基于PXI总线和LabVIEW RT的桥梁结构健康监测及预警系统实现

在桥梁规模越建越大和桥梁破坏事故频发的今天，对重要的大跨度桥梁建立一个耐用、可靠的结构健康监测及安全监控预警系统是非常迫切和必要的。但由于桥梁结构是直接暴露在交通噪声、灰尘、极端温度和海洋腐蚀性气候等恶劣环境下，要求结构健康监测及预警系统稳定、可靠、耐用和抗干扰性强。

通过在桥梁结构不同位置以适当距离分布NIPXI机箱和信号调理、采集模块，完成对附近各种类型传感器信号的稳定可靠采集。各个采集站的PXI机箱均与GPS时钟同步信号接收器相连，以实现远距离间的各个信号通道的高精度同步。在软件层面上，用NI公司的LabVIEW平台及LabVIEWRT模块来完成整个可靠数据采集系统及上位机监控程序的开发。

"NI公司的基于PXI总线结构的数据采集模块是经过工业认证的高可靠、高精确的产品，LabVIEW平台及RT模块具有很好的硬件兼容性，并且具有高效率和实时性的特点"

一、桥梁结构健康监测系统概述

深港西部通道深圳湾公路大桥是一座连接深圳蛇口与香港元朗的跨海湾跨境桥梁，全长5公里，其中主跨180m的主通航孔桥结构特点是独塔、单索面的斜拉桥，通车后承担着以货柜车为主的大交通流量。同时，大桥处于台风频繁的深圳湾海域，海洋环境腐蚀、地震、台风、交通荷载以及大桥结构材料的老化均会造成大桥结构的突然或缓慢损伤。对桥梁主体结构进行实时监测，随时获知桥梁当前的健康安全状况，并对各种突发事件及时做出报警，通知大桥养护管理人员上桥检查或采取相应对策(如封桥等)具有非常重要的现实意义。

我们建立的大桥结构监测系统主要针对桥梁主体结构的通航孔桥。设计和实施的监测项目主要可以分为两类：

(一)荷载源，包括环境荷载和交通荷载;

(二)结构响应，包括结构位移、索力、振动加速度等。

针对每一项监测项目，选用合适的传感器。大桥结构整个监测系统的传感器类型及布点情况如图1所示。

图1. 深圳湾公路大桥(深圳侧)结构健康监测及安全监控预警系统传感器总体布点图

二、基于PXI总线结构的数据采集硬件模块

对于每一类传感器，根据信号输出类型和要求的采样频率，采用适当的NI信号调理模块和采集模块完成数据采集。如：对于温湿度、压力变送器、索塔倾斜仪等只需要1Hz采样频率的缓变信号，先经过NI SCXI-1125模块进行信号调理，然后再送给PXI-6280采集卡进行采集;对于应变信号，由于需要以10Hz采样率采集动态应变进行后续的结构疲劳分析，但同时也由于桥梁结构的应变测点比较分散，各个测点到采集站机箱的距离都在几十米甚至上百米，所以将应变信号直接走线接到NI的PXI应变模块(如PXI-1520)上将会导致信号的急剧衰减而不可用。在本项目实施中，将此类应变信号先就地经过专用的485调理器进行调理和A/D转换，将模拟信号转换成485数字信号再经过长距离传输后送给NIPXI-8423模块;对于需要以较高频率(如100Hz)采样的而且还需要严格同步的加速度信号，则是采用高性能、高精度的动态信号采集卡NIPXI-4472进行采集。一个典型的数据采集外站的传感器和NI数据采集模块连接如图2所示。

