在2007 年 ，明尼蘇達州明尼阿波利斯市 I-35W 密西西比河大橋的倒塌是一場巨大的災(zāi)難。這座橋每天運送超過135，000輛汽車，在晚高峰時段發(fā)生故障，造成13人死亡，145人受傷。幾乎立即制定了更換橋梁的計劃，隨后于2008年9月18日開放。但與其命運多舛的前身不同，新的I-35W圣安東尼瀑布大橋設(shè)計有一個完整的最先進的監(jiān)控系統(tǒng)，可以持續(xù)評估橋梁的完整性，以確保災(zāi)難性故障不會再次發(fā)生。該監(jiān)控系統(tǒng)是使用DATAQ Instruments的分布式以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品實現(xiàn)的，該產(chǎn)品提供了數(shù)據(jù)采集能力與捕獲橋梁1，200英尺長度的測量值的能力的最佳組合。

測量什么，在哪里測量？

明尼蘇達州交通部 （MDOT） 部署的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要解決許多必要的問題，該系統(tǒng)用于監(jiān)測橋梁生命體征。其中最主要的是需要建立一個傳感器類型框架及其在橋梁上的特定位置，以產(chǎn)生最佳診斷。他們決定混合使用傳感器類型，以提供快照和橋梁狀態(tài)的長期趨勢（見表1）。

表 1- 部署在 I-35W 橋上多個位置的傳感器類型范圍。

這一系列傳感器需要部署在橋梁跨度的戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)位置，以獲得最佳結(jié)果。為此，這座橋的 1，200 英尺跨度被映射到八個節(jié)點。可以將每個節(jié)點視為相同或不同類型的傳感器集群。表 2 描述了如何在八個節(jié)點中的每一個節(jié)點之間分配傳感器。

表2-在戰(zhàn)略位置的橋上建立了節(jié)點，以確保最壞情況的測量，并根據(jù)測量要求將具有指示輸出電平的傳感器分配給節(jié)點。

為了確定特定的節(jié)點位置，橋梁分為北向和南向車道，主要結(jié)構(gòu)支撐表示為橋臺和橋墩。從橋的南端開始，向北移動，順序是橋臺1，橋頭2，橋頭3，橋墩4和橋臺5。圖 3 提供了橋梁的示意圖，其中包括結(jié)構(gòu)和節(jié)點 （Nx） 位置以及它們之間的距離。不直接位于橋墩上的節(jié)點被放置在結(jié)構(gòu)支撐之間的中心線（理論上最薄弱的點），以進行最壞情況的測量。

圖 3- 用于監(jiān)控網(wǎng)橋運行狀況的八個儀表節(jié)點 （Nx） 和繼電器 （Rx） 位置示意圖。

數(shù)據(jù)采集挑戰(zhàn)需要獨特的解決方案

測量節(jié)點是多達 26 個設(shè)備的傳感器集群，從圖 3 中可以看出，測量節(jié)點之間的距離可能很大。此外，計劃是在距離橋北出口約340英尺的碉堡中建立一個計算機系統(tǒng)。計算機將連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過遠程訪問提供24/7/365的橋梁狀況監(jiān)控。這給應(yīng)用帶來了兩個主要的數(shù)據(jù)采集問題，在實現(xiàn)I-35W大橋監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)之前需要解決這兩個問題。需要采集的通道總數(shù)為62個，考慮到當(dāng)代數(shù)據(jù)采集解決方案，這并不是一個壓倒性的數(shù)字。然而，將運行信號從 62 個傳感器引出到一個中心位置是不切實際的。單個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳位置是橋的中間（節(jié)點2或6），從圖3可以看出，在某些情況下，這將導(dǎo)致信號路徑超過400英尺。典型的毫伏級信號在此距離內(nèi)會遇到線損和感應(yīng)噪聲，這會降低測量性能，使其無法達到預(yù)期目的的程度。此外，在如此長的距離上串設(shè)屏蔽多芯信號電纜是有問題的，而且成本高昂。由于這些原因，放棄了單一的數(shù)據(jù)采集方法。第二種選擇是在每個測量節(jié)點安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決一個集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)造成的問題。信號電纜的長度將最小化，并且在這些短距離內(nèi)將它們連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既實用又具有成本效益。但問題是如何同步分布在 1，800 英尺的北行和南行橋段上的八個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通道同步的需求對于后續(xù)數(shù)據(jù)分析和橋接性能解釋的成功至關(guān)重要。62個測量通道中的每一個都需要在相對于其他通道的可預(yù)測時間段內(nèi)采集。沒有這一點，一個通道上的事件就無法用其他通道來解釋，因此該事件對整個橋梁結(jié)構(gòu)的影響將永遠丟失。這就像試圖解釋一個口頭句子，其中單詞到達您耳朵的順序與說出時的順序不同。雖然同步問題本質(zhì)上可以通過一個集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來解決，但同步分布在 1，800 英尺以上的多個系統(tǒng)是一項重大挑戰(zhàn)。

