聚星仪器隔空把脉 实时监测桥梁健康状况

大桥的健康监测系统需要24小时连续监测大量不同类型的信号，对于振动信号还需要精确的同步采集。这不仅要求采集终端有很好开放性、灵活性和稳定性以集成不同种类的数据采集模块对不同类型的信号进行统一的连续采集，而且要求采集终端提供高性能的时钟和触发同步功能。同时，恶劣的海洋环境及桥面路况影响对采集终端的环境适应性也提出了很高的要求。

解决方案：

采用坚固的CompactRIO控制平台建立起分布式系统，对大桥进行24小时不间断监控，另外，聚星研发的VI 6011可以进行GSP信号接收和时基同步。

完整案例分析

随着区域经济与工程技术水平的发展，同时为了满足日益增长的交通需求，世界上越来越多的地区开始兴修大型桥梁。据统计，在中国，仅仅横跨长江两岸的特大桥就有60 余座，并且出现了多座已建成、在建或处于立项阶段的跨海大桥，如东海大桥、杭州湾大桥、虎门大桥等。这些桥梁设施不但要抵抗海水江水的冲击和腐蚀、地震台风等自然灾害，还要经受各种交通工具对桥梁结构造成的缓慢损害。近年来，国内外多起桥梁坍塌事故引起了相关部门对桥梁安全的高度重视，对桥梁进行长期的健康监测能让桥梁养护人员对桥梁的异常情况及时采取措施，不仅可以延长桥梁的使用寿命，更使人们的生命安全得到了保障。

一套成熟的采集记录系统

我们基于NI CompactRIO硬件平台，利用NI LabVIEW开发出一套适用于全天候地震监测的多通道数字强震记录仪。记录仪可通过网络进行分布式扩展组成监测台网，为地震信号的监测、分析及预报提供最底层的数据支持。

多通道数字强震记录仪提供16×3路加速度信号接入接口（含16路加速度计校准信号输出）、外触发信号接口、GPS天线接口和以太网接口。系统的机箱和控制器分别选用cRIO-9104和cRIO-9014；选用3块cRIO-9205对16×3路加速度信号进行采集；选用1块cRIO-9403接入外触发信号，并输出16路加速度计校准信号；选用1块由研发的符合cRIO模块接口标准的VISN GPS C87（VI 6011）进行GPS信号接收和时基同步。

系统的软件结构由数据采集和通信两大部分组成。数据采集部分又可分为数据采集模块、数据采集引擎和数据触发引擎。通信部分则由数据接口、控制接口和状态接口组成。在LabVIEW中实现时，这些不同的引擎和接口都是独立运行的VI，通过上层的动态调用来执行。这样可利用LabVIEW多线程的特性，避免各个模块之间的相互阻塞干扰。

这些所有的引擎和接口都是在cRIO-9014的RT上实现的，它们分别以确定的时间特性实时地完成特定的任务。cRIO-9401、cRIO-9215、cRIO-9203 和cRIO-9871 等模块对相应信号的数据采集是在cRIO-9104 的FPGA 上完成的，具有硬件级的同步、定时和触发特性。它们将采集到的数据通过DMA 传送到RT上的数据采集引擎进行降采样、滤波等预处理。

GPS 同步采集，远程处理不再是难题

为满足大桥模态分析的要求，各数据采集终端需要对大桥的振动信号进行精确的同步采集。对于大桥健康监测系统而言，各数据采集终端的距离都在100米以上，传统的主从终端同步采集方案已经不能适用。我们利用基于cRIO-9401和cRIO-9215的GPS同步采集方案可以很好的解决远距离终端同步采集的难题。具体而言，我们为每个数据采集终端配置一个GPS接收机，它们分别获取已与卫星同步的GPS绝对时间信号和PPS秒脉冲信号，并送至对应采集终端的cRIO-9014 的串口和cRIO-9401 进行采集、同步和计数。我们在cRIO-9104 的FPGA 上构建了一个数字锁相环和同步触发模块，参考由cRIO-9401 引入的PPS 秒脉冲信号，经过一系列硬件级的锁相、计数和触发机制，确保不同终端上的所有cRIO-9215（包括cRIO-9203）在同一绝对时刻以同频同相的采样时钟对大桥的振动信号进行精确的同步采集。

结束语

基于NI优秀的CompactRIO硬件平台和强大的LabVIEW软件平台，我们在短时间内成功开发出集不间断数据采集、强震信号记录与实时传输、强震信号预警等功能于一体的多通道数字强震记录仪，并成功运用于深圳湾大桥、集美大桥、虎门大桥等多座跨海大桥的监测。以往此类设备几乎全部依靠整套进口，昂贵的费用负担和技术约束在一定程度上制约了我国防震减灾工作的进一步发展。基于CompactRIO的多通道数字强震记录仪的成功推出和应用，填补了国内地震监测领域的一项技术空白，在各类性能指标达到国际同类先进技术产品的同时，降低了应用成本，形成了自主知识产权的软件及系统产品。