基于LabVIEW的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何 晉，潘書文，朱西平

(成都信息工程學(xué)院，四川成都610225)

0 引言

橋梁在服役過程中不可避免地受到設(shè)計(jì)載荷、環(huán)境腐蝕、材料老化等問題，以及一些突發(fā)事件、臺(tái)風(fēng)、地震、撞擊等載荷引起損傷[1]，橋梁坍塌等事故的發(fā)生容易造成交通運(yùn)輸?shù)钠款i和慘重的人員經(jīng)濟(jì)損失[2]。隨著橋梁橋齡和交通負(fù)荷的不斷增大，以及暴露在周圍的環(huán)境溫度、濕度、降水均衡、風(fēng)力等因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)的完整性和性能都受到顯著的影響[3]，橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和在線安全監(jiān)測(cè)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的熱點(diǎn)問題[4]。根據(jù)橋梁自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的工程需求開發(fā)了一套基于LabVIEW的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)橋梁所處環(huán)境荷載以及橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而為橋梁的養(yǎng)護(hù)與維修提供指導(dǎo)依據(jù)，為橋梁監(jiān)測(cè)的自動(dòng)損傷識(shí)別和安全評(píng)估構(gòu)建良好的軟硬件平臺(tái)。

1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩個(gè)部分構(gòu)成。第一部分是將獲得的機(jī)器當(dāng)前狀態(tài)信號(hào)或者參數(shù)變成標(biāo)準(zhǔn)電流或者電壓信號(hào)的傳感器系統(tǒng)，它由振動(dòng)傳感器，溫度、濕度、位移傳感器等各種測(cè)量部分組成。第二部分是將獲得的信號(hào)進(jìn)行具體數(shù)值顯示并進(jìn)行進(jìn)一步分析、處理的虛擬儀器部分。橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的基本硬件設(shè)備包括傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡等。傳感器部分主要是獲得被測(cè)對(duì)象的各種信號(hào);信號(hào)調(diào)理模塊主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、差分放大等信號(hào)調(diào)理工作;數(shù)據(jù)采集卡主要控制多路開關(guān)對(duì)通道進(jìn)行切換，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，并通過LAN總線將數(shù)據(jù)傳輸至主控PC機(jī);主控PC機(jī)完成數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示和存儲(chǔ)。本文中，采取傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡3部分合為一體通過網(wǎng)線連接主控PC機(jī)的設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

1.1 傳感器選型

在保證傳感器的量程、靈敏度、精度、頻率響應(yīng)范圍等功能適用性基礎(chǔ)上，綜合考慮傳感器的穩(wěn)定性、可靠性、耐久性以及與數(shù)據(jù)采集、通信設(shè)備的相容性、橋梁結(jié)構(gòu)分布等因素[5－6]，選擇了yd-302型壓電式加速度傳感器用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)。在溫濕度分布監(jiān)測(cè)方面，傳統(tǒng)的溫度測(cè)控方案，大部分都需要將置于測(cè)量點(diǎn)的溫度傳感器(熱電偶或熱電阻)與溫度變送器用信號(hào)線連接，然后才能變送輸出控制系統(tǒng)需要的信號(hào)。由于探頭本身的物理特性，測(cè)量距離很受限制，而且信號(hào)線的線阻對(duì)探頭反饋的溫度精度影響很大。選用將溫度傳感器和變送器集成在一起的TS-FTWI2/3/4/5型一體式溫度變送器，并直接輸出模擬量或者數(shù)字量信號(hào)，能夠輕松解決上述問題。在位移監(jiān)測(cè)方面采用了結(jié)合角度傳感器和直線位移傳感器優(yōu)點(diǎn)的MPS-S-1000mm-V型拉繩式位移傳感器，滿足長(zhǎng)行程測(cè)量的高精度需求。當(dāng)同一監(jiān)測(cè)內(nèi)容由多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的多個(gè)傳感器共同監(jiān)測(cè)時(shí)，可采取多傳感器一致性數(shù)據(jù)融合算法對(duì)多傳感器信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理[7]。

