基于LabVIEW 和PXI技术的核电站数字地震监测系统设计与应用

　　我国在"九五"、"十五"、"十一五"三个关键时期，耗资数十亿元，建立了全国数字化地震台网和地壳运动观测网络，以及实施了中国地震数字化网络工程，就是为了进一步对地球的各种内在机理有一个深入的研究和理解。地震总是给人类以沉重的打击，我国是遭受地震灾害严重的国家之一，20世纪全世界发生的7级以上地震中，中国占35%.

　　本文介绍以LabVIEW、PXI技术和地震动测量传感器 ,研制成功的基于虚拟仪器的核电站数字地震监测系统。应用美国NI公司LabVIEW系统开发平台（包信号处理软件）、先进的PXI技术和地震动测量传感器，在较短时间内，研制成功了基于虚拟仪器的核电站数字地震监测系统，有力地支持了中国核电站的发展。该监测系统地震信号处理功能强大，信息表达丰富、多样、人机界面友好。它的主要功能是，实时监测地震加速度随时间变化过程，并判别真伪地震，当地震信号超过报警阈值时，显示、记录地震加速度峰值并向主控室发出报警信号；采集记录地震加速度反应时程数据，计算基础地面设备加速度响应谱和设计响应谱，并与理论设计响应谱进行比较，以验证抗震I 类构筑物和设备的抗震设计是否合理，或判别是否需要对某些物项实施地震后检查。

　　虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。

　　基础地面设备地震动测量原理

　　设一基础地面设备的单自由度模型如图1所示：

　　对上述方程（7）、（8）和（9），应用两阶牛顿向前插值公式进行数值计算，获得地面设备的加速度响应谱曲线。

　　按照ASME规范的规定，根据计算所得的加速度响应谱曲线，按频率± 15% 拓宽加速度响应谱峰值点，然后平行连接生成相应的设计响应谱曲线。

　　核电站数字地震监测系统

　　目前，已经完成了地震网络计算支撑平台的基本构架，初步实现计算应用系统的计算应用资源注册管理、任务分发与调度管理、集群计算资源管理、用户与访问管理等功能，基本完成了"加卸载响应比时空扫描地震预测"、"各向异性壳幔结构反演"、"地壳应力场分析"和"构造变形场模拟"的计算模型并行重构和应用程序的设计，并开始网络计算应用试验。

　　核电站数字地震监测系统 ,其主要功能为：

　　（1）实时监测地震加速度随时间的变化过程，并判别真伪地震信号；当地震信号超过报警阈值时显示、记录地震加速度峰值并向主控室发出声光报警信号，供值班人员决策是否发布警报或者停堆；

　　（2）采集、记录基础地面地震加速度反应时程数据，算出地面设备的加速度响应谱和设计响应谱，以了解和验证抗震Ⅰ类构筑物和设备的抗震设计是否合理，或判断是否需要对某些物项实施震后检查；

　　（3） 显示和打印采集到的地震加速度信号和分析获得的数据、图形，并存储归档。

　　系统构成

　　地震监测系统由美国NI 公司的LabVIEW6i、PXI-1010、PXIPCI18335、SCX1102,PXI3031E,MXI-3 、Signal Processing Suite、三轴向加速度传感器、工业控制计算机、激光打印机构成（图3）。

　　数字地震监测系统平台

　　● 数字地震监测系统面板

　　数字地震监测系统平台面板见图4 和图5 .该系统平台采用LabVIEW 的标签翻页功能，监测系统的功能一目了然，功能之间的相互关系层次清晰，选用方便。例如图4 的面板所示，该监测系统正处在地震监测功能下，此时正测量和显示自由场，- 15m 和11m各基础地面三个方向上的加速度时程，同时显示加速度的和值。图5 显示的是阻尼ξ为2%时的自由场、-15m和11m处基础地面上的设备的计算地震加速度响应谱。

　　由LabVIEW 和信号处理包完成的地震信号分析软件主要功能是：地震信号的调理、采集、存储、真伪地震的判定和报警；设备计算响应谱和设计响应谱的生成以及设计响应谱与理论响应谱的比较，输出完整的地震数据文件。

　　下面举例说明地震信号分析软件中的联合时频分析和小波分析的应用。

　　● 联合时频分析

　　对于地震信号的分析，人们除了要知道地震发生时的地震动加速度幅值和频率外，还需要知道地震发生时期，地震动频率随时间的变化，也就是需要对地震信号进行联合时频分析，以得到地震动频率与时间的关系。我们应用LabVIEW 的联合时频分析软件包，使用同济大学地震试验台模拟地震信号，得到了地震动频率-时间关系，图6 至图7 是用STFT 和ConeShaped 两种算法得到的分析结果，从图中可以看到，约在0-20 秒时间范围内，地震动中心频率大约为1.5HZ,约在8 秒时，地震动频率约为3.0Hz.

　　● 小波分析

　　自1986 年以来，小波分析得到了迅速的发展，其应用也逐渐地变得越来越广泛，其在噪声消除，微弱信号的提取和图象处理等方面也取得超乎寻常的成果。，图8（a）是原始数据，图8（b）是重构信号，（c）是高通滤波后的信号，（d）是低通滤波后的地震信号。应用小波分析技术，将信号中的高频和低频部分进行"细化和放大",低通滤波后的地震信号（d）更加清晰。

　　结论

　　本文应用美国NI 公司的LabVIEW 和PXI 等先进的虚拟仪器技术， LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW [2]中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。在较短时间内，研制成功了基于虚拟仪器的核电站数字地震监测系统。该核电站数字地震监测系统集地震信号计算机数据采集和处理于一体，信号处理量大，数据表达直观、多样化。核电站数字地震监测系统的研制成功，有力地支持了中国核电站的发展。