远程监测系统实验室平台的应用研究

摘要:本文在阐述结构远程监测系统的结构形式的基础上,对远程监测系统的实验室原型系统进行了设计,建立了由不同类型传感器、不同传输方式组成的远程分布式健康监测系统,为结构监测系统的理论研究提供实验平台。
关键词:远程监测;实验室;平台;硬件设备
the application research on the laboratory platform of long-distance monitoring system
ou yang he jia
information center; the children's hospital; chongqing medical university 400014
abstract: based on describing the form of structural remote monitoring system, the laboratory prototype of remote monitoring system is designed, and the distributed long-distance health monitoring system with different types of sensors and transmission forms is constructed which provides a laboratory platform for theoretical studies of structural monitoring system.
keywords: long-distance monitoring; laboratory; platform; hardware equipment
引言
随着计算机网络技术和通信技术的发展,特别是internet技术的发展,信息高速公路的开通,推动了远程诊断技术的产生与广泛应用。远程监测系统实际上是一个通过计算机网络或专用通信设备连接起来的一个分布式监测与集中型诊断系统,它可以同时将多个对象的监测数据集中到远程监测诊断中心进行统一管理、控制和诊断。远程传输从总体上来说有:c/s(client/server客户端/服务器)结构、b/s (browser/server浏览器/服务器)结构以及面向agent的corba技术[1]。
1. 远程监测系统的结构形式 [1]:文中阐述了远程监测系统中计算机网络或专用通信设备连接设备和技术;
远程监测系统基于集中式在线监测系统和分布式在线监测系统,采用若干台中心计算机作为损伤诊断服务器,在结构关键位置上建立状态观测点,通过在观测点上永久安装的传感器获取结构的实时状态信息,经过信号预处理、a/d 转换后输入本地监测计算机,然后对信号进行处理,实现连续实时地采集结构状态数据,而在技术力量较强的科研院所、大学建立远程分析诊断中心,为结构提供远程技术支持和保障,通过网络将观测点连接成一个复杂的监测网,任何一个监测系统都可以提出请求服务的要求,在异地的诊断服务中心接到请求服务的信息后,可以提供各种服务,并返回诊断结果。同时,远程服务中心也可以从网上直接获取目前各观测点的结构状态信号、历史数据以及本地诊断的结果,从而形成一个完整的监测系统。一旦出现本地系统不能处理的现象,可以在短时间内调动互连网内的所有诊断资源,实现对结构的早期损伤诊断和及时维修,使结构安全使用。
远程监测系统主要由作为监测对象的结构、传感检测子系统、实现在线监测的局域网子系统、internet和远程监测中心子系统组成,其系统功能结构如图1所示。
传感检测子系统的工作主要是由各种各样的传感器、变送器和采集设备完成,也称为数据采集子系统。
本地监测与损伤诊断子系统通过实时监测模块将各监测点采集处理单元采集的最底层结构对象实时工作状态信息写入状态检测数据库,并在屏幕上显示工程结构的实时可视化状况,对损伤状况进行预警。同时,若在本地无法识别损伤状况时,则向远程损伤诊断中心发出求救请求,将实时信息转换成能够被远程损伤诊断中心识别的信号并存储到数据库服务器,通过internet将信息传输到远程诊断中心,寻求诊断方案,将远程诊断的结果存储到数据库服务器,并更新本地监测显示[2]。

