NetSLabOSR遠(yuǎn)程協(xié)同擬動力試驗平臺的開發(fā)研究

黃民元+郭玉榮

摘 要：為了推進擬動力試驗方法的研究與應(yīng)用，基于NetSLab提供的通訊功能，開發(fā)了通用建筑結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程協(xié)同擬動力試驗平臺NetSLabOSR.NetSLabOSR運用NetSLab所提供的通訊模式，從結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程協(xié)同試驗的角度，解決了異地計算機之間遠(yuǎn)程通訊問題，實現(xiàn)了操作信息的傳送控制、及時反饋.采用自帶的數(shù)值模擬功能和利用OpenSees進行數(shù)值模擬，NetSLabOSR試驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)本地子結(jié)構(gòu)擬動力試驗和分布式遠(yuǎn)程協(xié)同子結(jié)構(gòu)擬動力試驗.利用NetSLabOSR試驗平臺，對鋼管混凝土柱鋼梁組合平面和空間框架結(jié)構(gòu)進行了子結(jié)構(gòu)擬動力試驗研究.子結(jié)構(gòu)擬動力試驗驗證了NetSLabOSR試驗平臺的有效性、穩(wěn)定性，且具備良好的通訊性能與試驗精度.

關(guān)鍵詞：擬動力試驗；遠(yuǎn)程協(xié)同；子結(jié)構(gòu)；試驗平臺

中圖分類號：TU317 文獻標(biāo)志碼：A

在國外，開展網(wǎng)絡(luò)化擬動力試驗研究的主要有美國、英國、韓國、日本和新西蘭.早在1999年，美國國家科學(xué)基金會建立了地震工程網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)NEES（Network for Earthquake Engineering Simulation）用于提高研究人員的試驗?zāi)芰?，從而改善抗震設(shè)計.基于NEES系統(tǒng)，加州大學(xué)伯克利分校Andreas Schellenberg等人開發(fā)了擬動力試驗系統(tǒng)OpenFresco.伊利諾伊大學(xué)厄本那香檳分校Kwon等人基于MATLAB開發(fā)了分布式的混合模擬系統(tǒng)UISimCor.EPSRC建立了英國地震工程模擬網(wǎng)絡(luò)UKNEES，新西蘭奧克蘭大學(xué)建立了地震工程模擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)NZNEES，讓更多的研究機構(gòu)實現(xiàn)對NEES系統(tǒng)的資源共享[2].在韓國建設(shè)交通部門建立了KOCED，它將遍布在各個大學(xué)的12個大型試驗設(shè)施用網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)了高速、共享的協(xié)同工作方式[3].在日本建立了大型EDefense網(wǎng)絡(luò)地震試驗設(shè)備，它將異地的計算機連接起來，對不同類型的高架橋展開了遠(yuǎn)程擬動力試驗等[4].在我國臺灣地震工程研究中心建立了網(wǎng)絡(luò)化擬動力實驗平臺ISEE，通過系統(tǒng)集成和遠(yuǎn)程控制將分布各地的結(jié)構(gòu)實驗室進行試驗的網(wǎng)絡(luò)連接，利用該平臺與加拿大卡爾頓大學(xué)展開了國際合作的遠(yuǎn)程試驗.湖南大學(xué)提出了etest的構(gòu)想，并展開了網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)實驗室系統(tǒng)的建設(shè)和相關(guān)的一系列研究[5].王濤等人提出了P2P分布式混合試驗，取得了很好的試驗效果[6].哈爾濱工業(yè)大學(xué)吳斌課題組，對大型建筑和橋梁結(jié)構(gòu)進行了遠(yuǎn)程協(xié)同混合試驗基礎(chǔ)理論和試驗方法的深入研究[7-8].蔡新江等人對多跨的橋梁結(jié)構(gòu)，進行了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的擬動力試驗研究[9].王大鵬等人針對土木工程試驗中廣泛應(yīng)用的MTS系統(tǒng)，研究了遠(yuǎn)程協(xié)同試驗中的試驗設(shè)備與控制系統(tǒng)[10].楊格等人建立了建筑結(jié)構(gòu)混合試驗平臺HyTest的開發(fā)研究，采用帶中轉(zhuǎn)服務(wù)器的通訊模式，解決了不同局域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸問題等[11].

