基于川软硬件平台的桥梁健康监测系统 l NI技 术市场 工程师 周斌 摘要 ：桥 梁健 康 监 测 是现 代 测试 测量 中极 为重要 的 应 用之 一 。本 文 利 用NI 是 由盐 造 成 的 化 学 腐 蚀 。 而 且 ，工 软 硬 件 测 试 平 台 ， 为 东 海 大 桥 的 桥 梁 健 康 监 测 组 建 了 完 整 系统 ， 以 识 别 桥 作站 点 必 须 具 有 高 坚 固 性 、 可靠 性 梁 损 害 或 状 态 是 否 恶 化 。 关 键 词 ： SHM ；桥 梁 监 测 ； LabVIEW ；RSSI 和 可 维 护 性 。 除硬 件 系 统 以外 ，远 程 配 置 、 管 理 和 传 输 采 集 数 据 属 于 软 件 需 引言 以 连 接 上 海 市 与 洋 屿 的 东 海 求 。 LabV IEW 套 件 是 一 组 软 件 ， 现 今 ， 健 康 监 测 系 统 (SHM )已 大 桥 为 例 ，大 桥 的 测量 系 统 遍 布 整 它 通 过 与 NI PXI模 块 及 包 括 网 络 在 成 为 一 种 适 用 于 多 种 结 构 应用 领 域 个 桥 体 。将 全 长32公里 的桥 分 为 几 内 的 其 它 相 关 硬 件 的 无 缝 集 成 并 采 的 标 准 工 程 实 践 。 个 部 分 ，每 个部 分 都 安 置 一 个 信 号 用恰 当 的抽 象 和 封 装 ，实 现 了高 效 桥 梁 的 健 康 监 测 具 有 一 些 特 采集 站 ，站 点 间距 离为 几 千 米 到 数 监 测 的 目 的 。 性 ， 譬 如 ： 一 座 桥 梁 是 一 个 地 理 上 十 千 米 。 这 些 分 布 在 指 定 地 点 的 信 的 分 布 式 系 统 ，通 常 长 达 几 千 米 到 号 采 集 站 构 成 了 整 个 数 据 采 集 系 同步 ：基 于 GPS的 解 决 方案 数 十 千米 ；桥 梁 通 常 工 作 于 恶 劣 的 统 。每 个 站 点 充 当 其 附 近 传 感 器 的 实 现 数 据 采 集 系 统 的 主 要 挑 战 环 境 ， 并 在 桥 梁 工 作 时 采 集 数 据 ； 主 机 系 统 。 每 个 站 点 的 功 能 特 性 如 之 一 是 同 步 问 题 — — 必 须 实 现 广 阔 监 测 是 一 个 长 期 过 程 ， 也 必 然 是 一 下 ： 根 据 所 连 接 传 感 器 的 类 型 ，进 地 理 范 围 内的 同步 。对 此 问题 的解 个 遥 测 过 程 ， 而 且 ， 由 于 地 理 距 离 行 多 种 格 式 的 数 据 采 集 、 信 号 调 决 方 案 是 采 用 GPS定 时 信 号 。 每 个 和恶 劣 的环 境 ，最 好 能 够使 现 场维 理 、 数 据 处 理 与 管 理 和 数 据 传 输 等 站 点 与 一 个 GPS接 收 装 置 连 接 。 接 护 降 到 最 少 ；监 测 是一 个 连 续 的实 功 能 。 时过 程 ，其 间 有 大量 数 据 采集 ，需 鉴 于 所 处 的 恶 劣 工 要 采 用 智 能 技 术 获 取 表 征 信 息 以 根 作 环 境 ， 这 些 站 点 必 须 — ； — 据 数 据 进 行 评估 。这 些 特 性 构 成 了 耐 受 (但 决 不 限 于 )水 、 湿 桥 梁 健 康 监 测 系统 的开 发 过 程 中需 气 、 灰 尘 、 冲 击 及 特 别 图 1 PPS信 号 要 解 决 的 挑 战 。 