海洋平臺結構損傷監測的傳感器總線系統設計
2006-12-31 00:00:00何林歐進萍
計算機應用研究 2006年9期
摘要：利用現場區域控制網絡和對象連接嵌入技術開發了一套適應大型結構健康監測的信息采集、傳輸與預處理的傳感器總線系統。為了使傳感器總線具有信息共享與互操作的功能，在傳感器總線中嵌入了開放與連接對象的操作規則，并將基于概率距離的數據存儲策略嵌入傳感器總線數據采集系統的應用層中。利用傳感器總線開發的數據采集與預處理系統的仿真結果表明，數據采集速度和存儲效率是穩定可靠的，傳感器總線系統為結構長期監測提供了有力的基礎。
關鍵詞：傳感器總線；現場總線；開放互連；概率存儲策略；海洋平臺損傷監測
中圖法分類號：TN911文獻標識碼：A
文章編號：1001－3695(2006)09－0136－03
海洋平臺結構損傷長期監測將涉及到大量信息的采集、傳輸和實時處理。基于TCP/IP傳統信息交換格式不是數據采集和大型結構損傷監測的專用軟件模型和協議，因而在現場實時任務中，數據采集傳輸效率較低，特別當監測點數和種類多、數據量大、控制命令復雜時，數據與模型計算顯得力不從心[1]。為此，對于大型結構監測系統，其數據采集傳輸和計算必須采用適合于多傳感網絡控制的模型和數據傳輸協議。
傳感器總線是具有CAN（ControlAreaNetwork）特征的基于監測和控制應用領域的數據采集傳輸和處理的局域網總線技術，是解決大型復雜結構健康檢測數據采集的先進技術。為了充分利用傳感器總線的優點，同時結合海洋平臺結構監測的特點，開發了以傳感器為對象的多變量實時采集、傳輸和基于概率存儲策略預處理的海洋平臺損傷識別傳感器總線技術。由于監控信息融合的要求[3]，在傳感器總線系統中嵌入了OPC（ObjectLinkingandEmbeddingforProcessControl）功能，實現大型結構和非結構體系信息操作和控制的開放性與共享。
1基于CAN技術的傳感器總線系統設計
CAN總線屬于總線式串行通信網絡，在網絡上任意節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，不分主從，通信方式靈活[4]，但它并沒有為結構監測提供專門的協議。
傳感器總線不但具有CAN總線的全部功能，而且還具有直接控制傳感器數字信號及預處理功能，傳感器總線已經成為結構實時監測的研究熱點。為了使傳感器總線適應海洋平臺結構損傷的特點，我們在CAN內部進行了總線的擴展，擴展功能主要包括物理信號轉換控制和基于模型的信號預處理兩個部分。設計的傳感器總線結構如圖1所示。
數據轉換采用嵌入式16位AD模塊，內置1MB緩存，時鐘頻率為20MHz。由于總線設計頻率較高，圖1中的數據轉換模塊能夠采集結構高速衰減的主動和被動信號，如監測結構疲勞和裂紋擴展時的聲發射以及反映結構環境腐蝕的生物傳感器等瞬變信號。對于其他常規傳感器，如加速度、應變類、溫度、電阻等緩變信號，傳感器總線節點數至少可接入110個，每個節點上可以接入255個傳感集線器，因此傳感器總線的負載能力比傳統的集中控制室系統CCRS（CentralizationControlRoomSystem）或者集中式數字控制系統CDCS（CentralizationDigitalControlSystem）或者分布式控制系統DCS（DistributedControlSystem）的數字接入能力大大增強。傳感器總線數采系統中的CAN系統結構如圖2所示。
圖2中數據預處理單元主要包括由成型濾波器和Butterworth濾波器組成的濾波體系，它們由FPGA（FieldProgrammableGateArray）設計完成。其中主干網之間的通信可以采用無線通信來進行。由于傳感器總線中采用了CAN技術，使得傳感集線器中數據傳輸變得非常可靠，同時在CAN總線之前采用了嵌入式的數據預處理集成器，使得數據預處理速度和精度都得到很好的保證；使采集的數字信號在本地網拓撲結構中，以可控的速度傳輸到總線上的任意其他節點，然后由主干網中的控制機（上位機）對采集的信息進行處理。
