高速铁路桥梁健康监测数据采集系统设计研究

秦世强,蒲黔辉,施 洲

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

随着经济发展对交通运输要求的提高,高速铁路成为目前铁路建设中的主要方向。高速铁路封闭运营,线路近一半以上为桥梁。如何保证桥梁(尤其是大跨度桥梁)在高速列车行驶下的安全,是目前高速铁路桥梁建设中所必须关注的议题。大型桥梁投资规模大,服役周期长,通过在桥梁上布设各种传感器,测试桥址处的环境荷载以及桥梁本身的动力响应,实时动态的掌握桥梁在施工和运营期间的健康状况,已经成为许多大桥建设者们的共识。通过桥梁健康监测,可以对桥梁结构状态进行监控和评估,在桥梁运营状况严重异常时发出警报,为桥梁的维护和管理提供依据；也可以验证桥梁的设计理论,为同类型的桥梁设计提供参考；还可以促进桥梁抗风、抗震的理论研究[1～2]。芜湖长江大桥[3]布设了1套以环境监测、结构性能监测、行车安全监测等为主体的多参数、多传感器和相关调理仪的长期健康监测和报警系统,实现自动对结构的损伤识别和寿命评估,评价大桥的安全性和可靠性；南京长江大桥[4]通过安装风速风向仪、温度仪、加速度计、应变计、位移计等200个传感器,形成一套安全监测和状态评估系统,并建立了基准有限元模型,对已服役多年的大桥的状态进行了准确的把握。一般而言,桥梁健康监测系统包括传感器子系统、数据采集子系统、数据分析处理子系统、损伤识别和性能评定子系统[5～7],各个系统之间紧密结合、协调工作,成为一个有机的整体,各个子系统缺一不可。随着仪器设备学科的发展,光纤光栅传感器等新型传感器已经投入使用,传感器的测试精度得以大幅提高,传感器已不再是制约桥梁健康监测发展的主要因素；而近10年关于健康监测的理论研究主要集中于信号处理方法和结构损伤识别及状态评估,并发展出以小波变换、Hilbert-Huang变换为代表的时频分析方法以及以振动测试为基础的动力损伤识别方法,这些都大大促进桥梁健康监测理论发展；相比之下,数据采集子系统作为健康监测系统的前提,涉及到硬件及软件的设计,是整个系统开发中的一个难点,目前关于高速铁路桥梁健康监测系统数据采集的系统研究并不多见。

对高速铁路桥梁健康监测数据采集子系统进行系统的设计,首先分析高速铁路健康监测所用的传感器的特点、选择原则、传感器输出信号的特征,在此基础上进行数据采集子系统的硬件设计；然后对数据采集子系统软件设计进行详细概述,提出利用软件进行数据采集模拟的概念,并对数据采集模拟系统中的结构响应模拟、多媒体定时器和数据存储等三个模块进行详细分析；最后,对某高速铁路桥梁健康监测数据采集子系统的建立作简要概述。

1 传感器系统概述

1.1 高速铁路桥梁健康监测项目及传感器

传感器能否较全面和准确测试出桥梁周边环境、结构局部和整体信息,对桥梁健康监测起到至关重要的作用。高速铁路桥梁列车行车速度快,桥梁结构本身振动效应明显,行车平稳和行车安全要求高；对于通过城市中心的高速铁路桥梁,还需控制其噪声,与这些要求相对应的是高速铁路健康监测中对振动效应及行车安全监测的投入。高速铁路常用监测项目及其对应的传感器如下。

(1)桥址处环境监测：桥址处的温度湿度对材料耐久性有影响,温差更是会导致结构内力的重分布；风荷载会对桥梁结构产生风致振动,虽然大跨度桥梁设计中已经考虑了空气动力方面的因素,但仍需要加强对风速风向的安全监测,以考虑风荷载对结构的静动力效应。对应于桥址环境监测的传感器主要有：监测风荷载的机械式或三向超声风速风向仪、测试温度荷载的电阻式温度计或光纤光栅温度传感器、测试空气湿度的湿度计。

