喻 言，孟元栋，焦 栋，李志瑞，王 洁，张传杰，欧进萍

（1.大连理工大学 电子科学与技术学院，辽宁 大连116024；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；3.大连理工大学 软件学院，辽宁 大连116024；4.大连理工大学 电子信息与电气工程学部，辽宁 大连116024；5.大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连116024）

0 引 言

用于海洋油气资源开发的大型海洋平台结构，其使用期可达几十年、上百年，环境的侵蚀、材料的老化和荷载长期作用、损伤疲劳效应等灾害因素的耦合作用将导致结构和系统的损伤不断积累和抗力逐渐衰减，从而使其抵御自然灾害、甚至在正常工况中的服役能力下降，极端情况引发灾难性事故。必须对结构的工作状态和健康状况做出及时的检测和正确的评价，否则将会带来巨大的经济损失甚至人员伤亡［1］。1965年英国北海海上石油钻井平台 “海上钻石”号失效；1969年的渤海大冰封，海冰推倒了 “海一井”和 “海二井”两座石油平台；1980年3月27日，墨西哥湾的 “基兰”号石油平台被波浪吞没，遇难者达120多人；1986年冬，中国渤海石油钻井2号平台被海冰推倒；2001年，巴西P－36海洋平台爆炸倒塌。上述一系列事故造成了巨大的生命与财产损失，为减少这些损失，急需对海洋平台结构采取在线健康检测与诊断，进而评价平台的安全状况，并以此为基础进行平台修复和结构损伤控制［2－4］。然而，我国海洋工程领域基于结构动力特性的结构健康检测的发展相对滞后。

海洋平台结构检测与监测技术通常采用人工无损检测、有线采集相结合的技术手段来实现，而这些技术的实施需配备特殊的测试装置和专业人员，对海洋平台的检测极其不方便而且代价很高。与上述技术方法相比较，基于振动数据测试的无损检测法实施相对简单、成本不高［5－6］。通常，对海洋平台进行振动参数采集是利用传感器获得的结构响应信号输出来实现，再结合相应智能算法处理采集数据并提取特征数据，从而评估海洋平台的结构状态并给出应对方案。目前，传感器阵列连接与测试多采用有线模式，这种有线模式在平台检测中应用，会造成消耗大量布线、布线工作困难等问题。并且由于布线较多，布线导线束会很粗，一旦受破坏后很难检查出来是哪一根导线损坏，维护成本高，而布线过程也会消耗大量的人力和财力资源。所有这些问题都给传感器的平台检测工程化应用带来了困难和挑战［7－8］。无线传感器及其网络技术 （WSN）是随着传感器、MEMS和无线通信等技术的发展而初具规模。目前无线传感技术应用于结构监测已成为这方面研究的热点，该项技术无需布线且在保证数据可靠采集和传输的同时，能有效地弥补有线采集技术布线量大、维护费用高的不足［9－11］。

基于此，本文设计了用于海洋平台结构响应数据的无线控制系统，并通过数据挖掘分类技术实现了采集数据的处理。

1 系统总体架构设计

整个无线控制仪管理系统的总体架构如图1所示，由1个无线控制仪和8个无线传感器节点构成，设计容量为64通道采集，每个采集节点带有8个16位A/D通道，数据采用基于Zigbee的2.4GHz无线信道进行传输。每个节点的无线信道独立占用一个频点，负责采集数据的传输。

图1 无线控制仪管理系统的总体架构

2 无线控制仪设计

2.1 无线控制仪的硬件集成

无线控制仪主要完成对底层无线传感器节点的管理、数据采集、存储、分析等功能，采用模块化设计，如图2所示，主要由计算机单元 （PC）、无线模块 （数据信道、控制信道）、串口服务器 （USB或PCI）构成。

2.1.1 计算机单元

计算机单元是无线控制仪的中心，在计算机单元上嵌入智能采集控制软件就可以实现对无线传感器节点进行控制、对采集到的振动数据进行分析、处理等功能。

2.1.2 串口服务器

随着计算机产业的不断壮大和发展，USB通信接口已经成为最主要的外围接口方式，正逐步取代传统计算机的各种低速外围通信接口。当前，外部设备正通过计算机的RS232串行接口完成相互通信，该模式是众多测控系统中常规的一种信息交互的解决方案。在本设计中需使用USB到RS－232的串口服务器来实现PC机与RS－232设备之间的数据传输与通信。串口服务器是计算机单元与无线模块之间的硬件媒介，通过串口形式与无线模块连接起来，通过USB接口方式与计算机单元相连接，把通过串口形式接收的数据以USB的方式传送到计算机单元中。