在傳感器總線基礎上，大型結構損傷監測系統采用二階網絡結構，整個網絡分為主干網和本地接入網兩個部分。主干網是監測系統的骨干，它將分組交換節點連接成一個分布式的多路由網絡，其可靠性和鏈路速率都較高。本地接入網由結構監測點決定。對一個大型結構，雖然傳感器節點之間的距離較小（幾百米至幾公里），但是隨著監測點的增多，不同傳感器集線點也會導致總線上傳輸時間的不同，特別是傳感器總線用于一個建筑小區或者城市重要生命線工程時，在選擇合理的測點后，總線必須具有選擇最佳傳感器集線器的功能。為此，在傳感器總線采集系統的數據應用層上，應用BABM（BrandAndBoundMethod）分支界限法和啟發式算法ME（MethodofElicitation）確定傳感器集線器位置的最優解和次最優解。考慮到傳感器總線支持分布式多終端訪問和控制，因此在確定傳感集線器的位置后，傳感器總線中開發了基于Prim和Kruskal的終端位置MST（MinimumSpanningTree，現場最小生成樹）算法，再利用PM（PerturbationMethod，擾動法）得到本地傳感器總線接的拓撲結構。
由于在傳感器總線中增加了專門的結構監測數據應用層協議，因而可以在主干網上的上位機中對傳感器總線的網絡拓撲結構、傳感集線器狀態、CAN和OPC等眾多參數進行控制和監測。開發的傳感器總線網絡結構設計選擇如圖3所示，數據采集總線狀態監測如圖4所示。
圖3傳感器總線網絡拓撲結構計算界面
圖4傳感器總線數據采集狀態監測與控制界面
2傳感器總線OPC接口和概率存儲設計
傳感器總線作為數據采集系統的底層控制網絡，開放通信是傳感器總線信息傳輸的基本特征之一，特別是在主干網的終端上，利用統一的界面實現多系統的共同調度是大型結構損傷監測數據與信息處理的主要表達方式。在結構監測系統中，由于一個數據源可能要為多個客戶提供數據，一個客戶又有可能需要從多處獲取數據，在海洋平臺結構監測這一特定系統中，傳感器總線OPC結構分布如圖5所示。
在圖5中，為了使結構監測中的原始數據（NativeData）和表達方法能夠與其他監測系統如設備監測、環境監測等系統中的表示數據（PresentationData）相融合，使賦權終端透明地操縱數據，實時監測所有系統的運行情況。傳感器總線數據采集系統與OPC的溝通主要由如下的三個接口規則來完成：
（1）在傳感器總線控制服務器端，能夠操作所有應用程序對象的接口；
（2）創建面向任務的編程工具，完成數采任務基于宏語言表述的對象接口；
（3）創建不同監測系統之間、應用程序相互表達的接口。
在這些接口上即可完成傳感器總線與其他監測系統的開放式互連，從而完成結構及其他監測信息的總體調度。接口開發使用面向任務的方法，實現接口與具體硬件和平臺的封裝、繼承性和安全性。根據上述接口規則，開發了結構損傷監測與設備運行狀態監測的信息互連與互控。
為了處理傳感器總線上的大量數據，必須采用可靠穩定的存儲策略才能保持采集的數據擁有合理而穩定的信息。常規的存儲策略是根據時間段和不同的門檻值來存儲傳感器總線上的數據流，但是如何確定合理的時間段和門檻值，現在基本上靠經驗來完成，這種方法誤差較大，會造成信息丟失嚴重。由于統計特征距離的信息分類是模式識別中成熟的分類方法，為此將統計距離的數據分類判別方法引入傳感器總線數據存儲過程中，對采集的信息進行特征尺度的分類，將其存入實時數據庫。尺度的定義采用宏語言編寫，新的統計尺度算法可以容易地寫入數據采集的預處理部分，擴大了傳感器總線數據存儲適應新環境的能力，使得傳感器總線數據采集系統非常適合結構長期監測的數據采集任務。
在存儲策略中，首先采用類別可分離性判據中的類內類間距離，確定每個采樣周期是否應該存儲，然后在類間距離基礎上，利用統計概率距離確定采樣周期數據是否存儲。對任何一種傳感器，其每個采樣周期中獲得的數據被看作一個特征集合，每個特征集合稱為一類，以第一個采樣周期內的數據作為參考特征，以后每個采樣周期中的數據作為計算特征，判斷第i個采樣周期中的每個數據與第一個采樣周期中的每個數據之間的距離，計算第i個采樣周期的幾何距離值，根據均值確定第i個采樣周期數據是否存儲。根據試驗確定并利用JB概率分布距離（Bhattacharyya距離）和JC概率分布距離（Chernoff距離）判斷數據存儲。
3傳感器總線數據采集系統仿真
為了驗證傳感器總線在數據采集、傳輸和存儲的能力，設計一個多信號仿真平臺，該平臺仿真一個海洋平臺樁腿損傷監測和海洋平臺儲油罐裂紋擴展監測系統的數據采集和預處理系統，平臺信息流如圖6所示。