1.2 測(cè)控平臺(tái)

綜合考慮系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性等要求，選擇NI公司的工業(yè)級(jí)嵌入式測(cè)控平臺(tái)CompactRIO(cRIO)對(duì)安裝在橋梁上的各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)進(jìn)行控制。整個(gè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)由NI 9074型cRIO機(jī)箱控制器、NI 9234型振動(dòng)采集模塊、NI 9205數(shù)據(jù)采集卡組建構(gòu)成。在設(shè)計(jì)中通過cRIO機(jī)箱將傳感器上傳的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，同時(shí)各cRIO模塊之間通過GPS模塊進(jìn)行時(shí)間同步，保證上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性。由于cRIO機(jī)箱有一定的緩沖存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力，對(duì)各種原因引起的數(shù)據(jù)丟失有一定的改善，cRIO中的控制器部分還有自己的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因此具有獨(dú)立運(yùn)行的能力，從而保證了系統(tǒng)的魯棒性。結(jié)合cRIO模塊集成的接口設(shè)備以及LabVIEW軟件，可以快捷地設(shè)置cRIO采集模塊的屬性，將橋梁上各個(gè)測(cè)量點(diǎn)方便地集成在一起，通過網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件的功能模塊組成

軟件系統(tǒng)的需求分為功能性需求和非功能性需求，功能性需求包括24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、用戶信息管理、提供參考依據(jù)、各類數(shù)據(jù)分析、多重分級(jí)預(yù)警等[8]。非功能性需求包括軟件的通用性、擴(kuò)展性、時(shí)效性、開放性、美觀性、易操作性等。在擴(kuò)展性方面，考慮可能出現(xiàn)晚上人員不在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)等情況，可在PC端將異常報(bào)警通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或GSM網(wǎng)絡(luò)傳至移動(dòng)終端等方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警[9]?；贚abVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 軟件功能功能模塊設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

綜合文獻(xiàn)[10]對(duì)數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件子系統(tǒng)的基本要求，將數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件子系統(tǒng)軟件分解為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警記錄7個(gè)模塊來設(shè)計(jì)組成。各模塊的功能描述及對(duì)應(yīng)功能點(diǎn)如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能模塊描述表

數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)目蚣苋鐖D3所示，首先由傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳至實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的程序控制傳感器的采集并負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳遞至PC端進(jìn)行顯示、處理。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的程序分為兩部分分別寫在cRIO控制器內(nèi)和PC上。在cRIO實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的RT(Real-Time)程序主要完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，而在PC上的HOST程序完成參數(shù)配置、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警記錄等功能，實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絇C端。以下將分別講述RT程序和HOST程序的實(shí)現(xiàn)方法。

圖3 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的框架

HOST主程序的設(shè)計(jì)模式有一般狀態(tài)機(jī)模式、消息隊(duì)列模式、用戶事件模式、總/從結(jié)構(gòu)模式和生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式這五種較為普遍。由于本系統(tǒng)需要并行響應(yīng)事件，即在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，響應(yīng)前面板事件。因此在數(shù)據(jù)采集時(shí)的子VI之間的數(shù)據(jù)通信采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)顯示以及前面板參數(shù)的輸入3部分需要有3個(gè)生產(chǎn)消費(fèi)者結(jié)構(gòu)，在事件結(jié)構(gòu)下對(duì)各個(gè)事件分別編程做出響應(yīng)。機(jī)控制器RT端的主程序是用于高實(shí)時(shí)性要求的控制和采集任務(wù)[11]，數(shù)據(jù)采集模塊利用替換數(shù)組子集函數(shù)將16路通道的信號(hào)寫進(jìn)一個(gè)16維數(shù)組中，并將該數(shù)組值賦給線程間的共享變量節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)傳輸模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的循環(huán)頻率都設(shè)為相同10 ms的間隔，線程間的共享變量傳遞數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)共享變量，實(shí)現(xiàn)HOST程序?qū)?shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制。

