使用LabVIEW和PXI進行東海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

東海大橋是中國第一座跨海大橋，我們在上面使用了多個PXI機箱組成的系統(tǒng)，以獲取追蹤大橋結(jié)構(gòu)完整性及當(dāng)前狀況的重要數(shù)據(jù)。

"借助于精確的GPS同步和時間標(biāo)識、NI PXI動態(tài)信號采集硬件設(shè)備和LabVIEW軟件，我們的團隊成功地為東海大橋搭建了一個堅固的、模塊化、可靠且低維護的高精度監(jiān)測系統(tǒng)。"

- Yonglin Zhan, JUST ONE Technology 

挑戰(zhàn):

在可能出現(xiàn)臺風(fēng)、地震、海水腐蝕的環(huán)境中，對跨海大橋結(jié)構(gòu)完整性和環(huán)境因素產(chǎn)生的影響進行同步實時監(jiān)測，需要一個高可靠、低維護的操作系統(tǒng)。 

解決方案:

部署一個堅固耐用的PXI系統(tǒng)來監(jiān)測環(huán)境對大橋產(chǎn)生的影響，進行實時計算以確定大橋的即時結(jié)構(gòu)健康狀況，并將數(shù)據(jù)儲存，進行離線處理。 

作者:

Yonglin Zhan - JUST ONE Technology 

東海大橋作為中國首座跨海大橋，耗資12億美元，于2005年完成通車。六車道的大橋?qū)⑸虾Ｅc洋山島連在了一起，大橋全長32.5千米，并設(shè)計成S形以避開臺風(fēng)和海浪區(qū)，以保證車輛安全行駛。

我們搭建了一個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）系統(tǒng)，它能夠提供大量的數(shù)據(jù)來評估大橋損壞和退化程度、結(jié)構(gòu)性能狀況、對于突發(fā)性災(zāi)難的反應(yīng)。利用這些數(shù)據(jù)可以對橋梁的設(shè)計和建造技術(shù)進行研究。上海巨一科技發(fā)展有限公司（JUST ONE Technology）使用基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)和NI LabVIEW軟件，被選中來搭建這個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

我們使用基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，源于其良好的堅固性和小巧的體積，適用于放置在大橋的保護區(qū)域中。事實證明，系統(tǒng)在安裝完畢后成功地克服了大橋所遇到的濕度、灰塵、震動和化學(xué)腐蝕等各種難題。使用LabVIEW，工程師能夠進行重要的實時分析，同時，能夠?qū)Υ髽蛏洗罅康膫鞲衅鳟a(chǎn)生的信號進行離線處理。

硬件系統(tǒng)設(shè)置

對東海大橋?qū)嵤┍O(jiān)控需要使用超過500個傳感器，在大橋每段都放置了加速度計和FBG光學(xué)傳感器，來采集環(huán)境激勵所引起的頻率響應(yīng)。同時，大橋還配備了風(fēng)速儀和壓式傳感器，以記錄頻率響應(yīng)所對應(yīng)的環(huán)境條件。大橋每一段還設(shè)有一個數(shù)據(jù)采集站，配備NI PXI-4472B動態(tài)信號采集卡（DSA）從周圍的加速度計采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

另外，我們使用NI PXI-6652同步模塊和 NI PXI-6602計數(shù)器模塊，以及NI PXI-8187機箱控制器，來解決數(shù)據(jù)采集的同步問題。

在對東海大橋上的系統(tǒng)進行設(shè)置時，我們給每個PXI機箱都安裝了一個GPS，使用脈沖每秒（PPS）和IRIG-B定時信號分別進行信號同步和時間標(biāo)識。PPS每秒傳輸一千萬脈沖，為每個機箱提供采樣基準(zhǔn)時鐘。這使得采集模塊可以在100納秒的分辨率下對大橋上所有設(shè)備的通道實現(xiàn)精確同步采樣。

軟件系統(tǒng)設(shè)置

從大海大橋系統(tǒng)獲取原始數(shù)據(jù)后，我們需要對其進行分析和處理，然后為用戶提供較終信息。我們將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測中心進行處理器密集離線處理，而PXI控制器則負責(zé)進行即時處理工作。

離線分析

東海大橋系統(tǒng)中主要進行的離線分析是多通道信號頻譜分析和模態(tài)分析。我們把這兩種計算都放在一個離線區(qū)域，這里有許多功能強大的電腦運行LabVIEW，由LabVIEW高級信號處理工具包和LabVIEW系統(tǒng)辨識工具包共同處理數(shù)據(jù)。

因為普通的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析應(yīng)用及測量響應(yīng)的方式對于像東海大橋這樣大型的分布式結(jié)構(gòu)是不適用的，所以我們采用了另一個可操作的模態(tài)分析方式。通過這種方式，自然環(huán)境和車輛行駛對大橋所產(chǎn)生的影響力將作為激勵信號，大橋傳感器所采集的信號將作為響應(yīng)信號，然后，使用隨機子空間識別（SSI）算法對模態(tài)參數(shù)進行計算，這種方法使用了只輸出系統(tǒng)識別技術(shù)，將在LabVIEW高級信號處理工具包中實現(xiàn)。

在線分析

為了能夠監(jiān)測大橋的實時結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，在加速度計采集到數(shù)據(jù)后，東海大橋系統(tǒng)能夠?qū)崟r地計算出共振頻率。因為我們在采集數(shù)據(jù)的同時，需要實時并行地對數(shù)據(jù)進行處理，所以共振頻率的計算必須快速高效。SSI算法能夠完美地進行這些運算，但需要進行太多的實時運算。為了克服這個困難，我們使用了遞歸隨機子空間識別（RSSI）算法。當(dāng)數(shù)據(jù)被采集后，數(shù)據(jù)的值將被導(dǎo)入算法，以計算新的共振頻率。只需經(jīng)過一個初始化階段，RSSI算法就能以極快的速度運行，計算實時頻率值。

總結(jié)

使用NI PXI設(shè)備構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，為東海大橋——世界上較大型的大橋之一，提供完美的監(jiān)測解決方案。兩位從未使用過LabVIEW的工程師，使用LabVIEW軟件，結(jié)合LabVIEW高級信號處理和LabVIEW系統(tǒng)識別工具包，只用了三個月的時間就開發(fā)了整套東海大橋監(jiān)測系統(tǒng)。得益于系統(tǒng)的易用性和NI一流的服務(wù)支持，只需三位工程師便可完成整座大橋的監(jiān)測工作，由此將維護成本控制在較低。

借助于精確的GPS同步和時間標(biāo)識、NI PXI動態(tài)信號采集硬件設(shè)備和LabVIEW軟件，我們的團隊成功地為東海大橋搭建了一個堅固的、模塊化、可靠且低維護的高精度監(jiān)測系統(tǒng)。

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