De Donghaibrug is met een ruim 32 kilometer de langste zeebrug ter wereld. Het bouwwerk vormt de verbinding tussen Sjanghai en het eiland Yangshan. Om instortingen tegen te gaan, staat het continu onder strenge bewaking. Shanghai Just One Technology bouwde het data-acquisitiesysteem met producten van National Instruments. In dit artikel belicht NI-engineer Ping Lin een aantal uitdagingen, zoals synchronisatie, datafiltering en de realtime-eisen.
Begin augustus 2007 stortte de 320 meter lange brug in aanbouw over de Jiantuo-rivier in de Chinese provincie Hunan in. Op het moment van de ramp waren bouwvakkers bezig de laatste steigers te verwijderen. De brug zou later in de maand opengaan. Daarnaast zijn alleen al in de periode van augustus tot december van 2007 bruggen ingestort in de VS, Vietnam, Pakistan en Dubai, waarbij meer dan honderd mensen de dood vonden en vele honderden gewond raakten. Enkele van de ingestorte bruggen waren pas kortgeleden in gebruik genomen of bijna gereed.
Toestandbewaking van grote bouwwerken (Structure Health Monitoring, SHM) wordt meer en meer gebruikelijk. Bruggen overspannen steeds grotere afstanden, worden gerepareerd of hebben een speciale vorm. Denk maar aan de Erasmusbrug die vlak na de opening in 1996 bij harde wind begon te slingeren. Onderzoek wees uit dat regendruppels het profiel van de kabels licht wijzigden, waardoor de constructie gevoeliger was voor wind. Om die trillingen tegen te gaan, moesten nieuwe dempers worden gemonteerd.
Voor bruggen is SHM van essentieel belang. Het voornaamste doel van de bewaking is het vaststellen van schade of verslechtering van de staat. De verzamelde kwantitatieve gegevens van de brug kunnen we ook voor andere doeleinden gebruiken, zoals de evaluatie van de kwaliteit, het reageren op onverwachte incidenten, het uitvoeren van reparaties of verbeteringen en het beheren van het normale gebruik van de brug. De data zijn ook geschikt voor onderzoekdoeleinden om brugontwerp en constructietechnologieën te verbeteren.
Systemen voor brugbewaking hebben specifieke kenmerken. Bruggen hebben te kampen met zware omstandigheden en de gegevens worden verzameld terwijl de bouwwerken in gebruik zijn. De bewaking is een langetermijnproces en absoluut een proces op afstand, bij voorkeur met minimaal onderhoud op locatie vanwege de geografische afstand en de zware omgevingsomstandigheden. Bij de bewaking worden continu enorme hoeveelheden realtime gegevens verzameld. We moeten dus slimme technieken toepassen om karakteristieke informatie te verkrijgen voor het evalueren met deze gegevens. Aan de hand van de implementatie van het bewakingssysteem van de Donghaibrug bekijken we een aantal details.
Tyfoons
Na 3,5 jaar bouwen was de eerste brug in China voltooid die een zee overspant. De Donghaibrug is een tuibrug over de Oost-Chinese Zee tussen Sjanghai en het eiland Yangshan. Het bouwwerk is 32,5 kilometer lang, waarvan 25,3 kilometer boven water. De hoofdoverspanning is 420 meter en heeft een capaciteit van vijfduizend ton en een hoogte van 40 meter. Vanzelfsprekend is het bewakingssysteem enorm uitgebreid, met zeer uiteenlopende gegevens die in de gaten worden gehouden en verzonden.
In het omvangrijke geografische gebied dat de brug beslaat, zijn sensoren geplaatst met grote onderlinge afstanden. De realtimebehoeften van veel meetitems vragen om een geavanceerde synchronisatietechniek die past bij deze verdeling. De traditionele methode van het delen van tijdsignalen via coaxkabels is niet bruikbaar. Tijdsynchronisatie via gps is in deze situatie ideaal. Bij gps is er geen directe koppeling tussen de meetsubsystemen.
De Donghaibrug moet bestand zijn tegen zeewater, tyfoons, aardbevingen en natuurlijk het verkeer. Het meetsysteem moet dus duurzaam werken onder zware omstandigheden. Omdat het bewaken een langetermijnactiviteit is, moet het meetsysteem zeer betrouwbaar zijn met minimaal onderhoud. Deze eisen gelden voor het hele meet- en data-acquisitiesysteem.
