NetSLabOSR遠程協同擬動力試驗平臺的開發研究

黃民元+郭玉榮

摘 要：為了推進擬動力試驗方法的研究與應用，基于NetSLab提供的通訊功能，開發了通用建筑結構遠程協同擬動力試驗平臺NetSLabOSR.NetSLabOSR運用NetSLab所提供的通訊模式，從結構遠程協同試驗的角度，解決了異地計算機之間遠程通訊問題，實現了操作信息的傳送控制、及時反饋.采用自帶的數值模擬功能和利用OpenSees進行數值模擬，NetSLabOSR試驗平臺能夠實現傳統本地子結構擬動力試驗和分布式遠程協同子結構擬動力試驗.利用NetSLabOSR試驗平臺，對鋼管混凝土柱鋼梁組合平面和空間框架結構進行了子結構擬動力試驗研究.子結構擬動力試驗驗證了NetSLabOSR試驗平臺的有效性、穩定性，且具備良好的通訊性能與試驗精度.

關鍵詞：擬動力試驗；遠程協同；子結構；試驗平臺

中圖分類號：TU317 文獻標志碼：A

在國外，開展網絡化擬動力試驗研究的主要有美國、英國、韓國、日本和新西蘭.早在1999年，美國國家科學基金會建立了地震工程網絡模擬系統NEES（Network for Earthquake Engineering Simulation）用于提高研究人員的試驗能力，從而改善抗震設計.基于NEES系統，加州大學伯克利分校Andreas Schellenberg等人開發了擬動力試驗系統OpenFresco.伊利諾伊大學厄本那香檳分校Kwon等人基于MATLAB開發了分布式的混合模擬系統UISimCor.EPSRC建立了英國地震工程模擬網絡UKNEES，新西蘭奧克蘭大學建立了地震工程模擬網絡系統NZNEES，讓更多的研究機構實現對NEES系統的資源共享[2].在韓國建設交通部門建立了KOCED，它將遍布在各個大學的12個大型試驗設施用網絡連接起來，實現了高速、共享的協同工作方式[3].在日本建立了大型EDefense網絡地震試驗設備，它將異地的計算機連接起來，對不同類型的高架橋展開了遠程擬動力試驗等[4].在我國臺灣地震工程研究中心建立了網絡化擬動力實驗平臺ISEE，通過系統集成和遠程控制將分布各地的結構實驗室進行試驗的網絡連接，利用該平臺與加拿大卡爾頓大學展開了國際合作的遠程試驗.湖南大學提出了etest的構想，并展開了網絡化結構實驗室系統的建設和相關的一系列研究[5].王濤等人提出了P2P分布式混合試驗，取得了很好的試驗效果[6].哈爾濱工業大學吳斌課題組，對大型建筑和橋梁結構進行了遠程協同混合試驗基礎理論和試驗方法的深入研究[7-8].蔡新江等人對多跨的橋梁結構，進行了網絡協同的擬動力試驗研究[9].王大鵬等人針對土木工程試驗中廣泛應用的MTS系統，研究了遠程協同試驗中的試驗設備與控制系統[10].楊格等人建立了建筑結構混合試驗平臺HyTest的開發研究，采用帶中轉服務器的通訊模式，解決了不同局域網之間的數據傳輸問題等[11].

隨著擬動力試驗技術進一步發展，湖南大學基于NetSLab遠程通訊系統建立多模塊、多功能的NetSLabOSR遠程協同擬動力試驗平臺，并利用該試驗平臺展開了相關的系統驗證工作和模型試驗研究，進一步擴展了擬動力試驗平臺的適用范圍，推動了擬動力試驗方法的發展與應用.

1 NetSLabOSR遠程協同擬動力試驗平臺

1.1 試驗平臺的系統構架

遠程協同擬動力試驗平臺NetSLabOSR包括3個組成部分：試驗總控制中心ControlCtrR，試驗站點控制程序Tester，設備控制程序ControlEqDAQ，基本系統構架如圖1所示.3大部分的功能與作用如下：ControlCtrR組織和控制整個試驗進程，承擔結構數值模擬工作，實現與不同試驗室之間的遠程通訊；Tester相當于ControlCtrR與ControlEqDAQ之間的中轉站，在這里完成ControlCtrR和ControlEqDAQ之間的通訊連接、試驗指令和反饋傳遞，以及試驗過程的動態觀測、進程協調；ControlEqDAQ完成真實擬動力試驗的加載和試驗響應的數據采集，并將采集的數據發送、反饋給Tester[12].

