基于LabVIEW的桥梁监测系统设计与实现

何 晋，潘书文，朱西平

(成都信息工程学院，四川成都610225)

0 引言

桥梁在服役过程中不可避免地受到设计载荷、环境腐蚀、材料老化等问题，以及一些突发事件、台风、地震、撞击等载荷引起损伤[1]，桥梁坍塌等事故的发生容易造成交通运输的瓶颈和惨重的人员经济损失[2]。随着桥梁桥龄和交通负荷的不断增大，以及暴露在周围的环境温度、湿度、降水均衡、风力等因素影响，桥梁结构的完整性和性能都受到显著的影响[3]，桥梁结构损伤检测和在线安全监测成为当前国内外学术界和工程界的热点问题[4]。根据桥梁自动化监测的工程需求开发了一套基于LabVIEW的智能监测系统，对桥梁所处环境荷载以及桥梁结构性能进行实时监测，从而为桥梁的养护与维修提供指导依据，为桥梁监测的自动损伤识别和安全评估构建良好的软硬件平台。

1 硬件系统的设计与实现

桥梁监测系统由两个部分构成。第一部分是将获得的机器当前状态信号或者参数变成标准电流或者电压信号的传感器系统，它由振动传感器，温度、湿度、位移传感器等各种测量部分组成。第二部分是将获得的信号进行具体数值显示并进行进一步分析、处理的虚拟仪器部分。桥梁监测系统所需的基本硬件设备包括传感器、信号调理模块、数据采集卡等。传感器部分主要是获得被测对象的各种信号;信号调理模块主要是对信号进行滤波、差分放大等信号调理工作;数据采集卡主要控制多路开关对通道进行切换，同时进行数据采集工作，并通过LAN总线将数据传输至主控PC机;主控PC机完成数据的接收、处理、显示和存储。本文中，采取传感器、信号调理模块、数据采集卡3部分合为一体通过网线连接主控PC机的设计方案，如图1所示。

图1 监测系统的硬件组成

1.1 传感器选型

在保证传感器的量程、灵敏度、精度、频率响应范围等功能适用性基础上，综合考虑传感器的稳定性、可靠性、耐久性以及与数据采集、通信设备的相容性、桥梁结构分布等因素[5－6]，选择了yd-302型压电式加速度传感器用于振动监测。在温湿度分布监测方面，传统的温度测控方案，大部分都需要将置于测量点的温度传感器(热电偶或热电阻)与温度变送器用信号线连接，然后才能变送输出控制系统需要的信号。由于探头本身的物理特性，测量距离很受限制，而且信号线的线阻对探头反馈的温度精度影响很大。选用将温度传感器和变送器集成在一起的TS-FTWI2/3/4/5型一体式温度变送器，并直接输出模拟量或者数字量信号，能够轻松解决上述问题。在位移监测方面采用了结合角度传感器和直线位移传感器优点的MPS-S-1000mm-V型拉绳式位移传感器，满足长行程测量的高精度需求。当同一监测内容由多个监测点的多个传感器共同监测时，可采取多传感器一致性数据融合算法对多传感器信息采集系统的数据进行融合处理[7]。

1.2 测控平台

综合考虑系统的可靠性、稳定性及可扩展性等要求，选择NI公司的工业级嵌入式测控平台CompactRIO(cRIO)对安装在桥梁上的各个数据采集点进行控制。整个数据采集平台由NI 9074型cRIO机箱控制器、NI 9234型振动采集模块、NI 9205数据采集卡组建构成。在设计中通过cRIO机箱将传感器上传的信号进行信号调理，并实时进行分析，同时各cRIO模块之间通过GPS模块进行时间同步，保证上传数据的时间一致性。由于cRIO机箱有一定的缓冲存储数据的能力，对各种原因引起的数据丢失有一定的改善，cRIO中的控制器部分还有自己的实时操作系统，因此具有独立运行的能力，从而保证了系统的鲁棒性。结合cRIO模块集成的接口设备以及LabVIEW软件，可以快捷地设置cRIO采集模块的属性，将桥梁上各个测量点方便地集成在一起，通过网络与监控中心相连。

