方衛(wèi)華，魏 勇，徐孟啟，孫 勇

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.北京中弘泰科科技有限公司，北京 100024；3.河海大學計算機與信息學院，江蘇 南京 211100；4.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210022）

1 概述

水流沖擊是造成水工建筑疲勞損壞的主要原因，流體沖擊頻率引發(fā)建筑共振時會加劇對建筑的破壞作用，尤其是當振動幅度較大，超過閾值時，會對建筑材料造成不可逆的損傷，嚴重危害水利設(shè)施安全。嚴根華［1］分析了閘門自激振動的防范措施，通過案例分析振動作用的破壞性。振動監(jiān)測是動力穩(wěn)定和共振評價的關(guān)鍵，也是檢驗動力計算、復核施工的必然要求，研究實時監(jiān)測水工建筑表面振動的系統(tǒng)尤為重要。馬斌等［2］從振動現(xiàn)象、誘因等多個方面詳細介紹了閘門振動問題，針對不同誘因?qū)е碌恼駝訂栴}提出的措施具有參考意義。王忠強等［3］使用低頻振動位移傳感器研究振動問題。張曉萍等［4］通過閘門在動水啟閉過程中的振動加速度、振動位移等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出該閘門處于安全狀態(tài)。安全分析是建立在實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬在其中也起重要作用。李昊等［5］在模擬實驗和理論分析的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬研究了水力自動滾筒閘門在動水壓力作用下的振動特性分布規(guī)律，在模擬計算中使用了軟件進行三維建模，模擬計算結(jié)果與測定結(jié)果趨勢一致。徐磊等［6］使用三軸MEMS加速度傳感器作為主體器件，設(shè)計了一套振動測量系統(tǒng)，在高過載環(huán)境下依然能夠正常工作，體現(xiàn)出MEMS加速度傳感器強大的環(huán)境適應性。此外MEMS傳感器在功耗、成本和靈敏度方面具有一定優(yōu)勢，廣泛應用于機械、建筑等領(lǐng)域。然而以上文獻多基于進行振動分析，未充分考慮在實際應用場景中通信負載情況和后方處理計算能力。羅浩［7］提出了一種長期在深水復雜水流中運行的振動監(jiān)測系統(tǒng)，分析了振動測量的一般原理。此外還指出實際場景中采集的多路數(shù)據(jù)可達TB級，為此其引入數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)減輕網(wǎng)絡帶寬需求，然而數(shù)據(jù)壓縮雖然可以提高通信鏈路傳輸效率，但并未解決后方計算中心計算壓力問題。為此本文引入邊緣計算思想同時解決帶寬壓力和計算中心計算資源問題。

邊緣計算［8］旨在鄰近數(shù)據(jù)源頭的數(shù)據(jù)產(chǎn)生地實時處理數(shù)據(jù)，相比于集中處理的云計算方式其優(yōu)點是能夠減低網(wǎng)絡帶寬需求，且可以分擔服務中心的計算壓力，實時性能更強。李麒等［9］從多個方面對邊緣計算應用于中小型水庫信息化管理進行了研究，結(jié)果表明引入邊緣計算有利于節(jié)約開支，提高實時性。劉旭等［10］使用DSP技術(shù)實時處理采集的振動信號，在邊緣端的計算處理有效提高了數(shù)據(jù)信息密度。以上文獻表明，鄰近數(shù)據(jù)源頭處對數(shù)據(jù)進行初步處理的邊緣計算方法具有以下3個特點：實時性能強、傳輸帶寬小、服務器壓力分散。

人們對于安全監(jiān)測的認知，往往是按發(fā)現(xiàn)規(guī)律、總結(jié)規(guī)律、應用規(guī)律的順序循序漸進的。以振動問題為例，振動位移是可以直觀判斷的，所見即所得，而任意非周期的振動在頻域卻可以分解為許多不同頻率的周期運動的疊加。以往振動監(jiān)測往往是將傳感器采集到的時域信號直接發(fā)送到后方進行處理，這樣處理會帶來較大的通信負載和服務器負擔。為解決這2個問題，本文提出在邊緣端對采集數(shù)據(jù)實時分析，計算得到頻域的安全特征，從時域和頻域2個角度去看待被測結(jié)構(gòu)的安全問題。

如圖1所示，振動時間序列在時域和頻域上具有完全不同的分布，引入頻域進行分析使得時間序列可以分解為多干不同頻率的周期序列，這種分解對于研究振動問題十分具有意義。

圖1 時間序列的頻域分解

如圖2所示，對時域、頻域數(shù)據(jù)進行綜合分析，通過卓越頻率和振幅的變化對水工建筑物損傷進行早期識別和防治。將時頻分析由計算中心前移至邊緣端進行，有效緩解了后方計算中心的計算壓力。

