NI 全天候為東海大橋健康監測把脈

NI的數據監測系統遍布眾多領域，除了前文提到的港珠澳大橋港珠澳大橋「私人醫生」已上線，還在另外一個重要的橋梁健康監測項目中應用。TA就是中國首座跨海大橋——東海大橋，小編這就帶大家了解一下NI合作夥伴上海巨一科技發展有限公司幫助東海大橋搭建健康監測系統的過程。

本文乾貨較多，前方燒腦提醒

東海大橋的建造完成耗時三年半，其優雅的斜拉結構橫跨中國東海，連接上海市與洋山島。該橋全長32.50公裡，其中水上部分長25.32公裡。其主導航橋孔長420米、高40米，導航能力為5000噸。顯然，東海大橋需要超大規模的監測系統，用於監測和傳輸各類工程數據。

連接上海市和洋山島的中國東海大橋

鑑於東海大橋測量系統的規模，承受海水的侵蝕、颱風和地震的影響以及橋面交通的逐步損害等因素。所以，對測量系統有以下三大要求：

• 測量系統必須耐受惡劣的環境條件並正常工作；

• 對測量系統要求可靠性高；

• 系統管理軟體需簡單易操作。

簡而言之，該橋梁監測系統所面臨的問題需要一個滿足特殊需求的軟硬體平臺構成。

對於一座正常工作的橋梁，所需的監測項基本源於三個類別：

1）環境類：東海大橋受到惡劣環境條件的影響——暴風、海浪和高濃度的氯離子。這些因素對橋梁的正常工作產生了相當大的影響。

2）維護類：從橋梁維護的角度來看，橋墩和橋塔的下陷替換、橋孔的變形等參數都是需要監測的重要指示因子。

3）事故類：對於橋梁可能遭受的事故以及產生的影響而言，橋梁的動態特性是極為重要的。

總而言之，需要監測的主要項目如下。

環境監測：大氣溫度、風速、氯離子的侵蝕、海浪

靜態響應與動態響應的監測：結構變形、結構壓力、結構動力學、線纜張力、阻尼器的位移、結構溫度

東海大橋的測量系統遍布整個橋體，將全場32公裡的橋分為幾個部分，每個部分都安置了一個信號採集站，站點間距離為幾千米到數十千米。這些分布在指定地點的信號採集站構成了整個數據採集系統。每個站點充當其附近的傳感器的主機系統。每個站點的功能特性如下：根據所連接傳感器的類型，進行多種格式的數據採集、信號調理、數據處理與管理和數據傳輸等功能。

鑑於所處的惡劣工作環境，這些站點必須耐受（但決不限於）水、溼氣、灰塵、衝擊與特別是由鹽造成的化學腐蝕。而且，顯然工作站點必須具有高堅固性、可靠性和可維護性。給定這些站點的上述需求，在達成基於PXI的解決方案之前並沒有太多思考或爭論。實際上，基於PXI的數據採集方案是專為嚴酷的工業環境以及出色可靠性要求而設計的。通過合適的模塊選擇，站點的所有功能需求都可以很好地得到滿足。

事實上，自首次投入使用後，建造於東海大橋之上的數據採集系統至今已正常地全天候24小時工作約兩年。

除硬體系統以外，遠程配置、管理和傳輸採集數據屬於軟體需求。LabVIEW套件是一組軟體，它通過與NI PXI模塊及包括網絡在內的其它相關硬體的無縫集成並採用恰當的抽象和封裝，不僅實現了這一目的，而且使得這一過程相當便利與高效。

實現數據採集系統的主要挑戰之一便是同步問題——必須實現廣闊地理範圍內的同步。對此問題的解決方案便是採用GPS定時信號。每個站點與一個GPS接收裝置連接。接收裝置接收GPS同步信號，進而發送至站點內的PXI模塊。GPS同步信號用以確保整個分布式系統的數據採集的嚴格同步。

GPS系統由每12小時圍繞地球旋轉一周的24個人造衛星組成。其中，每一個人造衛星都擁有一個精度為10-13秒的板上原子時鐘。GPS的人造衛星以1.5 GHz的載波頻率連續發送其空間坐標以及時間信息。特別地，該時間信息可以用於精確地關聯、觸發和時間標記測量數據。來自GPS接收裝置的典型GPS定時信號有兩種類型（但有三種實例）。