(2)结构振动效应监测：结构在列车荷载及风荷载下的动力响应,包括动应变、动位移、竖向横向加速度,这些指标比较明确地反映了结构在活载下的状态。对应的传感器有：测试动应变的电阻应变计、振弦式应变计和光纤光栅应变传感器,测试动位移的拉绳式位移传感器、电子测距仪和GPS,测试加速度的电容式加速度计和力平衡加速度计等。

(3)结构局部性能监测：结构局部性能监测主要包括支座沉降、特殊部位如短吊杆的疲劳、斜拉索索力等的监测,以防止结构出现局部失稳。常用的传感器有：①测试支座位移和转角的位移计和倾角仪；②测试短吊杆拉力的吊杆拉力测试仪；③测试斜拉索索力的压力传感器和磁通量传感器等。

(4)行车安全监测：主要监测列车的轴重、行车速度、列车的到达离开,对应的传感器有测试行车速度的测速仪、测试轴重的电子动态地秤、列车到达离开监测的计轴传感器等。

通过以上4个方面的监测,基本上涵盖了高速铁路桥梁在运营期间健康状况评估所需要的外部荷载和动力响应。

1.2 传感器选择原则

针对上述的各个监测项目的多种传感器,在选择时一般遵循以下原则：①传感器的性价比；传感器设备是整个健康监测系统最昂贵的设备,选用时需考虑整个系统造价,在传感器的性能和价格之间作协调平衡；②传感器的技术指标；包括量程、精度、灵敏度是否符合测试要求,阶跃响应和频率响应范围能否覆盖结构的频率等；③传感器对工作环境的要求,包括环境温度、湿度、结构对传感器的振动是否超出传感器的限值；④传感器与其他设备的兼容性；传感器输出的信号一般较弱,需经过调理和放大,因此在选择时需考虑传感器与相关信号调理设备的兼容性；另外,多个传感器需协调工作,输出的信号需经过通信设备进行传输,因此传感器的组网能力、传感器能否与计算机通信、信号传输的距离等也是重要的指标。

1.3 传感器输出信号特征分析

传感器输出信号一般可分为3类：一类是由惠斯顿电桥输出的mV级低电压信号,一类是模拟电流电压信号,一类是数字信号；对于输出低电压信号的传感器(如压电加速度传感器),其信号需经过放大、滤波和去噪等调理；可输出模拟信号的传感器有加速度传感器、振弦式应变计、风速风向仪、电子动态地秤、热电偶和热电阻式温度计、磁通量传感器等,这类传感器内置A/D转换模块,信号与计算机的通信遵循标准传输协议,如串口协议RS-232、RS-485等；可输出数字信号的传感器有倾角仪、GPS、温度传感器等。

传感器输出的信号量决定了整个数据采集子系统构建的难易程度,信号输出总量一般取决于传感器的总数以及单个传感器的采样频率,对高速铁路桥梁,由于振动测试传感器数量较多,而且对于动力响应测试,采样频率一般比较高,因此,传感器数量及位置的优化对整个系统的构建起到至关重要的作用,目前在这一方面的研究已取得一定成果。

总言之,传感器的类型、信号输出特征对数据采集子系统规模、通道数目、硬件的采样频率、数据的存储等方面提出了要求,是数据采集系统的基础。

2 数据采集硬件方案

桥梁健康监测的硬件方案一般有两种。

(1)基于板卡的集中式数据采集系统,其数据采集依赖于数据采集卡,数据采集卡是实现数据采集功能的计算机扩展卡,目前常用的数据采集卡有ISA、PXI、PCI总线数据采集卡。利用这种方式组建的数据采集系统成本低、数据采集速度快,但是稳定性一般。

