)技(ji)術(shu)總(zong)體(ti)上(shang)正(zheng)朝(chao)著(zhe)智(zhi)能(neng)化(hua)和(he)係(xi)統(tong)化(hua)的(de)方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)。

二．集美大橋的係統背景與設計原則
    廈sha門men集ji美mei大da橋qiao及ji接jie線xian工gong程cheng是shi廈sha門men市shi城cheng市shi道dao路lu交jiao通tong網wang絡luo布bu局ju中zhong本ben島dao與yu大da陸lu腹fu地di跨kua海hai通tong道dao的de重zhong要yao組zu成cheng部bu分fen，也ye是shi廈sha門men市shi出chu島dao交jiao通tong路lu網wang規gui劃hua中zhong重zhong要yao的de跨kua海hai通tong道dao之zhi一yi。大da橋qiao建jian成cheng後hou將jiang承cheng擔dan巨ju大da的de出chu入ru島dao交jiao通tong流liu
，因yin此ci，結jie構gou安an全quan監jian測ce的de重zhong要yao性xing就jiu顯xian得de格ge外wai突tu出chu。
 

係統整體監測項目如下：
1）荷載源監測：主要為橋址區域環境荷載監測：① 風荷載監測；② 溫度
、濕度監測；③ 控製截麵
溫度梯度監測；④ 交通荷載（與計重收費係統共用）
2）結構動、靜態響應監測
①主橋的空間位置變化監測

，主要為各跨跨中下撓監測；②主、引橋控製截麵靜應力監測

；③主
、引橋體外預應力監測；④主、引橋體內預應力監測
；④主
、引橋結構動力及振動特性及其變化監測
 
三．  橋梁結構監測安全預警係統的總體設計
    根據係統的功能要求本係統包括以下子係統： 
    1)  自動化傳感測試子係統
，其包括以下幾大模塊： 
    ① 傳感器子模塊
    通過傳感器將各類監測轉換為電（光）信號。 
    ② 數據采集與傳輸模塊
    將監測信號轉換為數字信號並完成遠程傳輸。 
    ③ 數據處理與控製模塊
    將監測信號進行預處理以向其它子係統提供有效的監測數據，根據需要控製監測參數的采集。
以上 3部分構成自動化傳感測試子係統。
2)  電子化人工巡檢養護管理子係統
3)  綜合安全評估子係統
4)  中心數據庫子係統
5)  用戶界麵子係統
其結構示意圖如圖 1所示：

圖 1 橋梁結構安全監測係統結構示意圖 

    接下來將重點介紹監測係統的數據采集、傳輸
、預處理與控製的子係統。
    1.  自動化傳感測試子係統各類信號采集、處理方案
    整個係統共設置 3個cRIO采集站。采集站在左右兩幅橋各布置一個，BRT橋布置一個。
    實現的采集工作包括加速度同步采集壓力變送器
、溫濕度儀、風速儀、振弦式應力計、磁ci通tong量liang索suo力li計ji信xin號hao和he串chuan口kou信xin號hao的de采cai集ji。這zhe些xie傳chuan感gan器qi輸shu出chu信xin號hao種zhong類lei多duo種zhong多duo樣yang，大da大da增zeng加jia了le采cai集ji係xi統tong構gou築zhu的de難nan度du。係xi統tong針zhen對dui不bu同tong類lei型xing的de傳chuan感gan器qi

，選xuan用yong合he適shi的de采cai集ji設she備bei和he方fang案an。係xi統tong結jie構gou組zu成cheng如ru圖tu 2所示。