隨著擬動力試驗技術(shù)進一步發(fā)展，湖南大學(xué)基于NetSLab遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)建立多模塊、多功能的NetSLabOSR遠(yuǎn)程協(xié)同擬動力試驗平臺，并利用該試驗平臺展開了相關(guān)的系統(tǒng)驗證工作和模型試驗研究，進一步擴展了擬動力試驗平臺的適用范圍，推動了擬動力試驗方法的發(fā)展與應(yīng)用.

1 NetSLabOSR遠(yuǎn)程協(xié)同擬動力試驗平臺

1.1 試驗平臺的系統(tǒng)構(gòu)架

遠(yuǎn)程協(xié)同擬動力試驗平臺NetSLabOSR包括3個組成部分：試驗總控制中心ControlCtrR，試驗站點控制程序Tester，設(shè)備控制程序ControlEqDAQ，基本系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示.3大部分的功能與作用如下：ControlCtrR組織和控制整個試驗進程，承擔(dān)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬工作，實現(xiàn)與不同試驗室之間的遠(yuǎn)程通訊；Tester相當(dāng)于ControlCtrR與ControlEqDAQ之間的中轉(zhuǎn)站，在這里完成ControlCtrR和ControlEqDAQ之間的通訊連接、試驗指令和反饋傳遞，以及試驗過程的動態(tài)觀測、進程協(xié)調(diào)；ControlEqDAQ完成真實擬動力試驗的加載和試驗響應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送、反饋給Tester[12].

ControlCtrR作為試驗總控制中心，其功能是完成擬動力試驗的有限元數(shù)值模擬與試驗室之間的遠(yuǎn)程控制，它提供了較簡單的結(jié)構(gòu)模型，如多跨連續(xù)橋結(jié)構(gòu)、帶支撐多層剪切型結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)數(shù)值模擬功能，也提供調(diào)用其他有限元軟件，如OpenSees進行數(shù)值模擬的功能.對于具體的試驗，試驗者可以根據(jù)試驗結(jié)構(gòu)模型和試驗?zāi)康倪x擇合適的數(shù)值模擬手段，以獲得最佳的擬動力試驗效果.ControlCtrR的主控界面，提供了擬動力試驗的遠(yuǎn)程實驗室配置，能有效完成與異地試驗室之間的試驗數(shù)據(jù)傳輸.試驗控制者能夠通過ControlCtrR的主界面，觀察各個實驗室的試驗指令和反饋的對比時程曲線、力位移滯回曲線，并可控制試驗進程.

Tester的功能相當(dāng)于整個試驗過程的一個中轉(zhuǎn)站，主要是完成ControlCtrR與ControlEqDAQ之間的試驗加載指令和反饋指令的傳遞.當(dāng)Tester接收到ControlCtrR發(fā)來的試驗加載指令后，如位移指令后，根據(jù)試驗相似比將位移指令轉(zhuǎn)換為實際試驗子結(jié)構(gòu)的位移加載值發(fā)送給ControlEqDAQ，然后按一定的時間間隔讀取設(shè)備反饋，當(dāng)反饋位移值滿足用戶設(shè)定的誤差等規(guī)則時，將反饋力按相似比縮放后，發(fā)回給ControlCtrR.Tester的主控界面，提供試驗過程動態(tài)觀察的功能，可顯示由ControlCtrR發(fā)送來的試驗加載指令及ControlEqDAQ發(fā)來的設(shè)備反饋數(shù)據(jù)，同時動態(tài)顯示主要的參數(shù)曲線、時間間隔及試驗步狀態(tài)等.

