引言

　　橋梁的健康監(jiān)測(cè)具有一些特性，譬如：一座橋梁是一個(gè)地理上的分布式系統(tǒng)，通常長(zhǎng)達(dá)幾千米到數(shù)十千米;橋梁通常工作于惡劣的環(huán)境，并在橋梁工作時(shí)采集數(shù)據(jù);監(jiān)測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期過程，也必然是一個(gè)遙測(cè)過程，而且，由于地理距離和惡劣的環(huán)境，最好能夠使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)降到最少;監(jiān)測(cè)是一個(gè)連續(xù)的實(shí)時(shí)過程，其間有大量數(shù)據(jù)采集，需要采用智能技術(shù)獲取表征信息以根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。這些特性構(gòu)成了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)過程中需要解決的挑戰(zhàn)。

　　橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初探

　　對(duì)于一座正常工作的橋梁，所需的監(jiān)測(cè)項(xiàng)基本源于三個(gè)類別：環(huán)境、維護(hù)和事故監(jiān)測(cè)。

　　總而言之，需要監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目如下：環(huán)境監(jiān)測(cè)包括大氣溫度、風(fēng)速、氯離子的侵蝕、海浪;靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)包括結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)壓力等。

　　以連接上海市與洋嶼的東海大橋?yàn)槔髽虻臏y(cè)量系統(tǒng)遍布整個(gè)橋體。將全長(zhǎng)32公里的橋分為幾個(gè)部分，每個(gè)部分都安置一個(gè)信號(hào)采集站，站點(diǎn)間距離為幾千米到數(shù)十千米。這些分布在指定地點(diǎn)的信號(hào)采集站構(gòu)成了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。每個(gè)站點(diǎn)充當(dāng)其附近傳感器的主機(jī)系統(tǒng)。每個(gè)站點(diǎn)的功能特性如下：根據(jù)所連接傳感器的類型，進(jìn)行多種格式的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理與管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

　　鑒于所處的惡劣工作環(huán)境，這些站點(diǎn)必須耐受(但決不限于)水、濕氣、灰塵、沖擊及特別是由鹽造成的化學(xué)腐蝕。而且，工作站點(diǎn)必須具有高堅(jiān)固性、可靠性和可維護(hù)性。

　　除硬件系統(tǒng)以外，遠(yuǎn)程配置、管理和傳輸采集數(shù)據(jù)屬于軟件需求。LabVIEW套件是一組軟件，它通過與NI PXI模塊及包括網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的其它相關(guān)硬件的無縫集成并采用恰當(dāng)?shù)某橄蠛头庋b，實(shí)現(xiàn)了高效監(jiān)測(cè)的目的。

　　同步：基于GPS的解決方案

　　實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是同步問題——必須實(shí)現(xiàn)廣闊地理范圍內(nèi)的同步。對(duì)此問題的解決方案是采用GPS定時(shí)信號(hào)。每個(gè)站點(diǎn)與一個(gè)GPS接收裝置連接。接收裝置接收GPS同步信號(hào)，進(jìn)而發(fā)送至站點(diǎn)內(nèi)的PXI模塊。GPS同步信號(hào)用以確保整個(gè)分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的嚴(yán)格同步。

　　GPS定時(shí)信號(hào)

　　GPS系統(tǒng)由每12小時(shí)圍繞地球旋轉(zhuǎn)一周的24個(gè)人造衛(wèi)星組成。其中，每一個(gè)人造衛(wèi)星都擁有一個(gè)精度為10-13秒的板上原子時(shí)鐘。GPS的人造衛(wèi)星以1.5GHz的載波頻率連續(xù)發(fā)送其空間坐標(biāo)以及時(shí)間信息。特別地，該時(shí)間信息可用于精確地關(guān)聯(lián)、觸發(fā)和時(shí)間標(biāo)記測(cè)量數(shù)據(jù)。來自GPS接收裝置的典型GPS定時(shí)信號(hào)有兩種類型。

　　第一種信號(hào)類型是PPS，如圖1所示。

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　　圖1 PPS信號(hào)

　　圖1中的信號(hào)也稱為1 PPS，因?yàn)樗棵胫惠敵鲆粋€(gè)脈沖。它通常用作采集的觸發(fā)信號(hào)。PPS類型信號(hào)的另一個(gè)實(shí)例是10M PPS，它每秒產(chǎn)生10M個(gè)脈沖。該信號(hào)通常用作采樣基頻。

　　第二種信號(hào)類型是DC-Level的IRIG-B。IRIG是一種承載絕對(duì)時(shí)間的編碼晶體管-晶體管邏輯(TTL)信號(hào)，每秒重復(fù)或再同步。對(duì)于IRIG，每幀為1s。圖2所示為IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)定時(shí)框圖。

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　　圖2 IRIG-B信號(hào)

