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摘要:本文在闡述結構遠程監(jiān)測系統(tǒng)的結構形式的基礎上,對遠程監(jiān)測系統(tǒng)的實驗室原型系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng),為結構監(jiān)測系統(tǒng)的理論研究提供實驗平臺。

關鍵詞:遠程監(jiān)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(wǎng)絡技術和通信技術的發(fā)展,特別是Internet技術的發(fā)展,信息高速公路的開通,推動了遠程診斷技術的產(chǎn)生與廣泛應用。遠程監(jiān)測系統(tǒng)實際上是一個通過計算機網(wǎng)絡或專用通信設備連接起來的一個分布式監(jiān)測與集中型診斷系統(tǒng),它可以同時將多個對象的監(jiān)測數(shù)據(jù)集中到遠程監(jiān)測診斷中心進行統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)的結構形式[1]:文中闡述了遠程監(jiān)測系統(tǒng)中計算機網(wǎng)絡或專用通信設備連接設備和技術;

遠程監(jiān)測系統(tǒng)基于集中式在線監(jiān)測系統(tǒng)和分布式在線監(jiān)測系統(tǒng),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(tài)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(tài)信息,經(jīng)過信號預處理、A/D轉換后輸入本地監(jiān)測計算機,然后對信號進行處理,實現(xiàn)連續(xù)實時地采集結構狀態(tài)數(shù)據(jù),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(wǎng)絡將觀測點連接成一個復雜的監(jiān)測網(wǎng),任何一個監(jiān)測系統(tǒng)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(wǎng)上直接獲取目前各觀測點的結構狀態(tài)信號、歷史數(shù)據(jù)以及本地診斷的結果,從而形成一個完整的監(jiān)測系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)本地系統(tǒng)不能處理的現(xiàn)象,可以在短時間內調動互連網(wǎng)內的所有診斷資源,實現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)主要由作為監(jiān)測對象的結構、傳感檢測子系統(tǒng)、實現(xiàn)在線監(jiān)測的局域網(wǎng)子系統(tǒng)、Internet和遠程監(jiān)測中心子系統(tǒng)組成,其系統(tǒng)功能結構如圖1所示。

傳感檢測子系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

本地監(jiān)測與損傷診斷子系統(tǒng)通過實時監(jiān)測模塊將各監(jiān)測點采集處理單元采集的最底層結構對象實時工作狀態(tài)信息寫入狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)庫服務器,通過Internet將信息傳輸?shù)竭h程診斷中心,尋求診斷方案,將遠程診斷的結果存儲到數(shù)據(jù)庫服務器,并更新本地監(jiān)測顯示[2]。

遠程監(jiān)測和損傷診斷中心主要由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理模塊、知識庫管理系統(tǒng)和機器學習模塊組成。推理模塊是遠程監(jiān)測和損傷診斷系統(tǒng)的核心,主要完成由損傷現(xiàn)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(jīng)網(wǎng)絡算法或基于小波分析算法等實現(xiàn)多種有效的推理。知識庫包括規(guī)則庫、概念庫和圖形庫是遠程診斷系統(tǒng)的知識部分。隨著結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行將可能出現(xiàn)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(jiān)測對象向巨型化、復雜化發(fā)展,對監(jiān)測系統(tǒng)需要布設的觀測點越來越多,產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)和狀況評估數(shù)據(jù)也越來越多,而且有些數(shù)據(jù)需要多次使用,這樣,為了使數(shù)據(jù)能夠充分共享,不產(chǎn)生冗余,應用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化統(tǒng)一管理是必要的,在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中,將健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型進行分類管理,分別建立對應的數(shù)據(jù)庫,如實時采集數(shù)據(jù)庫、評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、工程模型數(shù)據(jù)庫、評估結果數(shù)據(jù)庫等,可以將這些數(shù)據(jù)庫集中在一臺數(shù)據(jù)庫服務器中。當監(jiān)測系統(tǒng)很大時,也可以將這些數(shù)據(jù)庫分布在網(wǎng)絡的各個地方,形成分布式數(shù)據(jù)庫,通過網(wǎng)絡共享。分布式數(shù)據(jù)庫是建立在客戶機/服務器基礎上的,目前很多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都支持C/S服務,如SQLServer2000、Oracle、Sybase、DB2等商業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件。分布式數(shù)據(jù)庫可以采用多層數(shù)據(jù)庫技術來實現(xiàn)。

