基于LabVIEW的大坝健康监测系统设计与实现毕业设计论文.docx
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基于LabVIEW的大坝健康监测系统设计与实现毕业设计论文
常州信息职业技术学院
学生毕业设计（论文）报告
系别：
电子与电气工程学院
专业：
电气自动化技术
班号：
电气104
设计（论文）题目：
基于LabVIEW的大坝健康监测系统设计与实现
设计地点：
常州安速诺自控设备有限公司
毕业设计（论文）任务书
专业电气自动化技术班级电气104姓名郑泽群
实践单位名称：
常州安速诺自控设备有限公司实践岗位名称：
LabVIEW助理工程师
岗位职责：
协助工程师开发上位机程序，编写程序说明文档。
岗位能力要求：
熟练使用LabVIEW软件，熟悉数据库应用，熟悉LabVIEW基本框架结构。
一、课题名称：
基于LabVIEW的大坝健康监测系统设计与实现
二、主要技术指标（或基本要求）：
应用LabVIEW软件平台作为上位机，应用倾斜仪传感器采集坝体变形数据，应用DA10R数据采集模块实现数据采集并实现数据的信号调理和A/D转换，485/232转换模块传输数据给PC机。
三、主要工作内容：
本系统建立在LabVIEW平台上，主要采用了两种通信模式。
大坝的变形状况通过倾斜仪监测将测量的数据传给DA10R数据模块，由DA10R模块实现数据的信号调理和A/D转换。
最后由LabVIEW软件处理数据，实现对大坝现场数据的分析、显示、监测和预警。
四、主要参考文献：
[l]陈文燕,朱林,王文韬.大坝安全监测的现状与发展趋势[J],电力环境保护,2009,25（6）:
38-42.
[5]王定远,胡吉朝,李媛.基于MScomm32和LabVIEW的串口通信技术[J],国外电子测量技术,2006,25（4）.
[7]姜志廷.WinsockActiveX控件在网络程序中的应用[J],赤峰学院学报（自然科学版）,2007,23
（1）75-76.
[13]李文涛.LabVIEW数据库访问技术的实现及应用[J],工矿自动化期刊,2012.3（3）.
[14]秦益霖,李晴.虚拟仪器应用技术项目教程[M],中国铁道出版社,2010.6.
[15]阮奇帧.我和LabVIEW[M],北京航空航天大学出版社,2009.9.
学生（签名）年月日
指导教师（签名）年月日
教研室主任（签名）年月日
系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
基于LabVIEW的大坝健康监测系统设计与实现
一、选题的背景和意义：
大坝坝体的变形监测工作是获取大坝健康信息的最直接、最重要的方式之一,因此,对变形监测资料的深入分析工作,不仅仅是相关规范的要求,更是人们认清大坝变形规律、发现大坝安全隐患的重要信息来源之一,并为后续监测工作提供指导意义。
二、课题研究的主要内容：
◆主程序采用生产者与消费者架构，程序采用模块化设计，方便移植和再次开发；
◆主界面采用个性化定制，操作简单，交互友好；
◆硬件采用倾斜仪对坝体的变形程度进行监测，采用数据适配器对采集的数据进行管理和保存；
◆通过串口通信技术实现对下位机数据采集；
◆作品重点考虑了安全防范报警设计，可实现报警位置定位、用户密码登录等功能；
三、主要研究（设计）方法论述：
通过查资料了解LabVIEW软件串口应用。
了解LabVIEW软件中图表函数、生产者与消费者架构、子函数的生成与调用、自定义控件、函数和控件的属性应用，DA10R数据采集模块的原理，485/232转换模块的数据传输原理。
硬件平台串口通信的搭建，如下图：
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止日期）
工作内容
2012-12-25--------2013-1-6
选择课题名称
2013-1-7-----------2013-1-15
查阅文献、收集资料
2013-1-16---------2013-2-31
系统框架设计、硬件原理学习
2013-2-1-----------2013-2-15
软件仿真程序设计
2013-2-15----------2013-3-1
串口通信程序学习与编辑
2013-3-2-----------2013-4-10
硬件实时程序设计
2013-4-11----------2013-4-25
主程序设计
2013-4-26----------2013-5-10
程序优化和调试、程序包装和美化