　　每個(gè)比特用一個(gè)周期為10ms的信號(hào)來表示，“0”的高電平持續(xù)時(shí)間為2ms，“1”的高電平持續(xù)時(shí)間為5ms，而“P”高電平持續(xù)時(shí)間為8ms。在1s幀內(nèi)，P比特將秒和分鐘、分鐘和小時(shí)等分隔開。

　　面向數(shù)據(jù)采集的同步技術(shù)

　　該范例中的采集系統(tǒng)由NI PXI 1045 18-插槽機(jī)箱、NI PXI 8187控制器、NI PXI 6652、6602和4472B模塊組成。圖3所示為該采集系統(tǒng)的示意框圖。

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　　圖3 GPS PPS同步原理圖

　　中心部件是動(dòng)態(tài)信號(hào)采集(DSA)模塊NI PXI 4472B，它是輸入和采集傳感器信號(hào)的實(shí)際單元。其它模塊用于確保NI PXI 4472B正常工作。該系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)在于如何將廣泛分布在多個(gè)站點(diǎn)的NI PXI 4472B模塊同步起來。

　　NI PXI 6652同步模塊與來自GPS接收裝置的10M PPS信號(hào)連接。該信號(hào)在分頻后發(fā)送至PXI背板，再用作NI PXI 4472B模塊的過采樣時(shí)鐘。

　　NI PXI 6602計(jì)數(shù)器在兩個(gè)端口同時(shí)接收來自GPS接收裝置的1 PPS信號(hào)。一個(gè)端口的信號(hào)通過PXI背板用作SYNC脈沖，以實(shí)現(xiàn)所有NI PXI 4472B模塊采集信號(hào)時(shí)的相位同步。另一個(gè)端口的信號(hào)用作定時(shí)器，并與預(yù)先設(shè)定的采集時(shí)間相比較。當(dāng)達(dá)到采集時(shí)間時(shí)，NI PXI 6602再次通過PXI背板，生成開始觸發(fā)信號(hào)，以啟動(dòng)NI PXI 4472B的數(shù)據(jù)采集操作。NI PXI 8187控制器從GPS接收裝置讀入IRIG-B信號(hào)，并可從IRIG-B信號(hào)獲得絕對(duì)時(shí)間。然后，該絕對(duì)時(shí)間可用作被采集數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)記。

　　由于PPS信號(hào)都來自GPS系統(tǒng)，它們對(duì)于所有站點(diǎn)的所有NI PXI 4472B模塊是完全相同的，從而完成跨越廣闊地理區(qū)域內(nèi)多機(jī)箱系統(tǒng)中多個(gè)NI PXI 4472B模塊的同步數(shù)據(jù)采集。

　　實(shí)現(xiàn)整座橋同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置，可方便快捷地通過編程實(shí)現(xiàn)。

　　監(jiān)測(cè)過程中的分析

　　數(shù)據(jù)采集的意義在于從所采集的海量數(shù)據(jù)中挖掘有用信息。因此，除記錄通過數(shù)據(jù)采集板卡獲得的原始數(shù)據(jù)(就其自身而言，它顯然是非常重要的)之外，還需要從不同方面對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

　　橋梁測(cè)量數(shù)據(jù)的離線分析

　　離線分析包括頻譜分析和模態(tài)分析。對(duì)多通道信號(hào)頻譜分析，除了提供FFT方法，LabVIEW與LabVIEW工具包還提供了標(biāo)準(zhǔn)的多元信號(hào)處理算法。例如，高級(jí)信號(hào)處理工具包提供了TSA MUSIC VI，可用它來獲得多通道信號(hào)的頻譜。圖4所示為東海大橋的頻譜圖實(shí)例。

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　　圖4 MUSIC所提供的東海大橋頻譜

　　模態(tài)分析方法可反映橋梁的動(dòng)態(tài)特性。實(shí)際上，模態(tài)分析是現(xiàn)今SHM的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)工程實(shí)踐，通過模態(tài)分析，可獲得模態(tài)參數(shù)——共振頻率、阻尼系數(shù)和模態(tài)。傳統(tǒng)情況下，這些模態(tài)參數(shù)是從測(cè)試人員施加的激勵(lì)信號(hào)以及對(duì)應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)中獲得的。

　　為處理類似橋梁的大型結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，出現(xiàn)了一種相對(duì)新穎的模態(tài)分析方法。這種方法能夠在大型結(jié)構(gòu)工作時(shí)處理所收集的數(shù)據(jù)，這就是工作模態(tài)分析。在此方法中，沒有明確的激勵(lì)信號(hào)應(yīng)用于該結(jié)構(gòu)，而是由環(huán)境的自然力和作用于該結(jié)構(gòu)的工作負(fù)載充當(dāng)激勵(lì)。這樣的激勵(lì)是隨機(jī)和未知的，僅僅可利用布置在該結(jié)構(gòu)上的傳感器來獲知所測(cè)得的信號(hào)——響應(yīng)信號(hào)。因而，工作模態(tài)分析也被稱作“只有輸出”的方法，非常適合橋梁模態(tài)分析。

