采用NI cRIO的震動(dòng)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

目前，從國外整套進(jìn)口的地震反應(yīng)專用臺(tái)陣的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其性價(jià)比和功能已經(jīng)不能很好滿足國內(nèi)的需要。通過多方選型，決定采用NI 的cRIO搭建硬件平臺(tái)，使用LabVIEW8.6自主進(jìn)行多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)。

NI cRIO是一款高級(jí)嵌入式控制和采集系統(tǒng)，具有耐久較好、功耗較低等特點(diǎn)。借助NI cRIO，我們低成本、短周期、高可靠地開發(fā)了采集系統(tǒng)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)觸發(fā)存儲(chǔ)功能更為強(qiáng)大和專業(yè)，支持地震業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，全面滿足地震信號(hào)處理與分析的專業(yè)要求。在NI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的地震業(yè)界通用的數(shù)據(jù)交換格式miniSEED的實(shí)時(shí)打包，并且基于NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，更具創(chuàng)新性。

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，地震對社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的影響更顯突出，建設(shè)高密度數(shù)字強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)、臺(tái)陣和系列配套軟硬件，已成為減輕地震災(zāi)害的重要舉措，已受到政府高度重視。“十五”期間，國家在在21個(gè)國家地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)建設(shè)了1160個(gè)固定自由場強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)，在全國建設(shè)了活斷層影響、地震動(dòng)衰減、場地地形影響、大型橋梁、水庫大壩、典型建筑結(jié)構(gòu)等12個(gè)地震反應(yīng)專用臺(tái)陣，但是這方面的數(shù)據(jù)采集設(shè)備幾乎全部依靠整套進(jìn)口，承受著昂貴的費(fèi)用負(fù)擔(dān)和技術(shù)約束，在一定程度上制約了我國防震減災(zāi)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

TheChallenge:

系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)范圍、高計(jì)時(shí)精度、高頻譜純度和多通道設(shè)計(jì)上，具有一定的難度。在FPGA上，GPS同步、數(shù)字降采樣、標(biāo)定信號(hào)的多路轉(zhuǎn)換控制和多種復(fù)雜的觸發(fā)策略的實(shí)現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性；在數(shù)據(jù)接口中，miniSEED地震數(shù)據(jù)包的封裝和基于NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信又是一個(gè)難點(diǎn)。在數(shù)據(jù)分析上，需要時(shí)域指標(biāo)分析、頻譜分析和聯(lián)合時(shí)頻譜分析等綜合分析處理并進(jìn)行強(qiáng)震動(dòng)報(bào)警。

TheSolution:

利用NI公司的cRIO模塊和LabVIEW8.6集成開發(fā)軟件快速構(gòu)建軟硬件平臺(tái)，進(jìn)行多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)地震動(dòng)信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)壓縮傳輸、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)離線分析、健康診斷、突發(fā)性震動(dòng)破壞事件報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)通信和儀器控制等功能。

“借助NIcRIO，我們低成本、短周期、高可靠地開發(fā)了地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)觸發(fā)存儲(chǔ)功能更為強(qiáng)大和專業(yè)，支持地震業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，全面滿足地震信號(hào)處理與分析的專業(yè)要求?！被贜IcRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)“已經(jīng)在廣東虎門大橋的地震反應(yīng)專用臺(tái)陣上投入使用，初見成效?！?/p>

1.強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)組成

“基于NIcRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)”是針對重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)長期地開展強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測和分析其健康狀況而設(shè)計(jì)的，既能夠以分布式布設(shè)，也可以作為單一監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立工作。系統(tǒng)由地震觀測站點(diǎn)、專線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心三大部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)組成

地震觀測站點(diǎn)中的數(shù)據(jù)采集器采用NIcRIO數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊和電源模塊搭建而成。其中cRIO由嵌入式實(shí)時(shí)控制器cRIO9014、cRIO背板cRIO9104、模擬輸入模塊cRIO9205、模擬輸出模塊cRIO9263和高速數(shù)字IO模塊cRIO9401構(gòu)成。如圖2所示。

圖2多通道強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集終端和上位機(jī)控制分析終端實(shí)現(xiàn)。

2.1采集終端的系統(tǒng)軟件架構(gòu)

整個(gè)數(shù)據(jù)采集終端的軟件由數(shù)據(jù)采集和通信兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集在FPGA和實(shí)時(shí)控制器上實(shí)現(xiàn)，集成了GPS同步、數(shù)字降采樣、標(biāo)定信號(hào)的多路轉(zhuǎn)換控制和多種復(fù)雜的觸發(fā)策略等極具挑戰(zhàn)性的功能。通信部分的接口中，由數(shù)據(jù)采集器直接將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流壓縮打包成miniSEED格式，并按照NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議，發(fā)送到遠(yuǎn)程的地震流服務(wù)器或上位機(jī)監(jiān)控分析軟件，如圖3所示。

圖3采集終端的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2上位機(jī)通信控制及分析軟件的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)通信控制及分析軟件主要由記錄儀設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析四大模塊組成。其中記錄儀設(shè)置包括常規(guī)、數(shù)據(jù)采集、通道、事件記錄信息的設(shè)置等；實(shí)時(shí)監(jiān)測包括波形的實(shí)時(shí)顯示、通道表示、本地記錄設(shè)置、本地記錄、遠(yuǎn)程記錄、標(biāo)定信號(hào)、站點(diǎn)信息、系統(tǒng)狀態(tài)、連接狀態(tài)、GPS捕獲狀態(tài)、秒脈沖鎖定狀態(tài)、強(qiáng)震告警、關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算及顯示等；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)回收及數(shù)據(jù)刪除、本地?cái)?shù)據(jù)的更新及刪除等。數(shù)據(jù)分析可以實(shí)時(shí)或離線分析信號(hào)的時(shí)域指標(biāo)，又可對時(shí)域波形進(jìn)行頻譜分析和時(shí)頻譜分析，計(jì)算出健康診斷和警報(bào)等關(guān)鍵參數(shù)信息。

結(jié)論

借助NI公司功能強(qiáng)大、高效并且容易使用的圖形化編程語言LabVIEW，結(jié)合先進(jìn)的cRIO硬件平臺(tái)，我們在很短的時(shí)間內(nèi)就搭建了多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警平臺(tái)，較快地實(shí)現(xiàn)了地震動(dòng)信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)壓縮傳輸、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)離線分析、健康診斷、突發(fā)性震動(dòng)破壞事件報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)通信和儀器控制等復(fù)雜功能，大大縮短了程序的開發(fā)周期?！盎贜IcRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)”，達(dá)到了高動(dòng)態(tài)范圍、高計(jì)時(shí)精度、高頻譜純度和多通道的設(shè)計(jì)要求，并且結(jié)合了行業(yè)的應(yīng)用，采用了創(chuàng)新的方法，在NI的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的壓縮和基于NetSeisIP協(xié)議傳輸?？梢灶A(yù)見，在地震行業(yè)內(nèi)，利用NI產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)研發(fā)，將有廣闊的發(fā)展前景。