(2)基于现场总线的分布式数据采集系统，是一种基于公开化、标准化的数据采集系统组建方案,各种厂家生产的设备遵守同一协议规范,通过现场总线网络连接成一个系统,便于维护和管理。目前常用的现场总线有USB、RS-232、以太网、RS-485、PROFIBUS总线、LonWorks总线、CAN总线等。其中,USB及RS-232的传输距离短,不能满足工业控制现场传输的要求；以太网传输速度快,但实现方式复杂,成本高；RS-485为非严格的总线标准,PROFIBUS总线常用于电力、机械等行业,而健康监测系统常用CAN总线和LonWorks总线。分布式数据采集系统布线简单,易于维护,但成本较高。一般的基于现场总线的数据采集系统硬件结构如图1所示。

图1 数据采集硬件结构

3 数据采集系统软件设计

数据采集硬件系统设计完成后,需进行软件设计,软件是数据采集系统的核心,成功的软件开发不仅能够提供友好的界面,而且能将硬件的功能最优化。软件设计时,需考虑各个模块之间的接口,尽量使接口通用化,在此基础上保证软件运行的效率和稳定性。目前,用于数据采集系统软件开发的平台有：汇编语言、Visual BASIC语言、C语言、Visual C++、LabWindows/CVI开发平台,LabVIEW开发平台。汇编语言语言本身比较复杂,对工程技术人员而言开发难度高,目前很少应用于桥梁健康监测系统的开发；Visual BASIC利用先可视化再编程的思想,语言简单易懂,在界面制作和数据库技术方面具有优势,芜湖长江大桥健康监测系统数据库查询与管理系统客户端采用了Visual BASIC开发,取得了不错的效果；Visual C++利用其对界面、数据库、网络编程的支持,并提供了相应的类库,往往成为开发者的首选,其开发出的软件具有效率高,稳定性好的特点；LabWindows/CVI是一个标准的C语言开发环境； LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司推出的图形化编程工具,利用其内置函数库可完成数据采集、数据分析和显示任务,目前被广泛应用于数据采集系统软件开发中。随着虚拟仪器技术的提出和发展,硬件设备作为数据采集系统平台,与软件技术结合在一起,实现了“软件就是仪器”的现代化仪表发展理念,为健康监测数据采集系统软件开发提供了多种解决方案。

传统的数据采集系统将传感器等设备进行驱动并与之通信,将采集到的数据基于各种传输协议传至监控中心,进行分析处理,便完成了数据采集子系统的组建；这种方式完全依赖于系统的硬件设备,不利于健康监测理论研究发展,于是提出利用软件进行数据采集的模拟,在有限元计算的基础上进行结构动力响应的模拟,作为系统的输入。数据采集子系统在包含上述两种数据采集解决方案后,可以对比实测动力响应与模拟动力响应,将模拟值作为健康监测一种趋势预测,为健康监测理论研究提供一种新的思路。一般而言,这种利用软件模拟数据采集的方法包括结构响应的模拟、多媒体定时器的应用和数据存储等3个模块。

3.1 结构响应的模拟

3.2 多媒体定时器的应用

定时器是工业控制软件开发中常用的一个工具。VC++中提供了多种定时器以供选择,根据健康监测的采样频率,选取多媒体定时器。多媒体定时器[9]服务是由多媒体扩展库MMSYSTEM.DLL提供,可精确读出当前时间,并在非常精确的时间间隔内完成事先指定的事件。VC++中,首先利用timeBeginPeriod()建立定时器的分辨率；然后利用timeSetEvent()建立在指定时间内所需完成的事件,在数据采集系统中该时间即为数据的采集和结构响应的模拟；最后调用timeKillEvent()结束定时器事件。

