（信号与信息处理专业论文）分布式桥梁健康监测数据采集传输系统及其关键技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来，桥梁安全事故频发，各种桥梁坍塌事故造成大量人员伤亡和财产损 失，桥梁监测越来越受到关注。但是，在虚拟仪器已经成为主流的测试技术的今 天，我国大部分桥梁健康监测还基本处于人工监测阶段，这已经无法满足现代桥 梁监测需求。在未来，桥梁健康系统将成为大型桥梁安全保障体系的发展趋势。 本文结合具体的工程项目对实现桥梁健康自动化监测进行了深入研究，在分 析比较了各种数据采集总线仪器的优缺点基础上完成了基于n i 公司p x i 总线平台 数据采集传输硬件系统的方案设计。 在桥梁健康监测中，加速度信号能够反映桥梁在遭受撞击、地震瞬间的受损 情况，这就要求对加速度信号进行高分辨高精度同步数据采集，在本项目中选用 n i 公司p x i 一4 4 7 2 b 动态同步信号采集卡完成加速度信号采集。本文详细分析了 p x i 4 4 7 2 b 的特点及其多卡同步的条件，针对金沙江大桥分布式监测结构的情况， 在比较了无线同步与有线同步各自特点后结合本监测系统特点提出了一种适合本 系统的有线同步方法。然后本文根据这种同步思想完成了基于c p l d 驱动光纤收 发模块的时钟同步电路设计，并通过北京双诺公司的数据采集卡m p 4 2 1 对这种同 步方法的有效性进行了验证。 对于虚拟仪器来说，软件部分才是系统核心。本文结合金沙江桥梁监测的工 程项目中无人职守自动监测的要求将软件部分分成了现场采集单元程序和监控中 心程序两个部分。采集单元部分完成数据采集任务、数据分析任务、数据存储传 输；而监测中心软件包含数据通信、数据分析、数据存储和用户管理与数据显示 等任务。在完成任务分析后，本文选择了n i 公司l a b v i e w 作为本系统开发语言 对各部分功能进行设计。文中着重研究了数据存储以及数据传输的实现，对于数 据存储主要是通过l a b v i e w 操作数据库软件m i c r o s o f ta c c e s s 实现数据分类存储 与用户数据库管理，而对于数据传输选用了d a t a s o c k e t 技术实现，文中使用 l a b v i e w 软件实现了数据处理的部分功能。接着本文对监测中心的人机操作界面 进行了详细设计，实现了通过人机界面进行实时数据、历史数据、数据处理结果 的访问。最后，通过系统的实际开发总结了一些l a b v i e w 程序开发的经验，这将 对其它虚拟仪器系统也能起到借鉴作用。 关键词：桥梁健康监测，分布式，同步数据采集，虚拟仪器，l a b v i e w a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b r i d g e s a f e t yi n c i d e n t so c c u r r e df e q u e n t l yv a r i o u sb r i d g e s c o l l a p s ec a u s e sal a r g en u m b e ro fc a s u a l t i e sa n dp r o p e r t yl o s e s ，t h e r e f o r e ，p e o p l ep a y m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ob r i d g em o n i t o m i n g ，b u tm o s th e a l t hm o n i t o r i n go fb r i d g e s i no u rc o u n t r yi ss t i l lm a i n l ya tt h es t a g eo fm a n u a lt e s t i n g , h o w e v e r , t h i sm e t h o dc a n t m e e tt h en e e d so fm o d e mb r i d g eh e a l t h m o n i t o r i n g f o r t u n a t e l y , a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , t h eb r i d g e sc a r lb em o n i t o r e da u t o m a t i c a l l y b yv i r t u a li n s t n m a e n t s t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l yc o n c e r n e da b o u th o wt oa c h i e v eb r i d g eh e a l t h a u t o - m o n i t o r i n g a f t e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fv a r i o u sb u st e c h n o