多通道强震动监测与报警系统的设计研究

　　NI cRIO是一款高级嵌入式控制和采集系统，具有耐久较好、功耗较低等特点。借助NI cRIO，我们低成本、短周期、高可靠地开发了采集系统。系统中的数据触发存储功能更为强大和专业，支持地震业界标准的文件格式，全面满足地震信号处理与分析的专业要求。在NI平台上实现的地震业界通用的数据交换格式miniSEED的实时打包，并且基于NetSeisIP地震数据流的通信协议传输数据，更具创新性。 

　　随着我国经济建设步伐的加快，地震对社会和经济的影响更显突出，建设高密度数字强震台网、台阵和系列配套软硬件，已成为减轻地震灾害的重要举措，已受到政府高度重视。国家在在21个国家地震重点监视防御区内建设了1160个固定自由场强震动观测台，在全国建设了活断层影响、地震动衰减、场地地形影响、大型桥梁、水库大坝、典型建筑结构等12个地震反应专用台阵，但是这方面的数据采集设备几乎全部依靠整套进口，承受着昂贵的费用负担和技术约束，在一定程度上制约了我国防震减灾和社会经济的发展。

　　TheChallenge:

　　系统在高动态范围、高计时精度、高频谱纯度和多通道设计上，具有一定的难度。在FPGA上，GPS同步、数字降采样、标定信号的多路转换控制和多种复杂的触发策略的实现极具挑战性；在数据接口中，miniSEED地震数据包的封装和基于NetSeisIP地震数据流的通信又是一个难点。在数据分析上，需要时域指标分析、频谱分析和联合时频谱分析等综合分析处理并进行强震动报警。

　　TheSolution:

　　利用NI公司的cRIO模块和LabVIEW8.6集成开发软件快速构建软硬件平台，进行多通道强震动监测与报警系统开发，实现地震动信号调理、数据采集、时钟同步、数据压缩传输、数据实时分析、数据离线分析、健康诊断、突发性震动破坏事件报警、网络通信和仪器控制等功能。

　　“借助NIcRIO，我们低成本、短周期、高可靠地开发了地震数据采集系统。系统中的数据触发存储功能更为强大和专业，支持地震业界标准的文件格式，全面满足地震信号处理与分析的专业要求。”基于NIcRIO的多通道强震动监测与报警系统“已经在广东虎门大桥的地震反应专用台阵上投入使用，初见成效。”

　　1.强震动监测与报警系统组成

　　“基于NIcRIO的多通道强震动监测与报警系统”是针对重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构远程实时长期地开展强震动监测和分析其健康状况而设计的，既能够以分布式布设，也可以作为单一监测系统独立工作。系统由地震观测站点、专线网络和数据中心三大部分构成，如图1所示。 

　　图1强震动监测与报警系统组成

　　地震观测站点中的数据采集器采用NIcRIO数据采集模块、GPS模块和电源模块搭建而成。其中cRIO由嵌入式实时控制器cRIO9014、cRIO背板cRIO9104、模拟输入模块cRIO9205、模拟输出模块cRIO9263和高速数字IO模块cRIO9401构成。如图2所示。 

　　图2多通道强震动数据采集器内部结构

　　2、强震动监测与报警系统的软件架构及其实现

　　系统软件架构由数据采集终端和上位机控制分析终端实现。

　　2.1采集终端的系统软件架构

　　整个数据采集终端的软件由数据采集和通信两大部分组成。数据采集在FPGA和实时控制器上实现，集成了GPS同步、数字降采样、标定信号的多路转换控制和多种复杂的触发策略等极具挑战性的功能。通信部分的接口中，由数据采集器直接将实时数据流压缩打包成miniSEED格式，并按照NetSeisIP地震数据流的通信协议，发送到远程的地震流服务器或上位机监控分析软件，如图3所示。 

　　图3采集终端的系统软件结构框图

　　2.2上位机通信控制及分析软件的实现

　　上位机通信控制及分析软件主要由记录仪设置、实时监测、数据管理、数据分析四大模块组成。其中记录仪设置包括常规、数据采集、通道、事件记录信息的设置等；实时监测包括波形的实时显示、通道表示、本地记录设置、本地记录、远程记录、标定信号、站点信息、系统状态、连接状态、GPS捕获状态、秒脉冲锁定状态、强震告警、关键参数实时计算及显示等；数据管理包括数据采集器的数据回收及数据删除、本地数据的更新及删除等。数据分析可以实时或离线分析信号的时域指标，又可对时域波形进行频谱分析和时频谱分析，计算出健康诊断和警报等关键参数信息。

　　结论

　　借助NI公司功能强大、高效并且容易使用的图形化编程语言LabVIEW，结合先进的cRIO硬件平台，我们在很短的时间内就搭建了多通道强震动监测与报警平台，较快地实现了地震动信号调理、数据采集、时钟同步、数据压缩传输、数据实时分析、数据离线分析、健康诊断、突发性震动破坏事件报警、网络通信和仪器控制等复杂功能，大大缩短了程序的开发周期。“基于NIcRIO的多通道强震动监测与报警系统”，达到了高动态范围、高计时精度、高频谱纯度和多通道的设计要求，并且结合了行业的应用，采用了创新的方法，在NI的平台上实现了数据的压缩和基于NetSeisIP协议传输。可以预见，在地震行业内，利用NI产品进行相关研发，将有广阔的发展前景。