2013-5-11----------2013-6-9
毕业设计报告撰写与答辩
五、指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
六、系部意见：
系主任签名：
年月日
基于LabVIEW的大坝健康监测系统设计与实现
摘要
随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向，采用虚拟仪器实现建筑工程的变形、渗漏、内部、环境量等的监测与分析也成为建筑工程安全监测的发展趋势。
建筑工程包括如大坝、桥梁、路面、摩天大楼等等，监测的方面也非常之多，为了解决建筑工程安全监测问题，不仅仅需要有精确的监测数据，还需要有非常及时的数据时效性。
单从大坝健康监测来说，由于大坝现场的环境复杂以及工程规模比较庞大。
因此，在大坝现场的健康测试中，迫切需要低成本、高精度、高时效,同时能够实现远程智能的监控系统。
为此，本课题研究开发了以PC为硬件平台、以美国国家仪器（NI）公司开发的LabVIEW软件为开发平台，配备必须的传感器、远程通信设备组成的大坝健康监测系统。
采用虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW组建的大坝健康监测系统，不仅可以减少监测过程中硬件设备的使用，同时能够让监测画面更美观与操作方便，大大降低成本和提升操作系统价值。
关键词：
远程监测；大坝健康；LabVIEW
Abstract
Withthedevelopmentofcomputerandsoftware,virtualinstrumenthasbecomethedevelopingdirectionofthefieldtest,monitoringandanalysisoftherealizationofvirtualinstrumentengineeringdeformation,seepage,internal,environmentalcapacityhasbecomethedevelopmenttrendofsafetymonitoringinconstructionengineering.
Constructionengineeringsuchasdam,bridge,road,skyscrapersandsoon,monitoringisalsoverymuch,inordertosolvetheproblemofsafetymonitoringofbuildingengineering,notonlyneedtohavemonitoringdataaccurate,alsoneedtohavedatatimelinessverytimely.Fromthedamhealthmonitoring,thedamsiteenvironmentiscomplicatedandhugeengineeringscale.Thereforehealthytestinginthedamsite,urgentneedforlowcost,highprecision,highefficiency,andcanrealizeremoteintelligentmonitoringsystem.
Therefore,theresearchanddevelopmentbasedonPCashardwareplatform,withtheUnitedStatesNationalInstruments（NI）companydevelopedtheLabVIEWsoftwareasadevelopmentplatform,thedamhealthymonitoringsystemcomposedofsensors,mustbeequippedwithremotecommunicationequipment.ThedamhealthymonitoringsystemofvirtualinstrumentgraphicalprogramminglanguageLabVIEWestablished,notonlycanreducetheuseofhardwareequipmentintheprocessofmonitoring,atthesametimecanmakethemonitoringpictureismorebeautifulandconvenientinoperation,greatlyreducethecostandimprovetheoperatingsystemvalue.