l o g i e s ，t h i s d i s s e r t a t i o nc h o s ep x im e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t so fn ic o r p o r a t i o nt oc o n s i s tt h e h a r d w a r eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ht h eb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ea c c e l e r a t i o ns i g n a lr e f l e c t st h ed a m a g e o fm eb r i d g ea tt h em o m e n tw h e ni ts u f f e r i n gac o l l i s i o no re m h q u a k e t h e r e f o r e , a l l s i g n a l so fa c c e l e r o m e t e rs h o u l db ea c q u i r e ds y n c h r o n o u s l yi no r d e rt or e f l e c tt h eh e a l t h s t a t eo ft h eb r i d g ea c c u r a t e l y t h i sd i s s e r t a t i o np a r t i c u l a ri n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c so f p x i - 4 4 7 2 ba n dd i s c u s st h es y n c h r o n o u s l yc o n d i t i o n sb e t w e e nm a n yd i f f e r e n td a q c a r d sb e c a u s et h i sp r o j e c ts e l e c ti tt oa c q u i r es i g n a l so fa c c e l e r a t i o n j i n s h ar i v e r b r i d g e m o n i t o r i n gs y s t e m i sb a s e do nd i s t r i b u t e d m o n i t o r i n gs t n l c t u r e , s oe v e r yd a t a a c q u i s i t i o nu n i t sh a v et os h a r em a n ys i g n a l sj u s tl i k eo v e r s a m p l ec l o c ke t c f o rt h es a k e o fs y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o n t h i sd i s s e r t a t i o np o s e dam e t h o dw h i c hu s e dc p l d c h i p st o d r i v ef i b e rt r a n s c e i v e rt or o u t ea l l n e c e s s a r ys i g n a l st oa c t u a l i z es y n c h r o n o u s a c q u i s i t i o n s t h es o f t w a r ei s 也ec o r ep a r to fv i r t u a li n s t r u m e n t f i r s t , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s i s t h es o f t w a r er e q u i r e m e n t so ft h i sp r o j e c t , t h e nt h es o f t w a r ei sd i v i d e di n t of i v em a i n p a r t s ：d a t aa c q u i s i t i o n , d a t ap r o c e s s i n g , d a t as t o r a g e ，d a t ac o m m u n i c a t i o na n du s e r m a n a g e m e n t a f t e rt h ec o m p l e t i o no fm i s s i o na n a l y s i s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns e l e c t e d l a b v i e wa s t h ep r o g r a ml a