　　在工作模態(tài)分析領(lǐng)域，有一類方法采用僅輸出的系統(tǒng)辨識(shí)(也稱時(shí)序分析)技術(shù)，即隨機(jī)子空間辨識(shí)(SSI)。該類方法利用系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)(在此是橋梁的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù))來辨識(shí)一個(gè)線性狀態(tài)空間模型，能很好地描述所觀測(cè)到的輸出數(shù)據(jù)。然后，在工作模態(tài)分析環(huán)境中，由該線性模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣來獲得模態(tài)參數(shù)。

　　高級(jí)信號(hào)處理工具集提供了隨機(jī)狀態(tài)空間建模函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)SSI算法。利用該VI，可方便地計(jì)算模態(tài)參數(shù)。利用該方法進(jìn)行東海大橋模態(tài)分析的一個(gè)范例如下所示：

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　　表1 利用離線SSI方法獲得的東海大橋共振頻率與阻尼系數(shù)

　　表1所示為共振頻率及其對(duì)應(yīng)的阻尼系數(shù);圖5所示為東海大橋(僅主橋孔)的首批幾個(gè)重要振動(dòng)模式的模態(tài)，

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　　圖5 通過SSI算法識(shí)別的東海大橋(主橋孔)的模態(tài)

　　而圖6所示為利用SSI方法識(shí)別的東海大橋模態(tài)的模態(tài)復(fù)雜性圖，

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　　圖6 通過SSI算法識(shí)別的東海大橋(主橋孔)模態(tài)的極點(diǎn)圖

　　這里顯示出的模態(tài)幾乎都在傳統(tǒng)方式下被抑制。通過該方法所識(shí)別的共振頻率與通過一些其他方法所獲得的共振頻率(見表2)相一致。

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　　表2 通過其它方法獲得的參考共振頻率

　　橋梁共振頻率的在線監(jiān)測(cè)

　　另外，為更好地監(jiān)測(cè)一座橋梁的健康狀況，需實(shí)時(shí)跟蹤一些富含信息的工程量，尤其對(duì)共振頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常重要的。當(dāng)下的挑戰(zhàn)在于在線完成共振頻率計(jì)算，這也是目前許多應(yīng)用的一個(gè)研究課題。

　　為使SSI方法能夠在線工作，SSI需要重新表述成某種遞歸形式，以實(shí)現(xiàn)必要的計(jì)算效率。這就是遞歸隨機(jī)子空間識(shí)別(RSSI)。利用RSSI讀入來自多通道的采樣數(shù)據(jù)并對(duì)其作抽取處理，然后將抽取后的數(shù)據(jù)饋入到RSSI算法。每次饋入一個(gè)新的抽取數(shù)據(jù)采樣，就生成一組新的系統(tǒng)共振頻率。所以，共振頻率隨著數(shù)據(jù)采集過程的進(jìn)行而更新。如果RSSI算法執(zhí)行足夠快，這個(gè)更新過程就實(shí)時(shí)運(yùn)行。

　　在東海大橋的實(shí)例中，通過加速度信號(hào)來提取對(duì)應(yīng)的共振頻率，信號(hào)主要來自于主橋孔周圍的數(shù)十只加速計(jì)。經(jīng)過同步采集的加速度數(shù)據(jù)在每個(gè)站點(diǎn)都被加入時(shí)間標(biāo)識(shí)，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)測(cè)中心。LabVIEW程序可接收這些多通道數(shù)據(jù)，以形成一個(gè)2維數(shù)組。然后，以適應(yīng)目標(biāo)共振頻率范圍的合理速率，對(duì)這些多通道信號(hào)進(jìn)行抽取處理。為保證識(shí)別效果和計(jì)算速率，抽取后的信號(hào)被同時(shí)送入幾個(gè)合適的子頻帶進(jìn)行濾波，在每個(gè)子頻帶內(nèi)，都將RSSI算法運(yùn)用于濾波后的信號(hào)。在RSSI算法的初始化程序后，隨著時(shí)間所生成的頻率形成頻率-時(shí)間曲線，而且，LabVIEW的多線程技術(shù)使計(jì)算速率足夠快，從而成功地實(shí)現(xiàn)了橋梁共振頻率的在線跟蹤。圖7所示為這一過程。

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　　圖7 在線模態(tài)頻率監(jiān)測(cè)示意圖

　　結(jié)語

　　開發(fā)一個(gè)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，NI軟硬件可使這一過程更為順利。而且，LabVIEW所提供的分析軟件可使健康監(jiān)測(cè)的過程更有效、信息更豐富。