Keywords:
Remotemonitoring；Damhealthy；LabVIEW
第1章前言
中国的大坝的数量居世界首位，但是，这些大坝经持续渗流、溶蚀、冲刷、动融等有害作用，还有可能受到超标准的洪水和大地震的破坏，筑坝材料的老化，大坝承受水压力、渗压力等巨大载荷的能力不断降低，一些大坝的病险情况较为严重，难以保证大坝的健康运行，影响了大坝综合效益的发挥，也严重威胁着人民生命财产安全。
为了确保大坝的健康运行，充分发挥水利水电工程的预期效益，对大坝实施健康监测和科学管理，已成为一个迫切需要解决的重大问题。
大坝健康监测范围，包括坝体、坝基、坝肩，以及对大坝健康有重大影响的近坝区岸坡和其它与大坝健康有直接关系的建筑物和设备，一般大坝健康监测系统，包括变形监测、渗漏监测、内部监测、环境量监测等。
大坝坝体的变形监测工作是获取大坝安全信息的最直接、最重要的方式之一，因此，对变形监测数据的深入分析工作，不仅仅是相关规范的要求，更是人们认清大坝变形规律、发现大坝安全隐患的重要信息来源之一，并为后续监测工作提供指导意义。
本系统建立在LabVIEW平台上，主要通过串口通信和GPRS无线通信两种通信模式，实现对大坝现场传感器数据的采集。
通过对数据的分析和显示，查看坝体表面变形（表面沉降，横向、纵向水平位移）、内部变形（深层沉降，横向、纵向水平位移）等数据，实现监测、预警等功能。
串口通信模式，主要用于大坝现场的数据采集、分析，适于近距离的数据传输；GPRS无线通信模式则适于远距离、无线数据采集、分析。
此外本系统还设置了在线定时、脱机采集、软件仿真等模块，可以实现“无人监测”、“远距离监测”，实现大坝健康监测系统的网络化、智能化。
第2章大坝健康监测的现状及趋势
众所周知，大坝是调控水资源时空分布、优化水资源配置的重要工程措施，也是江河防洪工程体系的重要组成部分。
随着世界各国水利、水电事业的发展，水库大坝的安全问题也越来越突出。
据水利部2008年统计，我国大中型水库大坝健康达标率仅为64.1%，病险率约占36%，其中大中型水库的病险率接近30%，小型水库的病险率则更高。
因此，大坝健康监测受到了高度的关注和重视。
2.1大坝健康监测的基本介绍
2.1.1影响大坝健康的因素
据国际大坝会议“关于水坝和水库恶化”小组委员会记录了1100座大坝失事实例，从1950年至1975年大坝失事的概率和成因分析得出大坝失事的频率和成因，见下表2-1：
表2-1大坝失事成因及概率
导致大坝失事的原因很多，涉及范围也很广，但大致可以分成三类：
第一类是由于设计、施工阶段的缺陷和隐患所引起，一旦大坝建成就已确定，如设计洪水位偏低、混凝土标号过低、未充分考虑地震荷载等；第二类是运行、管理过程中逐步形成的，有一个从量变到质变的发展过程，如冲刷、侵蚀、混凝土老化、金属结构锈蚀等；第三类是上述两类的混合情况，即设计、施工的不完善在运行中得不到修正，随着时间的推移和运行管理的不力，使设计、施工中的隐患在复杂的运行环境下发展为破坏。
2.1.2大坝健康监测的内涵和意义
大坝健康监测是人们了解大坝运行状态和安全状况的有效手段和方法。
监测工作包括现场巡检和采用仪器设备进行数据采集和分析判断大坝的安全性能。
健康监测的目的在于保障大坝安全、高效运行。
大坝健康监测的意义在于：
（1）有助于认识各种观测量的变化规律和成因机理，确保大坝安全。
（2）有助于检验大坝设计和施工状况。
（3）能为大坝除险加固设计和大坝调度维修保养提供依据。
（4）能为水利科学实验研究提供宝贵的原型观测资料，推动大坝工程理论的发展。
2.2大坝健康的现状及趋势
20世纪以来，相继发生了美国Teton土石坝、法国Malpasset拱坝、意大利Vajaut拱坝、我国板桥和石漫滩等水库的跨坝事件，给相关的国家带来了惨重的灾害和巨大的经济损失，引起了人们对大坝健康监测的高度重视。
20世纪70年代后期，随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的发展，大坝健康监测技术及相关研究也得到了迅速的发展；80年代末至90年代初，大坝健康自动化监测技术有了实质性的发展，并趋于成熟化和实用化。
我国大坝健康监测工作起步相对较晚，开始于20世纪50年代；到80年代，总体水平有了很大提高，实现了自动化遥测；90年代后大坝健康监测技术发展较快，许多水库和水电站都完成了自动化监测系统的安装和改造。
大坝健康监测的主要项目有变形监测、渗流监测、应力应变监测、温度监测和大坝周围环境监测等。
由于变形监测能直观地反映大坝运行性态，许多大坝性态出现异常，最初都是通过变形监测值出现异常得到反映的，因此变形监测项目列为大坝健康监测的首选监测项目。
