遠程監測平臺應用論文

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摘要:本文在闡述結構遠程監測系統的結構形式的基礎上,對遠程監測系統的實驗室原型系統進行了設計,建立了由不同類型傳感器、不同傳輸方式組成的遠程分布式健康監測系統,為結構監測系統的理論研究提供實驗平臺。

關鍵詞:遠程監測;實驗室;平臺;硬件設備

TheApplicationResearchontheLaboratoryPlatformofLong-distanceMonitoringSystem

OUYANGHeJia

InformationCenter;theChildren''''sHospital;ChongqingMedicalUniversity400014

Abstract:basedondescribingtheformofstructuralremotemonitoringsystem,thelaboratoryprototypeofremotemonitoringsystemisdesigned,andthedistributedlong-distancehealthmonitoringsystemwithdifferenttypesofsensorsandtransmissionformsisconstructedwhichprovidesalaboratoryplatformfortheoreticalstudiesofstructuralmonitoringsystem.

Keywords:long-distancemonitoring;Laboratory;platform;hardwareequipment

引言

隨著計算機網絡技術和通信技術的發展,特別是Internet技術的發展,信息高速公路的開通,推動了遠程診斷技術的產生與廣泛應用。遠程監測系統實際上是一個通過計算機網絡或專用通信設備連接起來的一個分布式監測與集中型診斷系統,它可以同時將多個對象的監測數據集中到遠程監測診斷中心進行統一管理、控制和診斷。遠程傳輸從總體上來說有:C/S(Client/Server客戶端/服務器)結構、B/S(Browser/Server瀏覽器/服務器)結構以及面向Agent的CORBA技術[1]。

1.遠程監測系統的結構形式[1]:文中闡述了遠程監測系統中計算機網絡或專用通信設備連接設備和技術;

遠程監測系統基于集中式在線監測系統和分布式在線監測系統,采用若干臺中心計算機作為損傷診斷服務器,在結構關鍵位置上建立狀態觀測點,通過在觀測點上永久安裝的傳感器獲取結構的實時狀態信息,經過信號預處理、A/D轉換后輸入本地監測計算機,然后對信號進行處理,實現連續實時地采集結構狀態數據,而在技術力量較強的科研院所、大學建立遠程分析診斷中心,為結構提供遠程技術支持和保障,通過網絡將觀測點連接成一個復雜的監測網,任何一個監測系統都可以提出請求服務的要求,在異地的診斷服務中心接到請求服務的信息后,可以提供各種服務,并返回診斷結果。同時,遠程服務中心也可以從網上直接獲取目前各觀測點的結構狀態信號、歷史數據以及本地診斷的結果,從而形成一個完整的監測系統。一旦出現本地系統不能處理的現象,可以在短時間內調動互連網內的所有診斷資源,實現對結構的早期損傷診斷和及時維修,使結構安全使用。

遠程監測系統主要由作為監測對象的結構、傳感檢測子系統、實現在線監測的局域網子系統、Internet和遠程監測中心子系統組成,其系統功能結構如圖1所示。

傳感檢測子系統的工作主要是由各種各樣的傳感器、變送器和采集設備完成,也稱為數據采集子系統。

本地監測與損傷診斷子系統通過實時監測模塊將各監測點采集處理單元采集的最底層結構對象實時工作狀態信息寫入狀態檢測數據庫,并在屏幕上顯示工程結構的實時可視化狀況,對損傷狀況進行預警。同時,若在本地無法識別損傷狀況時,則向遠程損傷診斷中心發出求救請求,將實時信息轉換成能夠被遠程損傷診斷中心識別的信號并存儲到數據庫服務器,通過Internet將信息傳輸到遠程診斷中心,尋求診斷方案,將遠程診斷的結果存儲到數據庫服務器,并更新本地監測顯示[2]。

