大桥健康监控系统设计

　　介绍：

　　随着桥梁设计水平和施工技术的日见成熟，桥梁的建设取得了突破性的成就，一批大跨径桥梁应运而生，桥梁建设正朝着规模的大型化、形式的轻柔化、功能的复杂化发展。同时，桥梁结构的安全性与耐久性越来越受到人们的高度重视，有关大型桥梁的结构健康监测、安全评估以及寿命预测等问题已经成为当前桥梁工程界必须解决的问题。目前，随着传感测试技术、计算机信息处理技术、结构分析技术和桥梁工程技术等相关学科的进一步发展，针对特大型桥梁结构的安全监测与安全预警研究和实践成为可能。原本应用于军事领域的先进智能材料与结构技术，也在桥梁结构健康监测领域得到应用，使得对大型桥梁结构进行健康监测的技术总体上正朝着智能化和系统化的方向发展。

　　大桥健康监控系统结构如图1所示，监控系统包含多台基于cRIO的数据采集终端，它们分布在大桥的不同位置。数据采集终端的主要任务是按照控制终端的要求，在各类传感器的配合下采集大桥的各类环境数据、静/ 动态响应等信号，进而将这些信号数据一方面实时传送到监视终端；另一方面按指定的策略将部分信号数据以文件的形式存储在本地，以供数据存储终端并利用数据库来统一管理信号数据。运行于各数据采集终端应用软件基于LabVIEW、LabVIEW RT 和LabVIEW FPGA 构建，具有统一的软件架构。其难点在于不同类型信号采集任务的模块化与规范化，多机箱间的同步采集，以及复杂的数据存储机制的实现。

　　系统硬件组成：

　　不同数据采集终端的具体硬件配置都不一样，但是硬件模块类型一致。除了机箱cRIO-9104 和嵌入式控制器cRIO-9004 外，每个采集终端都配有cRIO-9401 和cRIO-9215，在GPS 接收机的支持下，对大桥的振动信号进行GPS同步采集；cRIO-9215和cRIO-9203对大桥的慢变或静态电压、电流信号进行采集；配有ENET-485/4 对部分传感器和调理器的串口输出信号进行采集；同时cRIO-9401对部分数字脉冲信号进行采集和计数。

　　系统软件结构：

　　采集终端统一的系统软件架构可以使上位机能通过一致的接口与其交互命令、状态与数据，方便用户的使用；也可以极大地提高代码的重用性，使所有终端使用同一套代码，方便开发人员维护代码。采集终端系统软件结构如图2 所示。

　　图 1 大桥健康监控系统结构

　　图 2 数据采集系统软件结构

　　结论：

　　大桥健康监控系统要监测大桥大量不同类型的信号，对于振动信号还需要的同步采集。这不仅要求采集终端有很好的开放性和灵活性以集成不同种类的数据采集模块对不同类型的信号进行统一的采集，而且要求采集终端提供高性能的时钟和触发同步功能。同时，恶劣的海洋环境及桥面路况影响对采集终端的健壮性也提出了很高的要求。可以毫不夸张地说，NI 的cRIO 平台是构建该采集终端的解决方案。另外，LabVIEW强大的数据采集和信号处理功能极大地节省了采集终端系统软件的开发时间，在LabVIEW RT 和LabVIEW FPGA模块的配合下使得采集终端能够实时高质量地完成数据采集、信号处理、数据传送和数据存储的工作，为整个大桥将康监控系统提供灵活、强大的底层数据支持。该数据采集终端的实现和具体应用将是cRIO 平台在国内大桥健康监测领域的首次成功，对于该领域及其它相关领域的类似应用具有很强的示范性和参考价值。