引言

　　橋梁的健康監測具有一些特性，譬如：一座橋梁是一個地理上的分布式系統，通常長達幾千米到數十千米;橋梁通常工作于惡劣的環境，并在橋梁工作時采集數據;監測是一個長期過程，也必然是一個遙測過程，而且，由于地理距離和惡劣的環境，最好能夠使現場維護降到最少;監測是一個連續的實時過程，其間有大量數據采集，需要采用智能技術獲取表征信息以根據數據進行評估。這些特性構成了橋梁健康監測系統的開發過程中需要解決的挑戰。

　　橋梁監測系統初探

　　對于一座正常工作的橋梁，所需的監測項基本源于三個類別：環境、維護和事故監測。

　　總而言之，需要監測的主要項目如下：環境監測包括大氣溫度、風速、氯離子的侵蝕、海浪;靜態響應與動態響應的監測包括結構變形、結構壓力等。

　　以連接上海市與洋嶼的東海大橋為例，大橋的測量系統遍布整個橋體。將全長32公里的橋分為幾個部分，每個部分都安置一個信號采集站，站點間距離為幾千米到數十千米。這些分布在指定地點的信號采集站構成了整個數據采集系統。每個站點充當其附近傳感器的主機系統。每個站點的功能特性如下：根據所連接傳感器的類型，進行多種格式的數據采集、信號調理、數據處理與管理和數據傳輸等功能。

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

　　除硬件系統以外，遠程配置、管理和傳輸采集數據屬于軟件需求。LabVIEW套件是一組軟件，它通過與NI PXI模塊及包括網絡在內的其它相關硬件的無縫集成并采用恰當的抽象和封裝，實現了高效監測的目的。

　　同步：基于GPS的解決方案

　　實現數據采集系統的主要挑戰之一是同步問題——必須實現廣闊地理范圍內的同步。對此問題的解決方案是采用GPS定時信號。每個站點與一個GPS接收裝置連接。接收裝置接收GPS同步信號，進而發送至站點內的PXI模塊。GPS同步信號用以確保整個分布式系統數據采集的嚴格同步。

　　GPS定時信號

　　GPS系統由每12小時圍繞地球旋轉一周的24個人造衛星組成。其中，每一個人造衛星都擁有一個精度為10-13秒的板上原子時鐘。GPS的人造衛星以1.5GHz的載波頻率連續發送其空間坐標以及時間信息。特別地，該時間信息可用于精確地關聯、觸發和時間標記測量數據。來自GPS接收裝置的典型GPS定時信號有兩種類型。

　　第一種信號類型是PPS，如圖1所示。

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　　圖1 PPS信號

　　圖1中的信號也稱為1 PPS，因為它每秒只輸出一個脈沖。它通常用作采集的觸發信號。PPS類型信號的另一個實例是10M PPS，它每秒產生10M個脈沖。該信號通常用作采樣基頻。

　　第二種信號類型是DC-Level的IRIG-B。IRIG是一種承載絕對時間的編碼晶體管-晶體管邏輯(TTL)信號，每秒重復或再同步。對于IRIG，每幀為1s。圖2所示為IRIG-B標準的一個定時框圖。

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　　圖2 IRIG-B信號

　　每個比特用一個周期為10ms的信號來表示，“0”的高電平持續時間為2ms，“1”的高電平持續時間為5ms，而“P”高電平持續時間為8ms。在1s幀內，P比特將秒和分鐘、分鐘和小時等分隔開。

　　面向數據采集的同步技術

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

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　　圖3 GPS PPS同步原理圖

　　中心部件是動態信號采集(DSA)模塊NI PXI 4472B，它是輸入和采集傳感器信號的實際單元。其它模塊用于確保NI PXI 4472B正常工作。該系統的主要挑戰在于如何將廣泛分布在多個站點的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信號連接。該信號在分頻后發送至PXI背板，再用作NI PXI 4472B模塊的過采樣時鐘。

　　NI PXI 6602計數器在兩個端口同時接收來自GPS接收裝置的1 PPS信號。一個端口的信號通過PXI背板用作SYNC脈沖，以實現所有NI PXI 4472B模塊采集信號時的相位同步。另一個端口的信號用作定時器，并與預先設定的采集時間相比較。當達到采集時間時，NI PXI 6602再次通過PXI背板，生成開始觸發信號，以啟動NI PXI 4472B的數據采集操作。NI PXI 8187控制器從GPS接收裝置讀入IRIG-B信號，并可從IRIG-B信號獲得絕對時間。然后，該絕對時間可用作被采集數據的時間標記。