2 软件系统的设计与实现

2.1 软件的功能模块组成

软件系统的需求分为功能性需求和非功能性需求，功能性需求包括24小时实时监测、用户信息管理、提供参考依据、各类数据分析、多重分级预警等[8]。非功能性需求包括软件的通用性、扩展性、时效性、开放性、美观性、易操作性等。在扩展性方面，考虑可能出现晚上人员不在现场时等情况，可在PC端将异常报警通过计算机网络或GSM网络传至移动终端等方式实现远程报警[9]。基于LabVIEW平台设计的系统功能模块设计如图2所示。

图2 软件功能功能模块设计

2.2 数据采集与传输子系统设计与实现

综合文献[10]对数据采集与传输软件子系统的基本要求，将数据采集与传输软件子系统软件分解为数据采集、数据传输、实时显示、参数配置、数据分析、数据存储、报警记录7个模块来设计组成。各模块的功能描述及对应功能点如表1所示。

表1 系统功能模块描述表

数据采集与传输的框架如图3所示，首先由传感器将采集到的数据传至实时系统，实时系统的程序控制传感器的采集并负责将数据通过以太网传递至PC端进行显示、处理。数据采集与传输子系统的程序分为两部分分别写在cRIO控制器内和PC上。在cRIO实时系统内的RT(Real-Time)程序主要完成数据采集和数据传输的任务，而在PC上的HOST程序完成参数配置、数据接收、数据分析、数据存储、实时显示、报警记录等功能，实时系统中的数据通过以太网传输到PC端。以下将分别讲述RT程序和HOST程序的实现方法。

图3 数据采集与传输系统的框架

HOST主程序的设计模式有一般状态机模式、消息队列模式、用户事件模式、总/从结构模式和生产者/消费者模式这五种较为普遍。由于本系统需要并行响应事件，即在数据采集的同时，响应前面板事件。因此在数据采集时的子VI之间的数据通信采用生产者/消费者模式，数据保存、数据显示以及前面板参数的输入3部分需要有3个生产消费者结构，在事件结构下对各个事件分别编程做出响应。机控制器RT端的主程序是用于高实时性要求的控制和采集任务[11]，数据采集模块利用替换数组子集函数将16路通道的信号写进一个16维数组中，并将该数组值赋给线程间的共享变量节点，将数据传输模块与数据采集模块的循环频率都设为相同10 ms的间隔，线程间的共享变量传递数据给网络共享变量，实现HOST程序对实时系统的数据采集控制。

为方便程序扩展，将参数配置模块的参数全部捆绑成簇，制作自定义类型，并利用生产者/消费者模式将参数簇传递给数据分析模块，该模块接收到前面板设置的参数之后，对数据做出分析。数据接收模块利用网络共享变量节点对RT端通过以太网传递过来的信号进行接收，并利用索引数组函数将16路通道信号还原。数据存储模块利用TDMS文件读写速度快、占用磁盘空间小等优点存储实时系统中的海量数据的存储[12]，并为振动信号、湿度信号、温度信号及位移信号4组信号分别存有4个通道数据，程序如图4所示。为了防止保存的文件过大导致文件读取速度过慢，系统每隔1小时重新新建1个TDMS文件。

图4 TDMS文件保存程序

数据的预处理需根据传感器的参数曲线，在软件上实现输出电量与对应物理量的转换。下面以振动传感器为例，传感器输出电压为V，灵敏度为S，因此加速度的计算公式为

文中采用yd-302的型号，其灵敏度为0.5 V/ms－2，因此，加速度计算公式为

在测试物理量向结构特征参数的转换的过程中，根据传感器的不同采用不同的策略处理数据[13]并进行传感器数据可信度评价[14]。振动传感器经过预处理后获得的参数是加速度，振动参数的提取还需要对加速度数据进行FFT变换等频域分析，从中获得结构特征参数如频率等。位移需要进行统计分析，获取平均值、标准差等信息，同时对位移量手工设限，进行预警，分析程序如图5所示。获得预处理的数据后，利用LabVIEW自带的功能函数模块对这些数据进行滤波处理、时域分析、频域分析。

图5 位移分析子程序

2.3 用户界面软件子系统设计与实现

软件界面划分为用户管理模块、实时监测与预警模块以及数据查询3个模块，主界面如图6所示。

图6 主界面

实时监测与预警模块主要是对各功能模块以及数据的显示，与数据采集与传输子系统的功能重叠，不再赘述。数据查询模块采用TDMS特有的TDMS查看器方式，可以自由选择显示数据还是波形，并且可以选择某一时间段内的数据进行查看。用户管理模块由于LabVIEW不能直接访问数据库，因此需要借助其他的数据库访问方法来完成数据库的访问功能。在Lab-VIEW编程环境下实现系统与数据库的接口进行连接的几种方法[15]，这些方法虽然都能够连接数据库并对其进行访问，但都有不足之处。通过数据库访问工具包LabSQL实现用户管理模块的要求，其过程可分为以下4个步骤:

