多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計研究

目前，從國外整套進口的地震反應(yīng)專用臺陣的數(shù)據(jù)采集設(shè)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。

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快，地震對社會和經(jīng)濟的影響更顯突出，建設(shè)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(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個國家地震重點監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)建設(shè)了1160個固定自由場強震動觀測臺，在全國建設(shè)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(jié)構(gòu)等12個地震反應(yīng)專用臺陣，但是這方面的數(shù)據(jù)采集設(shè)備幾乎全部依靠整套進口，承受著昂貴的費用負擔(dān)和技術(shù)約束，在一定程度上制約了我國防震減災(zāi)和社會經(jīng)濟的發(fā)展。

TheChallenge:

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(shè)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(zhuǎn)換控制和多種復(fù)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，需要時域指標分析、頻譜分析和聯(lián)合時頻譜分析等綜合分析處理并進行強震動報警。

TheSolutiON:

利用NI公司的cRIO模塊和LabVIEW8.6集成開發(fā)軟件快速構(gòu)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(luò)通信和儀器控制等功能。

“借助NIcRIO，我們低成本、短周期、高可靠地開發(fā)了地震數(shù)據(jù)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。”基于NIcRIO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(yīng)專用臺陣上投入使用，初見成效。”

1.強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)組成

“基于NIcRIO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(jié)構(gòu)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(shè)計的，既能夠以分布式布設(shè)，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(luò)和數(shù)據(jù)中心三大部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)組成

地震觀測站點中的數(shù)據(jù)采集器采用NIcRIO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cRIO9014、cRIO背板cRIO9104、模擬輸入模塊cRIO9205、模擬輸出模塊cRIO9263和高速數(shù)字IO模塊cRIO9401構(gòu)成。如圖2所示。

圖2多通道強震動數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及其實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集終端和上位機控制分析終端實現(xiàn)。

2.1采集終端的系統(tǒng)軟件架構(gòu)

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)采集在FPGA和實時控制器上實現(xiàn)，集成了GPS同步、數(shù)字降采樣、標定信號的多路轉(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(wù)器或上位機監(jiān)控分析軟件，如圖3所示。

圖3采集終端的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2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(shè)置、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析四大模塊組成。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；實時監(jiān)測包括波形的實時顯示、通道表示、本地記錄設(shè)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(guān)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，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(guān)鍵參數(shù)信息。

結(jié)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(jié)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(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。“基于NIcRIO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(shè)計要求，并且結(jié)合了行業(yè)的應(yīng)用，采用了創(chuàng)新的方法，在NI的平臺上實現(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)品進行相關(guān)研發(fā)，將有廣闊的發(fā)展前景。