3.3 数据的存储

高速铁路桥梁健康监测系统测点多,采样频率高,因而数据量大,如何存储这些海量数据,是数据采集系统软件开发中的一个难题。首先,需对采样的原始数据进行备份,以防止因断电或其他原因导致系统崩溃时能够恢复一定长度的原始数据；一般而言,应能查询到10 d以内的原始数据；可利用文件系统或数据库系统对原始数据进行存储,文件系统存储方式简单,但数据冗余大、共享差、独立性不好；数据库系统存储方式具有许多优点,如数据冗余度小,数据之间共享方便,而且数据具有逻辑独立性,提高了数据的安全性。目前,桥梁健康监测中大多包含一个中心数据库和几个子数据库,中心数据库协调各子数据库,并与Internet结合,实现数据的远程管理；中心数据库的开发可利用SQL sever或Oracle等大型网络数据库,子数据库的开发则可利用Access、Paradox等。许多软件开发平台都支持数据库编程,例如LabVIEW中可通过以下几种方式进行数据库的访问[10]：①使用数据库接口工具包SQL Toolkit进行数据库访问；②利用其他语言编写DLL程序访问数据库；③利用LabVIEW的Active功能,调用Microsoft ADO控件,利用SQL语言实现数据库的访问；VC++中可利用ODBC API(open database connectivity)、MFC ODBC (Microsoft Foundation Classes ODBC)等方式进行数据库的访问。其次,在数据进行原始备份的同时,应在内存中作一定长度的缓冲,以提高数据处理的速度；对每个测点的数据可动态分配一定长度的堆内存,并循环利用这段内存空间,提高FFT、滤波等操作的数据访问速度；最后,数据存储的数字精度应能够充分保证前向测量通道的精度,即传感器、信号调理和A/D转换精度。

4 工程设计实例

某高速铁路桥梁主桥采用6跨连续钢桁拱结构,最大跨度为336 m；结构设计采用了世界上首创的3片主桁的桁架拱,设计时速为300 km,搭载京沪双线高速铁路、沪汉蓉双线一级干线铁路及南京市双线地铁,为目前世界上设计荷载最高的高速铁路桥梁。根据成桥后运营安全及维护管理的要求,对该桥进行长期健康监测十分必要。该桥布设风速风向仪、温度传感器、光纤光栅应变传感器、位移传感器、车轴检测仪等5大类传感器总计117个,监测了大气环境、结构位移、桥跨动力响应、大吨位支座、行车安全等5个项目,较全面地反映了结构在运营时的健康状态。所有传感器均具有自动连续采集功能,各个传感器采样频率从1 Hz到1 000 Hz不等,数据采集系统可24 h不间断工作,断电时能通过软件恢复一定长度的原始数据。每个传感器通过唯一标签进行数据存储。分别在2个主墩上设立工作外站进行数据采集,并基于TCP/IP协议将数据传输至监控中心。数据采集子系统中大气环境监测、静力水准监测、结构振动监测和行车安全监测通过RS485现场总线进行数据采集,光纤光栅传感器基于以太网总线进行组集,列车到达离开和支座位移通过数据采集卡进行数据采集,数据采集系统的总体框图如图2所示。

图2 数据采集系统总体框图

系统软件部分基于Visual C++6.0平台开发,并融入了文中提出的数据采集模拟系统；一方面协调硬件驱动设备,使传感器测试的数据能够顺利进入后续的处理部分；另一方面,对数据采集过程进行模拟,使得系统能够基于有限元数值计算进行结构响应的模拟,更好的进行结构体系识别。

5 结论

(1)总结了高速铁路桥梁健康监测项目及其使用的传感器的特点,指出数据采集系统硬件一般为基于现场总线的分布式系统,传感器、信号调理设备和硬件基本系统的选择是组建整个健康监测数据采集系统的关键。

(2)分析比较了各种软件设计平台,根据桥梁健康监测的系统的要求,可利用LabVIEW、VC++等进行数据采集系统软件的开发。

(3)提出健康监测数据采集系统在基于有限元进行结构响应模拟的基础上,结合多媒体定时器的应用,利用软件对数据采集过程进行模拟,比较模拟值与实测值的差异,为健康监测理论研究提供一种新的思路。

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