基于NI cRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)

作者：葉春明　吳華燈　郭德順　謝劍波　黃文輝
職務(wù)：高級(jí)工程師  工程師  工程師  高級(jí)工程師   高級(jí)工程師
                               單位：廣東省地震局

 
應(yīng)用領(lǐng)域：遠(yuǎn)程監(jiān)測/控制

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，國家在在21個(gè)國家地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)建設(shè)了1160個(gè)固定自由場強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)，在全國建設(shè)了活斷層影響、地震動(dòng)衰減、場地地形影響、大型橋梁、水庫大壩、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防震減災(zāi)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
我們國家經(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、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、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)長期地開展強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測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)測系統(tǒng)獨(dú)立工作。系統(tǒng)由地震觀測站點(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)。
3、強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建
多通道強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器采用NI cRIO數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊和電源模塊搭建而成。其中cRIO由嵌入式實(shí)時(shí)控制器cRIO 9014、cRIO背板cRIO 9104、模擬輸入模塊cRIO 9205、模擬輸出模塊cRIO 9263和高速數(shù)字IO模塊cRIO 9401構(gòu)成。如圖 2所示。
NI cRIO是一款高級(jí)嵌入式控制和采集系統(tǒng)，基于NI可重新配置I/O(RIO)技術(shù)。它不僅具備實(shí)時(shí)嵌入式處理器的低功率能耗功能，還兼有RIO FPGA芯片集的優(yōu)越性能。借助NI

CompactRIO，用戶可以快速、低成本、高度可靠地創(chuàng)建嵌入式控制或采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與自定義設(shè)計(jì)的硬件電路在優(yōu)化性能上相媲美。
4、強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)
4.1 采集終端的系統(tǒng)軟件架構(gòu)
    采集終端統(tǒng)一的系統(tǒng)軟件架構(gòu)可以使上位機(jī)能通過一致的接口與其交互命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)，方便用戶的使用。
整個(gè)數(shù)據(jù)采集終端的軟件由數(shù)據(jù)采集和通信兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集又分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)引擎、GPS時(shí)間引擎、數(shù)據(jù)壓縮封裝引擎、基于NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流協(xié)議傳輸引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和調(diào)試接口組成，如圖3所示。
4.2 采集終端的軟件實(shí)現(xiàn)
多通道強(qiáng)震數(shù)據(jù)采集器終端軟件主要采用LabVIEW 8.6開發(fā)，期間調(diào)用了C++語言開發(fā)的miniSEED地震數(shù)據(jù)包封裝的動(dòng)態(tài)連接庫。數(shù)據(jù)采集在FPGA和實(shí)時(shí)(RT)控制器上實(shí)現(xiàn)，集成了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)策略等極具挑戰(zhàn)性的功能。通信部分的接口中，由數(shù)據(jù)采集器直接將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流壓縮打包成miniSEED格式，并按照NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議，發(fā)送到遠(yuǎn)程的地震流服務(wù)器或上位機(jī)監(jiān)控分析軟件，如圖3所示。
1) 數(shù)據(jù)采集部分運(yùn)行在FPGA上，主要完成以下任務(wù)：
a) 通過鎖相環(huán)(PLL)與GPS秒脈沖(PPS)同步，并生成采樣時(shí)鐘和觸發(fā)邏輯。保證數(shù)據(jù)采集與GPS同步。時(shí)鐘的同步精度<1us，

這使得多個(gè)采集站間的數(shù)據(jù)同步成為可能。
b) 模擬數(shù)據(jù)通過采集模塊(AI)以24倍的過采樣率采集下來，再經(jīng)過一個(gè)24倍的數(shù)字降采樣濾波器(Down Sample)回復(fù)到正常采樣率，這樣可以更好的避免信號(hào)混疊，并提供更高的動(dòng)態(tài)范圍。
c) 在需要時(shí)使用AO輸出標(biāo)定信號(hào)，通過多路開關(guān)分配給傳感器以完成標(biāo)定。
2)數(shù)據(jù)記錄與傳送部分運(yùn)行在實(shí)時(shí)控制器(RT)上，主要完成以下任務(wù)：
a) GPS信號(hào)解析器(NMEA Parser)接收GPS信息，以提取當(dāng)前時(shí)間和經(jīng)緯度、高程等地理位置信息。
b) 觸發(fā)邏輯模塊通過處理采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)靈活有效的存儲(chǔ)觸發(fā)策略。