ControlCtrR作為試驗總控制中心，其功能是完成擬動力試驗的有限元數值模擬與試驗室之間的遠程控制，它提供了較簡單的結構模型，如多跨連續橋結構、帶支撐多層剪切型結構的地震響應數值模擬功能，也提供調用其他有限元軟件，如OpenSees進行數值模擬的功能.對于具體的試驗，試驗者可以根據試驗結構模型和試驗目的選擇合適的數值模擬手段，以獲得最佳的擬動力試驗效果.ControlCtrR的主控界面，提供了擬動力試驗的遠程實驗室配置，能有效完成與異地試驗室之間的試驗數據傳輸.試驗控制者能夠通過ControlCtrR的主界面，觀察各個實驗室的試驗指令和反饋的對比時程曲線、力位移滯回曲線，并可控制試驗進程.

Tester的功能相當于整個試驗過程的一個中轉站，主要是完成ControlCtrR與ControlEqDAQ之間的試驗加載指令和反饋指令的傳遞.當Tester接收到ControlCtrR發來的試驗加載指令后，如位移指令后，根據試驗相似比將位移指令轉換為實際試驗子結構的位移加載值發送給ControlEqDAQ，然后按一定的時間間隔讀取設備反饋，當反饋位移值滿足用戶設定的誤差等規則時，將反饋力按相似比縮放后，發回給ControlCtrR.Tester的主控界面，提供試驗過程動態觀察的功能，可顯示由ControlCtrR發送來的試驗加載指令及ControlEqDAQ發來的設備反饋數據，同時動態顯示主要的參數曲線、時間間隔及試驗步狀態等.

設備控制程序ControlEqDAQ的功能是實現擬動力試驗中試驗子結構的模擬加載，以獲得試驗子結構的地震響應.基于實驗室電液伺服試驗設備的規模和功能，試驗者根據自己的需要可以對組合柱、防屈曲支撐等基本構件進行試驗的加載.根據試驗需求選擇水平方向加載、豎直方向加載、試驗節點轉角加載等.ControlEqDAQ根據Tester發來的子結構試位移或力加載命令控制作動器對試件進行加載，并通過傳感器測試位移和力，按一定的時間間隔發送給Tester.為了方便試驗平臺的測試和供用戶學習使用，編制了一個虛擬的設備控制程序，如圖2所示.該程序模擬設備控制程序的功能，接收指令個數要和Tester程序中設定的指令個數相同.各指令對應的通道、指令類型也要和Tester程序中的設置一致.

1.2 基于NetSLab的遠程通訊系統

NetSLabOSR遠程協同擬動力試驗平臺采用NetSLab網絡通訊平臺實現參與試驗的異地計算機之間的數據通訊.NetSLab網絡通訊平臺是基于網絡化結構試驗室NetSLab（Networked Structural Laboratories）的需求而開發的，它根據遠程協同試驗的需求提供了異地計算機之間基于互聯網的數據通訊功能.

從結構遠程協同試驗的角度，在NetSLab網絡通訊平臺的開發中引入了多個新概念并采用接口引擎，從而使得應用程序界面友好、使用方便，并且用戶還可以在該平臺上作進一步自主開發.NetSLab網絡通訊平臺提供給試驗應用程序開發的是一個UPSupport.exe程序，一個標準ActiveX控件UPCtlATX.DLL和一個配置文件NetLab.UPF（它是用于試驗參數配置和行為樹配置的記錄文件）.基于NetSLab網絡通訊平臺來開發結構遠程協同擬動力試驗的應用程序非常方便，任何支持標準ActiveX控件的高級計算機語言（如Visual Basic、Visual C和Visual Java等）都可以作為開發工具.應用程序通過UPCtlATX控件提供的接口函數實現異地計算機之間的通訊和修改NetLab.UPF文件中的試驗參數，UPSupport.exe程序則可以對記錄在NetLab.UPF中的行為樹進行編輯，從而改變遠程協同試驗的操作控制模式.

