基于LabVIEW的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)開發(fā)

挑戰(zhàn)：系統(tǒng)在高動態(tài)范圍、高計時精度、高頻譜純度和多通道設計上，具有一定的難度；在FPGA上，GPS同步、數(shù)字降采樣、標定信號的多路轉換控制和多種復雜的觸發(fā)策略的實現(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)流的通信又是一個難點；在數(shù)據(jù)分析上，既可以分析信號的時域指標，又可進行頻譜分析和時頻譜分析并綜合數(shù)據(jù)處理結果進行強震動報警。

應用方案：利用NI公司的cRIO模塊和LabVIEW 8.6集成開發(fā)軟件快速構建軟硬件平臺，進行多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)地震動信號調理、數(shù)據(jù)采集、時鐘同步、數(shù)據(jù)壓縮傳輸、數(shù)據(jù)實時分析、數(shù)據(jù)離線分析、健康診斷、突發(fā)性震動破壞事件報警、網(wǎng)絡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專用臺陣的應用中，一方面將采集到的36通道震動信號，實時封裝成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)中心服務器，再由其它地震專業(yè)處理模塊進行互相關處理；另一方面，數(shù)據(jù)采集器作為Sever，監(jiān)聽數(shù)據(jù)中心上位機通信分析軟件的各項功能請求并作出相關響應，實現(xiàn)對大橋的強震動監(jiān)測與報警。

使用的產(chǎn)品：
LabVIEW 8.6軟件開發(fā)平臺
cRIO-9014嵌入式實時控制器
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，從國外整套進口的地震反應專用臺陣的數(shù)據(jù)采集設備，其性價比和功能已經(jīng)不能很好滿足國內的需要。通過多方選型，決定采用NI 的cRIO搭建硬件平臺，使用LabVIEW8.6自主進行多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)開發(fā)。
NI cRIO是一款高級嵌入式控制和采集系統(tǒng)，具有耐久較好、功耗較低等特點。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)存儲功能更為強大和專業(yè)，支持地震業(yè)界標準的文件格式，全面滿足地震信號處理與分析的專業(yè)要求。在NI平臺上實現(xiàn)的地震業(yè)界通用的數(shù)據(jù)交換格式miniSEED的實時打包，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的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”已經(jīng)在廣東虎門大橋的地震反應專用臺陣上投入使用，初見成效。

正文
1、項目背景
隨著我國經(jīng)濟建設步伐的加快，地震對社會和經(jīng)濟的影響更顯突出，建設高密度數(shù)字強震臺網(wǎng)、臺陣和系列配套軟硬件，已成為減輕地震災害的重要舉措，已受到政府高度重視?！笆濉逼陂g，國家在在21個國家地震重點監(jiān)視防御區(qū)內建設了1160個固定自由場強震動觀測臺，在全國建設了活斷層影響、地震動衰減、場地地形影響、大型橋梁、水庫大壩、典型建筑結構等12個地震反應專用臺陣，但是這方面的數(shù)據(jù)采集設備幾乎全部依靠整套進口，承受著昂貴的費用負擔和技術約束，在一定程度上制約了我國防震減災和社會經(jīng)濟的發(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(機場、港口、燃氣樞紐、供水管道、海洋平臺等)、超高層建筑(電視塔、商務中心等)和特殊結構(地鐵、新型橋梁、大壩、核電站等)，而這些工程的地震反應專用臺陣的布設甚少，工程建筑結構物的健康診斷和突發(fā)性震動破壞報警技術沒有得到深層次的發(fā)展與應用，遠遠跟不上社會經(jīng)濟發(fā)展的速度，滿足不了時代發(fā)展的需求。
我們非常迫切需要研制一套集振動信號檢測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與分析、工程建筑結構物的健康診斷和突發(fā)性震動破壞事件報警技術等功能于一體的“多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”。該系統(tǒng)的研制成功，將減輕費用的負擔，形成擁有自主知識產(chǎn)權的軟件產(chǎn)品，更好地滿足社會經(jīng)濟發(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構上，將獲取豐富的結構抗震性能信息、提高結構分析和設計水平，將能實時地對工程建筑結構物的健康進行診斷。特別是在遇到突發(fā)性震動破壞事件時，能對重大工程、生命線工程實行監(jiān)測報警，及時采取應急措施，進而減輕突發(fā)性破壞事件造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡。

“多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”，將能加速科技成果轉化、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構的抗震設防、健康診斷和破壞性震動事件預警提供更為準確和可靠的科學依據(jù)。
2、強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)組成
“基于NI cRIO的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”是針對重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結構遠程實時長期地開展強震動監(jiān)測和分析其健康狀況而設計的，能夠以分布式布設，也可以作為單一監(jiān)測系統(tǒng)獨立工作。系統(tǒng)由地震觀測站點、專線網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心三大部分構成，如圖 1所示。地震觀測站點則由數(shù)據(jù)采集器、加速度計、供電設備和防雷設施組成，主要進行數(shù)據(jù)采集和預處理。專線網(wǎng)絡提供了地震觀測站點到數(shù)據(jù)中心的通信鏈路，使數(shù)據(jù)實時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器、客戶端等設備。服務器加載了地震

數(shù)據(jù)流模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、交互分析模塊等，負責實時數(shù)據(jù)的接收與對外分發(fā)、數(shù)據(jù)的存儲和交互分析。此外，服務器上還安裝了上位機通信控制及分析軟件，以Client的方式主動連接遠程的數(shù)據(jù)采集器，啟動第二路實時數(shù)據(jù)流的接收和數(shù)據(jù)的實時顯示、實時處理、實時警報。