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

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

 
應用領域：遠程監(jiān)測/控制

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(diào)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(nèi)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(nèi)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。
3、強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)硬件平臺搭建
多通道強震動數(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由嵌入式實時控制器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構成。如圖 2所示。
NI cRIO是一款高級嵌入式控制和采集系統(tǒng)，基于NI可重新配置I/O(RIO)技術。它不僅具備實時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)可與自定義設計的硬件電路在優(yōu)化性能上相媲美。
4、強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)的軟件架構及其實現(xiàn)
4.1 采集終端的系統(tǒng)軟件架構
    采集終端統(tǒng)一的系統(tǒng)軟件架構可以使上位機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)存儲引擎、GPS時間引擎、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 采集終端的軟件實現(xiàn)
多通道強震數(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)包封裝的動態(tài)連接庫。數(shù)據(jù)采集在FPGA和實時(RT)控制器上實現(xiàn)，集成了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)采集器直接將實時數(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)送到遠程的地震流服務器或上位機監(jiān)控分析軟件，如圖3所示。
1) 數(shù)據(jù)采集部分運行在FPGA上，主要完成以下任務：
a) 通過鎖相環(huán)(PLL)與GPS秒脈沖(PPS)同步，并生成采樣時鐘和觸發(fā)邏輯。保證數(shù)據(jù)采集與GPS同步。時鐘的同步精度<1us，

這使得多個采集站間的數(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24倍的數(shù)字降采樣濾波器(Down Sample)回復到正常采樣率，這樣可以更好的避免信號混疊，并提供更高的動態(tài)范圍。
c) 在需要時使用AO輸出標定信號，通過多路開關分配給傳感器以完成標定。
2)數(shù)據(jù)記錄與傳送部分運行在實時控制器(RT)上，主要完成以下任務：
a) GPS信號解析器(NMEA Parser)接收GPS信息，以提取當前時間和經(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)實現(xiàn)靈活有效的存儲觸發(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)后進行閾值判定或長時/短時均值比(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。每個通道都有各自的權重，各通道判定的結果和內(nèi)、外觸發(fā)及網(wǎng)絡觸發(fā)的加權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)送到遠程的NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流服務器或上位機監(jiān)控分析軟件。
3)通信部分實現(xiàn)的接口
a) 數(shù)據(jù)接口(Data Interface) 用來將實時數(shù)據(jù)流發(fā)送到遠程數(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)用來將程序運行中的狀態(tài)信息和出錯信息發(fā)送給調(diào)試終端。
4.3 上位機通信控制及分析軟件的實現(xiàn)
上位機通信控制及分析軟件主要由記錄儀設置、實時監(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。其中記錄儀設置包括常規(guī)、數(shù)據(jù)采集、通道、事件記錄信息的設置等；實時監(jiān)測包括波形的實時顯示、通道表示、本地記錄設置、本地記錄、遠程記錄、標定信號、站點信息、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)、強震告警、關鍵參數(shù)實時計算及顯示等；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、本地數(shù)據(jù)的更新及刪除等。數(shù)據(jù)分析可以實

遠程記錄、標定信號、站點信息、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)、強震告
警、關鍵參數(shù)實時計算及顯示等；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、本地數(shù)據(jù)的

更新及刪除等。數(shù)據(jù)分析可以實時或離線分析信號的時域指標（最大值、最小值、峰峰值、RMS值、平均值等），又可對時域波形進行頻譜分析和時頻譜分析，計算出健康診斷和警報等關鍵參數(shù)信息。上位機程序由近100個子VI實現(xiàn)，圖7是實時監(jiān)測主界面，圖8是配置界面。

結論
借助NI公司功能強大、高效并且容易使用的圖形化編程語言LabVIEW，結合先進的cRIO硬件平臺，我們在很短的時間內(nèi)就搭建了多通道強震動監(jiān)測與報警平臺，較快地實現(xiàn)了地震動信號調(diào)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復雜功能，大大縮短了程序的開發(fā)周期?！盎贜I cRIO的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”，達到了高動態(tài)范圍、高計時精度、高頻譜純度和多通道的設計要求，并且結合了行業(yè)的應用，采用了創(chuàng)新的方法，在NI的平臺上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的壓縮和基于NetSeisIP協(xié)議傳輸?？梢灶A見，在地震行業(yè)內(nèi)，利用NI產(chǎn)品進行相關研發(fā)，將有廣闊的發(fā)展前景。