n g u a g eb e c a u s eo fi t s h i g he f f i c i e n c ya n dp o w e r f u l f u n c t i o n st oc o m p l e t et h et a s k so fa l lp a r t s t h es o f t w a r ep r o g r a m m i n gw a s f o c u s e do n n a b s t r t a c t 一一 d a t a s t o r a g e a s w e l la st h er e a l i z a t i o no fd a t at r a n s m i s s i o n l a b v i e w r e a l i z e c l a s s i f i c a t i o no fd a t as t o r a g ea n du s e r sd a t a b a s em a n a g e m e n ti nt h ep r o j e c tp r i m a r i l y t h r o u 吐t h eo p e r a t i o no fm i c r o s o f ta c c e s sd a t a b a s e t h i ss y s t e mm u s th a v et h ea b i l i t y t oe x c h a n g ed a t ae f f i c i e n t l ya n ds a f e l yb e t w e e na c q u i s i t i o nm o d u l e sa n dc o n t r o lc e n t e r , s od a t a s o c k e tt e c h n o l o g yi s c h o s e na st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a n dt h e n ，t h i s d i s s e r t a t i o nd e s i g n e daf r i e n d l yi n t e r f a c e ，u s e r su s ei tc a na c c e s s t h eh i s t o r yd a t a , r e a l t i m ed a t aa n dt h er e s u l to ft h ed a t ap r o c e s s a tl a s t ，t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z ea n u m b e ro fe x p e r i e n c eo nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t sd e v e l o p m e n t ，i ta l s oc a nb eu s e df o r r e f e r e n c ef i e l d k e y w o r d ：b r i d g e h e a l t hm o n i t o r i n g ，d i s t r i b u t e ，s y n c h r o n o u s d a t a a c q u i s i t i o n ， v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w l l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 场拯诸一 日期： p g 年夕月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：扬核遥 导师签名： 日期： 护g 年岁月7 日 第一章引言 1 1 课题背景及意义 第一章 引言 上世纪九十年代以来，国家加大了对高速公路建设的投资，同时随着城市化 进度的加快，各地方政府也大力建设市政交通等基础设施。十余年后的进度的加 快，各地方政府也大力建设市政交通等基础设施。十余年后的今天，我国路网上 投入运营的桥梁数量已经数倍于以前。与此同时，随着现代桥梁设计理念和方法 的逐渐普及，新材料、新工艺在公路工程中的广泛应用，许多大跨度和超大跨度 的桥梁相继建成。这些现代化的桥梁在带来优良的结构性能和经济效益的同时， 所附带的失事风险也随之增加。例如，1 9 6 7 年1 2 月横跨美国俄亥俄河上的银桥突 然倒塌，造成4 6 人死于非命；1 9 9 4 年1 0 月韩国圣水大桥中央断塌，造成3 2 人死 亡，1 7 人重伤；据统计，美国现有的约6 9 万座公路桥梁中有一半以上使用年限已 超过5 0 年，并存在不同程度的安全隐患，三分之一以上使用效率很低或者干脆荒 废，每年用在桥梁维护上的费用超过5 0 亿美元【l 】。这在很大程度上应归咎于美国 在其经济腾飞时期桥梁建设工程飞速发展，而桥梁监测和养护技术的发展则严重 滞后。在我国也存在类似的状况，由于施工质量控制和运营养护管理滞后于桥梁 建设速度致使桥梁倒塌事故逐年增加。