桥 梁 监 测 系统 初 探 对 于 一 座 正 常 工 作 的 桥 梁 ，所 需 的监 测 项 基 本 源 于 三 个类 别 ：环 境 、维 护 和事 故 监 测 。 总 而 言 之 ， 需 要 监 测 的 主 要 项 目如 下 ：环 境监 测包 括 大 气 温 度 、 风 速 、氯 离 子 的侵 蚀 、海 浪 ；静 态 、 响 应 与 动 态 响应 的监 测 包 括 结 构 变 形 、结 构压 力 等 。 图 2 IRIG-B信 号 ¨0。 一1- 雌PH 憎 1 皓 K K j nj 广 睁 。。： ■ 。f『： 一1T薯 ；；f『 ， Electronic Design&Application World-Nikkei Electronics China 6 I 

收 装 置 接 收GPS同步 信 号 ，进 而 发 的 人 造 卫 星 以 1．5GHz的 载 波 频 率 冲 。 它 通 常 用 作 采 集 的 触 发 信 号 。 送 至 站 点 内 的PXI模 块 。GPS同步 连 续 发 送 其 空 间 坐 标 以 及 时 间 信 PPS类 型信 号 的 另 一 个 实 例 是 10M 信 号 用 以 确保 整 个 分 布 式 系 统数 据 息 。 特 别 地 ， 该 时 间 信 息 可 用 于 精 PPS， 它 每 秒 产 生 10M 个 脉 冲 。 该 采 集 的 严 格 同 步 。 确地 关联 、触 发 和 时 间标 记 测 量 数 信 号 通 常 用 作 采 样 基 频 。 GPS定 时 信 号 据 。 来 自GPS接 收 装 置 的 典 型 GPS 第 二 种 信 号 类 型 是 DC—Leve1 GPS系 统 由 每 12／J~时 围 绕 地 球 定 时信 号 有 两 种类 型 。 的 IRIG—B。 IRIG是 一 种 承 载 绝 对 旋 转 一 周 的 24个 人 造 卫 星 组 成 。 其 第 一 种 信 号 类 型 是 PPS， 如 时 间 的 编 码 晶 体 管 一晶 体 管 逻 辑 中 ，每 一 个 人 造卫 星都 拥 有 一 个精 图 1所 示 。 图 1中 的 信 号 也 称 为 1 (TTL)信 号 ，每 秒 重 复 或 再 同步 。 度 为 10。。秒 的 板 上 原 子 时 钟 。GPS PPS， 因 为 它 每 秒 只 输 出 一 个 脉 对 于IRIG，每 帧 为 lS。 图2所 示 为 IRIG—B标 准 的 一 个 定 时 框 图 。 每 个 比 特 用 一 个 周 期 为 l0mS的 信 号 来 表 示 ， …0’ 的 高 电 平 持 续 时 间 为 2m S， “1” 的 高 电平 持 续 时 间 为 5m S， 而 “P” 高 电 平 持 续 时 间 为 8m S。 在 1 S帧 内 ，P比特 将 秒 和 分 钟 、 分 钟 和 小 时 等 分 隔 开 。 面 向数 据 采 集 的 同步 技 术 该 范 例 中的采 集 系 统 由NI PXI 1045 18-插 槽 机 箱 、NI PXI 8187控 制 器 、 NI PXI 6652、 6602和 4472B 模 块 组 成 。 图3所 示 为 该 采 集 系统 的 示 意 框 图 。 中心 部 件 是 动 态 信 号 采 集(DSA)模 块NI PXI 4472B， 它 是 输 入 和 采 集 传 感 器 信 号 的 实 际单 元 。其 它 模 块 用于 确 保NI PXI 4472B正 常 工 作 。该 系 统 的 主 要 挑 战在 于 如 何将 广 泛分 布 在 多 个站 点 的 NI PX1 4472B模 块 同 步 起 来 。 