东海大桥结构健康监测

借助于精确的GPS同步和时间标识、NI PXI动态信号采集硬件设备和LabVIEW软件,为东海大桥搭建了一个坚固的、模块化、可靠且低维护的高精度监测系统。

东海大桥是中国第一座跨海大桥,我们在上面使用了多个PXI机箱组成的系统,以获取追踪大桥结构完整性及当前状况的重要数据。

"借助于精确的GPS同步和时间标识、NI PXI动态信号采集硬件设备和LabVIEW软件,我们的团队成功地为东海大桥搭建了一个坚固的、模块化、可靠且低维护的高精度监测系统。"
- Yonglin Zhan, JUST ONE Technology

挑战:

在可能出现台风、地震、海水腐蚀的环境中,对跨海大桥结构完整性和环境因素产生的影响进行同步实时监测,需要一个高可靠、低维护的操作系统。

解决方案:

部署一个坚固耐用的PXI系统来监测环境对大桥产生的影响,进行实时计算以确定大桥的即时结构健康状况,并将数据储存,进行离线处理。

作者:Yonglin Zhan - JUST ONE Technology

东海大桥作为中国首座跨海大桥,耗资12亿美元,于2005年完成通车。六车道的大桥将上海与洋山岛连在了一起,大桥全长32.5千米,并设计成S形以避开台风和海浪区,以保证车辆安全行驶。

我们搭建了一个结构健康监测(SHM)系统,它能够提供大量的数据来评估大桥损坏和退化程度、结构性能状况、对于突发性灾难的反应。利用这些数据可以对桥梁的设计和建造技术进行研究。上海巨一科技发展有限公司(JUST ONE Technology)使用基于NI PXI的数据采集(DAQ)系统和NI LabVIEW软件,被选中来搭建这个结构健康监测系统。

我们使用基于NI PXI的数据采集系统,源于其良好的坚固性和小巧的体积,适用于放置在大桥的保护区域中。事实证明,系统在安装完毕后成功地克服了大桥所遇到的湿度、灰尘、震动和化学腐蚀等各种难题。使用LabVIEW,工程师能够进行重要的实时分析,同时,能够对大桥上大量的传感器产生的信号进行离线处理。

硬件系统设置

对东海大桥实施监控需要使用超过500个传感器,在大桥每段都放置了加速度计和FBG光学传感器,来采集环境激励所引起的频率响应。同时,大桥还配备了风速仪和压式传感器,以记录频率响应所对应的环境条件。大桥每一段还设有一个数据采集站,配备NI PXI-4472B动态信号采集卡(DSA)从周围的加速度计采集相关数据。
另外,我们使用NI PXI-6652同步模块和 NI PXI-6602计数器模块,以及NI PXI-8187机箱控制器,来解决数据采集的同步问题。

在对东海大桥上的系统进行设置时,我们给每个PXI机箱都安装了一个GPS,使用脉冲每秒(PPS)和IRIG-B定时信号分别进行信号同步和时间标识。PPS每秒传输一千万脉冲,为每个机箱提供采样基准时钟。这使得采集模块可以在100纳秒的分辨率下对大桥上所有设备的通道实现精确同步采样。

软件系统设置

从大海大桥系统获取原始数据后,我们需要对其进行分析和处理,然后为用户提供最终信息。我们将数据传输到中央监测中心进行处理器密集离线处理,而PXI控制器则负责进行即时处理工作。

离线分析

东海大桥系统中主要进行的离线分析是多通道信号频谱分析和模态分析。我们把这两种计算都放在一个离线区域,这里有许多功能强大的电脑运行LabVIEW,由LabVIEW高级信号处理工具包和LabVIEW系统辨识工具包共同处理数据。

因为普通的结构模态分析应用及测量响应的方式对于像东海大桥这样大型的分布式结构是不适用的,所以我们采用了另一个可操作的模态分析方式。通过这种方式,自然环境和车辆行驶对大桥所产生的影响力将作为激励信号,大桥传感器所采集的信号将作为响应信号,然后,使用随机子空间识别(SSI)算法对模态参数进行计算,这种方法使用了只输出系统识别技术,将在LabVIEW高级信号处理工具包中实现。

在线分析

为了能够监测大桥的实时结构健康状态,在加速度计采集到数据后,东海大桥系统能够实时地计算出共振频率。因为我们在采集数据的同时,需要实时并行地对数据进行处理,所以共振频率的计算必须快速高效。SSI算法能够完美地进行这些运算,但需要进行太多的实时运算。为了克服这个困难,我们使用了递归随机子空间识别(RSSI)算法。当数据被采集后,数据的值将被导入算法,以计算新的共振频率。只需经过一个初始化阶段,RSSI算法就能以极快的速度运行,计算实时频率值。

总结

使用NI PXI设备构建的数据采集和处理系统,为东海大桥——世界上最大型的大桥之一,提供完美的监测解决方案。两位从未使用过LabVIEW的工程师,使用LabVIEW软件,结合LabVIEW高级信号处理和LabVIEW系统识别工具包,只用了三个月的时间就开发了整套东海大桥监测系统。得益于系统的易用性和NI一流的服务支持,只需三位工程师便可完成整座大桥的监测工作,由此将维护成本控制在最低。

借助于精确的GPS同步和时间标识、NI PXI动态信号采集硬件设备和LabVIEW软件,我们的团队成功地为东海大桥搭建了一个坚固的、模块化、可靠且低维护的高精度监测系统。

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