1 9 9 9 年1 2 月，广东韶关特大桥倒塌，造成 3 2 人死亡、5 9 人受伤；重庆綦江彩虹桥于1 9 9 9 年1 月4 日坍塌，造成4 0 人死亡、 1 0 余人受伤，社会影响恶劣；2 0 0 0 年8 月2 7 日，台湾省连接高雄与屏东的交通 要道上的高屏大桥突然拦腰断裂，1 6 辆汽车坠入河中，2 2 人受伤；2 0 0 1 年1 1 月 7 日，i i ) 1 1 省宜宾市的南门大桥发生桥面局部垮塌【2 捌。这些事故产生的原因很复 杂，抛开设计和施工的因素不谈，这些桥梁长期处于超负荷运营状态，同时雨水 冲刷，空气氧化等环境因素使主要受力构件功能逐渐退化，强度和刚度都随时间 而降低。此时再遇上货车严重超载、车船撞击等偶发事件，就很容易导致大桥倒 塌等突发安全事故。因此，政府和公众对这些大型桥梁的安全性、耐久性与正常 使用功能日渐关注和重视。 要真正确保大桥的安全，需要长期对其进行结构状态监测与安全评价。但是 长期以来，人们对于大跨桥的安全检测一直以人工方法为主。而传统检测方法只 电子科技大学硕士学位论文 能依靠人工目视或简单辅助工具对桥梁进行定期检查，或于地震、台风、意外碰 撞等特殊状况后进行特殊检查。人工检测不仅需要大量的人力物力、费时费钱， 而且效率低。例如，纽约的b r o o k l y n 大桥在一年两次的可视检测中花了三个多月 的时间，并且耗资高达一百万美元。而且人工检测需要经过专f - j i j w l 练的工程师， 而结果仍然不能满足桥梁安全评估的需要。因为桥梁在使用过程中，载荷的变化， 以及温度等其它因素随机性非常大，而且也非常复杂，而最不利载荷的影响，并 不一定与人工检测时的定点定位相吻合，同时也无法及时捕捉桥梁结构的异常信 息。例如，在美国的姥岛大桥上，一个工程师推测该桥的主要裂纹在被发现以前 已经发展了三天 4 1 。而且人工检测对于突发安全事故的防范更加无能为力，也不能 为桥梁整体安全性的客观准确评价提供足够的历史数据。因此对桥梁结构及其性 能进行实时的监测和诊断，及时地发现结构损伤，预报可能出现的灾害，并对其 承载能力进行安全性评估已经成为未来桥梁工程的必然要求【5 引。桥梁健康监测技 术的运用将起到确保桥梁安全运营，延长桥梁使用寿命的作用，同时通过早期发 现桥梁病害能大大节约桥梁的维修费用，可以避免最终频繁大修关闭交通所引起 的重大损失p j 。 为此，本教研室受四川省交通厅公路规划勘察设计研究院委托与其共同为西 攀高速公路上的金沙江大桥、城门洞大桥、回箐沟特大桥、白沙沟l # 桥建立健康 监测系统。这四座桥全都位于川滇南北向构造带中部，处于昔格达断裂带附近， 地质构造复杂，断裂发育。特别是城门洞大桥和回箐沟特大桥，桥区地质构造复 杂，基岩破碎，桥墩处于可能发生的滑坡和泥石流顶冲的波及范围内。金江金沙 江大桥是西攀路上唯一大跨度斜拉桥，结构受力复杂，构件数量众多，人工检查 周期长、难度大，很难预防突发性安全事故；而城门洞大桥和回箐沟特大桥分别 采用分幅式和整体式的薄壁高墩大跨度连续刚构桥，代表了西攀路全线多数大跨 度桥梁的结构形式。白沙沟1 # 桥的主拱圈采用全国首创的分段悬吊浇筑的施工新 技术，施工难度大，该施工工艺对桥梁运营阶段结构性能的影响需要长期监测。 1 2 国内外发展状况 桥梁结构健康监测与安全评估系统正是响应上述需求而发展起来的。桥梁健 康监测系统就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监测结构的整体行为，对结 构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力 2 第一章引言 进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发 预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导【1 0 1 。近年来，随着现 代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术、及结构振动分析理论的 飞速发展，大型桥梁结构健康监测与状态评估已成为国内外学术界和工程界的热 点，它依靠长期布设在桥梁结构内部或表面的传感仪器自动监测影响结构性能的 环境因素以及桥梁结构对这些因素的响应，重在实时诊断可能诱发结构损伤或灾 难的条件和环境因素，评估结构性能退化的征兆和趋势，以便及时采取养护维修 措旖。 桥梁的安全检测始于2 0 世纪5 0 年代，美国于1 9 7 1 年制定了国家桥梁检测标 准( n b i s ) ，用于全面指导桥梁检测的各个环节。2 0 世纪8 0 年代后，国外已有为数 不少的大型桥梁建立了较为完备的健康监测系统【l l l 。 美国佛罗里达州的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 桥上安装了5 0 0 多个传感器，用来 测量桥梁施工和成桥状态下的温度、应变和位移，通过近距离和远程实时采集监 测数据。通过数据分析可以得出结构及材料特性随时间变化的状况【1 2 】。 英国8 0 年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查比较了 多种长期监测系统的方案。