2.實驗室原型系統(tǒng)設計

實驗室原型試驗平臺就是應用于工程實踐環(huán)節(jié)的中間平臺。在實驗室進行試驗時經(jīng)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(jié)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(tǒng)中加入了簡易設備系統(tǒng),在滿足要求的基礎上達到最佳性價比。

2.1系統(tǒng)總體結構

通常而言,監(jiān)測系統(tǒng)總結構由不同的子結構部分組成。以常見的結構監(jiān)測為例,它的實驗室試驗平臺主要由電源、激振器、傳感器網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析、試驗結果和試驗過程網(wǎng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)柜、數(shù)據(jù)庫服務器柜和WEB服務器柜[2][3]。

2.2子系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)柜為獲取得到所需要監(jiān)測數(shù)據(jù)的設備儀器系統(tǒng),并解調為數(shù)字信號,存儲到解調器的存儲區(qū),同時也可以將采集數(shù)據(jù)通過通信傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務中心。

數(shù)據(jù)庫服務器存儲整個采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、經(jīng)過處理和計算的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡結構

系統(tǒng)進行復雜的結構監(jiān)測分析時,就需要安裝足夠的數(shù)據(jù)采集設備,在大量數(shù)據(jù)采集的情況下,如果將采集的數(shù)據(jù)集中到一臺機器上收集和處理,就會出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象,使集中式處理機由于負載過重不僅不能將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)教幚碇行?也容易使系統(tǒng)崩潰,因此,建議在試驗平臺中,采用了分布式數(shù)據(jù)采集和分布式數(shù)據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)采集分配在一個工作站上。

2.4試驗原型系統(tǒng)各子系統(tǒng)的實現(xiàn)

試驗原型系統(tǒng)各子系統(tǒng)由模型實驗臺進行模擬，以結構監(jiān)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(tǒng)包括動態(tài)信號測試系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)信號測試分析系統(tǒng)。當該系統(tǒng)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(wǎng)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(tài)信號的測量需求，多臺計算機控制的系統(tǒng)可由同步采樣時鐘控制同步采樣，通過以太網(wǎng)將各計算機系統(tǒng)相連接，由網(wǎng)絡控制軟件模塊進行全系統(tǒng)的集中操作控制及數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，從而構成多計算機并行同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)需要進行擴展后的系統(tǒng)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(tài)測試和分析。

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成同步采樣、前置放大、模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)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(xù)采樣的最高采樣頻率要根據(jù)系統(tǒng)所擴展的通道數(shù)而定，在應用中要注意最高采樣頻率的設置。

同時，在工程監(jiān)測系統(tǒng)中，結構信號的采集和處理，也就是硬件是實現(xiàn)監(jiān)測的前提條件，但是單由硬件不能構成一個完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)，和硬件系統(tǒng)同樣重要的是軟件系統(tǒng)，兩者構成一個完整的監(jiān)測系統(tǒng)，兩者的性能都影響著整個系統(tǒng)的性能，所以軟件設計的方法和功能對系統(tǒng)的整體性能有很大的影響。實驗室試驗平臺的軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊、外激勵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊、結構監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理評估模塊、網(wǎng)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(xiàn)對工程結構運行狀況的自動監(jiān)測。

2.5網(wǎng)絡模塊

不僅實驗室成員可以查看試驗平臺監(jiān)測試驗的實時工作狀況,還將試驗模型的實時工作狀態(tài)傳送到局域網(wǎng)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(shù)據(jù)庫服務器和Web服務器完成。試驗平臺開發(fā)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(wǎng)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(shù)據(jù)網(wǎng)頁,該網(wǎng)頁可以由多個有關聯(lián)的網(wǎng)頁組成,網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)采集、分析處理、診斷分析和評估數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。另一種方式就是應用美國國家儀器有限公司開發(fā)的在測量系統(tǒng)中應用廣泛的開發(fā)平臺LabView軟件平臺,在該軟件平臺上開發(fā)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(wǎng)絡服務器上,這種網(wǎng)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(wǎng)頁,只要將被訪問的軟件模塊在LabView的環(huán)境中即可,其它可以通過用戶軟件的事件響應實現(xiàn)實時訪問。

3.結論

本文研究了結構智能監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng),不僅為結構監(jiān)測系統(tǒng)的理論研究提供實驗平臺,還為結構監(jiān)測系統(tǒng)的推廣應用提供實踐依據(jù)。

參考文獻:

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