设计选用UT－2003B串口服务器实现串口功能，UT－2003B是一款能够将单端的USB信号转换为UART的RS－232信号的通用接口转换器，兼容USB、RS－232标准且无需外加电源，RS－232端采用DB9公头进行连接。转换器可实现零延时自动收发和转换，可即插即用，独特的输入/输出电路实现自动控制数据流方向，从而确保该款串口服务器兼容当前现有的通信软件和接口硬件。该串口服务器能够完成点到点通信，数据通信速率从300到921.6Kbps选择，完全可以满足无线控制仪的集成要求。

2.1.3 无线模块

无线模块由8个接收节点组成，需与无线传感器节点的频段匹配，主要实现以下功能：由计算机单元上的嵌入式采集控制软件通过无线方式向无线传感器节点发送指令，以控制各个节点的动作；接收各个对应的无线传感器节点发送过来的振动数据并把数据通过串口服务器以USB的方式传到计算机单元。

无线模块以Zigbee无线芯片为内核，包括CC2520无线芯片以及与其配套使用的放大前端CC2591。CC2520无线芯片是TI公司生产的ISM免费频带的专用无线射频收发器，工作频段为2.4GHz；CC2591是当前集成度最高的2.4GHz射频前端，具有低功耗与低电压无线应用的特点，可有效地提高发射的功率和接收机的灵敏度，进而增强无线射频信号的强度和无线通信距离［12］。

对计算机单元、串口服务器单元、无线模块单元进行调试并集成，集成后的无线控制仪如图3所示。

图3 无线控制仪集成实物

2.2 无线控制仪的软件设计

无线控制仪的采集控制软件采用模块化设计，利用Microsoft Visual Studio 2005与PL SQL Developer进行开发［13］，Microsoft Visual C＃语言是Microsoft Visual Studio.NET引入的、具有简单、现代、类型安全和面向对象等特点的一类新型编程语言，它在C和C＋＋基础上衍生出来，基于该种语言可以进行从底层软件到直接面向用户的各类软件的开发工作。PL/SQL Developer是一个专门面向Oracle数据库存储程序单元开发的集成开发环境，具有语法加强、SQL和PL/SQL帮助、对象描述、代码助手、编译器提示、PL/SQL完善、代码内容、代码分级、浏览器按钮、超链接导航、宏库等许多智能特性，能够满足要求性最高的用户需求。

2.2.1 基本设置

基本设置模块主要用于根据需求对无线传感器节点以及无线传输通道等进行一些基本设置，如无线传感器节点的状态、无线传输的频点、通道与传输速率等信息。

2.2.2 实时波形监测

实时波形监测模块将64个通道分成8组，分别对应8个无线传感器节点。可以设置 “采集频率”和 “存库时间”进行数据采集，采集到的数据在实时波形图框中予以显示，并将采集到的数据存入数据库，以便于数据的保存与后期更精确的数据处理。点击开始采集图标即可进行数据采集。在这里的存库操作是将采集到的数据都存储入库，并没有进行 “存储时间设置”。实时波形显示界面如图4所示。

图4 实时波形显示

2.2.3 历史波形查看

历史波形查看模块可以就已采集到的数据，进行历史波形回放。可以很好的方便用户对各通道在过去从某一时间开始的波形进行查看，方便对海洋平台结构在某一段时间的振动情况进行分析、查看。历史波形查看界面如图5所示。

图5 历史波形回放

2.2.4 数据分类与导出

数据分类与导出模块根据数据挖掘技术进行设计，可将已采集到的某一节点某一通道在某一时间段的数据导入到指定文件中。在数据库内，根据先验知识可将采集的数据按照布点方位、阈值大小等进行分类。数据导出后可对数据进行二次处理，能够更好的分析海洋平台结构的振动情况、疲劳效应、结构性能等，为平台结构的可靠运行提供精确的判定。数据导出界面如图6所示。

图6 数据导出界面

3 实验与分析

完成了软硬件设计后，对无线控制仪进行了联调测试，测试过程主要分为以下几个步骤：串口服务器的安装，无线传感器节点上电，无线控制仪通过无线信道发开始采集指令，无线传感器节点响应开始采集指令并以无线方式向无线控制仪发送数据，无线控制仪的PC机中的采集控制软件对采集到的数据进行时频域处理、数据分类和导出等操作。

实验是在等强度梁上进行的，把无线传感器节点与作比对用的有线加速度传感器布设到等强度梁的某一位置处，用强磁铁紧紧的固定。利用数字信号发生器产生正弦信号，通过功率放大器进行放大，驱动激振器对等强度梁产生正弦激励，模拟低频振动信号。有线加速度传感器与NI的数据采集仪PXI－4472相连来完成振动数据的有线采集，无线传感器节点与无线控制仪进行通信，完成数据的无线采集和传输。实验方案框图如图7所示。