ControlCtrR和Tester之間的數據交換采用NetSLab網絡通訊平臺來實現.在開始試驗前，ControlCtrR先啟動NetSLab網絡通訊平臺，然后等待各個試驗室的Tester通訊接入.當所有的Tester都連接成功后，則在ControlCtrR程序里啟動試驗.在每個試驗步，ControlCtrR將試驗指令發送給所有的Tester后，就監聽網絡.當接收到所有Tester的反饋之后，進行下一步的數值模擬.在ControlCtrR的主控界面，點擊“啟動NetSLab”菜單，在主窗口右下角的提示區會顯示“NetSLab”成功啟動，然后程序等待各個試驗機Tester的通訊連接，如圖3所示.在NetSLab狀態欄，顯示本程序和試驗機程序的通訊連接狀態.

2 擬動力試驗驗證例子

多功能的建筑結構遠程協同擬動力試驗平臺NetSLabOSR，試驗中可根據結構模型的不同特點選擇適合的、針對性的試驗平臺，可選擇采用ControlCtrR自帶的數值模擬功能的試驗平臺，也可選擇采用OpenSees進行數值模擬的試驗平臺.

2.1 采用ControlCtrR自帶的數值模擬功能

2.1.1 擬動力試驗設計

擬動力試驗采用十層方鋼管混凝土柱H形鋼梁平面組合框架，柱采用方形截面鋼管混凝土柱，梁采用窄翼緣H型鋼梁.在組合框架兩邊跨的每一層，都布置人字型的防屈曲耗能支撐，以獲得在地震作用下的高效減震效果.擬動力試驗組合框架的橫向跨徑采用三跨，其中間的跨度為12.8 m，兩邊的跨度為9.6 m.組合框架的層高，底層為4 m，其余各層為3 m.在擬動力試驗中，取框架底層的人字型防屈曲耗能支撐作為試驗子結構，其余部分作為計算子結構，兩部分協同共同完成整個擬動力試驗.

擬動力試驗加載裝置如圖5所示.從圖中可以看出，人字型防屈曲耗能支撐試驗子結構上端與H型鋼加載橫梁鉸接，加載橫梁安裝在一個剛架滑道中以防止側向位移.作動器鉸接在加載橫梁端頭，實現水平位移的加載.兩個防屈曲耗能支撐的底部與鋼底座鉸接，鋼底座用鋼螺栓與地槽連接在一起，以保證試驗過程中的結構穩定.

3 結 論

為了促進擬動力試驗技術的應用與發展，本文開發了通用建筑結構遠程協同擬動力試驗平臺NetSLabOSR，介紹了其采用的主要模塊和試驗方法，并通過真實試驗檢驗了平臺的性能，主要結論如下：

1）基于分布式的遠程協同子結構擬動力試驗特征，設計了試驗平臺NetSLabOSR的架構體系.該架構體系設置了一個試驗控制中心模塊ControlCtrR，便于協調整個混合試驗，分布在各個遠程實驗室的Tester模塊則基于不同試驗設備控制系統ControlEqDAQ所開放的接口和數據交換格式，實現了試驗控制中心和試驗設備控制程序之間的加載指令和反饋數據轉送.所開發的試驗平臺，各個模塊之間工作協調，數據流向清晰、合理.

2）基于NetSLab網絡通訊平臺，實現子結構擬動力試驗平臺的遠程通訊，完成了異地計算機之間試驗信息的傳輸.在網絡通訊平臺的開發中，引入了多個新概念并采用接口引擎，能滿足分布式遠程協同子結構擬動力試驗多種數據傳輸的需求.遠程數據傳輸快捷高效，可大大提高子結構擬動力試驗的綜合性能和試驗效率.

3） 開發的NetSLabOSR試驗平臺自帶了一些簡單結構模型數值模擬功能，也可調用現有的有限元軟件如OpenSees進行復雜結構的子結構擬動力試驗.子結構擬動力試驗表明，該試驗平臺可以應用于不同復雜程度結構的混合試驗，模擬不同的子結構試驗加載邊界條件.試驗平臺的精度較高、數據交換穩定，且通用性能良好，能有效完成各種需求的子結構擬動力試驗.

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