基于​CompactRIO​的​多​通道​强​震​监测​和​警报​系统​开发

吴​华​灯,​广东​省​地震局

“利用​强大、​高效​且​用户​友好​的​LabVIEW​图形​化​编​程​软件​和​先进​的​CompactRIO​硬件​平台,​我们​设计​了​一个​多​通道​强​震​监测​和​警报​平台。”

- 吴​华​灯,​广东​省​地震局

挑战:

设计​一个​具有​高​动态​范围、​高​定​时​精度​和​高​频​谱​纯度​的​多​通道​系统。

解决​方案:

利用​NI CompactRIO​平台​和​NI LabVIEW​软件​构​建​多​通道​强​震​监测​和​警报​系统,​实现​地震​信号​调理、​数据​采集、​时钟​同步、​数据​压缩​和​传输、​实​时​数据​分析、​离​线​数据​分析、​运行​状况​诊断、​突发​破坏​性​地震​事件​警报、​网络​通信​及​仪器​控制​等​功能。

作者:

吴​华​灯 - 广东​省​地震局
​叶​春明 - 广东​省​地震局

 

开发​地震​数据​采集​系统​给​工程​师​带来​了​许多​挑战,​比如​在​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)​上​实现​GPS​同步、​数字​降​采样、​信号​校准​的​多​路​复​用​控制​和​各种​复杂​的​触发​策略;​在​数据​接口​中​实现​MiniSEED​地震​数据​包​和​NetSeisIP​地震​数据​流​之间​的​通信;​以及​进行​所需​的​时​域​指数​分析、​频率​分析​和​联合​时​频​分析​(JTFA)。​此外,​我们​还​必须​构​建​强​震​警报。

 

利用CompactRIO,​我们​在​很短​的​时间​内​开发​了一​款​高度​可靠​的​低成本​地震​数据​采集​系统。​该​系统​具有​强大​的​专业​数据​触发​和​存储​功能,​可​支持​地震​监测​行业​使用​的​标准​文件​格式,​并​满足​地震​信号​处理​和​分析​的​专业​需求。​这​款​基于​CompactRIO​的​多​通道​强​震​监测​和​警报​系统​已经​成功​应用​于​中国​广东​虎​门​珠江​大​桥​的​地震​反应​专用​台​阵。

 

 

强​震​监测​和​警报​系统​的​构成

我们​设计​了​基于​CompactRIO​的​多​通道​强​震​监测​和​警报​系统,​用于​在​较​长​测试​周期​内​远程​实​时​监测​和​分析​重点​项目、​生命​线​工程、​高层​建筑​和​特殊​结构​的​结构​健康​状态​和​强​震​状态。​我们​可以​将​其​作为​一个​分布​式​系统​或​一个​单一​监测​系统​来​操作。

 

该​系统​由三​部分​组成:​地震​观测​台、​专线​网络​和​数据​中心​(图​1)。

 

 

通过​采用​CompactRIO​数据​采集​模​块、​GPS​模​块​和​电源​模​块,​我们​在​地震​观测​台​建立​了​数据​采集​器。​CompactRIO​系统​包括​NI cRIO-9014​嵌入式​实​时​控制器、​NI cRIO-9104​嵌入式​机​箱、​NI 9205​模拟​输入​模​块、​NI 9263​模拟​输出​模​块​和​NI 9401​高速​数字​I/​O (HSDIO)​模​块​(图​2)。

 

 

系统​软件​框架​的​设计

通过​数据​采集​终端​和​上位​机​的​控制​与​分析​终端,​可​查看​系统​软件​框架。​数据​采集​终端​的​所有​软件​均​由​两​部分​组成:​数据​采集​和​通信。​数据​采集​在​FPGA​和​实​时​控制器​上​实现,​因此​集成​了​一些​非常​具有​挑战​性的​功能,​如​GPS​同步、​数字​降​采样、​信号​校准​的​多​路​复​用​控制,​以及​各种​复杂​的​触发​动作。​在​通信​接口​中,​数据​采集​器​会​直接​压缩​实​时​数据​流,​将​数据​打包​成​MiniSEED​格式,​按照​NetSeisIP​地震​数据​流​的​通信​协议​将​其​发送​给​远程​地震​流​服务​器​或​上位​机​的​控制​和​分析​软件​(图​3)。

 

通信​控制​与​分析​软件

上位​机​的​通信​控制​和​分析​软件​由​四​个​主要​模​块​构成:​记录​仪​配置​模​块、​实​时​监测​模​块、​数据​管理​模​块​和​数据​分析​模​块。​记录​仪​配置​模​块​包括​常规​设置、​数据​采集​设置、​通道​设置​和​事件​记录​信息​设置。​实​时​监测​模​块​包括​实​时​显示、​通道​表示、​本地​记录​配置、​远程​记录、​校准​信号、​站​点​信息、​系统​状态、​连接​状态、​GPS​捕获​状态、​秒​脉冲​锁定​状态、​强​震​警报​及​关键​参数​实​时​计算​和​显示。​数据​管理​模​块​包括​数据​采集​器​中的​数据​回收​和​数据​消除,​以及​本地​数据​的​更新​和​消除。​数据​分析​模​块​可以​实​时​或​离​线​分析​信号​的​时​域​信息​(包括​最大值、​最小值、​峰值、​RMS​值​和​平均值),​并​对​波形​进行​频率​分析​或​JTFA,​从而​计算​出​系统​运行​状况​诊断​和​警报​状态​等​关键​参数。

 

 利用​强大、​高效​且​用户​友好的LabVIEW图形​化​编​程​软件​和​先进​的​CompactRIO​硬件​平台,​我们​设计​了​一个​多​通道​强​震​监测​和​警报​平台,​可以​实现​地震​信号​调理、​数据​采集、​时钟​同步、​数据​压缩​和​传输、​实​时​数据​分析、​离​线​分析、​系统​运行​状况​诊断、​突发​破坏​性​地震​事件​警报、​网络​通信​及​仪器​控制​等​复杂​功能,​大大​缩短​了​新​产品​的​开发​周期。

 

基于​CompactRIO​的​多​通道​强​震​监测​和​警报​系统​满足​了​高​动态​范围、​高​定​时​精度、​高​频​谱​纯度、​多​通道​和​实现​数据​压缩​的​设计​要求。​此​创新​系统​采用​了​NI​平台​和​基于​NetSeisIP​协议​的​传输。​未来,​我们​计划​在​地震​监测​行业​的​类似​研发​项目​中​使用​NI​产品。

 

要​了解​关于​此​案例​分析​的​更多​信息,​请​联系:

吴​华灯
​中国​广州市
​先烈​中路​81​号​大院​1号
​广东​省​地震​局,​邮​编:​510070
​电话:​020-87684701
​电子​邮箱:gddsn_whd@yahoo.com.cn

图​1. ​ ​强​震​监测​和​警报​系统​的​构成 ​
图​2. ​ ​多​通道​强​震​数据​采集​器​的​内部​结构 ​
图​3. ​ ​采集​终端​的​系统​软件​框架​程序​框​图 ​