為方便程序擴(kuò)展，將參數(shù)配置模塊的參數(shù)全部捆綁成簇，制作自定義類型，并利用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式將參數(shù)簇傳遞給數(shù)據(jù)分析模塊，該模塊接收到前面板設(shè)置的參數(shù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)做出分析。數(shù)據(jù)接收模塊利用網(wǎng)絡(luò)共享變量節(jié)點(diǎn)對(duì)RT端通過以太網(wǎng)傳遞過來的信號(hào)進(jìn)行接收，并利用索引數(shù)組函數(shù)將16路通道信號(hào)還原。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊利用TDMS文件讀寫速度快、占用磁盤空間小等優(yōu)點(diǎn)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[12]，并為振動(dòng)信號(hào)、濕度信號(hào)、溫度信號(hào)及位移信號(hào)4組信號(hào)分別存有4個(gè)通道數(shù)據(jù)，程序如圖4所示。為了防止保存的文件過大導(dǎo)致文件讀取速度過慢，系統(tǒng)每隔1小時(shí)重新新建1個(gè)TDMS文件。

圖4 TDMS文件保存程序

數(shù)據(jù)的預(yù)處理需根據(jù)傳感器的參數(shù)曲線，在軟件上實(shí)現(xiàn)輸出電量與對(duì)應(yīng)物理量的轉(zhuǎn)換。下面以振動(dòng)傳感器為例，傳感器輸出電壓為V，靈敏度為S，因此加速度的計(jì)算公式為

文中采用yd-302的型號(hào)，其靈敏度為0.5 V/ms－2，因此，加速度計(jì)算公式為

在測(cè)試物理量向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換的過程中，根據(jù)傳感器的不同采用不同的策略處理數(shù)據(jù)[13]并進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)可信度評(píng)價(jià)[14]。振動(dòng)傳感器經(jīng)過預(yù)處理后獲得的參數(shù)是加速度，振動(dòng)參數(shù)的提取還需要對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換等頻域分析，從中獲得結(jié)構(gòu)特征參數(shù)如頻率等。位移需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等信息，同時(shí)對(duì)位移量手工設(shè)限，進(jìn)行預(yù)警，分析程序如圖5所示。獲得預(yù)處理的數(shù)據(jù)后，利用LabVIEW自帶的功能函數(shù)模塊對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、時(shí)域分析、頻域分析。

圖5 位移分析子程序

2.3 用戶界面軟件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件界面劃分為用戶管理模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警模塊以及數(shù)據(jù)查詢3個(gè)模塊，主界面如圖6所示。

圖6 主界面

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警模塊主要是對(duì)各功能模塊以及數(shù)據(jù)的顯示，與數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的功能重疊，不再贅述。數(shù)據(jù)查詢模塊采用TDMS特有的TDMS查看器方式，可以自由選擇顯示數(shù)據(jù)還是波形，并且可以選擇某一時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。用戶管理模塊由于LabVIEW不能直接訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，因此需要借助其他的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問方法來完成數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問功能。在Lab-VIEW編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的接口進(jìn)行連接的幾種方法[15]，這些方法雖然都能夠連接數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)其進(jìn)行訪問，但都有不足之處。通過數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具包LabSQL實(shí)現(xiàn)用戶管理模塊的要求，其過程可分為以下4個(gè)步驟:

(1)通過ADO Create.vi創(chuàng)建一個(gè)連接對(duì)象;

(2)利用ADO Connection Open.vi創(chuàng)建一個(gè)和數(shù)據(jù)庫(kù)連接的函數(shù);

(3)利用 ADO SQL Execute.vi實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的增、刪、查、改等操作;

(4)利用 ADO Connection Close.vi以及 ADO Connection Destroy.vi關(guān)閉程序與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接。