2.2.1大坝健康监测中的自动化技术应用
随着科学技术的不断进步以及大坝健康监测研究的不断深入，大坝监测的自动化技术得到了很快的发展，见下表2-2：
表2-2大坝健康监测发展历程
（1）光纤传感技术
光导纤维是以不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的一种新型纤维。
它使光线的传播以全反射的形式进行，能将光和图像曲折传递到所需要的任意空间。
光纤传感技术是以激光作载波，光导纤维作传输路径来感应、传输各种信息。
凡是电子仪器能测量的物理量，它几乎都能测量，如位移、压力、流量、液面、温度等。
20世纪80年代中、后期，国外开始了将其应用于测量领域的理论研究，美国、德国、加拿大、奥地利、日本等国已将其应用于裂缝、应力、应变、振动等方面的观测。
国内从1990年开始在应用理论研究上有了较快发展，针对大坝监测研究的几种光纤传感系统已获得专利权。
该技术适用于坝体的温度、裂缝、应力变、水平及垂直位移的测量，监测关键部位的坝体形变。
尤其可以替代高雷区、强磁场区或潮湿地带的电子仪器。
随着在工程应用中的不断改进，光纤传感技术在大坝监测以至其他土木工程中将得到更加广泛的应用。
（2）CT（ComputerizedTopography，计算机层析成像）技术
CT指在不破坏物体结构的前提下，根据在物体周边所获取的某种物理量（如波速、X射线光强）的1D投影数据，运用一定的数学方法，通过计算机处理，重建物体特定层面上的2D图像以及依据一系列上述2D图像而构成3D图像的技术。
最初应用于医学领域，随后意大利、日本先后将CT技术用于大坝性态诊断，有效地进行了大坝安全检查及工程处理效果验证。
通过大坝CT技术的应用，可以掌握坝址地质构造，推测断层破碎带分布、范围和程度等。
CT技术在坝体的选址、施工和运营期间可以发挥重大作用，既减少了仪器设备的复杂性，又提高了大坝的安全程度。
（3）激光技术
近年来,激光技术作为一种简便、高效的测量方式成功地用于大坝坝体和廊道监测。
它提高了探测的灵敏度范围，减少了作业条件限制，克服了一定的外界干扰。
较为典型的如西安交通大学开发的新型激光大坝安全监测方法，该方法是在大坝的坝肩基点设置一准直激光，射向大坝的各个坝段，在每一个坝段安装一套与坝段固定成一体的密封管道式可控检测系统。
测量时，光斑偏离检测系统中的毛玻璃中心，说明坝段发生偏移。
通过数学模型运算可测定大坝的变形量，对于较长的大坝，还可分段使用该系统，整个系统还能实现激光准直的自校验，保证大坝变形自动化监测高精度要求，并且在保证监测精度的前提下，解决了长距离监测，特别是800m以上大坝监测的技术难题。
（4）非连续形变分析（DDA）法
DDA法是由美籍华人科学家石耿华提出的。
该法可以计算模型中具有多条断裂的情况，以重积分计算法从理论上解决了复杂模型受力后的形变计算。
但因计算过于繁琐，模型中断裂的设置又不能一次成功，计算方案需要不断修改，故很难在实际应用中推广。
陈光齐研制的TDDA（ToolofDDA），以数值计算方法，利用逐次迭代，不断调整模型,使计算结果与观测数据达到基本相符时迭代终止，解决了这个难题。
将TDDA法应用于大坝监测，对大坝安全性研究有很大的改进。
将TDDA的数据分析编制为计算机软件，建立数据库与多媒体系统，对加强大坝安全评估专家系统的开发、研究，实现监测系统的一体化有着重大意义。
（5）GPS变形监测技术
全球定位系统GPS是美国国防部研制组建的新一代精密卫星导航定位系统，用于测定全球目标的空间三维坐标和授时。
GPS具有速度快、精度高、全天候等优点，除在飞行器导航成功应用外，还在大地测量、精密工程测量、地壳形变监测等领域得到成功应用。
GPS大坝变形监测主要用于测定水平位移、垂直位移（沉陷）。
通常在大坝两岸不受坝体变形影响的地方设置GPS基准站（通过国家精密大地控制网和天文水准测定并转换为WGSO84参考坐标下），在大坝上合理布置几个位移观测点,然后在各点架设GPS接受机进行接受GPS卫星信号，通过传输网络把各点的GPS数据送到中心服务器结合基准站已知的坐标进行GPS网平差，得出位移观测点的空间三维坐标，两历元（周期）的空间三维坐标之差就是大坝相对水平位移、垂直位移（沉陷）。
综上所述，大坝安全监测技术已由传统监测技术转向多学科相融合的自动化监测技术，自动化、数字化、专家评判结构一体化和效益化是大坝安全监测发展的必然方向。
2.2.2大坝健康监测的趋势
（1）多天线GPS大坝变形自动监测系统
GPS技术在大坝变形监测应用中，需在每一个变形观测点和大坝两岸GPS基准站上各安置1台永久GPS接收机，造成GPS硬件设备的购置费用非常高，从而限制了GPS技术在大坝变形监测应的应用。