例如在总长5 2 2 m 的f o y l e 桥上布设传感器，监测大桥 运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风 和结构温度场。该系统实现了实时监测、实时分析和数据网络共享，是较为完整 的监测系统之一【1 3 1 。 丹麦曾对总长1 7 2 6 m 的f a r o e 跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监测， 旨在检查关键的设计参数，监测施工危险阶段以及获取开发优化的监控维护系统 所必需的桥梁健康记录，另外他们在主跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬索桥上已开始 尝试把极端记录与正常记录分开处理的技术以期减小数据存量【1 4 】。 墨西哥有关部i - j n 对总长1 5 4 3 m 的t a m p i c o 斜拉桥进行了动力特性测试并比 较了环境激振和传统振动试验的效果【1 5 】。 挪威在主跨5 3 0m 的s k a m s u n d e t 斜拉桥上所安装的全自动数据采集系统已能 对风、加速度、倾斜度、应交、温度、位移进行自动监测【1 6 1 。 泰国的r a m ai x 桥安装了结构整体性和安全性在线报警系统，测量风速、 加速度和温度等，系统与5 英里外的桥梁管理部门的计算机连接。计算机显示监 测状态，当超过预警条件时，系统就会以声音或图像方式发出报警【1 7 1 。 在我国国内的桥梁健康监测的起步较晚但发展速度较快，上海交通大学、中 国科学院武汉岩石力学研究所、重庆大学光电工程学院、清华大学土木工程系等 电子科技大学硕士学位论文 对混凝土结构监测进行了理论的研究，并已应用到了大坝和公路立交桥上，取得 了较好的效果。如：在江阴大桥安装了加速度计、电子测距计、磁弹性测力仪、 剪力销、速度计等对桥梁的参数进行测量；香港青马大桥，内地虎门大桥、江阴 长江大桥等在施工阶段已开始传感设备的布置，已备将来运营时的实时监测【8 1 8 1 。 东海大桥上安装了风速计、加速度计等传感器，采用美国n i 公司的p x i 数据采集 卡对桥梁参数进行采集，其中使用了p x l 4 4 7 2 b 同步采集所有加速度传感器信号， 其同步采用g p s 实现【1 9 1 。其它的一些采用了监测系统的国内外桥梁见表1 1 【l o 、2 0 】 所示。 表1 1国内外安装结构健康监测系统的著名桥梁 桥名结构类型跨度组合位置传感器数目 明石海峡大桥 悬索桥9 6 0 m + 1 9 9 0 m + 9 6 0 m日本4 6 南备赞濑户桥悬索桥 2 7 4 m + l1 0 0 m + 2 7 4 m日本3 7 柜石岛桥斜拉桥主跨7 0 0 m日本 3 3 n a m h a e 悬索桥 1 2 8 m + 4 0 4 m + 12 8 m 韩国不详 j i n d o斜拉桥7 0 m + 3 4 4 m + 7 0 m韩国不详 g r e a tb e l t悬索桥5 3 5 n l + 1 6 2 4 m + 5 3 5 m丹麦不详 h a m 4 2 - 0 9 9 2连续梁1 7 m + 2 4 m + 1 7 m美国3 7 苏通大桥斜拉桥主跨1 0 8 8 m中国3 6 3 悬索桥主跨1 4 9 0 m ；斜拉 润扬长江大桥悬索桥斜拉桥 中国3 6 9 桥1 7 6 m + 4 0 6 m + 1 7 0 m 徐浦大桥斜拉桥主跨5 9 0 m中国7 4 钱江四桥系杆拱桥主跨1 9 0 m 中国1 6 2 南京长江一桥连续梁主跨1 2 8 m中国 1 5 9 南京长江二桥斜拉桥主跨6 2 8 m中国不详 重庆大佛寺桥斜拉桥 主跨4 5 0 m中国1 6 2 湛江海湾大桥斜拉桥主跨4 8 0 m中国 1 1 3 4 第一章引言 1 3 本文主要研究内容与工作 在大型桥梁健康监测工作中，数据获取是整个监测系统中最重要的一个环节， 采集得到的数据是安全评估的基础，所以本文针对现场数据采集单元的数据采集、 分析、存储、传输进行研究。主要内容分为三部分： 第一部分，针对项目中需要监测的4 座桥梁进行数据采集传输系统方案设计。 具体工作如下： 1 、分析对比了传统测量仪器与虚拟仪器的特点，详细研究了p x i 总线采集技 术，完成了基于p x i 总线技术的数据采集系统的组建，系统包括p x i 机箱、数据 采集卡、定时同步模块、调理模块。 2 、为了实现桥梁健康状态的远程监测和控制，需要将监控中心计算机与桥梁 现场数据采集单元通过网络连接在一起，本文完成了网络传输系统硬件组建方案。 第二部分，并针对桥梁监测数据采集系统中的加速度信号需要同步采集情况， 研究了分布式同步信号采集的条件以及实现方法，具体工作如下： 1 、s i g m a - d e l t aa d c 转换原理分析。针对m 公司2 4 位采样精度，1 0 2 4 k s s 采样率动态信号数据采集卡p x i - 4 4 7 2 b ，分析研究了该数据采集卡实现板卡间同步 的条件与方法。 