The Challenge: 在橋梁規模越建越大和橋梁破壞事故頻發的今天，對重要的大跨度橋梁建立一個耐用、可靠的結構健康監測及安全監控預警系統是非常迫切和必要的。但由于橋梁結構是直接暴露在交通噪聲、灰塵、極端溫度和海洋腐蝕性氣候等惡劣環境下，要求結構健康監測及預警系統穩定、可靠、耐用和抗干擾性強。 The Solution: 通過在橋梁結構不同位置以適當距離分布NI PXI機箱和信號調理、采集模塊，完成對附近各種類型傳感器信號的穩定可靠采集。各個采集站的PXI機箱均與GPS時鐘同步信號接收器相連，以實現遠距離間的各個信號通道的高精度同步。在軟件層面上，用NI公司的LabVIEW平臺及LabVIEW RT模塊來完成整個可靠數據采集系統及上位機監控程序的開發。 "NI公司的基于PXI總線結構的數據采集模塊是經過工業認證的高可靠、高精確的產品，LabVIEW平臺及RT模塊具有很好的硬件兼容性，并且具有高效率和實時性的特點" 一、橋梁結構健康監測系統概述 深港西部通道深圳灣公路大橋是一座連接深圳蛇口與香港元朗的跨海灣跨境橋梁，全長5公里，其中主跨180m的主通航孔橋結構特點是獨塔、單索面的斜拉橋，通車后承擔著以貨柜車為主的大交通流量。同時，大橋處于臺風頻繁的深圳灣海域，海洋環境腐蝕、地震、臺風、交通荷載以及大橋結構材料的老化均會造成大橋結構的突然或緩慢損傷。對橋梁主體結構進行實時監測，隨時獲知橋梁當前的健康安全狀況，并對各種突發事件及時做出報警，通知大橋養護管理人員上橋檢查或采取相應對策（如封橋等）具有非常重要的現實意義。 我們建立的大橋結構監測系統主要針對橋梁主體結構的通航孔橋。設計和實施的監測項目主要可以分為兩類： （一）荷載源，包括環境荷載和交通荷載； （二）結構響應，包括結構位移、索力、振動加速度等。 針對每一項監測項目，選用合適的傳感器。大橋結構整個監測系統的傳感器類型及布點情況如圖1所示。 [align=center] 圖1. 深圳灣公路大橋（深圳側）結構健康監測及安全監控預警系統傳感器總體布點圖[/align] 二、基于PXI總線結構的數據采集硬件模塊 對于每一類傳感器，根據信號輸出類型和要求的采樣頻率，采用適當的NI信號調理模塊和采集模塊完成數據采集。如：對于溫濕度、壓力變送器、索塔傾斜儀等只需要1Hz采樣頻率的緩變信號，先經過NI SCXI-1125模塊進行信號調理，然后再送給PXI-6280采集卡進行采集；對于應變信號，由于需要以10Hz采樣率采集動態應變進行后續的結構疲勞分析，但同時也由于橋梁結構的應變測點比較分散，各個測點到采集站機箱的距離都在幾十米甚至上百米，所以將應變信號直接走線接到NI的PXI應變模塊（如PXI-1520）上將會導致信號的急劇衰減而不可用。在本項目實施中，將此類應變信號先就地經過專用的485調理器進行調理和A/D轉換，將模擬信號轉換成485數字信號再經過長距離傳輸后送給NI PXI-8423模塊；對于需要以較高頻率（如100Hz）采樣的而且還需要嚴格同步的加速度信號，則是采用高性能、高精度的動態信號采集卡NI PXI-4472進行采集。一個典型的數據采集外站的傳感器和NI數據采集模塊連接如圖2所示。 [align=center] 圖2. 數據采集站傳感器和采集設備連接圖[/align] 深圳灣公路大橋的監測系統共有4個數據采集外站，每個站的配置類似，差別只在于每個站由于傳感器類型和數量不同而使用的采集和調理模塊數量略有區別。機箱采用8槽PXI，4槽SCXI的NI PXI-1050。