图2. 数据采集站传感器和采集设备连接图

深圳湾公路大桥的监测系统共有4个数据采集外站，每个站的配置类似，差别只在于每个站由于传感器类型和数量不同而使用的采集和调理模块数量略有区别。机箱采用8槽PXI，4槽SCXI的NIPXI-1050。另外，为了实现4个采集站之间的高精度同步，还配置了PXI-6652模块和PXI-6624模块，分别用于接收GPS授时机的10MHz时钟信号和1PPS秒脉冲信号，GPS的绝对时间信号则通过232串口直接送给采集站控制器NIPXI-8196RT。经实验，应用该技术方案，远距离分布的数据采集外站之间的同步精度在4个微秒左右。另外，由于大桥桥面的温度可能超过50℃，避免高温和海洋腐蚀对PXI模块和控制器构成威胁，还专门设计了带工业级空调的机柜，所有桥面采集、供电和通信设备放在桥面的机柜内，如下图3所示。

图3. 桥面采集外站机柜照片

三、基于LabVIEW平台和RT模块的软件开发

为保证大桥监测系统在恶劣的使用环境下长期稳定、可靠地运行，底层数据采集软件开发采用LabVIEW RT模块在上位机开发完毕后再下载到实时控制器NIPXI-8196 RT上运行，为保证数据采集软件的最大灵活性，采集模块硬件信息、系统信息和采集任务等的设置均通过配置文件的方式。大桥实时监测数据以文本数据文件的形式先在采集站控制器的硬盘上保存，以避免网络中断造成的数据丢失。

监控中心数据库服务器每天定期地连接桥上4个数据采集站(下位机)，通过FTP下载最新的文本格式原始监测数据文件，将4个站的数据文件按天统一整理在本地服务器保存，然后将本地保存路径信息和每个文件中数据的统计值(最大、最小、均值)进入数据库表格进行管理。数据库应用程序采用SQL Server 2000平台开发，数据库只储存数据文件信息，而非实际的监测数据，从而有效地减轻了海量监测数据对数据库构成的压力。

监控中心结构安全预警服务器上基于LabVIEW开发的实时预警、处理应用程序通过TCP/IP实时地接收下位机发送过来的原始信号数据，并通过采用LabVIEW中自带的信号分析、数学运算、统计分析等子VI将这些原始数据处理转换成实际工程量数据，如大桥结构整体线型、挠度、应力、桥塔偏位等，然后与这些结构响应参数的设计值进行比较，如超出阈值界限或数据明显不正常，则及时以黄灯或红灯闪烁分别对应两级报警的形式通知用户。同时，该应用程序还通过NI Database Connectivity Toolset 工具包与数据库连接，将每一路信号的报警结果入库保存，供后期查询。对于结构振动模态分析、应力疲劳分析等需要人工干预的数据处理则在监控中心的结构健康评估服务器上通过数据库查询，调出已经下载到本地的原始监测数据文件，用其他专业软件进行后期离线分析、处理与评估。

监控中心的数据传输、处理与控制服务器通过光纤以太网接收实时监测数据。在LabVIEW平台上开发上位机软件，完成数据的接收、处理与显示，同时实现对远程数据采集站控制器的开始采集、停止采集、重新启动等控制操作。另外，通过“系统设置”按钮可以完成对控制器系统信息、采集模块和采集任务配置文件的下载、编辑和上传等功能。上位机软件界面如下图4所示。

图4. 上位机数据传输、处理与显示软件界面

四、结论与展望

应用NI公司数据采集的PXI硬件平台和LabVIEW及RT软件平台，集成了大跨度桥梁结构健康监测系统。该系统综合应用了NI公司高性能、高精度和带隔离抗干扰的数据采集硬件模块和保证高可靠性的LabVIEW RT开发模块，不仅满足了桥梁监测系统对抗环境恶劣性、实时性和长期运行稳定性的要求，也大大缩短了系统开发周期，节约了开发成本。系统经过了几个月的运行，目前运行情况良好、稳定。

为适应未来更大规模的大桥监测系统的需求，在硬件平台上，可以考虑NI公司的更适合于分布式数据采集，工作温度范围更广(-40℃～70℃)也更坚固可靠的ComPACtRIO系统。