基于LabVIEW的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹 威，徐一超

（1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；2.在役長大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112）

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測橋梁運(yùn)營階段在各種環(huán)境荷載條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，獲取反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境因素的各種信息，為其在特殊氣候、特殊交通條件下或運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，分析評估橋梁使用壽命，并為橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修與管理決策等提供科學(xué)依據(jù)[1-3]。與傳統(tǒng)的橋梁檢測方法相比，大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)具有傳感器種類多、數(shù)據(jù)量大、分布廣、信號傳輸與存儲的實(shí)時性要求高等特點(diǎn)，這就對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件提出了很高要求。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一般包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評估子系統(tǒng)[4]。各系統(tǒng)間通過有線或無線的傳輸方式聯(lián)系而進(jìn)行運(yùn)作。

其中，傳感器子系統(tǒng)位于健康監(jiān)測系統(tǒng)的最前端，對數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、有效性有著重要的影響；數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對傳感器信號進(jìn)行采集，對采集到的信號進(jìn)行傳輸，是連接傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)的紐帶。傳感器子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)的合理選型與布置，直接決定了健康監(jiān)測結(jié)果是否準(zhǔn)確、可靠、有效及實(shí)用。

1 LabVIEW開發(fā)平臺簡介

虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[5]，結(jié)合高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用，將虛擬儀器技術(shù)與Internet技術(shù)相融合，使得虛擬儀器系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的測量理念，從而使橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測成為可能[6]。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、可操作性、可擴(kuò)展性等方面均有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。目前，國際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境首推美國NI公司（National Instruments Corp.）的LabVIEW開發(fā)軟件。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境，是一種典型的圖形化編程語言（G語言），是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形化開發(fā)環(huán)境[7]。它與C、C++、Basic等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、程序結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及層次化、模塊化的編程特點(diǎn)等。兩者最大的區(qū)別在于，傳統(tǒng)編程語言采用文本語言編程，而LabVIEW是用圖形化語言（各種圖標(biāo)、圖形符號、連線等）編程。用LabVIEW編程無需太多的編程經(jīng)驗(yàn)，只要以很直觀的方式建立前面板人機(jī)界面和方塊圖程序，便可完成編程過程，這就使得沒有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的工程師從煩瑣的文字編碼中解脫出來，將更多的精力放在試驗(yàn)和測試上。

LabVIEW作為一種圖形化的編程語言，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為是一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了GPIB、VXI、RS-232、RS-485和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件通信的全部功能，可方便地調(diào)用外部動態(tài)鏈接庫和用戶自定義的動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)，這使LabVIEW成為一個開放的平臺。此外，LabVIEW還直接支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）、結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）、TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

結(jié)合某大橋?qū)嶋H監(jiān)測項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由傳感與信號調(diào)理子系統(tǒng)、信號采集與預(yù)處理子系統(tǒng)和信號采集相關(guān)軟件三部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作原理是首先通過虛擬儀器硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的拾取，然后經(jīng)信號調(diào)理模塊的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后將信號輸入計(jì)算機(jī)中，最后使用LabVIEW軟件中的信號分析處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對輸入信號的采集、處理、存儲和傳輸。

2.1 傳感與信號調(diào)理子系統(tǒng)

傳感器的輸出信號特征直接決定數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選擇。根據(jù)輸出信號特征的不同，傳感器輸出信號分為模擬信號和數(shù)字信號，可直接或間接輸出模擬信號的傳感器有加速度傳感器、正弦式應(yīng)變傳感器、位移計(jì)、空氣溫濕度計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀等。這類傳感器的輸出信號需要相應(yīng)調(diào)理器的放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換。可直接輸出數(shù)字信號的傳感器有風(fēng)速儀、傾斜儀、路面溫度計(jì)、GPS等。這類傳感器通常內(nèi)置有A/D轉(zhuǎn)換模塊，其信號輸出方式通常為遵循標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議的數(shù)字信號，如串口協(xié)議RS-232、RS-485等。

2.2 信號采集與預(yù)處理子系統(tǒng)

信號采集與預(yù)處理系統(tǒng)由數(shù)采工控機(jī)、A/D采集卡、RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊及預(yù)處理相關(guān)軟件組成，工控機(jī)控制著整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動采集。索力、振動、地震船撞等信號通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，輸入數(shù)采工控機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和數(shù)據(jù)存儲；空氣溫濕度、風(fēng)速、位移等隨時間變化后，緩慢的信號采樣間隔長、采樣數(shù)據(jù)少，采用串口接收數(shù)據(jù)。數(shù)采工控機(jī)將采集到的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)處理后的特征量經(jīng)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)。

2.3 基于LabVIEW的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)所要求的功能，文章設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于LabVIEW的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集軟件結(jié)構(gòu)圖

整個應(yīng)用程序以NI公司的NI-DAQmx及NI-VISA驅(qū)動軟件為核心，在LabVIEW8.0平臺上進(jìn)行開發(fā)。對于其他外部接口，可利用LabVIEW自帶的互連接口函數(shù)直接調(diào)用外部動態(tài)鏈接庫。利用DAQmx、VISA庫實(shí)現(xiàn)對各種橋梁響應(yīng)信號的采集，根據(jù)實(shí)際需求，可在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)儀器的軟面板，進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)置、波形顯示及報(bào)警信息查詢等。數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

3 結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)橋梁的規(guī)模、測點(diǎn)位置和數(shù)量、監(jiān)測設(shè)備類型，按下述規(guī)定設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集方式：大跨度橋梁測點(diǎn)及監(jiān)測設(shè)備較多且監(jiān)測部位或構(gòu)件距離較遠(yuǎn)且相對分散，宜采用分布式數(shù)據(jù)采集方式或總體采用分布式、局部采用集中式數(shù)據(jù)采集的混合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；中等跨徑橋梁，或測點(diǎn)及監(jiān)測設(shè)備較少且監(jiān)測部位集中的區(qū)域，宜采用集中式數(shù)據(jù)采集方式。采用LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有實(shí)時性強(qiáng)、可靠性和準(zhǔn)確性高、可移植性好等優(yōu)點(diǎn)，在無人值守的情況下能夠連續(xù)運(yùn)行，滿足長期穩(wěn)定工作的要求，具有很好的工程應(yīng)用與推廣意義。