綠地中心主塔樓結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工程監(jiān)測系統(tǒng)的簡介

1、綠地中心主塔樓結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工程監(jiān)測系統(tǒng)的簡介為實現(xiàn)武漢綠地中心大廈全生命周期不同階段的結(jié)構(gòu)性能 監(jiān)測，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)包括施工階段監(jiān)測系統(tǒng)及使用階段 監(jiān)測系統(tǒng)。施工階段性能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了與使用 階段性能監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)性，各類傳感器的布置在滿足施工 監(jiān)測系統(tǒng)的要求下兼顧了結(jié)構(gòu)使用階段性能監(jiān)測系統(tǒng)的要 求。1.1 監(jiān)測系統(tǒng)組成1.1.1 傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)包括了所有感知結(jié)構(gòu)環(huán)境、結(jié)構(gòu)荷載、結(jié)構(gòu)特性 和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的傳感器元件及網(wǎng)絡(luò)。傳感器系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān) 測系統(tǒng)最前端的部分。根據(jù)所測量物理量的不同，傳感器可 分為環(huán)境變化、荷載作用、結(jié)構(gòu)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)四種類型。 通過傳感器選型，所有傳感器的

2、選擇不低于技術(shù)要求，在 GPS位移傳感器的選擇上，還更保證了技術(shù)的先進(jìn)性。 所以, 施工監(jiān)控系統(tǒng)的特點是：傳感器的技術(shù)參數(shù)先進(jìn)可靠，其布 設(shè)完全滿足監(jiān)測技術(shù)要求，且可用于運營期間結(jié)構(gòu)監(jiān)測，不 影響工程施工，有嚴(yán)格可行的成品保護措施。1.1.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)包括了對傳感器系統(tǒng)獲得的信息進(jìn)行 采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中進(jìn)行測 量信息傳輸?shù)牟糠?。?shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元和 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的特點是：數(shù)據(jù)收集和傳送系統(tǒng)技術(shù)先 進(jìn)，設(shè)備完善、可靠，數(shù)據(jù)采集不影響工程施工；信號傳輸 過程中衰減少且不受外界影響；數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)性能穩(wěn)定、信

3、 號隔離好、滿足多通道及高速采集要求，實施方案完備、合 理。數(shù)據(jù)采集方案包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件、軟件以及它們的集 成技術(shù)的選擇和開發(fā)，同時包含不同類型信號的采集。我們 分述如下。1）數(shù)據(jù)采集硬件對于加速度傳感器、風(fēng)速儀和風(fēng)壓傳感器等動態(tài)信號，由于 其采樣頻率較大，傳感器數(shù)量較多，數(shù)據(jù)量也隨之急劇增加， 分布式總線傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足其傳輸需要，因此，我們 選擇基于板卡的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來滿足信號傳輸?shù)囊?求。其具有專用定時和同步線、有關(guān)環(huán)境和EMC （電磁兼容性）的測試性能。另外， PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的微軟 公司操作系統(tǒng)，利用 PXI構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以提供更 大的測試覆蓋范圍，

4、并且縮短測試時間。高速的數(shù)據(jù)吞吐能 力等完全滿足傳感器動態(tài)信號的采集要求。同時，為節(jié)省和簡化布線，基于分布式的靜態(tài)信號也可以通過具有RS-485轉(zhuǎn)換功能的PXI卡接入PXI系統(tǒng)，然后同其他信號一起接入現(xiàn)場工控機。整個系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1-1所示。本系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，兼容目前的所有PXIbus 儀器,并可隨時擴展，其多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和多種同步 機制保證了傳感器信號的同步采集。本系統(tǒng)采用多機箱擴展 總線MXI 3來連接多個PXI機箱，最多可以連接 254個底板，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 20Mb/s oL.趣FIEKN，* 瑞門】嗅腆笊集能小動態(tài)信號監(jiān)測靜態(tài)信號監(jiān)測光纖光柵溫度計

