基于LabVIEW的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)

挑戰(zhàn)：系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)范圍、高計(jì)時(shí)精度、高頻譜純度和多通道設(shè)計(jì)上，具有一定的難度；在FPGA上，GPS同步、數(shù)字降采樣、標(biāo)定信號(hào)的多路轉(zhuǎn)換控制和多種復(fù)雜的觸發(fā)策略的實(shí)現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性；在數(shù)據(jù)接口中， miniSEED地震數(shù)據(jù)包的封裝和基于NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信又是一個(gè)難點(diǎn)；在數(shù)據(jù)分析上，既可以分析信號(hào)的時(shí)域指標(biāo)，又可進(jìn)行頻譜分析和時(shí)頻譜分析并綜合數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)震動(dòng)報(bào)警。

應(yīng)用方案：利用NI公司的cRIO模塊和LabVIEW 8.6集成開發(fā)軟件快速構(gòu)建軟硬件平臺(tái)，進(jìn)行多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)地震動(dòng)信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)壓縮傳輸、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)離線分析、健康診斷、突發(fā)性震動(dòng)破壞事件報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)通信和儀器控制等功能。數(shù)據(jù)采集器的終端軟件采用Sever和Client兩種模式并行工作，在廣東虎門大橋的地震反應(yīng)專用臺(tái)陣的應(yīng)用中，一方面將采集到的36通道震動(dòng)信號(hào)，實(shí)時(shí)封裝成miniSEED地震數(shù)據(jù)包，以Client方式，按照NetSeisIP協(xié)議發(fā)送到路橋公司的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，再由其它地震專業(yè)處理模塊進(jìn)行互相關(guān)處理；另一方面，數(shù)據(jù)采集器作為Sever，監(jiān)聽數(shù)據(jù)中心上位機(jī)通信分析軟件的各項(xiàng)功能請(qǐng)求并作出相關(guān)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大橋的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警。

使用的產(chǎn)品：
LabVIEW 8.6軟件開發(fā)平臺(tái)
cRIO-9014嵌入式實(shí)時(shí)控制器
cRIO-9104 cRIO背板
cRIO-9205 模擬輸入模塊
cRIO-9263 模擬輸出模塊
cRIO-9401 高速數(shù)字IO模塊

介紹：
目前，從國(guó)外整套進(jìn)口的地震反應(yīng)專用臺(tái)陣的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其性價(jià)比和功能已經(jīng)不能很好滿足國(guó)內(nèi)的需要。通過多方選型，決定采用NI 的cRIO搭建硬件平臺(tái)，使用LabVIEW8.6自主進(jìn)行多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)。
NI cRIO是一款高級(jí)嵌入式控制和采集系統(tǒng)，具有耐久較好、功耗較低等特點(diǎn)。借助NI cRIO，我們低成本、短周期、高可靠地開發(fā)了采集系統(tǒng)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)觸發(fā)存儲(chǔ)功能更為強(qiáng)大和專業(yè)，支持地震業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，全面滿足地震信號(hào)處理與分析的專業(yè)要求。在NI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的地震業(yè)界通用的數(shù)據(jù)交換格式miniSEED的實(shí)時(shí)打包，并且基于NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，更具創(chuàng)新性。
“基于NI cRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)”已經(jīng)在廣東虎門大橋的地震反應(yīng)專用臺(tái)陣上投入使用，初見成效。

正文
1、項(xiàng)目背景
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，地震對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的影響更顯突出，建設(shè)高密度數(shù)字強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)、臺(tái)陣和系列配套軟硬件，已成為減輕地震災(zāi)害的重要舉措，已受到政府高度重視。“十五”期間，國(guó)家在在21個(gè)國(guó)家地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)建設(shè)了1160個(gè)固定自由場(chǎng)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)，在全國(guó)建設(shè)了活斷層影響、地震動(dòng)衰減、場(chǎng)地地形影響、大型橋梁、水庫(kù)大壩、典型建筑結(jié)構(gòu)等12個(gè)地震反應(yīng)專用臺(tái)陣，但是這方面的數(shù)據(jù)采集設(shè)備幾乎全部依靠整套進(jìn)口，承受著昂貴的費(fèi)用負(fù)擔(dān)和技術(shù)約束，在一定程度上制約了我國(guó)防震減災(zāi)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
我們國(guó)家經(jīng)過30年改革開放的飛速發(fā)展，修建了大量的重大工程、生命線工程(機(jī)場(chǎng)、港口、燃?xì)鈽屑~、供水管道、海洋平臺(tái)等)、超高層建筑(電視塔、商務(wù)中心等)和特殊結(jié)構(gòu)(地鐵、新型橋梁、大壩、核電站等)，而這些工程的地震反應(yīng)專用臺(tái)陣的布設(shè)甚少，工程建筑結(jié)構(gòu)物的健康診斷和突發(fā)性震動(dòng)破壞報(bào)警技術(shù)沒有得到深層次的發(fā)展與應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，滿足不了時(shí)代發(fā)展的需求。
我們非常迫切需要研制一套集振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與分析、工程建筑結(jié)構(gòu)物的健康診斷和突發(fā)性震動(dòng)破壞事件報(bào)警技術(shù)等功能于一體的“多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)”。該系統(tǒng)的研制成功，將減輕費(fèi)用的負(fù)擔(dān)，形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件產(chǎn)品，更好地滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。通過部署這套系統(tǒng)到重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結(jié)構(gòu)上，將獲取豐富的結(jié)構(gòu)抗震性能信息、提高結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)水平，將能實(shí)時(shí)地對(duì)工程建筑結(jié)構(gòu)物的健康進(jìn)行診斷。特別是在遇到突發(fā)性震動(dòng)破壞事件時(shí)，能對(duì)重大工程、生命線工程實(shí)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，及時(shí)采取應(yīng)急措施，進(jìn)而減輕突發(fā)性破壞事件造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡。

“多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)”，將能加速科技成果轉(zhuǎn)化、形成產(chǎn)業(yè)化，為全國(guó)的重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防、健康診斷和破壞性震動(dòng)事件預(yù)警提供更為準(zhǔn)確和可靠的科學(xué)依據(jù)。
2、強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)組成
“基于NI cRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)”是針對(duì)重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)長(zhǎng)期地開展強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析其健康狀況而設(shè)計(jì)的，能夠以分布式布設(shè)，也可以作為單一監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立工作。系統(tǒng)由地震觀測(cè)站點(diǎn)、專線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心三大部分構(gòu)成，如圖 1所示。地震觀測(cè)站點(diǎn)則由數(shù)據(jù)采集器、加速度計(jì)、供電設(shè)備和防雷設(shè)施組成，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理。專線網(wǎng)絡(luò)提供了地震觀測(cè)站點(diǎn)到數(shù)據(jù)中心的通信鏈路，使數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和交互通信有了便捷的途徑。數(shù)據(jù)中心主要部署了服務(wù)器、客戶端等設(shè)備。服務(wù)器加載了地震

數(shù)據(jù)流模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、交互分析模塊等，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收與對(duì)外分發(fā)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和交互分析。此外，服務(wù)器上還安裝了上位機(jī)通信控制及分析軟件，以Client的方式主動(dòng)連接遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集器，啟動(dòng)第二路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的接收和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)警報(bào)。