采集數(shù)據(jù)經(jīng)可選的觸發(fā)濾波器(IIR-A、CLASSIC STRONG MOTION和IIR-C)后進(jìn)行閾值判定或長時(shí)/短時(shí)均值比(LTA/STA)判定。這可以有效的消除噪聲的影響、改善記錄器的靈敏度。每個(gè)通道都有各自的權(quán)重，各通道判定的結(jié)果和內(nèi)、外觸發(fā)及網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)的加權(quán)組合決定了是否記錄數(shù)據(jù)。工作流程如圖4 、圖5 所示。用戶可以通過FTP網(wǎng)絡(luò)接口收集記錄的數(shù)據(jù)。
c) 數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)用miniSEED格式壓縮打包，并按照NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議，發(fā)送到遠(yuǎn)程的NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流服務(wù)器或上位機(jī)監(jiān)控分析軟件。
3)通信部分實(shí)現(xiàn)的接口
a) 數(shù)據(jù)接口(Data Interface) 用來將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

b) 控制接口(Control Interface)用于接收用戶的控制指令
c) 調(diào)試接口(Debug Interface)用來將程序運(yùn)行中的狀態(tài)信息和出錯(cuò)信息發(fā)送給調(diào)試終端。
4.3 上位機(jī)通信控制及分析軟件的實(shí)現(xiàn)
上位機(jī)通信控制及分析軟件主要由記錄儀設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析四大模塊組成，如圖 6所示。其中記錄儀設(shè)置包括常規(guī)、數(shù)據(jù)采集、通道、事件記錄信息的設(shè)置等；實(shí)時(shí)監(jiān)測包括波形的實(shí)時(shí)顯示、通道表示、本地記錄設(shè)置、本地記錄、遠(yuǎn)程記錄、標(biāo)定信號(hào)、站點(diǎn)信息、系統(tǒng)狀態(tài)、連接狀態(tài)、GPS捕獲狀態(tài)、秒脈沖鎖定狀態(tài)、強(qiáng)震告警、關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算及顯示等；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)回收及數(shù)據(jù)刪除、本地?cái)?shù)據(jù)的更新及刪除等。數(shù)據(jù)分析可以實(shí)

遠(yuǎn)程記錄、標(biāo)定信號(hào)、站點(diǎn)信息、系統(tǒng)狀態(tài)、連接狀態(tài)、GPS捕獲狀態(tài)、秒脈沖鎖定狀態(tài)、強(qiáng)震告
警、關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算及顯示等；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)回收及數(shù)據(jù)刪除、本地?cái)?shù)據(jù)的

更新及刪除等。數(shù)據(jù)分析可以實(shí)時(shí)或離線分析信號(hào)的時(shí)域指標(biāo)（最大值、最小值、峰峰值、RMS值、平均值等），又可對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行頻譜分析和時(shí)頻譜分析，計(jì)算出健康診斷和警報(bào)等關(guān)鍵參數(shù)信息。上位機(jī)程序由近100個(gè)子VI實(shí)現(xiàn)，圖7是實(shí)時(shí)監(jiān)測主界面，圖8是配置界面。

結(jié)論
借助NI公司功能強(qiáng)大、高效并且容易使用的圖形化編程語言LabVIEW，結(jié)合先進(jìn)的cRIO硬件平臺(tái)，我們?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)就搭建了多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警平臺(tái)，較快地實(shí)現(xiàn)了地震動(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)通信和儀器控制等復(fù)雜功能，大大縮短了程序的開發(fā)周期?！盎贜I cRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)”，達(dá)到了高動(dòng)態(tài)范圍、高計(jì)時(shí)精度、高頻譜純度和多通道的設(shè)計(jì)要求，并且結(jié)合了行業(yè)的應(yīng)用，采用了創(chuàng)新的方法，在NI的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的壓縮和基于NetSeisIP協(xié)議傳輸?？梢灶A(yù)見，在地震行業(yè)內(nèi)，利用NI產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)研發(fā)，將有廣闊的發(fā)展前景。