基于NI軟硬件平臺(tái)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　引言

　　橋梁的健康監(jiān)測(cè)具有一些特性，譬如：一座橋梁是一個(gè)地理上的分布式系統(tǒng)，通常長(zhǎng)達(dá)幾千米到數(shù)十千米;橋梁通常工作于惡劣的環(huán)境，并在橋梁工作時(shí)采集數(shù)據(jù);監(jiān)測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期過程，也必然是一個(gè)遙測(cè)過程，而且，由于地理距離和惡劣的環(huán)境，最好能夠使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)降到最少;監(jiān)測(cè)是一個(gè)連續(xù)的實(shí)時(shí)過程，其間有大量數(shù)據(jù)采集，需要采用智能技術(shù)獲取表征信息以根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。這些特性構(gòu)成了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)過程中需要解決的挑戰(zhàn)。

　　橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初探

　　對(duì)于一座正常工作的橋梁，所需的監(jiān)測(cè)項(xiàng)基本源于三個(gè)類別：環(huán)境、維護(hù)和事故監(jiān)測(cè)。

　　總而言之，需要監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目如下：環(huán)境監(jiān)測(cè)包括大氣溫度、風(fēng)速、氯離子的侵蝕、海浪;靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)包括結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)壓力等。

　　以連接上海市與洋嶼的東海大橋?yàn)槔?，大橋的測(cè)量系統(tǒng)遍布整個(gè)橋體。將全長(zhǎng)32公里的橋分為幾個(gè)部分，每個(gè)部分都安置一個(gè)信號(hào)采集站，站點(diǎn)間距離為幾千米到數(shù)十千米。這些分布在指定地點(diǎn)的信號(hào)采集站構(gòu)成了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。每個(gè)站點(diǎn)充當(dāng)其附近傳感器的主機(jī)系統(tǒng)。每個(gè)站點(diǎn)的功能特性如下：根據(jù)所連接傳感器的類型，進(jìn)行多種格式的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理與管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

　　鑒于所處的惡劣工作環(huán)境，這些站點(diǎn)必須耐受(但決不限于)水、濕氣、灰塵、沖擊及特別是由鹽造成的化學(xué)腐蝕。而且，工作站點(diǎn)必須具有高堅(jiān)固性、可靠性和可維護(hù)性。

　　除硬件系統(tǒng)以外，遠(yuǎn)程配置、管理和傳輸采集數(shù)據(jù)屬于軟件需求。LabVIEW套件是一組軟件，它通過與NI PXI模塊及包括網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的其它相關(guān)硬件的無縫集成并采用恰當(dāng)?shù)某橄蠛头庋b，實(shí)現(xiàn)了高效監(jiān)測(cè)的目的。

　　同步：基于GPS的解決方案

　　實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是同步問題——必須實(shí)現(xiàn)廣闊地理范圍內(nèi)的同步。對(duì)此問題的解決方案是采用GPS定時(shí)信號(hào)。每個(gè)站點(diǎn)與一個(gè)GPS接收裝置連接。接收裝置接收GPS同步信號(hào)，進(jìn)而發(fā)送至站點(diǎn)內(nèi)的PXI模塊。GPS同步信號(hào)用以確保整個(gè)分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的嚴(yán)格同步。

　　GPS定時(shí)信號(hào)

　　GPS系統(tǒng)由每12小時(shí)圍繞地球旋轉(zhuǎn)一周的24個(gè)人造衛(wèi)星組成。其中，每一個(gè)人造衛(wèi)星都擁有一個(gè)精度為10-13秒的板上原子時(shí)鐘。GPS的人造衛(wèi)星以1.5GHz的載波頻率連續(xù)發(fā)送其空間坐標(biāo)以及時(shí)間信息。特別地，該時(shí)間信息可用于精確地關(guān)聯(lián)、觸發(fā)和時(shí)間標(biāo)記測(cè)量數(shù)據(jù)。來自GPS接收裝置的典型GPS定時(shí)信號(hào)有兩種類型。

　　第一種信號(hào)類型是PPS，如圖1所示。

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　　圖1 PPS信號(hào)

　　圖1中的信號(hào)也稱為1 PPS，因?yàn)樗棵胫惠敵鲆粋€(gè)脈沖。它通常用作采集的觸發(fā)信號(hào)。PPS類型信號(hào)的另一個(gè)實(shí)例是10M PPS，它每秒產(chǎn)生10M個(gè)脈沖。該信號(hào)通常用作采樣基頻。

　　第二種信號(hào)類型是DC-Level的IRIG-B。IRIG是一種承載絕對(duì)時(shí)間的編碼晶體管-晶體管邏輯(TTL)信號(hào)，每秒重復(fù)或再同步。對(duì)于IRIG，每幀為1s。圖2所示為IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)定時(shí)框圖。

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　　圖2 IRIG-B信號(hào)

　　每個(gè)比特用一個(gè)周期為10ms的信號(hào)來表示，“0”的高電平持續(xù)時(shí)間為2ms，“1”的高電平持續(xù)時(shí)間為5ms，而“P”高電平持續(xù)時(shí)間為8ms。在1s幀內(nèi)，P比特將秒和分鐘、分鐘和小時(shí)等分隔開。