➤ PPS（每秒脈衝）：第一種信號類型便是PPS。絕大多數GPS接收裝置都支持PPS。一個PPS信號並不包含有關具體日期或年份時間的信息；它僅每秒輸出一個脈衝。通常，脈衝的寬度為100毫秒，但是許多GPS接收裝置支持用戶設定脈衝的寬度，只要它小於1秒即可。PPS是最簡單的同步形式。一個PPS信號可能如下所示（圖1）：

圖1：PPS信號

圖1中所示的信號也稱為1 PPS，因為它每秒只輸出一個脈衝。它通常用作採集的觸發信號。PPS類型信號的另一個實例是 10M PPS，它每秒產生10M個脈衝。該信號通常用作採樣基頻。

➤ IRIG-B：第二種信號類型是DC-Level的IRIG-B。IRIG，區域間儀器系統組，是一種承載絕對時間的編碼電晶體-電晶體邏輯（TTL）信號，每秒重複或再同步。對於IRIG，每幀為1秒。

圖2是IRIG-B標準的一個定時框圖。每個比特用一個周期為10毫秒的信號來表示，「0」的高電平持續時間為2毫秒，「1」的高電平持續時間為5毫秒，而「P」高電平持續時間為8毫秒。在1秒幀內，P比特將秒和分鐘、分鐘和小時等分隔開。

圖2：IRIG-B信號

該採集系統由NI PXI 1045 18-插槽機箱、NI PXI 8187控制器、NI PXI 6652、6602和4472B模塊組成。圖3展示了該採集系統的示意框圖。中心部件是動態信號採集（DSA）模塊——NI PXI 4472B，它是輸入和採集傳感器信號的實際單元。其它模塊用於確保NI PXI 4472B正常工作。該系統的主要挑戰在於如何將廣泛分布在多個站點的NI PXI 4472B模塊同步起來。

圖3：GPS PPS同步原理圖

NI PXI 6652同步模塊與來自GPS接收裝置的10M PPS信號連接。該信號在分頻後發送至PXI背板，再用作NI PXI 4472B模塊的過採樣時鐘。

NI PXI 6602計數器在兩個埠同時接收來自GPS接收裝置的1 PPS信號。一個埠的信號通過PXI背板用作SYNC脈衝，以實現所有NI PXI 4472B模塊採集信號時的相位同步。另一個埠的信號用作定時器，並與預先設定的採集時間相比較。當達到採集時間時，NI PXI 6602再次通過PXI背板，生成開始觸發信號，以啟動NI PXI 4472B的數據採集操作。NI PXI 8187控制器從GPS接收裝置讀入IRIG-B信號，並可以從IRIG-B信號獲得絕對時間。然後，該絕對時間可以用作被採集數據的時間標記。

由於PPS信號都來自GPS系統，所以它們對於所有站點的所有NI PXI 4472B模塊是完全相同的，從而完成跨越廣闊地理區域中，多機箱系統中多個NI PXI-4472B模塊的同步數據採集。

實現整座橋同步數據採集系統的配置，可方便快捷地通過編程實現，編程基於NI軟體平臺，特別是利用了面向NI PXI 6652的NI-Sync、面向NI PXI 4472B的LabVIEW DAQmx以及6602和8187。

數據採集的意義在於從所採集的海量數據中挖掘有用信息。因此，除了記錄通過數據採集板卡獲得的原始數據（就其自身而言，它顯然是非常重要的）之外，我們還需要從不同方面對這些數據進行分析處理。

例如，在每個站點，PXI控制器（假設為NI PXI 8187）在存儲數據的同時，對數據進行一些基本的統計分析。這些數據進而通過網絡從每個站點傳輸至一個監測中心。在該中心，可以對這些數據進行更為複雜的分析。

例如，利用LabVIEW高級信號處理工具包和LabVIEW系統辨識工具包中的各種分析函數，可以從原始數據分析得到不同方面的信息。根據分析方法的實時性不同，我們可以將它們歸為兩類：離線分析方法和在線分析方法。採用哪一種方法則取決於監測任務。以下部分更為詳細地討論這兩種方法。

多通道信號頻譜分析：除了提供FFT方法，LabVIEW與LabVIEW工具包提供了標準的多元信號處理算法。例如，高級信號處理工具包提供了TSA MUSIC VI，您可以用它來獲得多通道信號的頻譜。圖4展示了所得到的東海大橋的頻譜圖實例。

圖4：MUSIC所提供的東海大橋頻譜

模態分析方法可以反映橋梁的動態特性。實際上，模態分析是現今SHM的一項標準工程實踐，通過模態分析，可獲得模態參數——共振頻率、阻尼係數和模態。傳統情況下，這些模態參數是從測試人員施加的激勵信號以及對應的響應信號中獲得的。