图7 实验方案框架

实验中，以100Hz的采样频率进行同步采集，采集时间相同。对采集到的数据进行频谱分析。图8、图9分别给出了振动频率为0.5Hz、1Hz的有线与无线频谱比较图。

通过对参考频率为0.5Hz与1Hz的两种工况的频谱比较图，可以看出无线控制仪具有良好的可靠性，能够很好的反映结构的振动情况，具有相当的精确度。对频谱图中的一阶中心频率进行相对误差分析，发现误差很小，如表1所示。

表1 频率误差分析

4 结束语

本文为了实现对海洋平台结构振动检测、监测数据的可靠管理，探讨了进行海洋平台结构振动测试的无线控制仪的软硬件开发工作，并通过实验验证了无线控制仪的可靠性和对振动响应数据的准确性。本研究所设计的无线控制仪数据管理系统：可实现平台多点振动测量、数据分类与存储、数据时频域分析以及多节点运行管理等功能；具有结构简单、容易实现、便携等特点，为海洋平台结构检测、数据分析、整体决策提供了一种新的技术手段，具有很好的应用前景。

［1］OU Jinping.Research status of smart sensor material sensors and structural health monitoring system in civil engineering［J］.Functional Materials Information，2005，2 （ 5）：2－22（in Chinese）.［欧进萍.土木工程结构用智能感知材料传感器与健康监测系统的研发现状 ［J］.功能材料，2005，2 （ 5）：2－22.］

［2］LI Xin，FENG Xin，DU Chao，et al.System reliability analysis on two kinds of jacket platforms ［ J］.China Offshore Platform，2007，22 （ 1）：29－32 （ in Chinese）. ［ 李昕，冯新，杜超，等.两种导管架海洋平台的系统可靠度分析 ［J］.中国海洋平台，2007，22 （ 1）：29－32.］

［3］OU Jinping，XIAO Yiqing，HUANG Hujie，et al.Real time safety monitoring system for offshore platform structures ［ J］.Ocean Engineering，2001，19 （ 2）：1－6 （ in Chinese）. ［ 欧进萍，肖仪清，黄虎杰，等.海洋平台结构实时安全监测系统［J］.海洋工程，2001，19 （ 2）：1－6.］

［4］LI Xin，JIN Qiao，ZHOU Jing.State of art review of reassessment of existing offshore jacket platform for life extension［J］.Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2007，27 （ 3）：368－376 （i n Chinese）.［李昕，金峤，周晶.在役导管架平台的评估策略研究现状 ［J］.防灾减灾工程学报，2007，27 （ 3）：368－376.］

［5］YANG Hezhen，LI Huajun，HUANG Weiping.Nondestructive damage detection in offshore platform structure using vibration monitoring ［ J］.Journal of Vibration Engineering，2003，16 （ 4）：480－484 （ in Chinese）.［杨和振，李华军，黄维平.基于振动测试的海洋平台结构无损检测 ［J］.振动工程学报，2003，16 （4）：480－484.］

［6］ZHOU Zhi，OU Jinping.System of smart health monitoring and diagnosis in civil engineering ［J］.Journal of Transducer Technology，2001，20 （11）：1－4 （in Chinese）.［周智，欧进萍.土木工程智能健康监测与诊断系统 ［J］.传感器技术，2001，20 （11）：1－4.］

［7］YU Yan，OU Jinping.Wireless sensing experiments for structural vibration monitoring of offshore platform ［J］.Frontiers of Electrical and Electronic Engineering in China，2008，3（3）：333－337

［8］YU Yan，OU Jinping.Wireless sensing experiments for structural vibration monitoring of offshore platform ［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39 （2）：187－190 （in Chinese）.［喻言，欧进萍.海洋平台结构振动监测的无线传感实验研究 ［J］.哈尔滨工业大学学报，2007，39 （2）：187－190.］

［9］YU Yan，OU Jinping，ZHANG Jun，et al.Development of wireless MEMS inclination sensor system for swing monitoring of large scale hook structures ［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56 （4）：1072－1078.

［10］YU Yan，OU Jinping.Design calibration and application of wireless sensors for structural global and local monitoring of civil infrastructures ［J］.Smart Structures and Systems，2010，6 （5）：641－659.

［11］IAN F A，Weilian S，Yogesh S，et al.A survey on sensor networks ［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40（8）：102－114.

［12］Texas Instruments.CC2520datasheet ［EB/OL］. ［2009－06－20］.http：//www.ti.com.

［13］HUANG Congming.C＃ object－oriented programming ［M］.Beijing：Science Press，2004 （in Chinese）.［黄聪明.C＃面向对象程序设计 ［M］.北京：科学出版社，2004.］