設(shè)備控制程序ControlEqDAQ的功能是實現(xiàn)擬動力試驗中試驗子結(jié)構(gòu)的模擬加載，以獲得試驗子結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng).基于實驗室電液伺服試驗設(shè)備的規(guī)模和功能，試驗者根據(jù)自己的需要可以對組合柱、防屈曲支撐等基本構(gòu)件進行試驗的加載.根據(jù)試驗需求選擇水平方向加載、豎直方向加載、試驗節(jié)點轉(zhuǎn)角加載等.ControlEqDAQ根據(jù)Tester發(fā)來的子結(jié)構(gòu)試位移或力加載命令控制作動器對試件進行加載，并通過傳感器測試位移和力，按一定的時間間隔發(fā)送給Tester.為了方便試驗平臺的測試和供用戶學(xué)習(xí)使用，編制了一個虛擬的設(shè)備控制程序，如圖2所示.該程序模擬設(shè)備控制程序的功能，接收指令個數(shù)要和Tester程序中設(shè)定的指令個數(shù)相同.各指令對應(yīng)的通道、指令類型也要和Tester程序中的設(shè)置一致.

1.2 基于NetSLab的遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)

NetSLabOSR遠(yuǎn)程協(xié)同擬動力試驗平臺采用NetSLab網(wǎng)絡(luò)通訊平臺實現(xiàn)參與試驗的異地計算機之間的數(shù)據(jù)通訊.NetSLab網(wǎng)絡(luò)通訊平臺是基于網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)試驗室NetSLab（Networked Structural Laboratories）的需求而開發(fā)的，它根據(jù)遠(yuǎn)程協(xié)同試驗的需求提供了異地計算機之間基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊功能.

從結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程協(xié)同試驗的角度，在NetSLab網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的開發(fā)中引入了多個新概念并采用接口引擎，從而使得應(yīng)用程序界面友好、使用方便，并且用戶還可以在該平臺上作進一步自主開發(fā).NetSLab網(wǎng)絡(luò)通訊平臺提供給試驗應(yīng)用程序開發(fā)的是一個UPSupport.exe程序，一個標(biāo)準(zhǔn)ActiveX控件UPCtlATX.DLL和一個配置文件NetLab.UPF（它是用于試驗參數(shù)配置和行為樹配置的記錄文件）.基于NetSLab網(wǎng)絡(luò)通訊平臺來開發(fā)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程協(xié)同擬動力試驗的應(yīng)用程序非常方便，任何支持標(biāo)準(zhǔn)ActiveX控件的高級計算機語言（如Visual Basic、Visual C和Visual Java等）都可以作為開發(fā)工具.應(yīng)用程序通過UPCtlATX控件提供的接口函數(shù)實現(xiàn)異地計算機之間的通訊和修改NetLab.UPF文件中的試驗參數(shù)，UPSupport.exe程序則可以對記錄在NetLab.UPF中的行為樹進行編輯，從而改變遠(yuǎn)程協(xié)同試驗的操作控制模式.

ControlCtrR和Tester之間的數(shù)據(jù)交換采用NetSLab網(wǎng)絡(luò)通訊平臺來實現(xiàn).在開始試驗前，ControlCtrR先啟動NetSLab網(wǎng)絡(luò)通訊平臺，然后等待各個試驗室的Tester通訊接入.當(dāng)所有的Tester都連接成功后，則在ControlCtrR程序里啟動試驗.在每個試驗步，ControlCtrR將試驗指令發(fā)送給所有的Tester后，就監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò).當(dāng)接收到所有Tester的反饋之后，進行下一步的數(shù)值模擬.在ControlCtrR的主控界面，點擊“啟動NetSLab”菜單，在主窗口右下角的提示區(qū)會顯示“NetSLab”成功啟動，然后程序等待各個試驗機Tester的通訊連接，如圖3所示.在NetSLab狀態(tài)欄，顯示本程序和試驗機程序的通訊連接狀態(tài).