圖 2 自動化傳感子係統結構示意圖

    cRIO 可編程工業 I/O 係統具有嵌入式控製器和機箱
，選配多種功能的信號采集卡
，完全工業級的設計。
    *采用的 cRIO控製器 NI9014為嵌入式控製器。 
    *采用的 cRIO機箱 NI-9104 為 8 槽嵌入式機箱
，具有-40-70° C 的操作溫度範圍
，3 百萬可重新配置 I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的處理能力，使用 LabVIEW 自動生成自定義控製和信號處理電路。 
    *采用 cRIO的4通道高速同步數據采集卡 NI-9215對於單向和三向加速度計進行電壓信號采集。 
    *NI-9401八通道高速數字 I/O信號，100ns超高速數字輸入輸出，用於加速度同步。 
    *NI-9871標準 RS485通訊卡，磁通量傳感器采用磁彈儀進行采集，其輸出為 485信號，接入 NI-9871。 
    *NI-9871 標準 RS485 通訊卡
，超聲波三向風速儀直接輸出 485 信號
，接入標準 RS485 通訊卡NI-9871。 
    *NI-9203 采用 8 通道模擬電流采集模塊
，壓力變送器和溫濕度儀輸出信號分別為 4-20mA 電流
，對於這類輸出為標準電流信號的傳感器接入 NI-9203。 
    *光纖光柵溫度傳感器與應變傳感器采用光纖光柵傳感網絡分析儀進行采集
，其輸出為以太網信號。 
    本係統的監測項目梁體振動加速度需要較好的同步性和實時性，我們采用 GPS 精確授時技術
、在每個采集站安裝 GPS 時鍾接收機，借助 NI-9401  100ns 超高速數字同步卡
，通過軟件方法和采集策略的配置保證加速度數據采集的同步性。
2.  數據采集傳輸與控製
    采集站實現的采集工作於 LabVIEW-RT shishixitonghuanjingxia
，zaizhongduanyingjiandezhichixiazhuyaowanchengduixinhaoshujudecaijihechuanshu。yonghuyibanbuzhijieyuqijinxingjiaohu，danqitigongyixiliedebiaozhunjiekouheminglingyuyonghusuozaidekongzhizhongduan

、監測終端和數據存儲終端進行交互。采集站狀態與控製如圖 3所示。
    數據處理與控製係統服務器通過向 cRIO采集站發送網絡命令報文實現數據采集和控製功能： 
    1)  控製傳感器啟動、停止數據采集； 
    2)  查詢傳感器和采集單元、調理器、其它采集設備的工作狀態
； 
    3)  查看、修改采集單元和調理器的參數
，標簽等信息； 
    4)  通過修改配置文件上傳至采集站實現采集任務、存儲任務的配置和更改。 

圖 3 數據采集站狀態與控製界麵 

3.  數據處理與控製模塊 
    采集係統收集到的數據必須經過數據處理與控製模塊（子係統）對其進行預處理方能夠提交給後續子係統使用。本子係統由數據采集控製模塊，數據分類
、抽取模塊，監測數據庫及用戶界麵 4 部分組成。係統關係結構如圖 4所示。

圖 4 數據采集、處理與控製子係統關係結構圖

    1)  反映結構狀態的特征參數確定及其提取方案
    結構狀態特征參數是指能夠反映結構特征的物理量
，比如：撓度
，應力，索力等；而傳感器－caijixitongsuohuodeshichuanganqidedushu，zhexiedushuyibanfanyingdeshidianxinhao。jiangchuanganqihuodededianxinhaoxiangjiegoutezhengcanshuzhuanhuanshijiqizhongyaodeguocheng。jutiliuchengrutu 5所示。 
    a)  傳感器電信號向測試物理量的轉換
    傳感器電信號向測試物理量的轉換通常利用標定證書提供的曲線或參數可以完成傳感器讀數向物理量的轉換。 
    b)  測試物理量向結構特征參數的轉換
    測試物理量向結構特征參數的轉換需要其它傳感器的配合，需要進行數據的分析處理。 
    c)  各種參數有效數據的抽取 
    d)  數字濾波
    duiyujingtaishujuxuyaojinxinghuozaijifengzhendeguolv，jingguoguolvhoudejingtaicanshujiangjinbaohanwenduduijiegoudeyingxiang，zhezhongguolvyibankeyicaiyongditonglvbodefangshi，shixiandeshihoukeyicaiyongfuzhiyufenxidefangshi。duiyudongtaicanshuzeyingkaolvsuoxuyaoceshidepinlvfanweijinxingdaitonglvbo。