5、光纖光柵解調(diào)儀轉(zhuǎn)換接口卡p* j模塊 采集終端光纖光柵應(yīng)變計圖4.1-1系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)框圖縱上所述，本硬件系統(tǒng)具有以下三個特點：開放性、擴展性、 通用性，可滿足綠地中心結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng) 的所有要求。2)數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)造一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基本硬件系統(tǒng)確定后，就可以通過 不同的軟件實現(xiàn)不同的功能，軟件是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵， 選擇正確的軟件系統(tǒng)可以最大限度發(fā)揮硬件的性能，這種通 過符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高性能模塊化硬件作為系統(tǒng)平臺，與靈活 的軟件技術(shù)結(jié)合在一起，建立起功能強大的基于計算機的數(shù) 據(jù)采集解決方案被稱之為虛擬儀器技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)充分 利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供

6、測量數(shù)據(jù) 的分析和顯示功能。用戶可以根據(jù)自己的需要靈活組合，大 大提高了使用效率，減少了投資，克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的缺 點°綠地中心結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)采用Windows NT作為系統(tǒng)框架。Windows NT系統(tǒng)框架定義基于流行的舊M PC體系結(jié)構(gòu)及其兼容機的系統(tǒng)，它規(guī)定了對系統(tǒng)控制器模塊和PXI外設(shè)模塊的系統(tǒng)要求。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與施工監(jiān)測系統(tǒng) 相同，如圖4.1-2所示。接口其他執(zhí)行程序 應(yīng)用和序 |欣印界序?qū)觾x播驅(qū)動程序儀器驅(qū)動層 twi nrrviiim vk-1"n'lism mu itr1 1»( 9 iF，*，rer 1 1 rnu-et mm

7、rvia ma rn Him'i e inter b 1 mu >h in m hi CR-ii-n-inrm irrsvi Hr iiim VISALO 接口層-；二':期1 一 傳惟器工圖4.1-2系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自上而下分為應(yīng)用程序?qū)?、儀器驅(qū)動層、和 I/O接 口層，應(yīng)用程序?qū)咏⒘耸褂脙x器的可視化、交互式集成開 發(fā)環(huán)境，提供了數(shù)據(jù)的顯示、存儲、分析以及和其他分析軟 件接口的功能；儀器驅(qū)動層保證了系統(tǒng)硬件在Windows NT框架下被正常驅(qū)動正常工作；VISA是系統(tǒng)軟件的I/O接口層，VISA用作系統(tǒng)中PXI系統(tǒng)配置、插槽計數(shù)、觸發(fā)總線 的儀器特性的軟

8、件接口，并提供了 PXI至所有傳感器的連接。 在上述系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用程序?qū)拥拈_發(fā)軟件的選擇至關(guān) 重要，這方面常用的軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VB、VEE、BridgeVIEW 等。其中美國 NI 公司的 LabVIEW 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺具有基于G語言的圖形化的編程方式。與其他軟件相比，它更容易創(chuàng)建功能強大而又靈活的儀 器和分析應(yīng)用程序是工程人員開發(fā)虛擬儀器常用的一種軟 件工具。它有以下特點：（1）具有圖形化的編程方式，基于 G語言來開發(fā)；（2）提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫 函數(shù)；（3）提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點、單步運 行，同時提供獨具特色的執(zhí)行

9、工具，使程序的調(diào)試和開發(fā)更 為便捷；（4） 32位的編譯器生成32位的編譯程序，保證用 戶數(shù)據(jù)采集、測試和測量方案的高速執(zhí)行；（5）囊括了 PCI、GPIB、PXI、VXI、RS232/485、USB 等各種儀器通信總 線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)；（6）提供大量與外部代碼或軟件進(jìn) 行連接的機制，諸如 DLL、DDE、ActiveX等。綠地中心結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中采用LabVIEW 作為程 序開發(fā)臺1.1.3 數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)直接對測量信息進(jìn)行處理和分析，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)顯示。必要時進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制，發(fā)布災(zāi)害預(yù)警信息。施工監(jiān)控的一個目標(biāo)就是及時根據(jù)測量得