另外，為了實現4個采集站之間的高精度同步，還配置了PXI-6652模塊和PXI-6624模塊，分別用于接收GPS授時機的10MHz時鐘信號和1PPS秒脈沖信號，GPS的絕對時間信號則通過232串口直接送給采集站控制器NI PXI-8196RT。經實驗，應用該技術方案，遠距離分布的數據采集外站之間的同步精度在4個微秒左右。另外，由于大橋橋面的溫度可能超過50℃，避免高溫和海洋腐蝕對PXI模塊和控制器構成威脅，還專門設計了帶工業級空調的機柜，所有橋面采集、供電和通信設備放在橋面的機柜內，如下圖3所示。 [align=center] 圖3. 橋面采集外站機柜照片[/align] 三、基于LabVIEW平臺和RT模塊的軟件開發 為保證大橋監測系統在惡劣的使用環境下長期穩定、可靠地運行，底層數據采集軟件開發采用LabVIEW RT模塊在上位機開發完畢后再下載到實時控制器NI PXI-8196 RT上運行，為保證數據采集軟件的最大靈活性，采集模塊硬件信息、系統信息和采集任務等的設置均通過配置文件的方式。大橋實時監測數據以文本數據文件的形式先在采集站控制器的硬盤上保存，以避免網絡中斷造成的數據丟失。 監控中心數據庫服務器每天定期地連接橋上4個數據采集站（下位機），通過FTP下載最新的文本格式原始監測數據文件，將4個站的數據文件按天統一整理在本地服務器保存，然后將本地保存路徑信息和每個文件中數據的統計值（最大、最小、均值）進入數據庫表格進行管理。數據庫應用程序采用SQL Server 2000平臺開發，數據庫只儲存數據文件信息，而非實際的監測數據，從而有效地減輕了海量監測數據對數據庫構成的壓力。 監控中心結構安全預警服務器上基于LabVIEW開發的實時預警、處理應用程序通過TCP/IP實時地接收下位機發送過來的原始信號數據，并通過采用LabVIEW中自帶的信號分析、數學運算、統計分析等子VI將這些原始數據處理轉換成實際工程量數據，如大橋結構整體線型、撓度、應力、橋塔偏位等，然后與這些結構響應參數的設計值進行比較，如超出閾值界限或數據明顯不正常，則及時以黃燈或紅燈閃爍分別對應兩級報警的形式通知用戶。同時，該應用程序還通過NI Database Connectivity Toolset 工具包與數據庫連接，將每一路信號的報警結果入庫保存，供后期查詢。對于結構振動模態分析、應力疲勞分析等需要人工干預的數據處理則在監控中心的結構健康評估服務器上通過數據庫查詢，調出已經下載到本地的原始監測數據文件，用其他專業軟件進行后期離線分析、處理與評估。 監控中心的數據傳輸、處理與控制服務器通過光纖以太網接收實時監測數據。在LabVIEW平臺上開發上位機軟件，完成數據的接收、處理與顯示，同時實現對遠程數據采集站控制器的開始采集、停止采集、重新啟動等控制操作。另外，通過“系統設置”按鈕可以完成對控制器系統信息、采集模塊和采集任務配置文件的下載、編輯和上傳等功能。上位機軟件界面如下圖4所示。 [align=center] 圖4. 上位機數據傳輸、處理與顯示軟件界面[/align] 四、結論與展望 應用NI公司數據采集的PXI硬件平臺和LabVIEW 及RT軟件平臺，集成了大跨度橋梁結構健康監測系統。該系統綜合應用了NI公司高性能、高精度和帶隔離抗干擾的數據采集硬件模塊和保證高可靠性的LabVIEW RT開發模塊，不僅滿足了橋梁監測系統對抗環境惡劣性、實時性和長期運行穩定性的要求，也大大縮短了系統開發周期，節約了開發成本。系統經過了幾個月的運行，目前運行情況良好、穩定。 為適應未來更大規模的大橋監測系統的需求，在硬件平臺上，可以考慮NI公司的更適合于分布式數據采集，工作溫度范圍更廣（-40℃～70℃）也更堅固可靠的CompactRIO系統。 作者簡介： 周仙通 中交公路規劃設計院有限公司