2 、提出并实现了采用有线长距离传输时钟以及同步信号的方法实现分布式节 点的同步数据采集，完成了基于a l t e r a 公司m a x i ic p l d 驱动单纤双向光纤和双 绞线传输时钟信号、同步脉冲、触发信号的电路。通过双诺公司m p 4 2 1 数据采集 卡验证了有线时钟同步方法的有效性。 第三部分，完成软件设计与实现。软件部分分为现场采集单元软件和监控中 心软件两部分，在本论文中主要完成现场数据采集、存储、传输软件和监控中心 的登录界面以及数据接收程序的编写。具体工作如下： 1 、监控中心人机界面的编写 这是系统与用户交互的唯一通道。考虑到实际用户对控制系统所知甚少，在 设计时始终遵循“操作方便，一目了然 的原则。为避免非授权人员操作系统， 控制开始时要求输入操作者姓名及相应的口令，若输入信息与数据库存储信息不 相符，则不允许进行下一步操作；系统操作者分为管理员与操作员，只有管理员 可以对系统参数加以更改，而操作员只能完成数据浏览的功能而不能更改系统运 电子科技大学硕士学位论文 行方式，以保护系统不会出现误操作的情况而发生灾难性后果；将所有的检测数 据尽可能采用简单直观的方式显示，如曲线图、温度计等。 2 、数据采集单元上采集程序编写 在本项目中采用的p x i 6 0 3 0 e 和p x i 4 4 7 2 b 数据采集卡都可以直接使用n i 公 司提供的d a q m x 直接加以设置自动生成数据采集代码从而很大程度上减少了系 统开发的步骤，节省了开发时间。对采集到的数据需要做一定的数据处理后才加 以存储和传输、并根据处理数据进行初级报警。这些处理包括滤波、相关分析、 频谱分析等方面，文中也对这些基本功能进行了实现。 3 、数据存储模块编写 不论是在数据采集单元上还是在监控中心都需要对监测数据加以存储。在现 场数据单元中对采集数据进行存储主要是从数据安全方面加以考虑，在网络断开 的情况下可以在本地加以保存而不会出现数据丢失的情况，在监控中心存储是为 了对数据备份以供查找和追溯。 4 、数据传输程序编写 数据传输是双向过程，一方面，监控中心将数据采集系统配置通过网络发送 给数据采集单元通知现场数据采集单元采集开始时间和采样参数等等。另外一方 面，现场数据采集单元采集到的数据将采集得到的数据传输回监控中心存储并发 送给专家评估系统对桥梁健康状态加以评估。为了保证数据传输安全与传输速度， 软件编写中采用n i 公司提出的d a t a s o c k e t 网络传输技术。 6 第二章桥梁健康监测数据采集传输系统方案设计 第二章桥梁健康监测数据采集传输系统方案设计 本章首先对桥梁健康监测概念、监测内容、整体结构进行简单介绍，接着分 析了测量仪器的发展趋势，对比了各种测量仪器的优缺点，然后详细介绍了p x i 总线特性，最后完成了基于p x i 技术的数据采集系统和数据传输系统组建。 2 1 桥梁健康监测系统介绍 2 1 1 桥梁健康监测概念 桥梁健康监测属于结构安全监测范畴，结构的安全监测是由结构的状态监测 与病害诊断两个过程构成，两者既有密切的联系又互有区别。状态监测是指通过 某些方法对结构的特征参数，例如振动、应力、变形、温度等进行测量，将测量 值与机构正常工作的数值进行比较，以判断结构的工作状态是否正常。状态监测 又称为简易诊断，在这个过程中只对结构有无病害进行评判，而不作分析。 病害诊断是比状态监测更高层次的结构安全监测技术，它不但要对结构工作 是否正常做出初步诊断，而且还要对结构残生病害的原因、部位和严重程度做出 判断，从而为管理决策提供依据，这种诊断又称为精密诊断。病害诊断的方法有： 阀值逻辑法或对比诊断法、神经网络法、专家系统法、模式识别法、模糊数学法 竺 2 1 1 、ro 2 1 2 桥梁自动健康监测的作用 长期以来，人们对于大桥的安全检测一直以人工方法为主。人们或是定期进 行对桥梁进行检查以实现长期检测，或是在出现特殊情况( 发现结构破坏的时候) 再进行检测评估，而这时桥梁已经出现了较大损伤，评估和维修必然花费不菲。 人工检测不仅需要大量的人力和物力，而且需经过专f - j n 练的工程师，而所得的 结果仍然不能满足所有的安全需要。正是由于如此，建立完全自动化的桥梁健康 监测系统的要求被提了出来。其具体作用见图2 1 【8 】所示。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 主要监测内容 图2 1大型桥梁健康监测系统作用 如何对桥梁进行结构健康监测呢? 我们需要什么参数来评估一座桥梁是否处 于健康状态呢? 一般情况下，桥梁健康监测主要内容包含以下方面 捌： l 、荷载缘 风荷载：风荷载是大跨度斜拉桥设计的主要控制荷载。通过监测桥址处的风 速、风向，可以验证设计的假设模型，研究风对结构的响应以及对结构特性的影 响。 温度荷载：温度变化将改变结构内力的分布以及引起结构的变形。监测结构 的温度及其变化可以研究温度对结构内力、变形及动力特性的影响。 徐变：预应力混凝土的徐变可能引起结构变形，改变结构的线性。 腐蚀：混凝土在长期的使用后，氯离子的侵入和表面碳化将引起混凝土性能 的退化。测量混凝土中碳及氯的含量可以评估其工作性能，进而确定结构的使用 寿命。 交通荷载：交通荷载是结构承受的主要活载，是进行结构安全评估和桥梁管 理的重要依据。 