10、到的結(jié)果，對施工過程給由指導(dǎo)性建議。圖 4.1-3是本項目組對某工程的施工 卸荷過程的桿件應(yīng)力跟蹤結(jié)果，由于準(zhǔn)確的報告了卸荷的構(gòu) 件內(nèi)力變化過程，得到了甲方的高度贊賞。圖4.1-3施工監(jiān)控的數(shù)據(jù)處理與控制眾所周知，傳感器信號自傳感器產(chǎn)生開始，到進(jìn)入最終的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需要經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換、傳輸、采集、存儲以及處理等多個階段，在這個過程中不可避免地會受到各種外部噪聲、系統(tǒng)誤差等的影響，并且由于其他原因，傳感器本身有可能產(chǎn)生不正確的信號，因此，在這個過程中需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種必要的處理以保證最終數(shù)據(jù)的正確性。圖4.1-4為數(shù)據(jù)處理的具體流程。下面對各部分逐一詳述。感器管專一預(yù)先理模塊 3 新枷據(jù)庫系統(tǒng)

11、需啜據(jù)分析圖4.1-4數(shù)據(jù)處理與存儲流程1）異常數(shù)據(jù)判斷分析由于各種惡劣天氣、空氣濕度、雷電以及過往各種車輛等外 界因素的影響，傳感器子系統(tǒng)及其后續(xù)的硬件傳輸采集系統(tǒng) 在運行過程中不可避免地會由現(xiàn)各種異常的工作狀態(tài)，甚至 由現(xiàn)故障，這些現(xiàn)象反應(yīng)在計算機采集的數(shù)據(jù)上，就有可能 由現(xiàn)諸如異常峰值、異常波動、信號微弱、信號超生測量范 圍以及無信號等現(xiàn)象，但這種情況下也不能排除此類現(xiàn)象為 傳感器對外界荷載的真實反應(yīng)，因此，在數(shù)據(jù)進(jìn)入計算機后,進(jìn)行存儲和處理之前，首先需要通過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。數(shù)據(jù) 預(yù)處理模塊的作用為，對短時間內(nèi)頻繁發(fā)生的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行 報警，要求現(xiàn)場技術(shù)人員對查看現(xiàn)場狀況，檢查傳感器的工

12、作狀態(tài)以及相應(yīng)傳輸線路和數(shù)據(jù)采集硬件的工作狀態(tài)，但采 集系統(tǒng)仍正常工作。在此過程中，對偶然的，瞬時的異常數(shù) 據(jù)一般不作處理和存儲。通過這種機制可以極大縮小發(fā)現(xiàn)和 處理問題的時間，最大限度的減少損失，對整個系統(tǒng)的安全 可靠運行具有重要意義。2）數(shù)據(jù)濾波去噪方法首先，在信號傳輸?shù)乃兄虚g環(huán)節(jié)中，任何電流的存在都會 產(chǎn)生熱噪聲及其他噪聲，產(chǎn)生信號的傳感器和處理信號的儀 器設(shè)備都能將這些噪聲引入信號之中。其次，由于傳感器受 外部環(huán)境干擾源類型多而復(fù)雜，如交流電源及其諧波干擾， 雷電、無線電等的射頻干擾、電臺電視臺的信號干擾等等， 因此，在數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫之前需要進(jìn)行去除噪聲預(yù)處理。通常情況下噪聲可分為以

13、下幾種：（1）白噪聲：白噪聲，白噪聲在所有場合下功率譜均是平坦的，但其幅值分布并不明 確，任一白噪聲函數(shù)的總功率與其自功率譜存在固定關(guān)系， 白噪聲還可細(xì)分為高斯白噪聲和均勻白噪聲。高斯白噪聲最常見來源于電子儀器熱噪聲，其產(chǎn)生是不可避免的。（2）有色噪聲：對統(tǒng)計獨立的白噪聲進(jìn)行濾波，所得到的功率頻譜 的形狀是由濾波器的傳遞函數(shù)來決定的，一般地說，數(shù)字濾 波算法產(chǎn)生的樣本與白噪聲樣本不同，它所產(chǎn)生的樣本是相 關(guān)的，具有非白色的頻譜。低頻成分較為豐富的稱為紅色噪聲，高頻成分較為豐富的稱為藍(lán)色噪聲。（3）脈沖噪聲：脈沖噪聲（即突發(fā)噪聲）是突然發(fā)生的一種噪聲，如雷電，電 火花等，其能量在時間上比較集中，