圖2 卓越頻率和振幅變化

水工建筑特別是水閘振動監(jiān)測存在低頻、模態(tài)疊加，干擾多、各部位不一樣等難點，且在實際應用中采集的多路數(shù)據(jù)需要通信帶寬大，存在后方計算壓力大等問題。為提高水閘振動監(jiān)測感知能力，基于邊緣計算思想，以低噪聲、高速采集的MEMS加速度傳感器為核心開發(fā)了一套振動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)時域（加速度）、頻域（振動頻率、振幅）的實時監(jiān)測（每秒上報數(shù)據(jù)）。

2 振動監(jiān)測系統(tǒng)研制

2.1 國內(nèi)外相關(guān)芯片比較和選型

振動測量是振動監(jiān)測系統(tǒng)的核心問題，在實際應用中需要考慮測量精度、傳感器水工環(huán)境適應性、傳感器芯片價格等因素。振動會產(chǎn)生加速度，利用這個特點使用加速度傳感器測量振動的加速度，再通過積分電路可獲得振動絕對位移。

如表1所示，綜合比較各類加速度計芯片接口、功耗、成熟度、穩(wěn)定性等因素，選定ADXL355型3軸加速度計芯片。此款芯片在性能上滿足需求，價格適中，是ADI公司2016年推出的產(chǎn)品，已穩(wěn)定供貨6年。ADXL355使用陶瓷密封封裝，測量模式下功耗低至200 μA，內(nèi)置20位ADC可編程高通和低通數(shù)字濾波器，同時集成了溫度傳感器，工作溫度范圍為-40～125℃，具備機電自檢功能，這些優(yōu)點使得其可以在水下環(huán)境長期穩(wěn)定工作。此外ADXL355型加速度計在慣性測量單元，平臺穩(wěn)定系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，地震成像，傾斜檢測，機器人等領(lǐng)域也有廣泛應用。

表1 國內(nèi)外主要加速度計芯片比較

2.2 基于邊緣計算的系統(tǒng)研制

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及硬件設(shè)計

如圖3所示邊緣端振動信號收集裝置架構(gòu)。外部電壓為各個模塊供電；MEMS處理振動造成的加速度信號；MCU控制模塊協(xié)調(diào)用于控制其他模塊運行。

圖3 邊緣端振動監(jiān)測裝置架構(gòu)

各模塊具體選型如下：（1）MCU選型為低功耗，基于ARM Cortex-M4架構(gòu)的STM32L431CCT6型號的芯片，該芯片為48引腳LQFP封裝，內(nèi)置256KB Flash，64K SRAM，工作溫度為-40～85℃，最高主頻可達80 MHz，供電電壓范圍1.71～3.6 V。（2）電源模塊選型為車規(guī)級線性穩(wěn)壓器TPS70933DBVR，此芯片為小尺寸晶體管SOT23-5封裝，輸入電壓范圍為2.7～30 V，超低靜態(tài)電流1 μA，擁有反電流保護，熱關(guān)斷及過流保護，支持200 mA峰值電流輸出，輸出恒定電壓3.3 V，在-40～125℃工作范圍內(nèi)的精度為2%。（3）電源開關(guān)控制模塊選型為超低泄漏電流負載開關(guān)TPS22860DBVR，此芯片使用節(jié)省空間的6引腳SOT23-6封裝。該器件需要一個VBIAS電壓，工作輸入電壓范圍為0～VBIAS，VBIAS電壓范圍為1.65～5.5 V，導通電阻小于1 Ω擁有10 nA超低的泄漏電流，可支持最大200 mA的持續(xù)電流。此開關(guān)可由一個打開/關(guān)閉輸入（ON）控制，此輸入可與低壓控制信號直接對接。器件額定運行溫度為-40～85℃。（4）通信接口選型為RS485信號，芯片型號為MAX3483EESA，此芯片具有輸出短路保護，高達±20kV ESD靜電防護，數(shù)據(jù)通信速率高達20 Mbps，總線最多可掛載128個收發(fā)器，工作溫度為-40～125℃。（5）MEMS芯片選型為陶瓷密封封裝的三軸ADXL355型加速度傳感器。

2.2.2 系統(tǒng)應用軟件開發(fā)

監(jiān)測系統(tǒng)使用邊緣計算架構(gòu)，邊緣端采集振動信號并現(xiàn)場計算信號時域頻域信息，邊緣端處理后的信息送至服務器端，邊緣計算結(jié)構(gòu)可以有效降低對服務器端的計算需求。此外采用瀏覽器/服務器架構(gòu)模式呈現(xiàn)實時監(jiān)測效果，用戶無需安裝客戶端，而是通過網(wǎng)頁直觀獲取各個時刻振動的時頻信息。

如圖4～5所示的基于邊緣計算的水閘振動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)頁可視化效果，以直接訪問網(wǎng)頁形式監(jiān)測實時采集的信號。服務器部署在云端，開發(fā)語言采用Java語言，同時采用mysql 8.0數(shù)據(jù)庫用于存儲歷史數(shù)據(jù)。

