根据PXI总线和LabVIEW RT的桥梁结构健康监测及预警系统完成

在桥梁规划越建越大和桥梁损坏事端频发的今日，对重要的大跨度桥梁树立一个经用、牢靠的结构健康监测及安全监控预警体系是十分火急和必要的。但因为桥梁结构是直接暴露在交通噪声、尘埃、极点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体系安稳、牢靠、经用和抗干扰性强。

经过在桥梁结构不同方位以恰当间隔散布NIPXI机箱和信号调度、收集模块，完结对邻近各种类型传感器信号的安稳牢靠收集。各个收集站的PXI机箱均与GPS时钟同步信号接纳器相连，以完结远间隔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渠道及LabVIEWRT模块来完结整个牢靠数据收集体系及上位机监控程序的开发。

“NI公司的依据PXI总线结构的数据收集模块是经过工业认证的高牢靠、高准确的产品，LabVIEW渠道及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色”

一、桥梁结构健康监测体系概述

深港西部通道深圳湾公路大桥是一座衔接深圳蛇口与香港元朗的跨海湾跨境桥梁，全长5公里，其间主跨180m的主通航孔桥结构特色是独塔、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。一起，大桥处于飓风频频的深圳湾海域，海洋环境腐蚀、地震、飓风、交通荷载以及大桥结构资料的老化均会形成大桥结构的忽然或缓慢损害。对桥梁主体结构进行实时监测，随时获悉桥梁当时的健康安全状况，并对各种突发事件及时做出报警，告诉大桥维护办理人员上桥查看或采纳相应对策(如封桥等)具有十分重要的现实意义。

咱们树立的大桥结构监测体系首要针对桥梁主体结构的通航孔桥。规划和施行的监测项目首要能够分为两类：

(一)荷载源，包含环境荷载和交通荷载;

(二)结构呼应，包含结构位移、索力、振荡加速度等。

针对每一项监测项目，选用适宜的传感器。大桥结构整个监测体系的传感器类型及布点状况如图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体系传感器全体布点图

二、依据PXI总线结构的数据收集硬件模块

关于每一类传感器，依据信号输出类型和要求的采样频率，选用恰当的NI信号调度模块和收集模块完结数据收集。如：关于温湿度、压力变送器、索塔倾斜仪等只需求1Hz采样频率的缓变信号，先经过NI SCXI-1125模块进行信号调度，然后再送给PXI-6280收集卡进行收集;关于应变信号，因为需求以10Hz采样率收集动态应变进行后续的结构疲惫剖析，但一起也因为桥梁结构的应变测点比较涣散，各个测点到收集站机箱的间隔都在几十米乃至上百米，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。在本项目施行中，将此类应变信号先就地经过专用的485调度器进行调度和A/D转化，将模拟信号转化成485数字信号再经过长间隔传输后送给NIPXI-8423模块;关于需求以较高频率(如100Hz)采样的并且还需求严厉同步的加速度信号，则是选用高性能、高精度的动态信号收集卡NIPXI-4472进行收集。一个典型的数据收集外站的传感器和NI数据收集模块衔接如图2所示。

图2. 数据收集站传感器和收集设备衔接图

深圳湾公路大桥的监测体系共有4个数据收集外站，每个站的装备相似，差别只在于每个站因为传感器类型和数量不同而运用的收集和调度模块数量略有差异。机箱选用8槽PXI，4槽SCXI的NIPXI-1050。别的，为了完结4个收集站之间的高精度同步，还装备了PXI-6652模块和PXI-6624模块，别离用于接纳GPS授机遇的10MHz时钟信号和1PPS秒脉冲信号，GPS的肯定时刻信号则经过232串口直接送给收集站操控器NIPXI-8196RT。经试验，运用该技能计划，远间隔散布的数据收集外站之间的同步精度在4个微秒左右。别的，因为大桥桥面的温度或许超越50℃，防止高温文海洋腐蚀对PXI模块和操控器构成威胁，还专门规划了带工业级空调的机柜，一切桥面收集、供电和通讯设备放在桥面的机柜内，如下图3所示。

图3. 桥面收集外站机柜相片

三、依据LabVIEW渠道和RT模块的软件开发

为确保大桥监测体系在恶劣的运用环境下长时间安稳、牢靠地运转，底层数据收集软件开发选用LabVIEW RT模块在上位机开发结束后再下载到实时操控器NIPXI-8196 RT上运转，为确保数据收集软件的最大灵活性，收集模块硬件信息、体系信息和收集使命等的设置均经过装备文件的方法。大桥实时监测数据以文本数据文件的方式先在收集站操控器的硬盘上保存，以防止网络中止形成的数据丢掉。

监控中心数据库服务器每天定时地衔接桥上4个数据收集站(下位机)，经过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一致收拾在本地服务器保存，然后将本地保存途径信息和每个文件中数据的计算值(最大、最小、均值)进入数据库表格进行办理。数据库运用程序选用SQL Server 2000渠道开发，数据库只贮存数据文件信息，而非实践的监测数据，然后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依据LabVIEW开发的实时预警、处理运用程序经过TCP/IP实时地接纳下位机发送过来的原始信号数据，并经过选用LabVIEW中自带的信号剖析、数学运算、计算剖析等子VI将这些原始数据处理转化成实践工程量数据，如大桥结构全体线型、挠度、应力、桥塔偏位等，然后与这些结构呼应参数的规划值进行比较，如超出阈值边界或数据显着不正常，则及时以黄灯或红灯闪耀别离对应两级报警的方式告诉用户。一起，该运用程序还经过NI Database Connectivity Toolset 工具包与数据库衔接，将每一路信号的报警成果入库保存，供后期查询。关于结构振荡模态剖析、应力疲惫剖析等需求人工干预的数据处理则在监控中心的结构健康评价服务器上经过数据库查询，调出现已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剖析、处理与评价。

监控中心的数据传输、处理与操控服务器经过光纤以太网接纳实时监测数据。在LabVIEW渠道上开发上位机软件，完结数据的接纳、处理与显现，一起完结对长途数据收集站操控器的开端收集、中止收集、重新启动等操控操作。别的，经过“体系设置”按钮能够完结对操控器体系信息、收集模块和收集使命装备文件的下载、修改和上传等功能。上位机软件界面如下图4所示。

图4. 上位机数据传输、处理与显现软件界面

四、定论与展望

运用NI公司数据收集的PXI硬件渠道和LabVIEW及RT软件渠道，集成了大跨度桥梁结构健康监测体系。该体系归纳运用了NI公司高性能、高精度和带阻隔抗干扰的数据收集硬件模块和确保高牢靠性的LabVIEW RT开发模块，不只满意了桥梁监测体系对立环境恶劣性、实时性和长时间运转安稳性的要求，也大大缩短了体系开发周期，节省了开发本钱。体系经过了几个月的运转，现在运转状况杰出、安稳。

为习惯未来更大规划的大桥监测体系的需求，在硬件渠道上，能够考虑NI公司的更适合于散布式数据收集，工作温度规模更广(-40℃～70℃)也更巩固牢靠的ComPACtRIO体系。