8 第二章桥梁健康监测数据采集传输系统方案设计 船撞、地震荷载：评估船撞、地震对桥梁的作用及破坏程度。 2 、桥梁结构特性 静态影响系数：评估各种荷载对桥梁结构的静态影响分布及影响程度。 整体动态特性：桥梁的整体动力特性包括桥梁结构的频率、阻尼等结构重要 特征，是进行结构整体损伤检测的基本数据。 3 、桥梁结构响应 几何形状：桥梁的几何线形反映结构的受力状况以及整体的健康状况，是各 种作用和环境影响的综合结果。 索力：拉索是斜拉桥的重要构件，传递及承受大桥的全部荷载，拉索的受力 状况直接关系到桥梁结构的工作性能，影响桥面线形及行车舒适度。 应变应力分布：大桥结构某些重要构件的应变应力分布控制结构的疲劳寿 命，是进行结构状态评估的重要依据。 2 1 4 桥梁健康监测系统的层次结构 一个完整的桥梁健康监测系统由传感器系统、数据采集与传输系统、数据处 理与控制系统、结构健康评估系统组成【2 3 1 ，系统组成结构见图2 2 所示。 图2 - 2 桥梁健康监测系统结构图 首先，传感器系统将反映桥梁特性模拟或数字信号馈线发送到各数据采集单 元通过数据采集单元对信号进行调理、滤波、a d 转换，以及进行简单的统计处 理，然后将信号通过系统主干光纤网络传输给数据处理与控制服务器，分析控制 服务器对所有信号进行收集、处理、分析、融合、显示、归档和存储后，最后将 这些经过处理和分析的数据发送到控制室内的结构健康状态评估服务器进行结构 健康状况评估和结构剩余承载能力评估，生成监测评估报告。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 5 桥梁健康监测系统可靠性要求 l 、容错性：如果某功能模块的某个硬件发生故障，所有功能模块的其他硬件应 能继续正常工作。 2 、自启动自恢复性：如果某个装置断电，其他装置的工作应不受影响电源恢 复时监测系统应能够安排各下级装置有序地启动，并从各数据采集装置获得状态 报告，从而不会发生数据过载。 3 、在系统断电时，不间断净化电源( u p s ) 能保持系统正常工作2 4 小时。 4 、各传感器的工作状况由数据采集单元( d a u ) j 差行监测。单个传感器的故障 不应影响其它传感器正常工作； 5 、对于采用分布式监测结构，网络上单个采集装置节点( d a u ) 的故障不应影 响该网络其它部分功能的发挥： 6 、系统应记录获得的所有数据和设备故障事件以便将来查考。 2 1 6 本章主要研究内容 在本项目中，金沙江大桥不论是从桥梁跨度还是从桥梁结构上都是最有代表 性桥梁，其监测结构具有一般性，而其它几座大桥可以看作是金沙江大桥监测系 统的特例，对比金沙江跨度还要大结构还要复杂的桥梁可以在金沙江大桥监测系 统结构的基础上加以扩展。所以本文只以金沙江大桥健康监测系统为例加以研究。 按照图2 2 ，金沙江桥梁健康监测系统被分成了四部分：传感器系统、数据采 集传输系统、数据处理与控制系统、结构健康评估系统。对于结构健康评估部分 的工作属于桥梁专家研究的范畴，不是本文研究内容。本文中只关心桥梁特性数 据的获取，所以本文的研究主要是针对传感器系统、数据采集传输系统和数据分 析和控制系统三个部分进行的。从广义上讲，传感器系统、和数据分析控制系统 也可以算是数据采集传输系统的组成部分，下文将就广义数据采集传输系统加以 研究。 2 2 传感器系统 在前面2 1 3 中已经知道要对桥梁进行结构健康监测需要获得荷载、结构特性 1 0 第二章桥梁健康监测数据采集传输系统方案设计 和桥梁结构响应。这些参数都是怎么获得的呢? 这就需要不同类型的传感器将这 些参量转变为可以采集的电信号，下面将结合金沙江大桥的具体情况就健康监测 中通常使用到的传感器加以介绍。 2 2 1传感器作用以及监测方法介绍 桥梁的健康监测系统一般是首先利用传感器来读取桥梁各部分结构的温度、 应力、位移变化、风力、风向等参数，用来监测桥梁风荷载、温度荷载、地震和 几何结构等特性。 对于金沙江大桥健康监测，根据它的结构特点、气候和地理环境、以及桥梁 运营阶段长期结构安全评估的要求，确定系统的监测需要使用的传感器有：超声 风速仪、空气温度与湿度传感器、路面温度湿度传感器、倾斜仪、位移传感器、 三向加速度传感器、双向加速度传感器、锚索计、水准仪、光纤光栅温度应变传 感器等。下面就各类传感器的监测目的及其监测方法做一简单介绍。 超声风速仪。监测目的：了解桥址处环境风力、风向变化情况，为分析桥梁 的工作环境、评价行车安全状况、验证桥梁风振理论提供依据。监测方法：连续 实时监测，采样频率4 h z ，三向超声风速仪可采用模拟信号或数字信号输出，就近 接入串口服务器。 空气温度与相对湿度传感器。监测目的：了解桥址处环境温度的实时变化情 况，以及桥梁主要构件的温度及温度梯度情况，为分析结构的受力和变形提供依 据。监测方法：连续实时监测，采样频率为0 0 2 h z ( 约1 分钟采样一次) ，输出为 r s 4 8 5 2 3 2 信号，就近接入串口服务器。 倾斜仪。监测目的：监测桥塔、桥墩的倾斜度，评估其位移和变形。监测方 法：采用双向倾斜测量仪测量桥塔、桥墩沿桥纵、横向的倾角，实时连续测量结 构沿两个方向的变形。数字信号输出，就近接入串口服务器。 位移传感器。监测主梁在桥塔处的纵、横向位移，为评估风荷载、地震、交 通对主梁的作用提供依据。