基于邊緣計(jì)算和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

方衛(wèi)華，魏 勇，徐孟啟，孫 勇

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)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(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)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(shí)會(huì)加劇對(duì)建筑的破壞作用，尤其是當(dāng)振動(dòng)幅度較大，超過閾值時(shí)，會(huì)對(duì)建筑材料造成不可逆的損傷，嚴(yán)重危害水利設(shè)施安全。嚴(yán)根華［1］分析了閘門自激振動(dòng)的防范措施，通過案例分析振動(dòng)作用的破壞性。振動(dòng)監(jiān)測(cè)是動(dòng)力穩(wěn)定和共振評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，也是檢驗(yàn)動(dòng)力計(jì)算、復(fù)核施工的必然要求，研究實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水工建筑表面振動(dòng)的系統(tǒng)尤為重要。馬斌等［2］從振動(dòng)現(xiàn)象、誘因等多個(gè)方面詳細(xì)介紹了閘門振動(dòng)問題，針對(duì)不同誘因?qū)е碌恼駝?dòng)問題提出的措施具有參考意義。王忠強(qiáng)等［3］使用低頻振動(dòng)位移傳感器研究振動(dòng)問題。張曉萍等［4］通過閘門在動(dòng)水啟閉過程中的振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移等監(jiān)測(cè)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(shí)際監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)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(dòng)滾筒閘門在動(dòng)水壓力作用下的振動(dòng)特性分布規(guī)律，在模擬計(jì)算中使用了軟件進(jìn)行三維建模，模擬計(jì)算結(jié)果與測(cè)定結(jié)果趨勢(shì)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(jì)了一套振動(dòng)測(cè)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(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)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(shì)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑等領(lǐng)域。然而以上文獻(xiàn)多基于進(jìn)行振動(dòng)分析，未充分考慮在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中通信負(fù)載情況和后方處理計(jì)算能力。羅浩［7］提出了一種長(zhǎng)期在深水復(fù)雜水流中運(yùn)行的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了振動(dòng)測(cè)量的一般原理。此外還指出實(shí)際場(chǎng)景中采集的多路數(shù)據(jù)可達(dá)TB級(jí)，為此其引入數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)減輕網(wǎng)絡(luò)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(jì)算中心計(jì)算壓力問題。為此本文引入邊緣計(jì)算思想同時(shí)解決帶寬壓力和計(jì)算中心計(jì)算資源問題。

邊緣計(jì)算［8］旨在鄰近數(shù)據(jù)源頭的數(shù)據(jù)產(chǎn)生地實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，相比于集中處理的云計(jì)算方式其優(yōu)點(diǎn)是能夠減低網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，且可以分擔(dān)服務(wù)中心的計(jì)算壓力，實(shí)時(shí)性能更強(qiáng)。李麒等［9］從多個(gè)方面對(duì)邊緣計(jì)算應(yīng)用于中小型水庫(kù)信息化管理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明引入邊緣計(jì)算有利于節(jié)約開支，提高實(shí)時(shí)性。劉旭等［10］使用DSP技術(shù)實(shí)時(shí)處理采集的振動(dòng)信號(hào)，在邊緣端的計(jì)算處理有效提高了數(shù)據(jù)信息密度。以上文獻(xiàn)表明，鄰近數(shù)據(jù)源頭處對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理的邊緣計(jì)算方法具有以下3個(gè)特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性能強(qiáng)、傳輸帶寬小、服務(wù)器壓力分散。

人們對(duì)于安全監(jiān)測(cè)的認(rèn)知，往往是按發(fā)現(xiàn)規(guī)律、總結(jié)規(guī)律、應(yīng)用規(guī)律的順序循序漸進(jìn)的。以振動(dòng)問題為例，振動(dòng)位移是可以直觀判斷的，所見即所得，而任意非周期的振動(dòng)在頻域卻可以分解為許多不同頻率的周期運(yùn)動(dòng)的疊加。以往振動(dòng)監(jiān)測(cè)往往是將傳感器采集到的時(shí)域信號(hào)直接發(fā)送到后方進(jìn)行處理，這樣處理會(huì)帶來較大的通信負(fù)載和服務(wù)器負(fù)擔(dān)。為解決這2個(gè)問題，本文提出在邊緣端對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，計(jì)算得到頻域的安全特征，從時(shí)域和頻域2個(gè)角度去看待被測(cè)結(jié)構(gòu)的安全問題。