14、它在數(shù)學(xué)統(tǒng)計上的分布規(guī)律比較復(fù)雜。這種噪聲無論在數(shù)學(xué)描述或測量上均有困難，它不像高斯噪聲那樣為我們所認(rèn)識，但這卻是儀器儀表 使用中常見的一種噪聲。其他常見的還有諸如窄帶隨機噪聲 與寬帶隨機噪聲等類型。從信號處理的角度來說，一方面由 于噪聲是一個隨機過程，在這個過程中不管噪聲已被觀察了 多少時間，都無法確定地推斷由它的未來的瞬時值。另一方面，由于噪聲能夠用統(tǒng)計的方法加以描述，因而在莫種程度 上可以將混雜在有用信號中的噪聲去除，或者說將信號從噪 聲中提取由來。分析信號特征以便去除噪聲或進(jìn)行其他后續(xù) 分析，通常可以通過時域處理或頻域處理來實現(xiàn)。在時域和 頻域里的信號處理主要包括以下內(nèi)容：（1）譜分析

15、和譜估計,用于分析頻譜特征；（2）濾波，用來提取頻譜感興趣的部分；（3）采樣數(shù)據(jù)的抽取和內(nèi)查；（4）信號的相關(guān)分析。在信號處理領(lǐng)域中，以上各部分都有著密切的關(guān)系。其中，濾波 技術(shù)常用來從噪聲中提取感興趣的信號，也可用來阻擋或允 許信號中莫些頻率分量的通過。根據(jù)所要濾除的頻率范圍來 分，濾波器可以分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器 和帶阻濾波器，我們可以根據(jù)所感興趣的信號的特征來決定 使用何種類型的濾波器。在本系統(tǒng)中，信號的濾波和去噪均通過硬件方式實現(xiàn)，即主 要采用濾波器，加速度傳感器和風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)應(yīng)該硬件濾波 后，再進(jìn)入A/D卡，進(jìn)一步進(jìn)行錯誤數(shù)據(jù)的判斷等，最后存 入數(shù)據(jù)庫中。1.1.4結(jié)

16、構(gòu)性能評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能評估系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分。結(jié)合設(shè) 計單位提供的結(jié)構(gòu)設(shè)計信息、分析模型和監(jiān)測系統(tǒng)獲得的實 測監(jiān)測信息，系統(tǒng)應(yīng)能夠進(jìn)行綜合的精細(xì)化結(jié)構(gòu)特性分析、 結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測、結(jié)構(gòu)參數(shù)及損傷識別、結(jié)構(gòu)性能評估及分析結(jié)果可視化。結(jié)構(gòu)性能評估系統(tǒng)的特點是：系統(tǒng)及設(shè)備可靠先進(jìn)，能詳細(xì) 分析原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行評估，評估方案及評 估成果完備、詳盡。結(jié)構(gòu)性能評估系統(tǒng)的具體內(nèi)容請見第8章。1.2監(jiān)測系統(tǒng)功能本項目設(shè)計的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)將實現(xiàn)如下功能目標(biāo)： 能夠?qū)Y(jié)構(gòu)使用過程中的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、氣 壓等狀態(tài)進(jìn)行實時同步監(jiān)測； 能夠?qū)Y(jié)構(gòu)使用過程中結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件局部應(yīng)變、結(jié)構(gòu)樓 層加速度響應(yīng)、結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)致位移狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測； 能夠?qū)Y(jié)構(gòu)使用過程中