监测方法：采用位移传感器实时连续监测测点处位移， 采样频率1 0 h z 。 三向加速度传感器。监测目的：监测桥址处的地震及船撞击情况，记录地震 及船撞击引起的加速度响应并发出预警信号。监测方法：采用三向伺服式加速度 传感器监测，采样频率2 0 0 h z 。设置阀值，当加速度响应大于阀值时系统开始记录， 并进行实时处理，如响应大于某一设定阀值时发出警报。 电子科技大学硕士学位论文 双向加速度传感器。监测目的：实时监测桥塔、主梁各部位在环境脉动、风、 交通、地震等作用下引起的加速度响应，评估结构的整体动力特性，为桥梁结构 整体健康状况评估、验证大桥设计理论及运营管理提供依据。监测方法：采用伺 服式加速度计进行实时连续监测，采样频率2 0 0 h z 。所有双向加速度计的x 方向沿 桥轴布置，y 方向指向水平横桥向。 锚索计。对斜拉索索力作定期监测和针对性核查，评估拉索工作状况，为桥 梁健康状况和结构安全评估提供依据。监测方法：采用基康公司的m i c r o 1 0 采 集系统采集，其采集数据就近接入串口服务器。 水准仪。监测目的：静力水准仪用以测量梁体与大地之间的相对位移。监测 方法：实时连续监测，r s 2 3 2 4 8 5 输出就近接入串口服务器。 光纤温度应变传感器。监测目的：实时监测大桥混凝土构件的温度及应变时 程，实时掌握主要受力构件的环境及工作状况。对混凝土主梁各截面：进行应变 温度实时连续监测，采样频率5 0 h z 。当光纤受力或温度改变时，光纤光栅反射波 长发生改变，通过测量反射波长则可以得到应力和温度值。输出数据通过r s 4 8 5 接口传送至数据采集单元。 为了达到监测效果，对传感器测量参数有一定要求。表2 1 中给出了上述传感 器的一些具体参数要求。 表2 - 1 传感器参数表 传感器参数 测量参数：三个正交方向的风速、风向和超声速度； 风速：测量范围：0 一- - 5 0 m s ；分辨率：o o l m s ；精度： 1 蹦s ； 三向超声风向：测量范围：0 - 3 6 0 。；分辨率：l o ；精度： l 。； 风速仪 超声速度：测量范围：3 0 0 3 7 0 m s ：分辨率：0 0 1 m s ) 精度： o 5 ( 2 0 ) ；允许最高风速：1 2 5 m s ； 数据i o ：r s 4 8 5 2 3 2 ，波特率2 4 0 0 1 1 5 2 0 0 ；采样速率：4 h z 采样速率：) 0 0 2 h z ；通讯接口：r s 4 8 5 、r s 2 3 2 空气温度与湿度 空气温度测量，测量范围：- 2 0 - - - , + 6 0 c ；精度：o 1 ； 传感器 相对湿度，测量范围：0 - 1 0 0 r h ；精度：4 - 2 采样率：) o 0 2 h z ；测量范围：5 5 1 2 5 ；分辨率：o 2 5 1 2 ； 路面温度传感器 精度：0 5 ( 1 0 + 8 5 ) ；通讯接口：r s 4 8 5 、r s 2 3 2 1 2 第二章桥梁健康监测数据采集传输系统方案设计 ( 续表) 传感器参数 低增益设置：li ir a d m v ；高增益设置：0 1ur a d m v ； 双轴 分辨率：o 1ur a d ；线形，高增益设置：0 2 、低增益设置：2 倾斜仪 输出：r s 2 3 2 r s 4 8 5 或振弦频率信号 位移测量范围：5 0 0 m m - - 一2 5 0 0 m m 可选；分辨率： 0 0 0 5 e s ； 传感器非线形： 0 2 5 e s ；重复性：4 0 1 f s ；电流输出； 三向加速度 测量范围：4 5 9 ；测量偏差： 8 r a g ；信噪比：) 8 0 d b ； 传感器 分辨率： lug ；带宽：) 3 0 0 h z ；耐冲击：) 2 5 0 9 双向加速度 量程：士5 9 ；测量偏差： 8 m g ；信噪比：) 8 0 d b ； 传感器分辨率： 1l l g ；带宽：) 3 0 0 h z ：耐冲击：) 2 5 0 9 光纤光栅温度量程：4 - 3 0 0 | l8 ( 应变) ，- 2 0 + 8 0 ( 温度) ；线形度： 0 5 1 应变传感器精度： 5 1 2 k s s l o s = 1 2 8 f s 3 2 2 2 同步脉冲信号( s y n cp u l s e ) 共享过采样时钟后虽然可以保证各模块以相同的采样频率采样，且过采样时 钟没有相位偏移，这只能保证所有的a d 都是同步进行一位量化，但是并不能保 证各个模块返回的采样数据也是同步的，因为a a d 最后输出的2 4 b i t 数据是将 1 2 8 个l b i t 数据流进行低通滤波和抽取后得到的输出，在仅仅同步过采样时钟的情 况下a d 选择的第一组1 2 8 b i t 数据流的开始时刻是随机的，所以得到的输出不能 说是同步输出。下面我们以图3 4 为例加以说明，这里假设采样频率为1 0 2 4 k s s 电子科技大学硕士学位论文 ( t i ohs ) ，过采样率为1 2 8 ，则过采样时钟周期约为7 0 n s ，且假定两块数采卡 的过采样时钟无相位偏移。在这个例子中，抛采集卡采样时钟对撑1 采集卡有5 个 过采样时钟周期的延迟，也就是说两块数据