    圖5 數據處理與控製軟件流程圖

    2)  數據存儲 
    a)  數據存儲引擎將指定的數據按照時間標簽存入數據文件。 
    每個數據包中包含一個測點（對應一個數據采通道）一段時間（定為 1 秒）連續采集數據的內容。數據文件的文件名包括以下信息：采樣數據開始時間（小時-分-秒）、數據存儲模式（數據觸發說明）、采樣率、數據點數
、數據最大值、最小值

、均值、方差。文件內容包括各點采樣數據。 
    b)  數據文件的存儲策略根據數據存儲模式的不同而異，具體如下： 
    間斷存儲時
，每個通道每段連續的信號數據保存為一個文件；觸發存儲時
，被觸發的每個通道每段連續的信號數據保存為一個文件；人工連續存儲時，如果某通道要保存的連續數據很大，根據數據文件的大小，可以每 10 分鍾自動更換一個文件保存；根據硬盤空間的大小，自動刪除部分（一周）以前的數據文件。

四．  軟件實現與現場成果 
    1.  係統軟件結構 
    軟件係統主要分為兩個部分：  
    1） 數據采集軟件（下位機 FPGA部分） 
    作為基於 LabVIEW 的 RT 實時係統的 FPGA 下位機程序，能夠實時進行大量數據的采集與存儲和控製任務，主要實現加速度
、風、溫度等信號的采樣與降采樣和振動特征值計算、GPS 對時
、定時存儲、采集通道設定等功能。該部分程序燒寫在 FPGA 硬件模塊上
，由 FPGA 硬件進行實現，經過一係列的轉換，最終被編譯為比特流文件，並下載到 FPGA 模(mo)塊(kuai)上(shang)運(yun)行(xing)。多(duo)個(ge)采(cai)集(ji)站(zhan)采(cai)用(yong)統(tong)一(yi)軟(ruan)件(jian)架(jia)構(gou)

，實(shi)現(xian)采(cai)集(ji)任(ren)務(wu)的(de)模(mo)塊(kuai)化(hua)和(he)規(gui)範(fan)化(hua)，多(duo)機(ji)箱(xiang)間(jian)的(de)精(jing)確(que)的(de)同(tong)步(bu)采(cai)集(ji)，同(tong)時(shi)實(shi)現(xian)數(shu)據(ju)的(de)本(ben)地(di)存(cun)儲(chu)。。 
    2） 數據處理與控製軟件（上位機部分） 
    數據傳輸、處理與控製軟件是基於 LabVIEW8.2平台開發的，數據處理與控製工作站軟件平台是基於LabVIEW8.2 平台下的狀態機機製
，通過 TCP 協議實時接收下位機的原始數據與設備工作站的工作狀態
，按照指定報文格式進行數據的接收解譯與命令的發送。同時
，使用 LabVIEW 自帶的信號分析
、數字濾波和統計分析等子 VI，完成結構狀態的特征參數提取工作。數據首先采用自定義結構體包裝，通過 queue隊列形式完成各 VI之間的數據交互，隊列的先進先出機製有效的解決的數據完整性和穩定性。 
    3)  電力監控部分軟件 
    軟件平台采用可視性強、界麵豐富的 NI LabVIEW 平台和數據分析技術，采用標準的數據接口。電力監測軟件為用戶提供一個可視化的監測界麵，讓用戶直觀、方便
、快捷地了解現場傳感器
、UPS、磁彈儀
、采cai集ji器qi的de運yun行xing狀zhuang態tai，並bing根gen據ju數shu據ju分fen析xi的de結jie果guo進jin行xing運yun行xing狀zhuang態tai的de調tiao整zheng和he負fu荷he的de控kong製zhi。用yong戶hu通tong過guo查zha詢xun曆li史shi數shu據ju庫ku，可ke以yi調tiao出chu電dian力li設she備bei的de曆li史shi運yun行xing狀zhuang態tai曲qu線xian，並bing完wan成cheng上shang位wei機ji對dui應ying的de數shu據ju管guan理li功gong能neng。界jie麵mian如ru圖tu 6所示。