使用以太網(wǎng)進行同步數(shù)據(jù)采集

I-35W 橋的理想儀器解決方案允許每個節(jié)點一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保持信號完整性和低布線成本，并且還能夠在分散在八個測量節(jié)點上的多個系統(tǒng)之間進行同步，數(shù)據(jù)收集計算機和最后一個節(jié)點相距超過 2，000 英尺。DATAQ Instruments的同步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品提供了這樣的解決方案。DATAQ Instruments的OEM型DI-5001數(shù)據(jù)采集卡配有以太網(wǎng)接口，每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點一個。每塊板支持 32 個模擬通道，每個通道可容納一個傳感器輸入，并具有雙 RJ45 連接器，允許標(biāo)準(zhǔn) CAT-5 以太網(wǎng)電纜在八個 DI-5001 板之間簡單地菊花鏈，每個儀器節(jié)點一個。這種方法使換能器信號引線較短，用低成本的 CAT-5 以太網(wǎng)電纜代替節(jié)點之間的長距離傳輸。菊花鏈?zhǔn)揭蕴W(wǎng)方法還解決了其他問題。它支持模塊化和擴展，因此可以根據(jù)應(yīng)用程序需要輕松交換、添加或刪除節(jié)點以增加或減少節(jié)點數(shù)量。以太網(wǎng)是一種隔離標(biāo)準(zhǔn)，這意味著即使在存在共模電壓的情況下，數(shù)據(jù)通信的可靠性也是無懈可擊的。最后，它允許單元之間長達 100 米的超長通信電纜。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步接口提供內(nèi)置以太網(wǎng)交換機，因此各個節(jié)點之間以及它們與砌塊之間的距離可以長達100米。同步機制包含兩對未使用的 CAT-5 電纜。一對攜帶16 MHz主控時鐘，第二對攜帶觸發(fā)信號。時鐘在 DI-5001 單元之間以菊花鏈方式連接，每個單元的以太網(wǎng)接口都包含一個鎖相環(huán) （PLL），可提供故障安全操作并以零相位延遲精確再現(xiàn)主時鐘。故障安全功能是PLL的一個獨特方面，可確保在菊花鏈主時鐘發(fā)生瞬時甚至長期中斷時保持鎖定。將PLL集成到每個DI-5001的以太網(wǎng)接口中，可確保每個數(shù)據(jù)采集單元在頻率和相位上與主時鐘保持精確同步，從而保證各個單元之間以及各個通道之間的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換。在第二對 CAT-5 電纜上添加主觸發(fā)信號即可完成圖像，以確保分布式鏈中的所有單元在同一時刻啟動采樣，不受網(wǎng)絡(luò)延遲的影響。再次參考圖 3，在節(jié)點或計算機之間的距離超過 100 米的情況下，使用繼電器來彌合差距。DI-789 型繼電器（在圖 3 中表示為 Rx）專門設(shè)計用于在節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)和同步定時信號，并最終傳輸?shù)竭B接的計算機進行顯示和存儲。