遠程監測和損傷診斷中心主要由知識庫、數據庫、推理模塊、知識庫管理系統和機器學習模塊組成。推理模塊是遠程監測和損傷診斷系統的核心,主要完成由損傷現象尋找損傷原因、判斷損傷程度和損傷類型的過程,采用模糊反向推理算法、神經網絡算法或基于小波分析算法等實現多種有效的推理。知識庫包括規則庫、概念庫和圖形庫是遠程診斷系統的知識部分。隨著結構健康監測系統的運行將可能出現原有的知識庫中沒有的新的狀況,知識庫管理和機器學習則不斷地修正和更新知識庫,從而完善原有的知識庫。

隨著監測對象向巨型化、復雜化發展,對監測系統需要布設的觀測點越來越多,產生的中間數據和狀況評估數據也越來越多,而且有些數據需要多次使用,這樣,為了使數據能夠充分共享,不產生冗余,應用數據庫管理系統對數據進行規范化統一管理是必要的,在數據庫管理系統中,將健康監測系統的數據類型進行分類管理,分別建立對應的數據庫,如實時采集數據庫、評估系統數據庫、工程模型數據庫、評估結果數據庫等,可以將這些數據庫集中在一臺數據庫服務器中。當監測系統很大時,也可以將這些數據庫分布在網絡的各個地方,形成分布式數據庫,通過網絡共享。分布式數據庫是建立在客戶機/服務器基礎上的,目前很多數據庫系統都支持C/S服務,如SQLServer2000、Oracle、Sybase、DB2等商業數據庫軟件。分布式數據庫可以采用多層數據庫技術來實現。

2.實驗室原型系統設計

實驗室原型試驗平臺就是應用于工程實踐環節的中間平臺。在實驗室進行試驗時經常會進行一些嘗試性的試驗,如果全部采用高靈敏度設備,試驗的投入就要大大增加,為了節約成本,又能達到試驗平臺的功能目的,通常在試驗平臺系統中加入了簡易設備系統,在滿足要求的基礎上達到最佳性價比。

2.1系統總體結構

通常而言,監測系統總結構由不同的子結構部分組成。以常見的結構監測為例,它的實驗室試驗平臺主要由電源、激振器、傳感器網絡、數據采集和數據處理、數據存儲和數據分析、試驗結果和試驗過程網絡幾個部分組成。為了加強儀器設備的管理,為分散獨立的儀器設備設計了專門的機柜,它們通常為不間斷電源UPS的電池柜、數據采集系統柜、數據庫服務器柜和WEB服務器柜[2][3]。

2.2子系統功能

電源模塊為試驗平臺各個組成部分提供電源,當試驗過程突然斷電時啟動UPS電源,保證試驗的順利完成。

數據采集系統柜為獲取得到所需要監測數據的設備儀器系統,并解調為數字信號,存儲到解調器的存儲區,同時也可以將采集數據通過通信傳輸到數據庫服務中心。

數據庫服務器存儲整個采集系統的數據、經過處理和計算的數據以及診斷分析結果。

WEB服務器主要是試驗平臺的相關信息,例如試驗的整個過程和試驗的分析結果。2.3試驗平臺網絡結構

系統進行復雜的結構監測分析時,就需要安裝足夠的數據采集設備,在大量數據采集的情況下,如果將采集的數據集中到一臺機器上收集和處理,就會出現瓶頸現象,使集中式處理機由于負載過重不僅不能將現場數據實時傳輸到處理中心,也容易使系統崩潰,因此,建議在試驗平臺中,采用了分布式數據采集和分布式數據處理與分析的構架,將電致采集的任務分配到多個工作站上,對監測數據采集分配在一個工作站上。

2.4試驗原型系統各子系統的實現

試驗原型系統各子系統由模型實驗臺進行模擬，以結構監測實驗平臺為例，模型試驗臺包括兩個放置結構試驗物理模型的臺面，一個方便移動試驗模型的葫蘆吊，兩個激振器。以及兩套與激振器相配套的功率放大器。