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

圖1 時(shí)間序列的頻域分解

如圖2所示，對(duì)時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，通過卓越頻率和振幅的變化對(duì)水工建筑物損傷進(jìn)行早期識(shí)別和防治。將時(shí)頻分析由計(jì)算中心前移至邊緣端進(jìn)行，有效緩解了后方計(jì)算中心的計(jì)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(dòng)監(jiān)測(cè)存在低頻、模態(tài)疊加，干擾多、各部位不一樣等難點(diǎn)，且在實(shí)際應(yīng)用中采集的多路數(shù)據(jù)需要通信帶寬大，存在后方計(jì)算壓力大等問題。為提高水閘振動(dòng)監(jiān)測(cè)感知能力，基于邊緣計(jì)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)域（加速度）、頻域（振動(dòng)頻率、振幅）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（每秒上報(bào)數(shù)據(jù)）。

2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

2.1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)芯片比較和選型

振動(dòng)測(cè)量是振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心問題，在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮測(cè)量精度、傳感器水工環(huán)境適應(yīng)性、傳感器芯片價(jià)格等因素。振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生加速度，利用這個(gè)特點(diǎn)使用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)的加速度，再通過積分電路可獲得振動(dòng)絕對(duì)位移。

如表1所示，綜合比較各類加速度計(jì)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(jì)芯片。此款芯片在性能上滿足需求，價(jià)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(cè)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(shí)集成了溫度傳感器，工作溫度范圍為-40～125℃，具備機(jī)電自檢功能，這些優(yōu)點(diǎn)使得其可以在水下環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。此外ADXL355型加速度計(jì)在慣性測(cè)量單元，平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，地震成像，傾斜檢測(cè)，機(jī)器人等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

表1 國(guó)內(nèi)外主要加速度計(jì)芯片比較

2.2 基于邊緣計(jì)算的系統(tǒng)研制

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

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

圖3 邊緣端振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(hào)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(dá)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(jí)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(hù)，熱關(guān)斷及過流保護(hù)，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(fù)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(gè)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(dǎo)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(gè)打開/關(guān)閉輸入（ON）控制，此輸入可與低壓控制信號(hào)直接對(duì)接。器件額定運(yùn)行溫度為-40～85℃。（4）通信接口選型為RS485信號(hào)，芯片型號(hào)為MAX3483EESA，此芯片具有輸出短路保護(hù)，高達(dá)±20kV ESD靜電防護(hù)，數(shù)據(jù)通信速率高達(dá)20 Mbps，總線最多可掛載128個(gè)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(yīng)用軟件開發(fā)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用邊緣計(jì)算架構(gòu)，邊緣端采集振動(dòng)信號(hào)并現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算信號(hào)時(shí)域頻域信息，邊緣端處理后的信息送至服務(wù)器端，邊緣計(jì)算結(jié)構(gòu)可以有效降低對(duì)服務(wù)器端的計(jì)算需求。此外采用瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)模式呈現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果，用戶無(wú)需安裝客戶端，而是通過網(wǎng)頁(yè)直觀獲取各個(gè)時(shí)刻振動(dòng)的時(shí)頻信息。

如圖4～5所示的基于邊緣計(jì)算的水閘振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)可視化效果，以直接訪問網(wǎng)頁(yè)形式監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)。服務(wù)器部署在云端，開發(fā)語(yǔ)言采用Java語(yǔ)言，同時(shí)采用mysql 8.0數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。

圖4 實(shí)時(shí)加速度曲線

圖5 卓越頻率和振幅曲線

2.3 室內(nèi)檢驗(yàn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)