數(shù)據(jù)采集軟件

用于實現(xiàn)同步操作的傳感器和硬件只是解決方案的一半。還需要對橋梁進行24/7/365的持續(xù)監(jiān)控。這意味著一臺運行軟件的專用計算機能夠?qū)碜悦總€檢測節(jié)點的連續(xù)采集數(shù)據(jù)流傳送到計算機的硬盤驅(qū)動器以進行永久存儲。結(jié)果將是需要有效方法來查看數(shù)據(jù)的大型數(shù)據(jù)文件。DATAQ Instruments的WinDaq軟件提供了一種解決方案，通過使用其磁盤流功能，滿足了從每個節(jié)點連續(xù)獲取數(shù)據(jù)的需求。每個節(jié)點的每個通道都連續(xù)采樣，有些速度高達1 kHz，在數(shù)據(jù)縮減后每天產(chǎn)生大約2 GB的數(shù)據(jù)文件，并且生成的數(shù)據(jù)文件中的每個值都帶有時間和日期戳，以將任何給定事件與實際發(fā)生日期和時間相關(guān)聯(lián)。通過使用 WinDaq 軟件的播放組件，可以快速高效地查看數(shù)據(jù)。可以輕松識別特定事件并將其導(dǎo)出到其他應(yīng)用程序以進行進一步分析。圖 4 是一個壓縮的回放屏幕，顯示了 2009 年 3 月 30 日下午一輛大型車輛過橋的北行進程。從屏幕底部開始，向頂部移動，并將其與圖3的橋梁原理圖相關(guān)聯(lián)，我們可以清楚地看到，車輛首先由第一個橋跨度（SP1，通道6和5）上的節(jié)點3加速度計檢測到，然后由第二個橋跨度上的節(jié)點2加速度計（SP2， 通道 4 和 3），最后通過第三個也是最后一個橋跨度（SP3，通道 2 和 1）上節(jié)點 1 的加速度計。

圖 圖 4 - 儀表節(jié)點 3、2 和 1 處的加速度計檢測到的在 I35W 橋上向北行駛的一輛單獨的重型車輛的進展（請參閱圖 3）。

在另一個示例中，圖5詳細介紹了三個北向和兩個南向橋梁伸縮縫在24小時內(nèi)的溫度變化。測量值取自幾個以英寸為單位校準(zhǔn)的線性電位計（LP）。再次從屏幕底部開始并向上移動，首先是節(jié)點 4 的 LP，用于測量跨度 1 南行通道（SP1、通道 6 和 5）的擴展。接下來是節(jié)點 4 LP 傳感器，用于測量北向車道（SP1、通道 4 和 3）上的互補位置。最后是節(jié)點 1 LP 傳感器，測量跨度 3（SP3，通道 2 和 1）北行車道的膨脹節(jié)活動。

圖5 - 線性電位計在 24 小時內(nèi)測量的膨脹節(jié)活動與溫度的關(guān)系。在節(jié)點 1 和 4 進行測量（見圖 3）。

圖6顯示了I35W橋上日常活動的最后一個示例以及檢測它們的儀器的靈敏度。2009 年 4 月 6 日上午 7 點 32 分，掃雪車造成的破壞，由位于北行車道節(jié)點 3 的加速度計檢測到，可以在封閉的盒子中看到。將封閉部分與犁通過之前和之后的相對平靜進行比較，在這個高度壓縮的圖中。

圖 6- 位于儀表節(jié)點 3 的北行車道第一個跨度上的加速度計檢測

結(jié)論

對圣安東尼瀑布大橋生命體征的持續(xù)監(jiān)測將為結(jié)構(gòu)壽命的橋梁狀況提供前所未有的洞察力。磨損評估不再需要僅僅是主觀的人工檢查。現(xiàn)在，它可以通過定量分析進行補充，必要時每年、每月甚至每天評估橋梁性能，使手動檢查模式更加高效。先進的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是這一過程的核心。由于電橋長度以及測量點和類型的數(shù)量和多樣性的限制，只有同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能產(chǎn)生有意義的結(jié)果。DATAQ Instruments的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品通過硬件和軟件解決方案滿足了這一要求，這些解決方案將生成描述未來橋梁狀況的多通道數(shù)據(jù)文件。

審核編輯：郭婷