Author(s):
Bing Zhou - CCCC Highway Consultants CO., Ltd.,
Xiaofei Sun - CCCC Highway Consultants CO., Ltd.,
Industry:
Construction
Products:
cRIO-9104, NI 9215, Measurement Studio Advanced Analysis Library, LabVIEW Real-Time Module, cRIO-9014, NI 9401, Measurement Studio PID Control Toolset, LabVIEW, Internet Toolkit, FPGA Module, NI 9871, Database Connectivity Toolkit, NI 9203
The Challenge:
大跨徑特大型橋梁是一個分布式、非線性、強耦合、多變量和時變性復雜的系統，對其結構參數的驗證與分析是一項龐大的工程。
The Solution:
基于CompactRIO的可重配置平臺和豐富的信號采集模塊，利用NI LabVIEW FPGA開發一套適用于整個大橋結構監測的分布式信號采集系統。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、準確的完成結構參數的在線分析和二次處理，為大跨徑特大型橋梁綜合監測系統有關數據采集傳輸預處理與控制的建立提供了一套完備而系統的方案。
"我們在國內首次將LabVIEW和NI的分布式數據采集設備cRIO系列引入到橋梁結構安全監測和結構分析中去，結合先進的數據處理和信號分析技術，為大跨徑特大型橋梁綜合監測系統有關數據采集傳輸預處理與控制的建立提供了一套完備而系統的方案，在橋梁健康監測的若干問題研究中取得的一些創新性成果，對橋梁綜合監測系統的發展有著重要的意義。"
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、功能的復雜化發展。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、結構分析技術和橋梁工程技術等相關學科的進一步發展，針對特大型橋梁結構的安全監測與安全預警研究和實踐成為可能。原本應用于軍事領域的先進智能材料與結構技術，也在橋梁結構健康監測領域得到應用，使得對大型橋梁結構進行健康監測的技術總體上正朝著智能化和系統化的方向發展。
廈門集美大橋及接線工程是廈門市城市道路交通網絡布局中本島與大陸腹地跨海通道的重要組成部分，也是廈門市出島交通路網規劃中重要的跨海通道之一。大橋建成后將承擔巨大的出入島交通流，因此，結構安全監測的重要性就顯得格外突出。
系統整體監測項目
● 荷載源監測：主要為橋址區域環境荷載監測：風荷載監測；溫度、濕度監測；控制截面溫度梯度監測；交通荷載（與計重收費系統共用）
● 結構動、靜態響應監測：主橋的空間位置變化監測，主要為各跨跨中下撓監測；主、引橋控制截面靜應力監測；主、引橋體外預應力監測；主、引橋體內預應力監測；主、引橋結構動力及振動特性及其變化監測
橋梁結構監測安全預警系統的總體設計
●自動化傳感測試子系統，其包括以下幾大模塊：傳感器子模塊： 通過傳感器將各類監測轉換為電（光）信號。數據采集與傳輸模塊：將監測信號轉換為數字信號并完成遠程傳輸。數據處理與控制模塊：將監測信號進行預處理以向其它子系統提供有效的監測數據，根據需要控制監測參數的采集。
●
接下來將重點介紹監測系統的數據采集、傳輸、預處理與控制的子系統。
自動化傳感測試子系統各類信號采集、處理方案
整個系統共設置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、磁通量索力計信號和串口信號的采集。這些傳感器輸出信號種類多種多樣，大大增加了采集系統構筑的難度。系統針對不同類型的傳感器，選用合適的采集設備和方案。系統結構組成如圖2所示。
CompactRIO可編程工業I/O系統具有嵌入式控制器和機箱，選配多種功能的信號采集卡，完全工業級的設計。
采用cRIO-9014為嵌入式控制器。
采用cRIO-9104為8槽嵌入式機箱，具有-40-70°C的操作溫度范圍，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自動生成自定義控制和信號處理電路。
采用 cRIO的4通道高速同步數據采集卡NI 9215對于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，用于加速度同步。
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，對于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。
本系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時鐘接收機，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。
數據采集傳輸與控制
采集站實現的采集工作于LabVIEW Real-Time Module實時系統環境下，在終端硬件的支持下主要完成對信號數據的采集和傳輸。用戶一般不直接與其進行交互，但其提供一系列的標準接口和命令與用戶所在的控制終端、監測終端和數據存儲終端進行交互。采集站狀態與控制如圖3所示。
數據處理與控制系統服務器通過向cRIO采集站發送網絡命令報文實現數據采集和控制功能：
1.控制傳感器啟動、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。
數據處理與控制模塊
采集系統收集到的數據必須經過數據處理與控制模塊（子系統）對其進行預處理方能夠提交給后續子系統使用。本子系統由數據采集控制模塊，數據分類、抽取模塊，監測數據庫及用戶界面4部分組成。系統關系結構如圖4所示。
數據存儲
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。
間斷存儲時，<