2 擬動力試驗驗證例子

多功能的建筑結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程協(xié)同擬動力試驗平臺NetSLabOSR，試驗中可根據(jù)結(jié)構(gòu)模型的不同特點選擇適合的、針對性的試驗平臺，可選擇采用ControlCtrR自帶的數(shù)值模擬功能的試驗平臺，也可選擇采用OpenSees進行數(shù)值模擬的試驗平臺.

2.1 采用ControlCtrR自帶的數(shù)值模擬功能

2.1.1 擬動力試驗設(shè)計

擬動力試驗采用十層方鋼管混凝土柱H形鋼梁平面組合框架，柱采用方形截面鋼管混凝土柱，梁采用窄翼緣H型鋼梁.在組合框架兩邊跨的每一層，都布置人字型的防屈曲耗能支撐，以獲得在地震作用下的高效減震效果.擬動力試驗組合框架的橫向跨徑采用三跨，其中間的跨度為12.8 m，兩邊的跨度為9.6 m.組合框架的層高，底層為4 m，其余各層為3 m.在擬動力試驗中，取框架底層的人字型防屈曲耗能支撐作為試驗子結(jié)構(gòu)，其余部分作為計算子結(jié)構(gòu)，兩部分協(xié)同共同完成整個擬動力試驗.

擬動力試驗加載裝置如圖5所示.從圖中可以看出，人字型防屈曲耗能支撐試驗子結(jié)構(gòu)上端與H型鋼加載橫梁鉸接，加載橫梁安裝在一個剛架滑道中以防止側(cè)向位移.作動器鉸接在加載橫梁端頭，實現(xiàn)水平位移的加載.兩個防屈曲耗能支撐的底部與鋼底座鉸接，鋼底座用鋼螺栓與地槽連接在一起，以保證試驗過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.

3 結(jié) 論

為了促進擬動力試驗技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，本文開發(fā)了通用建筑結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程協(xié)同擬動力試驗平臺NetSLabOSR，介紹了其采用的主要模塊和試驗方法，并通過真實試驗檢驗了平臺的性能，主要結(jié)論如下：

1）基于分布式的遠(yuǎn)程協(xié)同子結(jié)構(gòu)擬動力試驗特征，設(shè)計了試驗平臺NetSLabOSR的架構(gòu)體系.該架構(gòu)體系設(shè)置了一個試驗控制中心模塊ControlCtrR，便于協(xié)調(diào)整個混合試驗，分布在各個遠(yuǎn)程實驗室的Tester模塊則基于不同試驗設(shè)備控制系統(tǒng)ControlEqDAQ所開放的接口和數(shù)據(jù)交換格式，實現(xiàn)了試驗控制中心和試驗設(shè)備控制程序之間的加載指令和反饋數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送.所開發(fā)的試驗平臺，各個模塊之間工作協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)流向清晰、合理.

2）基于NetSLab網(wǎng)絡(luò)通訊平臺，實現(xiàn)子結(jié)構(gòu)擬動力試驗平臺的遠(yuǎn)程通訊，完成了異地計算機之間試驗信息的傳輸.在網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的開發(fā)中，引入了多個新概念并采用接口引擎，能滿足分布式遠(yuǎn)程協(xié)同子結(jié)構(gòu)擬動力試驗多種數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸快捷高效，可大大提高子結(jié)構(gòu)擬動力試驗的綜合性能和試驗效率.

3） 開發(fā)的NetSLabOSR試驗平臺自帶了一些簡單結(jié)構(gòu)模型數(shù)值模擬功能，也可調(diào)用現(xiàn)有的有限元軟件如OpenSees進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)擬動力試驗.子結(jié)構(gòu)擬動力試驗表明，該試驗平臺可以應(yīng)用于不同復(fù)雜程度結(jié)構(gòu)的混合試驗，模擬不同的子結(jié)構(gòu)試驗加載邊界條件.試驗平臺的精度較高、數(shù)據(jù)交換穩(wěn)定，且通用性能良好，能有效完成各種需求的子結(jié)構(gòu)擬動力試驗.

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