De omvang schreeuwt om gebruiksvriendelijke, geavanceerde software die het hele Donghai-systeem beheert. Verder is het zeer wenselijk dat we enkele van de belangrijkste brugparameters online kunnen opvragen uit de enorme hoeveelheid gegevens die de bewaking continu verzamelt. Deze parameters zijn belangrijke cijfers die niet direct zichtbaar zijn vanuit de ruwe gegevens. Een softwaretool die deze taak uitvoert, is natuurlijk een enorme hulp.
Chemische erosie
De items van een operationele brug die moeten worden gemeten, kunnen worden onderverdeeld in drie categorieën. De Donghaibrug staat bloot aan zware omgevingsomstandigheden die een aanzienlijke invloed hebben op het functioneren. Vanuit het oogpunt van brugonderhoud zijn de verzakkingen van de pijlers en torens, de vervorming van de overspanningen, spanningen in het bouwwerk en kabels, en verplaatsing van de dempers belangrijke indicatoren die moeten worden gemeten. Voor de gevolgen van mogelijke incidenten met de brug zijn ook de dynamische eigenschappen van de constructie essentieel.
Het meetsysteem van de Donghaibrug is verspreid over het hele bouwwerk. De brug is verdeeld in verschillende segmenten. Elk van deze sectoren heeft zijn eigen meetstation. De afstanden tussen de stations zijn enkele tot tientallen kilometers. Elk station ontvangt gegevens van de sensoren in de buurt. Hij verzorgt de data-acquisitie in diverse indelingen overeenkomstig de typen sensoren die zijn aangesloten, signaalaanpassing, gegevensverwerking en –beheer en stuurt de data door naar de centrale.
Door de zware omgevingsomstandigheden waarin de veertien meetstations werken, moeten ze onder meer bestand zijn tegen water, vocht, stof, schokken en chemische erosie. Daarnaast moeten de stations vanzelfsprekend zeer robuust, betrouwbaar en eenvoudig onderhoudbaar zijn. Gekozen is voor een data-acquisitiesysteem op basis van PXI. Met de juiste selectie van I/O-insteekmodules is aan alle functie- en acquisitievereisten voor de stations voldaan.
Synchronisatie
Een van de grootste uitdagingen was de synchronisatie. Er is gekozen voor gps. Elk station is verbonden met een gps-ontvanger. Die pikt het gps-synchronisatiesignaal op en geeft het door aan de PXI-modules. Dit signaal zorgt voor de juiste synchronisatie van de totale, verspreide acquisitie.
Het gps-systeem bestaat uit vierentwintig satellieten die allemaal beschikken over een atoomklok met een nauwkeurigheid van 10-13 seconde. De kunstmanen zenden continu hun coördinaten uit, samen met een tijdmelding. Dat doen ze op een frequentie van 1,5 GHz. Die tijdmelding is interessant om de meetgegevens nauwkeurig te correleren, een meting te starten en ze te voorzien van een tijdstempel.
Gps-ontvangers leveren twee hoofdtypen timingsignalen: PPS en Irig-B. De meeste ondersteunen PPS (puls per seconde). Dit signaal bevat geen informatie over het precieze tijdstip; er wordt alleen eens per seconde een puls uitgezonden. PPS is de eenvoudigste vorm van synchronisatie en wordt meestal gebruikt als activeringssignaal (triggerpuls) voor acquisitie. Er bestaat ook nog een geavanceerdere variant: 10M PPS. Deze geeft 10 miljoen pulsen per seconde en doet meestal dienst als de basisklok voor de acquisitie. Het tweede signaaltype is Irig-B. Irig (Interregional Instrumentation Group) is een gecodeerd time to live-signaal dat de absolute tijd bevat. Irig wordt elke seconde herhaald en is geschikt om te gebruiken als tijdstempel.
Starttrigger
Elk acquisitiesysteem bestaat uit een PXI-chassis met achttien insteeksloten, een embedded controller en modules voor synchronisatie en dynamische signaalacquisitie. Het middelpunt is de DSA-module (dynamische signaalacquisitie), die de meetgegevens van de sensoren inleest en samplet. De andere modules worden gebruikt om de DSA-module correct te laten werken.
De PXI-synchronisatiemodule is verbonden met het 10M PPS-signaal uit de gps-ontvanger. Dit signaal gaat na frequentieverdeling naar de backplane van het PXI-chassis. Daar staat het ter beschikking als oversampleklok voor elke aanwezige data-acquisitiemodule.
< class=”onderschrift”>Het SSI-algoritme genereert de belangrijke trillingsmodi van Donghais hoofdoverspanning.