3 橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與分析

監(jiān)測(cè)主界面如圖6所示，用戶登錄后在界面右上角顯示當(dāng)前用戶的用戶名、權(quán)限、日期時(shí)間等信息，并通過界面左側(cè)的功能按鈕對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和操作，振動(dòng)報(bào)警、溫度報(bào)警、濕度報(bào)警和位移報(bào)警均可在主界面實(shí)時(shí)顯示。振動(dòng)監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)和位移監(jiān)測(cè)在界面上可顯示振動(dòng)時(shí)域分析圖、頻域分析圖、特征參數(shù)的監(jiān)測(cè)以及設(shè)置參數(shù)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)試效果如圖7所示，實(shí)時(shí)顯示每一個(gè)通道的加速度值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差等特征參數(shù)值，通過參數(shù)設(shè)置模塊能夠?qū)Σ蓸勇?、濾波器的類型、截止頻率以及加速度閾值進(jìn)行設(shè)置。位移監(jiān)測(cè)測(cè)試效果如圖8所示，可根據(jù)參數(shù)設(shè)置監(jiān)測(cè)顯示位移信號(hào)的趨勢(shì)圖、位移數(shù)值、統(tǒng)計(jì)波形。

圖7 振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖8 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語

文中根據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)的通用需求，開發(fā)了一套基于LabVIEW軟件平臺(tái)和NI硬件平臺(tái)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)功能準(zhǔn)確、可靠、易拓展，采用面板式操作和顯示，分析結(jié)果直觀，操作簡(jiǎn)單，具有較好的人機(jī)界面交互功能。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究工作雖然以及歷經(jīng)了半世紀(jì)之久，但目前仍然處于應(yīng)用和推廣的初級(jí)階段，研究的主要內(nèi)容是針對(duì)系統(tǒng)在軟硬件實(shí)現(xiàn)過程中的研究和分析。隨著自組織網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)處理以及傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步，位于橋梁監(jiān)測(cè)前端的傳感器網(wǎng)絡(luò)和后期的數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)仍有大量的改善空間，推動(dòng)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向著更加智能、便捷、快速、準(zhǔn)確的方向發(fā)展。

致謝:感謝成都市科技惠民計(jì)劃項(xiàng)目(13Z130)對(duì)本文的資助

[1] Ignacio González.Study and Application of Modern Bridge Monitoring Techniques[J].TRITABKN.Bulletin 110，2011.

[2] 萬宏鵬.安龍泉互通立交橋健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估研究[D].吉林:吉林大學(xué)，2013.

[3] Osama Y.Abudayyeh＆ Joseph Barbera.Towards Sensor-Based Health Monitoring Systems for Bridge Decks:A Full-Depth Precast Deck Panels Case Study[J].Advances in Civil Engineering Volume 2010，2010.

[4] 馬宏偉，聶振華.橋梁安全監(jiān)測(cè)最新研究進(jìn)展與思考[J].力學(xué)與實(shí)踐，2015，(4):167－168.

[5] 任美龍.橋梁健康監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].公路，2013，(11):94.

[6] 李明.基于多傳感器信息融合的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2013.

[7] 付春玲，宮德龍，李捷.量測(cè)不確定下多傳感器一致性數(shù)據(jù)融合算法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，(7):113.

[8] 趙金明.橋梁安全遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2012.

[9] 孫增雷，黃俊年，孫敏，等.基于GSM的遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)的研制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，(6):76.

[10] 侯志偉.橋梁監(jiān)測(cè)綜述[J].黑龍江交通，2012，(10):234.

[11] 張磊，陳杰.基于Labview RT的數(shù)據(jù)采集及通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2015，(7):17.

[12] 李文濤，張丹楓，肖俊生.基于LabVIEW的連鑄結(jié)晶器振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015，(1):83.

[13] XieYani，ZhangZhijie.Design of multi-channel data acquisition system based on LabVIEW and NI PXI-5105[J].Journal of Measurement Science and Instrumentation，2015，(6):9－10.

[14] 唐浩，譚川，陳果.橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究綜述[J].公路交通技術(shù)，2014，(5):99.

[15] 畢虎.中訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的幾種不同方法[J].傳感器與儀器儀表，2006，(1):131－132.