NI PXI 6652同步 模 块 与 来 自 G PS接 收 装 置 的 10M PPS信 号 连 接 。该 信 号 在 分 频 后 发 送 至 PXI背 板 ，再 用 作 NI PXI 4472B模 块 的 过 采 样 时钟 。 NI PXI 6602计 数 器 在 两 个 端 口同 时 接 收 来 自GPS接 收 装 置 的 1 PPS信 号 。 一 个 端 口的 信 号 通 过 PXI背 板 用 作 SYNC脉 冲 ， 以实 现 图3 GPS PPS同步原理图 spectrum 图4 MUSIC所提供的东海大桥频谱 62 2009．10电字谩计应用 WWW·eaw．com·cn 

所 有 NI PXI 4472B模 块 采 集 信 号 时 实 例 。 输 出 ” 的方 法 ，非常 适 合 桥 梁 模 态 的 相 位 同 步 。 另 一 个 端 口 的 信 号 用 模 态分 析 方 法 可 反 映 桥 梁 的 动 分 析 。 作 定 时 器 ，并 与预 先 设 定 的采 集 时 态 特 性 。 实 际 上 ， 模 态 分 析 是 现 今 在 工 作模 态 分 析 领 域 ，有一 类 间 相 比 较 。 当 达 到 采 集 时 间 时 ， SHM 的 一 项 标 准 工 程 实 践 ， 通 过 方 法 采 用 仅 输 出 的 系 统 辨 识 (也 称 NI PXI 6602再 次 通 过 PXI背 板 ， 生 模 态 分 析 ， 可 获 得 模 态 成 开 始 触 发 信 号 ， 以启 动 NI PXI 参 数 — — 共 振 频 率 、 阻 4472B的 数 据 采 集 操 作 。 N I PXI 尼 系 数 和 模 态 。 传 统 情 8 i 87控 制 器 从 GPS接 收 装 置 读 入 况 下 ， 这 些 模 态 参 数 是 IRIG—B信 号 ， 并 可 从 IRIG—B信 号 从 测 试 人 员 施 加 的 激 励 获 得 绝 对 时 间 。 然 后 ，该 绝 对 时 间 信 号 以 及 对 应 的 响 应 信 可用 作 被 采 集数 据 的时 间 标记 。 号 中 获 得 的 。 由 于 PPS信 号 都 来 自GPS系 为 处 理 类 似 桥 梁 的 统 ， 它 们 对 于 所 有 站 点 的 所 有 NI 大 型 结 构 的 模 态 分 析 ， PXI 4472B模 块 是 完 全 相 同 的 ， 从 出 现 了 一 种 相 对 新 颖 的 图5通过SSI算法识别 的东海大桥(主桥子L)的模态 而 完 成 跨 越 广 阔 地 理 区 域 内 多 机 箱 模 态 分 析 方 法 。 这 种 方 系 统 中多个 NI PXI 4472B模 块 的 同 法 能 够 在 大 型 结 构 工 作 步 数 据 采 集 。 时 处 理 所 收 集 的 数 据 ， 实 现 整 座 桥 同 步 数 据 采 集 系 统 这 就 是 工 作 模 态 分 析 。 ■ 、、i ／ ／_＼ ／／／ 一 、 f l J l ’ ／ ＼＼＼、 ． ＼ ‘ ／ ／ I ／ 、 、 ＼ ＼ ， ～ 一 的 配 置 ， 可 方 便 快 捷 地 通 过 编 程 实 在 此 方 法 中 ， 没 有 明 xg g自 《∞ ∞ ■■■ ■■ ■H 目z■ 一 现 。 确 的 激 励 信 号 应 用 于 该 结 构 ， 而 是 由 环 境 的 自 监 测 过 程 中 的 分 析 然 力 和 作 用 于 该 结 构 的 数 据 采 集 的 意 义 在 于 从 所 采 工 作 负 载 充 当 激 励 。 这 集 的 海 量 数 据 中 挖 掘 有 用 信 息 。 