圖6中左邊是海洋平臺結構樁腿監測，圖中的小圓表示監測站，每個檢測站可以負載100個同類傳感器，共有14個檢測站；平臺形成的結構損傷監測系統可仿真14種信號，可采集1400個傳感器信號。圖6中右邊是仿真海洋平臺上的儲油罐，每個儲油罐仿真32個信號，形成一個結構設備監測系統。這兩個系統通過傳感器總線采集數據，利用OPC結構規則共同享有數據的訪問和控制，同時根據數據概率存儲策略進行數據仿真存儲。其中結構損傷監測數據的仿真采樣頻率為1KHz，儲油罐的仿真采樣頻率為5MHz。
傳感器總線數據采集的界面如圖7和圖8所示。圖7為系統的啟動界面，圖8為傳感器總線中OPC控制系統操作界面。
圖7傳感器總線數據采集系統啟動界面
為了使試驗具有代表性，選擇了三個數據存儲段：①結構在理想的“風平浪靜”荷載作用下，即環境荷載可以忽略、結構振動強度為零時的輸出信號仿真；②結構在較小環境荷載作用下，即對結構強迫振動頻率為0．1Hz～0．5Hz，振動強度為0．5伽，等效作用力約為1T時的輸出信號進行仿真；③結構在較強荷載作用下，結構強迫振動頻率為1Hz～2Hz，振動強度為10伽～100伽，即等效輸入力約為20T～200T的環境作用時，對結構輸出信號仿真。每個存儲階段采樣時間為24h，采樣頻率為1000Hz，總的采樣周期數為86400次。參考采樣周期從第一次采樣周期開始，下一次的參考周期為相鄰上次采樣周期。三個階段的存儲效率如表1所示，非存儲周期的特征分析與參考采樣周期的比較如表2所示。
圖8傳感器總線OPC控制系統界面
表1不同存儲階段采樣數據存儲效率比較
表1中dm表示第i個采樣周期的存儲距離。從表1可以看出，在理想激勵下，直接采用dm距離方法，可得到最好的存儲率，但由于噪聲的影響，現場不可能得到這樣的效果。在第②，③存儲階段中，dm方法的存儲率分別為94.20%和98．93%，而JB 表2非存儲采樣周期與參考采樣周期特征分析比較 從表2可以知道，非存儲采樣周期信號與參考采樣周期的信號非常接近。這表明非存儲采樣周期的信號與參考采樣周期信號具有相同的特征，它們反映的結構性態是相同的，因而表達的信息也是相同的。因此刪除該采樣周期信號不會丟失對特征輸出信息的采集，從而保證了存儲數據對結構信息采集的完整性。 4結論 針對海洋平臺結構監測數據采集傳輸、預處 理及監測系統共享的特點，開發了傳感器總線及其內嵌OPC的 接口規則，并結合概率距離分類判據方法，在傳感器總線中使用了概率選擇性存儲策略。通過理論和仿真計算， 得到如下結論： （1）基于CAN總線基礎之上的傳感器總線技術具有更多的節點接入能力，傳感器總線中傳輸的是數字信號，傳輸距離不受空間及硬件的制約，因此是理想的數據采集傳輸系統。 （2）OPC規則是結構監測系統與其他系統信息共享的橋梁，由于采用了基于任務的OPC接口規則設計，使得傳感器總線數據采集系統能夠與現場任何其他監測系統無縫鏈接，且新規則寫入數據采集系統非常容易，系統的維護和重用性很好。 （3）基于概率距離的數據存儲策略是大量監測數據實時存儲的有效方法。通過概率距離使本質相同的采樣周期不進入實時數據庫，從而可以大大提高數據的存儲效率，同時避免了重疊數據對計算過程的影響，十分有利于數據建模的計算，使監測系統的穩定性和時效性顯著改善。 參考文獻： ［1］Flammini，FerrariP，SisnniE，etal.SensorIntegrationinIndustrialEnvironment：FromFieldbustoWebSensors[J].ComputerStan－dardsInterfaces，2003，25(2)：183194. ［2］DesjardinsSL，LondonoNA，LauDT，etal.RealtimeDataProcessingandGraphicalUserInterface(GUI)forContinuousStructuralMonitoring[C].Perth:ProceedingsofDevelopmentsinMechanicsofStructuresandMaterials，2004.11911196. ［3］PatzkeR.FieldbusBasics[J].ComputerStandardsInterfaces，1998，19：275293. ［4］邊肇祺，張學工.模式識別(第2版)[M].北京：清華大學出版社，2000.180182. 作者簡介： 何林（1971），男，四川華鎣人，博士后，主要研究方向為結構健康監測、智能信息獲取與處理、大規模數據現場采集系統；歐進萍（1959），男，湖南寧遠人，中國工程院院士，主要研究方向為結構振動控制、結構健康監測。