實(shí)際部署的系統(tǒng)需要經(jīng)過室內(nèi)校準(zhǔn)，檢驗(yàn)合格后才能部署在戶外環(huán)境。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要在室內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)消除系統(tǒng)誤差，使用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行加速度校準(zhǔn)保證加速度精度10-3m/s2以內(nèi)。

如圖6～7所示，將加速度計(jì)固定在高精度雙周轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過轉(zhuǎn)臺(tái)輸出指定角度，傳感器通過加速度計(jì)算對(duì)應(yīng)角度進(jìn)行精度校準(zhǔn)驗(yàn)證。

圖6 高精度雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)

圖7 采用12方位法進(jìn)行加速度校準(zhǔn)

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(zhǔn)精度要求。室內(nèi)驗(yàn)證結(jié)果表明振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)精度要求，可以進(jìn)行實(shí)地部署。

表2 轉(zhuǎn)臺(tái)角度對(duì)應(yīng)加速度值

表3 校準(zhǔn)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(dá)1 200 m（實(shí)測(cè)），傳感器部署在閘門固定部位、旋轉(zhuǎn)軸等對(duì)振動(dòng)敏感部位，通過線纜引線至通信設(shè)備或機(jī)房；

供電和通信系統(tǒng)安裝：采用太陽(yáng)能板浮充蓄電池供電+無(wú)線通信終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；安裝點(diǎn)位選擇較為靈活，選擇采光（或交流電供電較好）和運(yùn)營(yíng)商信號(hào)較好的區(qū)域。

3 數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)模擬不同頻率的振動(dòng)及其疊加，對(duì)系統(tǒng)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，觀察預(yù)設(shè)振動(dòng)與分析結(jié)果頻率是否一致。振動(dòng)臺(tái)分別用3 Hz、5 Hz、12 Hz的激勵(lì)以及不同強(qiáng)度的組合信號(hào)進(jìn)行輸出，測(cè)量傳感器時(shí)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(dòng)臺(tái)模擬振動(dòng)頻率為3 Hz、振幅為0.05 m/s2時(shí)提出的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量波形與頻譜；圖8（b）表示模擬振動(dòng)頻率為5 Hz、振幅為0.15 m/s2時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(dòng)臺(tái)模擬頻率為3 Hz、振幅0.05 m/s2的振動(dòng)與頻率為5 Hz、振幅為0.15 m/s2的振動(dòng)疊加時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)

以上頻譜與波形結(jié)果與振動(dòng)臺(tái)預(yù)設(shè)模擬值完全一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的基于邊緣計(jì)算技術(shù)和MEMS技術(shù)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較好地檢測(cè)振動(dòng)問題，且能將時(shí)域信號(hào)準(zhǔn)確的在頻域分解為不同頻率振動(dòng)的疊加。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)角度精度達(dá)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(dòng)頻率精度為0.25 Hz。模擬實(shí)驗(yàn)的目的主要是從時(shí)域加速度曲線、頻率振動(dòng)頻率變化等維度進(jìn)行針對(duì)分析，驗(yàn)證振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在振動(dòng)感知的靈敏度、采集數(shù)據(jù)精度等方面滿足設(shè)計(jì)需求。此外振動(dòng)傳感器是否適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，在復(fù)雜場(chǎng)景下能否長(zhǎng)期工作還需要進(jìn)一步觀察。

4 結(jié)論

為提高水工建筑監(jiān)測(cè)能力，本文設(shè)計(jì)了一種基于邊緣計(jì)算技術(shù)和MEMS技術(shù)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以三軸MEMS加速度傳感器為核心部件完成了對(duì)敏感部位振動(dòng)信號(hào)的收集，基于邊緣計(jì)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(duì)振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)處理提高信息密度降低了服務(wù)器計(jì)算壓力，同時(shí)采用B/S架構(gòu)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，后期維護(hù)更新方便。時(shí)域加速度曲線、振動(dòng)頻率變化等多個(gè)維度表明本文提出的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足實(shí)際場(chǎng)景下對(duì)靈敏度、精度等指標(biāo)的需求。此外基于邊緣計(jì)算的設(shè)計(jì)框架有效降低了服務(wù)器的計(jì)算壓力和網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。