因 样 的 激 励 是 随 机 和 未 知 此 ， 除 记 录 通 过 数 据 采 集 板 卡 获 得 的 ， 『又仅 可 利 用 布 置 在 的 原 始 数 据 (就 其 自 身 而 言 ， 它 显 该 结 构 上 的 传 感 器 来 获 然 是 非 常 重 要 的 )之 外 ，还 需 要 从 知 所 测 得 的 信 号 _一— 响 不 同 方 面 对 这 些 数 据 进 行 分 析 处 应 信 号 。 因 而 ， 工 作 模 理 。 态 分 析 也 被 称 作 “只 有 桥 梁 测 量数 据 的 离 线 分 析 l ，一一一 、 ＼ 】 ／ 一 ＼、 、、l ／。 l j l i ，{ ＼ 、{ ／ 1／ ／ —～＼ 、 ＼ ／ ， ／ 、 j ? ／ 、 ＼ L ／一 。 一 ＼ 、 ～ ／ 皑篓 翳 僦 渤墼 一 、 、 ／ 、 — _ 0— l ／ ＼ 、 ／ ／ ． 图6通 过SSl算法识别的东海大桥(主桥孔)模态的极 点 图 离 线 分 析 包 括 频 谱 分 析 和 模 表1利用 离线SSI方法获得的东海大桥共振 频率与阻尼系数 态 分 析 。 对 多 通道 信 号 频 谱 分 析 ， 除 了 提 供 FFT方 法 ，LabVIEW 与 LabVIEW 工 具 包 还 提 供 了 标 准 的 多 元 信 号 处理 算法 。例 如 ，高 级 信 号 处 理 工 具 包 提 供 了 TSA M USIC VI， 可 用 它 来 获 得 多 通 道 信 号 的 频 谱 。 图 4所 示 为 东 海 大 桥 的 频 谱 图 ■ ■■■ ■～ ___ _一 1 2 3 4 5 6 7 8 9 O．367 0．506 0．635 0．779 1．O37 1．152 1．262 1．379 1．844 0．4291 1．1193 0．3599 0．6237 0．7674 0．7758 1．3674 1．1622 O．3115 Electronic Design&Application World-Nikkei Electronics China 63 

表2通过 其它方法获得的参考共振频率 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1O 11 12 O．368 0．434 0．507 0．637 0．767 0．787 1．040 1．232 1．127 1．386 1．837 2．452 0．365 0．5096 0．6419 0．7791 0 7910 1 0498 1．23O5 1．1172 1．3818 1．7871 2．O752 0．361 0．436 0．505 0．606 0．897 0．759 0．957 1．O42 1．199 1．219 1．805 1．813 图7 在线模态频 率监测示意 图 用 RSSI读 入 来 自多 通 道 的 采 样 数 据 并对 其 作 抽 取处 理 ，然 后将 抽 取 后 的 数 据 馈 人 到 RSSI算 法 。 每 次 馈 入 一 个 新 的抽 取 数 据 采样 ，就 生 成 一 组 新 的 系 统 共 振 频 率 。 所 以 ， 共振 频 率 随 着数 据 采集 过程 的进 行 而 更 新 。 如 果 RSSIX 法 执 行 足 够 快 ，这 个 更 新过 程 就 实 时运 行 。 在 东 海 大 桥 的 实 例 中 ， 通 过 加 速 度 信 号 来 提 取 对 应 的 共 振 频 率 ， 信 号 主 要 来 自 于 主 桥 孔 周 围 的 数 十 只 加 速 计 。 