圖4 實時加速度曲線

圖5 卓越頻率和振幅曲線

2.3 室內(nèi)檢驗和系統(tǒng)校準

實際部署的系統(tǒng)需要經(jīng)過室內(nèi)校準，檢驗合格后才能部署在戶外環(huán)境。振動監(jiān)測系統(tǒng)需要在室內(nèi)進行系統(tǒng)校準消除系統(tǒng)誤差，使用高精度轉(zhuǎn)臺對傳感器進行加速度校準保證加速度精度10-3m/s2以內(nèi)。

如圖6～7所示，將加速度計固定在高精度雙周轉(zhuǎn)臺上，通過轉(zhuǎn)臺輸出指定角度，傳感器通過加速度計算對應角度進行精度校準驗證。

圖6 高精度雙軸轉(zhuǎn)臺

圖7 采用12方位法進行加速度校準

如表2～3所示，換算后角度精度優(yōu)于0.005°，可以滿足加速度校準精度要求。室內(nèi)驗證結(jié)果表明振動監(jiān)測系統(tǒng)滿足設(shè)計精度要求，可以進行實地部署。

表2 轉(zhuǎn)臺角度對應加速度值

表3 校準后角度

2.4 系統(tǒng)安裝調(diào)試要求

邊緣端安裝：邊緣端傳感器采用RS-485接口引線輸出，傳輸距離可達1 200 m（實測），傳感器部署在閘門固定部位、旋轉(zhuǎn)軸等對振動敏感部位，通過線纜引線至通信設(shè)備或機房；

供電和通信系統(tǒng)安裝：采用太陽能板浮充蓄電池供電+無線通信終端進行數(shù)據(jù)傳輸；安裝點位選擇較為靈活，選擇采光（或交流電供電較好）和運營商信號較好的區(qū)域。

3 數(shù)據(jù)分析

在實驗室振動臺模擬不同頻率的振動及其疊加，對系統(tǒng)測定數(shù)據(jù)進行分析，觀察預設(shè)振動與分析結(jié)果頻率是否一致。振動臺分別用3 Hz、5 Hz、12 Hz的激勵以及不同強度的組合信號進行輸出，測量傳感器時域加速度數(shù)據(jù)和頻譜。

如圖8所示，圖8（a）表示使用振動臺模擬振動頻率為3 Hz、振幅為0.05 m/s2時提出的振動監(jiān)測系統(tǒng)測量波形與頻譜；圖8（b）表示模擬振動頻率為5 Hz、振幅為0.15 m/s2時振動監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果；圖8（c）表示模擬頻率為12 Hz、振幅為2 m/s2；圖8（d）表示振動臺模擬頻率為3 Hz、振幅0.05 m/s2的振動與頻率為5 Hz、振幅為0.15 m/s2的振動疊加時振動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果。

圖8 不同頻率不同振幅波形與頻譜

表4 頻率3 Hz、振幅0.05 m/s2測量數(shù)據(jù)

以上頻譜與波形結(jié)果與振動臺預設(shè)模擬值完全一致，實驗結(jié)果表明提出的基于邊緣計算技術(shù)和MEMS技術(shù)的振動監(jiān)測系統(tǒng)能夠較好地檢測振動問題，且能將時域信號準確的在頻域分解為不同頻率振動的疊加。對數(shù)據(jù)進一步分析，提出的監(jiān)測系統(tǒng)角度精度達到0.005°；加速度精度為10-3m/s2；加速度精度為10-3m/s2；加速度溫漂小于10-4m·s-2·℃-1；振動頻率精度為0.25 Hz。模擬實驗的目的主要是從時域加速度曲線、頻率振動頻率變化等維度進行針對分析，驗證振動監(jiān)測系統(tǒng)在振動感知的靈敏度、采集數(shù)據(jù)精度等方面滿足設(shè)計需求。此外振動傳感器是否適應現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，在復雜場景下能否長期工作還需要進一步觀察。

4 結(jié)論

為提高水工建筑監(jiān)測能力，本文設(shè)計了一種基于邊緣計算技術(shù)和MEMS技術(shù)的振動監(jiān)測系統(tǒng)，以三軸MEMS加速度傳感器為核心部件完成了對敏感部位振動信號的收集，基于邊緣計算思想以ARM架構(gòu)嵌入式芯片為核心，在臨近數(shù)據(jù)源處對振動信號實時處理提高信息密度降低了服務器計算壓力，同時采用B/S架構(gòu)實時顯示監(jiān)測結(jié)果，后期維護更新方便。時域加速度曲線、振動頻率變化等多個維度表明本文提出的振動監(jiān)測系統(tǒng)滿足實際場景下對靈敏度、精度等指標的需求。此外基于邊緣計算的設(shè)計框架有效降低了服務器的計算壓力和網(wǎng)絡帶寬需求。