文献《多天线GPS自动变形监测系统》研制成功了1个GPS多天线转换开关，将多个GPS天线与1台GPS接收机相连接，通过该开关的逐个切换，分时接受各个观测点的GPS天线信号并将该信号传输到GPS数据处理中心进行多历元、多测站、多卫星的GPS网平差。
考虑到监测系统的安全性和可靠性，较为合理的方案是大坝两岸GPS基准站上各安置1台永久GPS接收机，坝体所有变形观测点安置1台多天线GPS接收机系统。
（2）多种卫星导航定位系统组合的大坝变形自动监测系统
GPS是由美国国防部研制和管理，其定位精度受到美国军方的人为控制和干扰，从而限制了GPS技术在大坝变形监测中的应用。
文献《GPS与GLONASS组合测量及变形监测数据处理研究》采用美国GPS与俄罗斯GLONASS卫星导航定位系统组合成功的进行了变形监测，但后者由俄罗斯军方研制和管理。
我国现已成功的开发和应用北斗卫星导航定位系统并且加入了欧洲民用GALILEO卫星导航定位系统计划，因此以GPS为基础，联合GLONASS、北斗卫星导航定位系统、GALILEO等多种卫星导航定位系统是提高和保证大坝变形自动监测系统安全和精度的主要措施之一。
（3）多传感器智能数据融合的大坝变形自动监测系统
为了大坝工作的安全，通常采用的变形监测系统既有电感、电容、电阻等电气式传感器，还有光纤传感器的综合应用，并且可加入全站仪、GPS接收机（全站仪、GPS接收机可以认为是测量空间坐标的传感器）。
这些传感器接受的数据有相关或不相关、冗余、相容或不相容、量大等特点，如何有效处理这些数据是现在必须考虑的问题。
可喜的是，人工智能、专家系统、数据融合、小波分析和神经网络等数据处理技术的发展，能够较好地解决这些问题。
将这些新的数据处理技术应用到大坝变形监测系统，就是多传感器智能数据融合的大坝变形自动监测系统。
第3章虚拟仪器技术与LabVIEW
3.1虚拟仪器技术
虚拟仪器技术首先由NI（NationalInstruments）公司提出，它是以计算机软、硬件技术为核心，以自动控制技术、传感器技术、现代通信处理技术、现代网络技术、数值分析技术为支撑，以各专业学科为应用背景的现代测试技术。
3.1.1虚拟仪器技术组成
虚拟仪器技术主要由三大部分组成：
高效软件、模块化I/0硬件以及用于集成的软/硬件同步平台。
图3-1虚拟仪器技术组成
一个典型的虚拟仪器系统通常由以下几个部分组成：
被测单元、信号调理设备、各类采集板卡以及计算机软/硬件平台等。
图3-2虚拟仪器系统的组成
3.1.2虚拟仪器的分类
虚拟仪器随着计算机的发展和采用总线方式的不同，大致可分为七种类型：
（1）PC总线——插卡型虚拟仪器
这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合。
LabVIEW/CVI是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言VisualC++,VisualBasic,Labviews/cvi构成测试系统。
它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。
（2）并行口式虚拟仪器
新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。
仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。
（3）GPIB总线方式的虚拟仪器
GPIB技术的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由PC机、GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。
在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。
GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。
GPIB测量系统的结构和命令简单。
（4）VXI总线方式虚拟仪器
VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。
由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。
经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。
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