经 过 同 步 采 集 的 加 速 度 数据 在 每 个 站 点 都被 加 入 时 间 标 识 ， 然 后 通 过 网 络 传 送 至 监 测 中 心 。 LabVIEW 程 序 可 接 收 这 些 多 通 道 数 据 ， 以 形 成 一 个 2维 数 组 。 然 后 ， 以 适 应 目标 共 振 频 率 范 围 的 合 理 速 率 ，对 这 些 多 通 道 信 号 进 行 抽 取 处 理 。 为保 证 识 别 效果 和 计 算 速 率 ， 抽 取 后 的 信 号 被 同 时 送 入 几 个 合 适 的 子 频 带 进 行 滤 波 ，在 每 个 时 序 分 析 )技 术 ， 即 随 机 子 空 间 辨 的 东海 大桥 模 态 的模 态复 杂 性 图 ， 子 频 带 内 ， 都 将 RSSIX 法 运 用 于 识 (SSI)。 该 类 方 法 利 用 系 统 的 输 这 里 显 示 出 的模 态 几 乎都 在 传 统 方 滤 波 后 的 信 号 。 在 RSSI算 法 的 初 出 数 据 (在 此 是 桥 梁 的 传 感 器 测 量 式 下 被 抑 制 。 通 过 该 方 法 所 识 别 的 始 化 程 序 后 ， 随 着 时 间 所 生 成 的 数 据 )来 辨 识 一 个 线 性 状 态 空 间 模 共 振 频 率 与通 过 一 些 其 他 方法 所 获 频 率 形 成 频 率 一时 问 曲 线 ，而 且 ， 型 ， 能 很 好 地 描 述 所 观 测 到 的 输 出 得 的 共 振 频 率 (见 表 2)相 一 致 。 LabVIEW 的 多 线 程 技 术 使 计 算 速 数 据 。然 后 ，在 工 作 模 态分 析 环 境 桥 梁 共振 频 率 的 在线 监 测 率 足 够 快 ，从 而 成 功 地 实 现 了 桥 梁 中 ， 由该 线 性 模 型 的 状 态 转 移 矩 阵 另 外 ， 为 更 好 地 监 测 一 座 桥 共 振 频 率 的 在 线 跟 踪 。 图7所 示 为 来 获 得 模 态 参 数 。 梁 的 健 康 状 况 ， 需 实 时 跟 踪 一 些 富 这 一 过 程 。 高 级 信号 处 理 工 具 集提 供 了 随 含信 息 的工 程 量 ，尤其 对 共 振 频率 机 状 态 空 间 建 模 函 数 ， 可 实 现 SSI 的 实 时监 测 是 非 常 重 要 的 。 当下 的 结 语 算 法 。 利用 该 VI，可 方 便 地 计算 模 挑 战在 于 在 线 完 成共 振频 率 计 算 ， 开 发 一 个桥 梁 健 康 监 测 系统 是 态 参 数 。 利用 该 方 法 进 行 东 海大 桥 这 也是 目前 许 多 应用 的一 个 研 究 课 一 项 具 有 挑 战 性 的 任 务 NI软 硬 模 态 分析 的一 个 范 例 如 下所 示 ：表 题 。 件 可 使 这 一 过 程 更 为 顺 利 。 而 且 ， 1所 示 为 共 振 频 率 及 其 对 应 的 阻 尼 为 使 SS1Sty法 能 够 在 线 工 作 ， LabVIEW 所 提 供 的 分 析 软 件 可 使 系 数 ； 图 5所 示 为 东 海 大 桥 (仅 主 桥 S S I需 要 重 新 表 述 成 某 种 递 归 形 健 康 监 测 的 过程 更 有 效 、信息 更 丰 孔 )的 首 批 几 个 重 要 振 动 模 式 的模 式 ，以 实 现必 要 的 计 算 效率 。这 就 富 。 态 ，而 图6所 示 为 利 用 SSI方 法 识别 是 递 归 随 机 子 空 间 识 ~IJ(RSSI)。 利 64 2009．10~ ioH-@ltl www．eaw．com．cn