為了處理類似橋梁的大型結構的模態分析，出現了一種相對新穎的模態分析方法。這種方法能夠在大型結構工作時，處理所收集的數據，這就是工作模態分析。在此方法中，沒有明確的激勵信號應用於該結構；而是由環境的自然力和作用於該結構的工作負載充當激勵，這樣的激勵是隨機和未知的。

我們僅僅可以利用布置在該結構上的傳感器來獲知所測得的信號——響應信號。因而，工作模態分析也被稱作「只有輸出」的方法。該方法非常適合橋梁模態分析，因為，將任何類型的人工激勵施加在一個長達幾公裡至數十公裡的物體，顯然不是那麼方便的。

在工作模態分析領域，有一類方法採用僅輸出的系統辨識（也稱時序分析）技術，即隨機子空間辨識（SSI）。該類方法利用系統的輸出數據（在此是橋梁的傳感器測量數據），來辨識一個線性狀態空間模型，能夠最好地描述所觀測到的輸出數據的。然後，在工作模態分析環境中，由該線性模型的狀態轉移矩陣來獲得模態參數。

高級信號處理工具集提供了隨機狀態空間建模函數，可以實現SSI算法。利用該VI，可以方便地計算模態參數。利用該方法進行東海大橋模態分析的一個範例如下所示：表1展示了共振頻率及其對應的阻尼係數；

圖5展示了東海大橋（僅主橋孔）的首批幾個重要振動模式的模態，而圖6展示了利用SSI方法識別的東海大橋模態的模態複雜性圖，這裡顯示出的模態幾乎都在傳統方式下被抑制。請注意，通過該方法所識別的共振頻率與通過一些其他方法所獲得的共振頻率（如結論部分前面的表2所示）相一致。

表1：利用離線SSI方法獲得的東海大橋共振頻率與阻尼係數

圖5：通過SSI算法識別的東海大橋（主橋孔）的模態

圖6：通過SSI算法識別的東海大橋（主橋孔）模態的極點圖

另外，為了更好地監測一座橋梁的健康狀況，需要實時跟蹤一些富含信息的工程量。尤其對共振頻率的實時監測是非常重要的。當下的挑戰在於在線完成共振頻率計算，這是也目前許多應用的一個研究課題。

為使SSI方法能夠在線工作，SSI需要重新表述成某種遞歸形式，以實現必要的計算效率。這就是遞歸隨機子空間識別（RSSI）。利用RSSI，讀入來自多通道的採樣數據並對其作抽取處理。然後，將抽取後的數據饋入到RSSI算法。每次饋入一個新的抽取數據採樣，就生成了一組新的系統共振頻率。所以，共振頻率隨著數據採集過程的進行而更新。如果RSSI算法執行足夠快，這個更新過程就實時運行。

在東海大橋的實例中，通過加速度信號來提取對應的共振頻率，信號主要來自於主橋孔周圍的數十隻加速計。經過同步採集的加速度數據在每個站點都被加入時間標識，然後通過網絡傳送至監測中心。LabVIEW程序可以接收這些多通道數據，以形成一個2維數組。然後，以適應目標共振頻率範圍的合理速率，對這些多通道信號進行抽取處理。

此後，為了保證識別效果和計算速率，抽取後的信號被同時送入幾個合適的子頻帶進行濾波，在每個子頻帶內，都將RSSI算法運用於濾波後的信號。在RSSI算法的初始化程序後，隨著時間所生成的頻率形成頻率-時間曲線，而且，LabVIEW的多線程技術使得計算速率足夠快。因而，成功地實現了橋梁共振頻率的在線跟蹤。圖7展示了這一過程。

圖7：在線模態頻率監測示意圖

圖8展示了所得到的東海大橋的頻率-時間曲線的一個實例。該圖清楚地顯示出，在一段初始化時間之後，生成了頻率-時間曲線；在一個趨穩階段之後，該曲線隨著時間變得非常穩定。

這些識別得到的共振頻率（圖8）與那些通過一些其它的離線方法獲得的共振頻率（表2）之間的比較，揭示了他們在絕大多數頻率上非常好地吻合。雖然需要執行進一步的試驗以驗證RSSI方法，但是，迄今的結果已經展示了該方法在實時需求下的可行性和有效性。利用該方法，可以實時監測橋梁的重要共振頻率，這是更好的橋梁健康監測解決方案所必需的。

圖8：在線跟蹤所得的東海大橋的共振頻率

表2：通過其它方法獲得的參考共振頻率

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