基于LabVIEW的橋梁監測系統設計與實現

何 晉，潘書文，朱西平

(成都信息工程學院，四川成都610225)

0 引言

橋梁在服役過程中不可避免地受到設計載荷、環境腐蝕、材料老化等問題，以及一些突發事件、臺風、地震、撞擊等載荷引起損傷[1]，橋梁坍塌等事故的發生容易造成交通運輸的瓶頸和慘重的人員經濟損失[2]。隨著橋梁橋齡和交通負荷的不斷增大，以及暴露在周圍的環境溫度、濕度、降水均衡、風力等因素影響，橋梁結構的完整性和性能都受到顯著的影響[3]，橋梁結構損傷檢測和在線安全監測成為當前國內外學術界和工程界的熱點問題[4]。根據橋梁自動化監測的工程需求開發了一套基于LabVIEW的智能監測系統，對橋梁所處環境荷載以及橋梁結構性能進行實時監測，從而為橋梁的養護與維修提供指導依據，為橋梁監測的自動損傷識別和安全評估構建良好的軟硬件平臺。

1 硬件系統的設計與實現

橋梁監測系統由兩個部分構成。第一部分是將獲得的機器當前狀態信號或者參數變成標準電流或者電壓信號的傳感器系統，它由振動傳感器，溫度、濕度、位移傳感器等各種測量部分組成。第二部分是將獲得的信號進行具體數值顯示并進行進一步分析、處理的虛擬儀器部分。橋梁監測系統所需的基本硬件設備包括傳感器、信號調理模塊、數據采集卡等。傳感器部分主要是獲得被測對象的各種信號;信號調理模塊主要是對信號進行濾波、差分放大等信號調理工作;數據采集卡主要控制多路開關對通道進行切換，同時進行數據采集工作，并通過LAN總線將數據傳輸至主控PC機;主控PC機完成數據的接收、處理、顯示和存儲。本文中，采取傳感器、信號調理模塊、數據采集卡3部分合為一體通過網線連接主控PC機的設計方案，如圖1所示。

圖1 監測系統的硬件組成

1.1 傳感器選型

在保證傳感器的量程、靈敏度、精度、頻率響應范圍等功能適用性基礎上，綜合考慮傳感器的穩定性、可靠性、耐久性以及與數據采集、通信設備的相容性、橋梁結構分布等因素[5－6]，選擇了yd-302型壓電式加速度傳感器用于振動監測。在溫濕度分布監測方面，傳統的溫度測控方案，大部分都需要將置于測量點的溫度傳感器(熱電偶或熱電阻)與溫度變送器用信號線連接，然后才能變送輸出控制系統需要的信號。由于探頭本身的物理特性，測量距離很受限制，而且信號線的線阻對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字量信號，能夠輕松解決上述問題。在位移監測方面采用了結合角度傳感器和直線位移傳感器優點的MPS-S-1000mm-V型拉繩式位移傳感器，滿足長行程測量的高精度需求。當同一監測內容由多個監測點的多個傳感器共同監測時，可采取多傳感器一致性數據融合算法對多傳感器信息采集系統的數據進行融合處理[7]。

1.2 測控平臺

綜合考慮系統的可靠性、穩定性及可擴展性等要求，選擇NI公司的工業級嵌入式測控平臺CompactRIO(cRIO)對安裝在橋梁上的各個數據采集點進行控制。整個數據采集平臺由NI 9074型cRIO機箱控制器、NI 9234型振動采集模塊、NI 9205數據采集卡組建構成。在設計中通過cRIO機箱將傳感器上傳的信號進行信號調理，并實時進行分析，同時各cRIO模塊之間通過GPS模塊進行時間同步，保證上傳數據的時間一致性。由于cRIO機箱有一定的緩沖存儲數據的能力，對各種原因引起的數據丟失有一定的改善，cRIO中的控制器部分還有自己的實時操作系統，因此具有獨立運行的能力，從而保證了系統的魯棒性。結合cRIO模塊集成的接口設備以及LabVIEW軟件，可以快捷地設置cRIO采集模塊的屬性，將橋梁上各個測量點方便地集成在一起，通過網絡與監控中心相連。

2 軟件系統的設計與實現

2.1 軟件的功能模塊組成

軟件系統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小時實時監測、用戶信息管理、提供參考依據、各類數據分析、多重分級預警等[8]。非功能性需求包括軟件的通用性、擴展性、時效性、開放性、美觀性、易操作性等。在擴展性方面，考慮可能出現晚上人員不在現場時等情況，可在PC端將異常報警通過計算機網絡或GSM網絡傳至移動終端等方式實現遠程報警[9]。基于LabVIEW平臺設計的系統功能模塊設計如圖2所示。

圖2 軟件功能功能模塊設計

2.2 數據采集與傳輸子系統設計與實現

綜合文獻[10]對數據采集與傳輸軟件子系統的基本要求，將數據采集與傳輸軟件子系統軟件分解為數據采集、數據傳輸、實時顯示、參數配置、數據分析、數據存儲、報警記錄7個模塊來設計組成。各模塊的功能描述及對應功能點如表1所示。

表1 系統功能模塊描述表

數據采集與傳輸的框架如圖3所示，首先由傳感器將采集到的數據傳至實時系統，實時系統的程序控制傳感器的采集并負責將數據通過以太網傳遞至PC端進行顯示、處理。數據采集與傳輸子系統的程序分為兩部分分別寫在cRIO控制器內和PC上。在cRIO實時系統內的RT(Real-Time)程序主要完成數據采集和數據傳輸的任務，而在PC上的HOST程序完成參數配置、數據接收、數據分析、數據存儲、實時顯示、報警記錄等功能，實時系統中的數據通過以太網傳輸到PC端。以下將分別講述RT程序和HOST程序的實現方法。