(1)通过ADO Create.vi创建一个连接对象;

(2)利用ADO Connection Open.vi创建一个和数据库连接的函数;

(3)利用 ADO SQL Execute.vi实现对数据库的增、删、查、改等操作;

(4)利用 ADO Connection Close.vi以及 ADO Connection Destroy.vi关闭程序与数据库之间的连接。

3 桥梁监测系统测试与分析

监测主界面如图6所示，用户登录后在界面右上角显示当前用户的用户名、权限、日期时间等信息，并通过界面左侧的功能按钮对监测系统进行控制和操作，振动报警、温度报警、湿度报警和位移报警均可在主界面实时显示。振动监测、温湿度监测和位移监测在界面上可显示振动时域分析图、频域分析图、特征参数的监测以及设置参数。振动监测测试效果如图7所示，实时显示每一个通道的加速度值、标准差、方差等特征参数值，通过参数设置模块能够对采样率、滤波器的类型、截止频率以及加速度阈值进行设置。位移监测测试效果如图8所示，可根据参数设置监测显示位移信号的趋势图、位移数值、统计波形。

图7 振动监测结果

图8 位移监测结果

4 结束语

文中根据桥梁监测的通用需求，开发了一套基于LabVIEW软件平台和NI硬件平台的桥梁监测系统。实验表明，该系统功能准确、可靠、易拓展，采用面板式操作和显示，分析结果直观，操作简单，具有较好的人机界面交互功能。桥梁健康监测系统的研究工作虽然以及历经了半世纪之久，但目前仍然处于应用和推广的初级阶段，研究的主要内容是针对系统在软硬件实现过程中的研究和分析。随着自组织网络、大数据处理以及传感技术的不断进步，位于桥梁监测前端的传感器网络和后期的数据分析处理技术仍有大量的改善空间，推动桥梁监测系统向着更加智能、便捷、快速、准确的方向发展。

致谢:感谢成都市科技惠民计划项目(13Z130)对本文的资助

[1] Ignacio González.Study and Application of Modern Bridge Monitoring Techniques[J].TRITABKN.Bulletin 110，2011.

[2] 万宏鹏.安龙泉互通立交桥健康监测与状态评估研究[D].吉林:吉林大学，2013.

[3] Osama Y.Abudayyeh＆ Joseph Barbera.Towards Sensor-Based Health Monitoring Systems for Bridge Decks:A Full-Depth Precast Deck Panels Case Study[J].Advances in Civil Engineering Volume 2010，2010.

[4] 马宏伟，聂振华.桥梁安全监测最新研究进展与思考[J].力学与实践，2015，(4):167－168.

[5] 任美龙.桥梁健康监测传感器系统的现状及发展趋势[J].公路，2013，(11):94.

[6] 李明.基于多传感器信息融合的桥梁健康监测系统设计[D].武汉:武汉理工大学，2013.

[7] 付春玲，宫德龙，李捷.量测不确定下多传感器一致性数据融合算法[J].传感器与微系统，2015，(7):113.

[8] 赵金明.桥梁安全远程监测系统研究与开发[D].长沙:湖南大学，2012.

[9] 孙增雷，黄俊年，孙敏，等.基于GSM的远程报警系统的研制[J].武汉理工大学学报，2008，(6):76.

[10] 侯志伟.桥梁监测综述[J].黑龙江交通，2012，(10):234.

[11] 张磊，陈杰.基于Labview RT的数据采集及通信系统设计[J].电子测试，2015，(7):17.

[12] 李文涛，张丹枫，肖俊生.基于LabVIEW的连铸结晶器振动监控系统[J].仪表技术与传感器，2015，(1):83.

[13] XieYani，ZhangZhijie.Design of multi-channel data acquisition system based on LabVIEW and NI PXI-5105[J].Journal of Measurement Science and Instrumentation，2015，(6):9－10.

[14] 唐浩，谭川，陈果.桥梁健康监测数据分析研究综述[J].公路交通技术，2014，(5):99.

[15] 毕虎.中访问数据库的几种不同方法[J].传感器与仪器仪表，2006，(1):131－132.