Een PXI-telmodule ontvangt gelijktijdig op twee poorten het 1 PPS-signaal van de gps-ontvanger. Het ene signaal gebruiken we als synchronisatiepuls om alle acquisitiemodules via de PXI-backplane met elkaar in fase te synchroniseren. Het tweede gebruiken we als timer en vergelijken we met de vooraf toegewezen acquisitietijd. Wanneer die tijd is bereikt, genereert de telmodule een starttrigger die we via de backplane naar de acquisitiekaarten sturen. De embedded controller leest het Irig-B-signaal van de gps-ontvanger en rekent dit terug naar de absolute tijd. Deze gebruiken we vervolgens om de gegevens te voorzien van een tijdstempel.
Bovenstaande configuratie voor het synchroniseren van de data-acquisitie op de hele brug is bereikt via programmering op het NI-softwareplatform, met name met de NI-Sync- en DaqMX-drivers en Labview als programmeeromgeving. Sinds de installatie twee jaar geleden door Shanghai Just One Technology heeft het continu draaiende data-acquisitiesysteem goed gewerkt.
Goed gedempt
Het doel van data-acquisitie is om nuttige informatie te filteren uit de enorme berg gegevens. Naast het vastleggen van de ruwe data van de acquisitiekaarten verwerkt en analyseert het systeem op diverse niveaus. In elk station slaat de controller de gegevens niet alleen op, maar voert hij ook enkele statistische analyses uit. Via een Ethernet-verbinding schieten de data naar een bewakingscentrum op het vasteland. Deze centrale heeft de capaciteit voor complexere analysetechnieken, zowel offline als online.
Offline passen we naast de bekende FFT-methode een multivariabel algoritme voor signaalclassificatie toe (multiple signal classification, Music). Dit correleert tweeëntwintig signalen om het gemeenschappelijk spectrum te destilleren. Met modale analyse van de brug brengen we de dynamische eigenschappen verder in kaart. Deze controle is standaard bij SHM. We berekenen hiermee de trillingsparameters, zoals resonantiefrequenties, dempratio‘s en trillingsvormen.
Normaalgesproken krijg je de modale parameters door expliciet een stimulussignaal aan te brengen en het corresponderende responssignaal te analyseren. Voor bruggen is dat vanzelfsprekend niet zo praktisch. Daarom is voor modale analyse op grote bouwwerken een ander type ontwikkeld. De natuurlijke krachten uit de omgeving en de werklast op het bouwwerk fungeren daarbij als stimulus. Deze stochastic subspace identification-methode (SSI) is ideaal voor het analyseren van bruggen. Met de Advanced Signal Processing Toolkit hebben we het SSI-algoritme op onze meetgegevens toegepast en de modale parameters berekend. Bijna alle modi bleken goed gedempt.
Hoofdoverspanning
Om de toestand van de brug beter te bewaken, moeten we bijvoorbeeld ook de resonantiefrequenties realtime bijhouden. De uitdaging hier is om die frequenties online te berekenen. Om de SSI-methoden online te laten werken, hebben we een recursieve variant van het SSI-algoritme toegepast (recursive stochastic subspace identification, RSSI). Hiermee kunnen we de gegevens van meerdere kanalen inlezen en, waar mogelijk, decimeren. Het resultaat gebruiken we vervolgens als invoer voor het RSSI-algoritme. Telkens wanneer er nieuwe gedecimeerde gegevens beschikbaar zijn, voeren we een nieuwe set resonantiefrequenties uit. Dit betekent dat we de resonantiefrequenties bijwerken terwijl de data-acquisitie doorgaat.
Bij de Donghaibrug gebruiken we acceleratiesignalen van tientallen versnellingsmeters om de resonantiefrequenties te bepalen. Deze sensoren bevinden zich voornamelijk langs de hoofdoverspanning. De gesynchroniseerde acceleratiegegevens van deze versnellingsmeters krijgen in elk station een tijdstempel en gaan vervolgens via het netwerk naar het bewakingscentrum. Na een initialisatieprocedure berekent het RSSI-algoritme de resulterende frequenties en vormt het de frequentie-tijdcurven.
Na een beginperiode stabiliseren die curven zich netjes. Deze resonantiefrequenties komen vrij goed overeen met de frequenties die zijn verkregen via de offline SSI-methode. Hoewel verdere experimenten nodig zijn om RSSI te valideren, tonen de huidige resultaten de haalbaarheid en effectiviteit van deze methode aan onder de realtimevereisten. We kunnen de belangrijke resonantiefrequenties van de brug realtime bijhouden, wat noodzakelijk is voor een betere brugbewaking.