圖3 數據采集與傳輸系統的框架

HOST主程序的設計模式有一般狀態機模式、消息隊列模式、用戶事件模式、總/從結構模式和生產者/消費者模式這五種較為普遍。由于本系統需要并行響應事件，即在數據采集的同時，響應前面板事件。因此在數據采集時的子VI之間的數據通信采用生產者/消費者模式，數據保存、數據顯示以及前面板參數的輸入3部分需要有3個生產消費者結構，在事件結構下對各個事件分別編程做出響應。機控制器RT端的主程序是用于高實時性要求的控制和采集任務[11]，數據采集模塊利用替換數組子集函數將16路通道的信號寫進一個16維數組中，并將該數組值賦給線程間的共享變量節點，將數據傳輸模塊與數據采集模塊的循環頻率都設為相同10 ms的間隔，線程間的共享變量傳遞數據給網絡共享變量，實現HOST程序對實時系統的數據采集控制。

為方便程序擴展，將參數配置模塊的參數全部捆綁成簇，制作自定義類型，并利用生產者/消費者模式將參數簇傳遞給數據分析模塊，該模塊接收到前面板設置的參數之后，對數據做出分析。數據接收模塊利用網絡共享變量節點對RT端通過以太網傳遞過來的信號進行接收，并利用索引數組函數將16路通道信號還原。數據存儲模塊利用TDMS文件讀寫速度快、占用磁盤空間小等優點存儲實時系統中的海量數據的存儲[12]，并為振動信號、濕度信號、溫度信號及位移信號4組信號分別存有4個通道數據，程序如圖4所示。為了防止保存的文件過大導致文件讀取速度過慢，系統每隔1小時重新新建1個TDMS文件。

圖4 TDMS文件保存程序

數據的預處理需根據傳感器的參數曲線，在軟件上實現輸出電量與對應物理量的轉換。下面以振動傳感器為例，傳感器輸出電壓為V，靈敏度為S，因此加速度的計算公式為

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

在測試物理量向結構特征參數的轉換的過程中，根據傳感器的不同采用不同的策略處理數據[13]并進行傳感器數據可信度評價[14]。振動傳感器經過預處理后獲得的參數是加速度，振動參數的提取還需要對加速度數據進行FFT變換等頻域分析，從中獲得結構特征參數如頻率等。位移需要進行統計分析，獲取平均值、標準差等信息，同時對位移量手工設限，進行預警，分析程序如圖5所示。獲得預處理的數據后，利用LabVIEW自帶的功能函數模塊對這些數據進行濾波處理、時域分析、頻域分析。

圖5 位移分析子程序

2.3 用戶界面軟件子系統設計與實現

軟件界面劃分為用戶管理模塊、實時監測與預警模塊以及數據查詢3個模塊，主界面如圖6所示。

圖6 主界面

實時監測與預警模塊主要是對各功能模塊以及數據的顯示，與數據采集與傳輸子系統的功能重疊，不再贅述。數據查詢模塊采用TDMS特有的TDMS查看器方式，可以自由選擇顯示數據還是波形，并且可以選擇某一時間段內的數據進行查看。用戶管理模塊由于LabVIEW不能直接訪問數據庫，因此需要借助其他的數據庫訪問方法來完成數據庫的訪問功能。在Lab-VIEW編程環境下實現系統與數據庫的接口進行連接的幾種方法[15]，這些方法雖然都能夠連接數據庫并對其進行訪問，但都有不足之處。通過數據庫訪問工具包LabSQL實現用戶管理模塊的要求，其過程可分為以下4個步驟:

(1)通過ADO Create.vi創建一個連接對象;

(2)利用ADO Connection Open.vi創建一個和數據庫連接的函數;

(3)利用 ADO SQL Execute.vi實現對數據庫的增、刪、查、改等操作;

(4)利用 ADO Connection Close.vi以及 ADO Connection Destroy.vi關閉程序與數據庫之間的連接。

3 橋梁監測系統測試與分析

監測主界面如圖6所示，用戶登錄后在界面右上角顯示當前用戶的用戶名、權限、日期時間等信息，并通過界面左側的功能按鈕對監測系統進行控制和操作，振動報警、溫度報警、濕度報警和位移報警均可在主界面實時顯示。振動監測、溫濕度監測和位移監測在界面上可顯示振動時域分析圖、頻域分析圖、特征參數的監測以及設置參數。振動監測測試效果如圖7所示，實時顯示每一個通道的加速度值、標準差、方差等特征參數值，通過參數設置模塊能夠對采樣率、濾波器的類型、截止頻率以及加速度閾值進行設置。位移監測測試效果如圖8所示，可根據參數設置監測顯示位移信號的趨勢圖、位移數值、統計波形。

圖7 振動監測結果

圖8 位移監測結果

4 結束語

文中根據橋梁監測的通用需求，開發了一套基于LabVIEW軟件平臺和NI硬件平臺的橋梁監測系統。實驗表明，該系統功能準確、可靠、易拓展，采用面板式操作和顯示，分析結果直觀，操作簡單，具有較好的人機界面交互功能。橋梁健康監測系統的研究工作雖然以及歷經了半世紀之久，但目前仍然處于應用和推廣的初級階段，研究的主要內容是針對系統在軟硬件實現過程中的研究和分析。隨著自組織網絡、大數據處理以及傳感技術的不斷進步，位于橋梁監測前端的傳感器網絡和后期的數據分析處理技術仍有大量的改善空間，推動橋梁監測系統向著更加智能、便捷、快速、準確的方向發展。

致謝:感謝成都市科技惠民計劃項目(13Z130)對本文的資助

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