图1 远程监测系统功能结构

远程监测和损伤诊断中心主要由知识库、数据库、推理模块、知识库管理系统和机器学习模块组成。 推理模块是远程监测和损伤诊断系统的核心,主要完成由损伤现象寻找损伤原因、判断损伤程度和损伤类型的过程,采用模糊反向推理算法、神经网络算法或基于小波分析算法等实现多种有效的推理。知识库包括规则库、概念库和图形库是远程诊断系统的知识部分。随着结构健康监测系统的运行将可能出现原有的知识库中没有的新的状况,知识库管理和机器学习则不断地修正和更新知识库,从而完善原有的知识库。
随着监测对象向巨型化、复杂化发展,对监测系统需要布设的观测点越来越多,产生的中间数据和状况评估数据也越来越多,而且有些数据需要多次使用,这样,为了使数据能够充分共享,不产生冗余,应用数据库管理系统对数据进行规范化统一管理是必要的,在数据库管理系统中,将健康监测系统的数据类型进行分类管理,分别建立对应的数据库,如实时采集数据库、评估系统数据库、工程模型数据库、评估结果数据库等,可以将这些数据库集中在一台数据库服务器中。当监测系统很大时,也可以将这些数据库分布在网络的各个地方,形成分布式数据库,通过网络共享。分布式数据库是建立在客户机/服务器基础上的, 目前很多数据库系统都支持c/s 服务, 如sql server 2000、oracle、sybase、db2 等商业数据库软件。分布式数据库可以采用多层数据库技术来实现。
2.实验室原型系统设计
实验室原型试验平台就是应用于工程实践环节的中间平台。在实验室进行试验时经常会进行一些尝试性的试验,如果全部采用高灵敏度设备,试验的投入就要大大增加,为了节约成本,又能达到试验平台的功能目的,通常在试验平台系统中加入了简易设备系统,在满足要求的基础上达到最佳性价比。
2.1系统总体结构
通常而言,监测系统总结构由不同的子结构部分组成。以常见的结构监测为例,它的实验室试验平台主要由电源、激振器、传感器网络、数据采集和数据处理、数据存储和数据分析、试验结果和试验过程网络发布几个部分组成。为了加强仪器设备的管理,为分散独立的仪器设备设计了专门的机柜,它们通常为不间断电源ups的电池柜、数据采集系统柜、数据库服务器柜和web服务器柜[2][3]。
2.2 子系统功能
电源模块为试验平台各个组成部分提供电源,当试验过程突然断电时启动ups电源,保证试验的顺利完成。
数据采集系统柜为获取得到所需要监测数据的设备仪器系统,并解调为数字信号,存储到解调器的存储区,同时也可以将采集数据通过通信传输到数据库服务中心。
数据库服务器存储整个采集系统的数据、经过处理和计算的数据以及诊断分析结果。
web服务器主要是发布试验平台的相关信息,例如试验的整个过程和试验的分析结果。
2.3 试验平台网络结构
系统进行复杂的结构监测分析时,就需要安装足够的数据采集设备,在大量数据采集的情况下,如果将采集的数据集中到一台机器上收集和处理,就会出现瓶颈现象,使集中式处理机由于负载过重不仅不能将现场数据实时传输到处理中心,也容易使系统崩溃,因此,建议在试验平台中,采用了分布式数据采集和分布式数据处理与分析的构架,将电致采集的任务分配到多个工作站上,对监测数据采集分配在一个工作站上。
2.4 试验原型系统各子系统的实现
试验原型系统各子系统由模型实验台进行模拟，以结构监测实验平台为例，模型试验台包括两个放置结构试验物理模型的台面，一个方便移动试验模型的葫芦吊，两个激振器。以及两套与激振器相配套的功率放大器。
电源模块为试验平台各个组成部分提供电源，配有不间断电源，并对每个机柜采用独立空气开关控制，试验时可以自由配置试验资源。该系统包括动态信号测试系统所需的信号调理器、直流电压放大器、抗混滤波器、a/d转换器、缓冲存储器以及采样控制和计算机通讯的全部硬件，而且提供了充分考虑用户方便操作本系统所需的控制软件及分析软件，是以计算机为基础、智能化的动态信号测试分析系统。当该系统需要的采集通道或者是采集信号的类型不够时，可以进行扩展，扩展可以在本台计算机上进行，也可以将采集任务分布到多台计算机上，多台计算机之间可以通过以太网连接扩展的多台计算机。一台计算机可控制n个模块，每个模块m个通道，则每台计算机最多可控制128个通道，能满足多通道、高精度、高速动态信号的测量需求，多台计算机控制的系统可由同步采样时钟控制同步采样，通过以太网将各计算机系统相连接，由网络控制软件模块进行全系统的集中操作控制及数据的统一处理，从而构成多计算机并行同步数据采集系统。根据需要进行扩展后的系统可以对应变应力、压力、扭矩、荷重、温度、位移、速度和加速度等物理量进行自动、准确、可靠的动态测试和分析。
数据采集模块主要完成同步采样、前置放大、模数转换、数据存储和dds频率合成功能，模块具有1394接口和自定义并口接口扩展。采集模块的ad转换器为16位，瞬时采样频率从100hz到100khz可切换。连续采样的最高采样频率要根据系统所扩展的通道数而定，在应用中要注意最高采样频率的设置。
同时，在工程监测系统中，结构信号的采集和处理，也就是硬件是实现监测的前提条件，但是单由硬件不能构成一个完整的健康监测系统，和硬件系统同样重要的是软件系统，两者构成一个完整的监测系统，两者的性能都影响着整个系统的性能，所以软件设计的方法和功能对系统的整体性能有很大的影响。实验室试验平台的软件系统由数据采集和数据处理模块、外激励系统的数据采集和数据处理模块、结构监测和数据处理评估模块、网络发布模块四个模块组成。通过在已有硬件的基础上，将各软件模块集成为一个有机的整体，从而实现对工程结构运行状况的自动监测。
2.5 网络发布模块
不仅实验室成员可以查看试验平台监测试验的实时工作状况,还将试验模型的实时工作状态传送到局域网或internet上,其它用户可以通过web浏览方式访问实验室的试验情况。这项功能由数据库服务器和web服务器完成。试验平台开发了自身web服务器,可以将实验室的模型试验进行远程发布。
web的发布有两种方式,一种是与常用的网络发布一样,在web服务器设计过程中编写具体模型试验需要被访问的数据网页,该网页可以由多个有关联的网页组成,网页的数据来源于数据采集、分析处理、诊断分析和评估数据存放到数据库的数据。另一种方式就是应用美国国家仪器有限公司开发的在测量系统中应用广泛的开发平台labview软件平台,在该软件平台上开发的用户软件,可以通过该软件的一个特殊功能,将模型试验的整个过程发布到网络服务器上,这种网络发布方式还是需要构架实验室的web服务器,但是不需要编写很多网页,只要将被访问的软件模块在labview的环境中发布即可,其它可以通过用户软件的事件响应实现实时访问。
3.结论
本文研究了结构智能监测系统实验室试验平台各组成部分,建立了由不同类型传感器、不同传输方式组成的远程分布式健康监测系统,不仅为结构监测系统的理论研究提供实验平台,还为结构监测系统的推广应用提供实践依据。
参考文献:
[1] 李宏男 李东升. 土木工程结构安全性评估、健康监测诊断述评.