電源模塊為試驗平臺各個組成部分提供電源，配有不間斷電源，并對每個機柜采用獨立空氣開關控制，試驗時可以自由配置試驗資源。該系統包括動態信號測試系統所需的信號調理器、直流電壓放大器、抗混濾波器、A/D轉換器、緩沖存儲器以及采樣控制和計算機通訊的全部硬件，而且提供了充分考慮用戶方便操作本系統所需的控制軟件及分析軟件，是以計算機為基礎、智能化的動態信號測試分析系統。當該系統需要的采集通道或者是采集信號的類型不夠時，可以進行擴展，擴展可以在本臺計算機上進行，也可以將采集任務分布到多臺計算機上，多臺計算機之間可以通過以太網連接擴展的多臺計算機。一臺計算機可控制N個模塊，每個模塊M個通道，則每臺計算機最多可控制128個通道，能滿足多通道、高精度、高速動態信號的測量需求，多臺計算機控制的系統可由同步采樣時鐘控制同步采樣，通過以太網將各計算機系統相連接，由網絡控制軟件模塊進行全系統的集中操作控制及數據的統一處理，從而構成多計算機并行同步數據采集系統。根據需要進行擴展后的系統可以對應變應力、壓力、扭矩、荷重、溫度、位移、速度和加速度等物理量進行自動、準確、可靠的動態測試和分析。

數據采集模塊主要完成同步采樣、前置放大、模數轉換、數據存儲和DDS頻率合成功能，模塊具有1394接口和自定義并口接口擴展。采集模塊的AD轉換器為16位，瞬時采樣頻率從100Hz到100KHz可切換。連續采樣的最高采樣頻率要根據系統所擴展的通道數而定，在應用中要注意最高采樣頻率的設置。

同時，在工程監測系統中，結構信號的采集和處理，也就是硬件是實現監測的前提條件，但是單由硬件不能構成一個完整的健康監測系統，和硬件系統同樣重要的是軟件系統，兩者構成一個完整的監測系統，兩者的性能都影響著整個系統的性能，所以軟件設計的方法和功能對系統的整體性能有很大的影響。實驗室試驗平臺的軟件系統由數據采集和數據處理模塊、外激勵系統的數據采集和數據處理模塊、結構監測和數據處理評估模塊、網絡模塊四個模塊組成。通過在已有硬件的基礎上，將各軟件模塊集成為一個有機的整體，從而實現對工程結構運行狀況的自動監測。

2.5網絡模塊

不僅實驗室成員可以查看試驗平臺監測試驗的實時工作狀況,還將試驗模型的實時工作狀態傳送到局域網或Internet上,其它用戶可以通過Web瀏覽方式訪問實驗室的試驗情況。這項功能由數據庫服務器和Web服務器完成。試驗平臺開發了自身Web服務器,可以將實驗室的模型試驗進行遠程。

Web的有兩種方式,一種是與常用的網絡一樣,在Web服務器設計過程中編寫具體模型試驗需要被訪問的數據網頁,該網頁可以由多個有關聯的網頁組成,網頁的數據來源于數據采集、分析處理、診斷分析和評估數據存放到數據庫的數據。另一種方式就是應用美國國家儀器有限公司開發的在測量系統中應用廣泛的開發平臺LabView軟件平臺,在該軟件平臺上開發的用戶軟件,可以通過該軟件的一個特殊功能,將模型試驗的整個過程到網絡服務器上,這種網絡方式還是需要構架實驗室的Web服務器,但是不需要編寫很多網頁,只要將被訪問的軟件模塊在LabView的環境中即可,其它可以通過用戶軟件的事件響應實現實時訪問。

3.結論

本文研究了結構智能監測系統實驗室試驗平臺各組成部分,建立了由不同類型傳感器、不同傳輸方式組成的遠程分布式健康監測系統,不僅為結構監測系統的理論研究提供實驗平臺,還為結構監測系統的推廣應用提供實踐依據。

參考文獻:

[1]李宏男李東升.土木工程結構安全性評估、健康監測診斷述評.中國科技論文在線。

[2]張啟偉.大型橋梁健康監測概念與監測系統設計,同濟大學學報,2001,29(1):65-69

[3]BingnanSun,etal.Thereal-timehealthmonitoringsystemofQianjiang4thbridge,EnvironmentalVibrationPrediction,MonitoringandEvaluation,Hangzhou,China,2003:420-