2019年11月25日 | 基于LabVIEW的桥梁运行状态长期

论述铁路桥梁运行状态长期监测系统的设计方法，介绍它的硬件组成、软件结构以及系统功能，本系统利用网络传感器、以太网技术和虚拟仪器技术，在LabVIEW平台上实现了现场数据的网络化远程传输、监控和数据查询。

1硬件系统组成

监测系统框图如图1所示，该系统的监测内容主要包括：上行线列车运行特征，上、

下行线过车时上、下行线各孔跨中的横向振动；上行线重点监测孔跨中的竖向、横向振动，竖向挠度、相关桥墩的横向振动、环境温度、钢轨温度、雨水情况等。各被测量经过相应的传感器就近接入各个数据采集站，各采集站的数据经本地交换机送入局域网传送至远程监控中心。

在本系统中，以Rabbit 3000微处理器为核心的各数据采集站是传感器技术与网络通信

技术相结合的结果，我们称之为网络化传感器，其结构图如图2所示。

网络传感器的关键部分采用美国Z?World公司的核心模块RCM3200，该模块使用新一代嵌

入式系统CPU——Rabbit 3000，它是8位高性能微处理器，其程序存储器中固化有当前流行

的Internet协议栈，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP等，而且集成有10/100BaseT以太网接口，这样网络传感器在进行数据采集或完成I/O控制任务的同时，可以完成Internet协议处理，实现与上位机之间信息的实时发布与共享。每个网络传感器有

自己的IP地址和端口号，在整个监测系统中，可以安装多个网络传感器，用交换机相连，组成以太网。

网络传感器实现了桥梁健康状态监测系统的完全数字化和网络化，使得测控网与信息网融为一体，而且还可以做到“即插即用”，非常方便于系统的扩充和维护。

在远程监控中心，有一个服务器，两台微机，其中一台用于远程现场数据的实时显示，另一台用于数据查询。在这里可以实时显示列车通过桥头和桥中时的时间、车速、轴数、轴距(根据这些参数再结合桥梁跨中挠度及轴重监测的结果，可大致推断出列车的编组情况、

车辆类型、载货情况(是否空车或空、重混编))、实时显示各采集量(如各孔桥梁竖向、横向振动位移，主梁跨中横向、竖向加速度、挠度，相关桥墩的横向振动位移，重点实验主梁下缘应力等)的时程曲线、最大值、超限报警等，列车通过后，所有数据入数据库保存。通过数据查询系统可对库存数据进行分析、对比、处理等工作，用户还可查询每次列车过桥时各种被测量的历史数据、曲线及其特征值。

2系统功能实现

在LabVIEW平台上建立远程监控系统，LabVIEW运用内嵌的TCP/IP网络通讯协议组通讯，通过TCP/IP结点使用服务器/客户机模式实现局域网通信。　　

下面主要介绍远程监控中心数据实时采集控制、显示、分析功能的实现方法：首先，系统启动桥头测速的TCP连接，监测是否有列车到达信号，如果有车到达则继续接收测速站的数据，直到列车轴数大于等于4之后(目的是剔除虚警，因车头轴数≥4)，启动第一组的TCP连接(若连接次数大于指定次数后，仍不能正确连接，则认为本组网络连接故障，退出本组数采，启动第二组TCP连接)，测速监测循环继续接收测速站发来的数据，直至列车通过桥头后，断开与测速站的TCP连接。每组数采循环采用两个TCP Read节点，第一个节点读出数据包长，第二个节点根据包长将数据全部读出，然后将数据按通道拆分后，将每通道上传的传感器测得的电压数据转换为相应的物理单位后送实时数据显示、极值统计并显示、检查是否超限，若超限则声光报警等。并对本组指定通道的振幅数据实时监测是否大于启动下组的启动阈值，若是则启动下组的TCP连接，开始下组的数采。这种前后组的振幅启动控制对货车比较适合，因为货车的振动幅值较大；但由于车头和客车的振动幅值较小，采用振幅启动方法只能降低振幅启动阈值，这样势必引起下组数据数采的提前TCP连接和采集，导致入库数据量增加，所以针对这种情况，增加了另一种数采控制方法，即速度启动：根据桥头测速站测到的列车速度和每组距桥头的距离推算列车到达每组的时间，当启动下组时间到或本组振幅大于启动下组的启动阈值时都可启动下一组的TCP连接，继而开始下一组的数采。

由于大桥长达3公里以上，所以列车在桥上行驶时存在加速和减速情况，仅用列车经过桥头

时的速度推算列车到各测站的时间是不够准确的，故在桥中增加了一个测速站，列车到达桥中时启动第五组的TCP连接和数采，由桥中列车速度和各测站与桥中的距离推算列车到达后面几组测站(6-9组)的时间和每组指定通道的振幅来启动下面一组的TCP连接和数采工作。

采集结束控制：在每组的数据采集过程中，监视指定通道(即指定孔)的振幅，若振幅小于本组的关闭阈值则延时若干时间后，关闭本组的数据采集；为加强采集控制的可靠性(由于传感器失灵可能导致列车通过该测点后振动幅度仍可能不减小、上下行会车等原因造成的振幅不减小情况，如果仅靠振幅控制结束采集势必造成采集时间过长，无用数据过多，增加数据存储的压力)，针对测速站测得的每趟车的轴数不同(货车100根轴以上，一般情况下车头和客车的轴数少于100)，每组采集时间分为两挡：货车3分钟，车头和客车1.5分钟，从启动本组数采开始计时，采集时间到也可关闭本组数据采集，断开本组TCP连接。和每组的启动条件类似，振幅关闭和时间关闭采用或逻辑，哪个条件先到达则那个条件起关闭本组数采的作用。

正常情况下，随着列车依次到达各测站，各站的TCP连接和采集工作依次启动，并随着列车

的通过而依次关闭数采和TCP连接，系统重新开始下一趟列车的监测过程。

由于本远程监测系统分布范围较大，监测点多，所用网络组件较多，任何部分出现故障都可能造成数采流程的不能正常结束，为此，在系统中增加了系统总清控制，即在桥头测速站测到列车到达后，启动系统总定时，当定时时间到达10分钟后，监控程序发出总清命令，结束各测站的数据采集，断开所有测站的TCP连接，系统重新进入初始监测状态(一般来讲，列车过桥时间不会超过10分钟)。系统基本工作流程图见图3。

图4为测速流程的框图程序，图5是从数据查询系统调出的某次列车经过时，部分桥梁横向振动波形。

由于在网络传感器中的Rabbit 3000使用了看门狗技术，远程测控软件也采用了软件滤波等多项抗干扰技术及自复位措施，使得系统运行具有很强的健壮性和可靠性。?

3结束语

本系统现已经在黄河大桥上运行将近半年，该系统的成功运行为桥工处的桥梁状态

实时远程监测、桥梁维护、故障预警、桥梁运行数据查询等管理工作提供了科学依据，

库存数据为桥梁学家研究桥梁振动理论提供了丰富的数据。本系统可应用于各种大型铁路桥梁、公路桥梁、水库大坝等的运行状态和健康状态的远程监测。