　　由于PPS信號都來自GPS系統，它們對于所有站點的所有NI PXI 4472B模塊是完全相同的，從而完成跨越廣闊地理區域內多機箱系統中多個NI PXI 4472B模塊的同步數據采集。

　　實現整座橋同步數據采集系統的配置，可方便快捷地通過編程實現。

　　監測過程中的分析

　　數據采集的意義在于從所采集的海量數據中挖掘有用信息。因此，除記錄通過數據采集板卡獲得的原始數據(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這些數據進行分析處理。

　　橋梁測量數據的離線分析

　　離線分析包括頻譜分析和模態分析。對多通道信號頻譜分析，除了提供FFT方法，LabVIEW與LabVIEW工具包還提供了標準的多元信號處理算法。例如，高級信號處理工具包提供了TSA MUSIC VI，可用它來獲得多通道信號的頻譜。圖4所示為東海大橋的頻譜圖實例。

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　　圖4 MUSIC所提供的東海大橋頻譜

　　模態分析方法可反映橋梁的動態特性。實際上，模態分析是現今SHM的一項標準工程實踐，通過模態分析，可獲得模態參數——共振頻率、阻尼系數和模態。傳統情況下，這些模態參數是從測試人員施加的激勵信號以及對應的響應信號中獲得的。

　　為處理類似橋梁的大型結構的模態分析，出現了一種相對新穎的模態分析方法。這種方法能夠在大型結構工作時處理所收集的數據，這就是工作模態分析。在此方法中，沒有明確的激勵信號應用于該結構，而是由環境的自然力和作用于該結構的工作負載充當激勵。這樣的激勵是隨機和未知的，僅僅可利用布置在該結構上的傳感器來獲知所測得的信號——響應信號。因而，工作模態分析也被稱作“只有輸出”的方法，非常適合橋梁模態分析。

　　在工作模態分析領域，有一類方法采用僅輸出的系統辨識(也稱時序分析)技術，即隨機子空間辨識(SSI)。該類方法利用系統的輸出數據(在此是橋梁的傳感器測量數據)來辨識一個線性狀態空間模型，能很好地描述所觀測到的輸出數據。然后，在工作模態分析環境中，由該線性模型的狀態轉移矩陣來獲得模態參數。

　　高級信號處理工具集提供了隨機狀態空間建模函數，可實現SSI算法。利用該VI，可方便地計算模態參數。利用該方法進行東海大橋模態分析的一個范例如下所示：

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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

　　表1所示為共振頻率及其對應的阻尼系數;圖5所示為東海大橋(僅主橋孔)的首批幾個重要振動模式的模態，

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　　圖5 通過SSI算法識別的東海大橋(主橋孔)的模態

　　而圖6所示為利用SSI方法識別的東海大橋模態的模態復雜性圖，

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　　圖6 通過SSI算法識別的東海大橋(主橋孔)模態的極點圖

　　這里顯示出的模態幾乎都在傳統方式下被抑制。通過該方法所識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測

　　另外，為更好地監測一座橋梁的健康狀況，需實時跟蹤一些富含信息的工程量，尤其對共振頻率的實時監測是非常重要的。當下的挑戰在于在線完成共振頻率計算，這也是目前許多應用的一個研究課題。

　　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，以實現必要的計算效率。這就是遞歸隨機子空間識別(RSSI)。利用RSSI讀入來自多通道的采樣數據并對其作抽取處理，然后將抽取后的數據饋入到RSSI算法。每次饋入一個新的抽取數據采樣，就生成一組新的系統共振頻率。所以，共振頻率隨著數據采集過程的進行而更新。如果RSSI算法執行足夠快，這個更新過程就實時運行。

　　在東海大橋的實例中，通過加速度信號來提取對應的共振頻率，信號主要來自于主橋孔周圍的數十只加速計。經過同步采集的加速度數據在每個站點都被加入時間標識，然后通過網絡傳送至監測中心。LabVIEW程序可接收這些多通道數據，以形成一個2維數組。然后，以適應目標共振頻率范圍的合理速率，對這些多通道信號進行抽取處理。為保證識別效果和計算速率，抽取后的信號被同時送入幾個合適的子頻帶進行濾波，在每個子頻帶內，都將RSSI算法運用于濾波后的信號。在RSSI算法的初始化程序后，隨著時間所生成的頻率形成頻率-時間曲線，而且，LabVIEW的多線程技術使計算速率足夠快，從而成功地實現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 在線模態頻率監測示意圖

　　結語

　　開發一個橋梁健康監測系統是一項具有挑戰性的任務，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測的過程更有效、信息更豐富。