圖 6 采集站電力監控界麵

    2.  數據處理與控製軟件界麵
    數據傳輸
、處理與控製軟件主要包括 10 大功能模塊：登錄模塊、采集站配置模塊、存儲任務管理模塊、采集任務管理模塊、傳感器狀態模塊、網絡狀態識別模塊
、數據下載與入庫模塊、電力監控模塊、用戶管理模塊、係統幫助模塊。界麵如圖 7所示。
    3.  數據實時展示與預警軟件界麵
    承台地震動監測項目實時顯示、預警軟件子模塊界麵如圖 8。除了上述各個預警軟件子模塊共有的操作按鈕和顯示控件外，該模塊還有從數據處理與控製服務器傳過來的 1 秒鍾數據包波形圖、安裝截麵位置示意圖、預警燈和信息
，以及當前 1秒鍾加速度時程曲線和自功率譜曲線圖。

圖 8 地震動監測模塊

    偏位監測項目實時顯示

、預警軟件子模塊界麵如圖 9。除了各個預警軟件子模塊共有的操作按鈕和顯示控件外，該模塊還有從數據處理與控製服務器傳過來的 1 秒鍾數據包波形圖、安裝截麵位置示意圖
、預警燈和信息，以及當前縱橫橋向當前的偏位情況實時顯示。

圖 9 偏位子模塊界麵 

    4.  現場成果
    安裝在現場的工作站一共有三個，主要完成就進傳感器的數據收集、整理與傳輸。CRIO 采集模塊首先對安裝在大橋上的各種類型傳感器的信號完成必要的預調理後按一定的采樣頻率進行模數轉換（A/D），同時在數據采集站計算機上保存
，最後各種類型的傳感器的模擬或數字信號經預處理、采集後從現場的數據采集站通過工業以太網有線傳送至位於管理監控中心的數據處理與控製計算機上。具體安裝如圖 10 所示。  

圖10 現場工作站實拍圖片

五．  結論
    從技術角度去講
，NI CompactRIO係統和 LabVIEW 開發環境無縫連接使用戶輕鬆的通過圖形化開發環境訪問底層硬件，快速建立嵌入式係統控製和數據采集應用
，大大降低了係統開發、 生產的技術風險。LabVIEW 強大的數據采集和信號處理功能極大地節省了采集終端軟件的開發時間
，在 LabVIEW RT 和LabVIEW FPGA 模塊的配合下使得采集終端能夠實時高質量地完成數據采集、信號處理、數據傳送和數據存儲的工作，為整個大橋結構安全監測係統提供靈活、強大的底層數據支持。
    同時，惡劣的海洋環境及橋麵路況影響，對 NI CompactRIO 係統的環境適應性也提出了很高的要求。事實證明，NI CompactRIO 係統設計精巧而堅固，滿足苛刻的工業級指標，完全適用於對可靠性有嚴格要求的複雜惡劣海洋環境中應用。
    在國內首次將 LabVIEW 和 NI的分布式數據采集設備 cRIO係xi列lie引yin入ru到dao橋qiao梁liang結jie構gou安an全quan監jian測ce和he結jie構gou分fen析xi中zhong去qu，結jie合he先xian進jin的de數shu據ju處chu理li和he信xin號hao分fen析xi技ji術shu，為wei大da跨kua徑jing特te大da型xing橋qiao梁liang綜zong合he監jian測ce係xi統tong有you關guan數shu據ju采cai集ji傳chuan輸shu預yu處chu理li與yu控kong製zhi的de建jian立li提ti供gong了le一yi套tao完wan備bei而er係xi統tong的de方fang案an，在zai橋qiao梁liang健jian康kang監jian測ce的de若ruo幹gan問wen題ti研yan究jiu中zhong取qu得de的de一yi些xie創chuang新xin性xing成cheng果guo，對dui橋qiao梁liang綜zong合he監jian測ce係xi統tong的de發fa展zhan有you著zhe重zhong要yao的de意yi義yi。
    NI 的分布式數據采集設備 cRIO 係列在廈門集美大橋結構安全監測係統中的實際應用是 cRIO 平台在國內結構安全監測領域的首次成功案例
，截至目前運行正常，工作穩定，得到業內的一致好評。事實證明
，NI cRIO平台是構建該采集終端的理想解決方案之一，對接下來的耗資 700億港珠澳大橋係統實施具有很強的示範性和參考價值。