CN111123861A - 大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实验检测装备领域，一种适用于大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统及方法，其组成包括主控系统和多种不同功能的传感器子模块，各传感器子模块硬件上通过网关模块与主控系统进行连接。按照各子模块的上位机软件开发语言类型、是否开放源代码以及子模块传感器读取及控制系统是否支持程控仪器命令标准为条件，将不同功能的传感器子模块划归为4种类型；针对每类传感器子模块的特点在其中增设与之匹配的数据读取及控制接口，并在主控系统的软件中增设对应的数据通信接口以实现数据交换。在装备系统研发、变更/增减更多不同功能的传感器子模块时具有优势，也便于统一多传感器数据的传输、处理和存储的数据格式。

Description

大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统及方法

技术领域

本发明涉及多传感器试验装备技术领域，特别是一种大型多场耦合试验装备中的分布式数据采集系统及方法。

背景技术

大型工程特别是土木等领域中的多场耦合试验装备需要对地质开放系统中的温度、水分、盐分、应力、应变等多个参量进行综合监测，其结果将对工程中多场耦合与互馈效应的共同作用机制给予大量数据支撑。在深刻理解地质灾害成因、完善防治体系等方面具有重要作用。目前，先进的工程多场耦合试验装备及其相关技术已成为国家的重大需求之一。

现有技术中一种大型土边值方法是目前可行的试验手段，即在土单元中布置较多不同类型的传感器而不明显影响土单元性能，能较好地模拟实际三维开放系统与三维应力状态，及土单元与环境之间温度、水分/盐分等三维分布、迁移的情况。具有条件可控性强、检测精准度高且易于均匀制备测试单元、可靠动态监测等优势，应用前景广泛。但也正由于这类试验系统中同时具有多种不同功能传感器的特点，装备系统对其分布式数据采集方案也提出了更高要求。

现有的常见技术手段包括：在多场耦合试验系统装备设计中采用一个独立的数据采集单元，通过构建系统整体数据采集的需求（包括：传感器子模块数量、模拟/数字的通信方式，模拟量/数字量的采集，通道数、采样速率等具体参数），利用此独立数据采集单元直接对各子传感器监测模块进行控制，实现各传感器子模块的工作参数设置和监测数据获取。此方法具有系统逻辑清晰、简洁的优点，但是在各种功能的传感器子模块数量不断增大后，存在硬件成本较高且在各传感器子模块独立开发阶段不够灵活等问题。例如：在新的传感器子模块研发过程中请求变动/增加采集通道或采用更高的数据采样率等。给大型多场耦合试验系统装备的整体开发、调试带来不便。此外，此技术手段中所采用的独立数据采集单元也通常会和各传感器子模块研发时已有的数据采集装置在功能上产生部分重叠，一定程度上造成了系统资源的浪费。因此，一种适用于大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统显得尤为重要。

中国专利文献CN102156476A记载了一种智能空间与护士机器人多传感器系统及其信息融合方法，其中也考虑了多传感器系统的数据融合问题。融合树中每个融合节点主要由3个基本功能组成，分别为数据校准、数据互联、状态估计及预测，它们是各类融合系统的融合节点在解决各融合问题时具有的共同的处理功能，但不同融合节点内的数据流及控制流是互不相同的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统及方法，能够为传输、汇总、处理、存储和研究来自试验装备中各传感器子模块的监测数据（包括应力/应变、压力、含水/含冰量、含盐量、温度等）提供一种可靠便捷的方案，尤其适用于大型多场耦合试验装备的研发阶段。一方面能充分汇集来自各功能传感器子模块的监测数据，实时显示测试单元中各监测参量的变化情况；另一方面还能以统一的数据格式对汇总的大量监测数据进行存储、备份以便进一步的分析、计算。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大型多场耦合试验装备中的分布式数据采集系统，其组成包括主控系统和多种不同功能的传感器子模块；每种传感器子模块的系统结构都划分为：子模块上位机含软件、传感器读取和控制系统、及安装在系统测试单元中的传感器阵列；各传感器子模块硬件上通过网关模块与主控系统进行连接；按照各子模块系统中的上位机软件开发语言种类、是否开放源代码以及子模块传感器读取及控制系统是否支持程控仪器命令标准为条件，将测试系统中不同功能的传感器子模块划归为4种类型；每种类型设有与之相匹配的子模块读取及控制接口，在主控系统的软件中再设置对应的数据通信接口，以实现对各个传感器子模块数据的传输。

优选的方案中，接口类型的类型1是上位机软件采用LabVIEW语言编写的并完全开放源代码的传感器子模块；接口类型的类型2是上位机软件采用非LabVIEW语言编写的但开放源代码的传感器子模块；接口类型的类型3是上位机软件为非开源的系统，但是传感器读取及控制系统支持程控仪器命令标准的传感器子模块；接口类型的类型4是上位机软件不开源，同时传感器读取及控制系统也不支持程控仪器命令标准的传感器子模块。

优选的方案中，各传感器子模块系统的上位机软件部分均加入基于LabVIEW语言开发的软件接口；主控系统的软件也基于LabVIEW语言开发，并在主控系统软件中增设与每类子模块对应的数据接口；主控系统与各传感器子模块之间通过所述的数据接口，以网络共享变量的方式进行数据传输和实现数据交换。

优选的方案类型1中，第1类子模块系统上位机软件为基于LabVIEW语言编写并开放源代码，用于连接到类型1的传感器读取和控制系统并可读取第1类传感器阵列的采集和控制参数；第1类子模块接口也由LabVIEW语言编写；由于和上位机软件的开发语言一致，接口可直接内嵌于第1类子模块系统上位机软件中。第1类子模块接口在局域网内与主控软件系统中的第1类子模块接口连接，以共享变量的方式实现主控系统与该类型传感器子模块间的数据交换；

优选的方案类型2中，第2类子模块系统上位机软件开放源代码但非采用LabVIEW语言编写，用于连接到类型2传感器读取和控制系统并可读取第2类传感器阵列的采集和控制参数；在第2类子模块上位机软件中通过增设标准软件编程接口，将第2类传感器读取和控制系统及第2类传感器阵列的采集和控制参数传递给由LabVIEW语言编写的第2类子模块接口；第2类子模块接口再将采集和控制参数以共享变量的方式在局域网内与主控系统软件中的第2类子模块接口进行连接，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

优选的方案类型3中，第3类子模块上位机软件为非开放源代码的系统，但第3类传感器读取和控制系统支持程控仪器标准；基于LabVIEW语言编写的第3类子模块接口通过调用支持程控仪器标准的动态链接库或第三方软件控件，以GPIB、串口协议或其他通讯协议与第3类传感器读取和控制系统进行通信，实现第3类传感器阵列的数据采集和控制参数传递；第3类子模块接口将采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统软件的第3类子模块接口进行连接，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

优选的方案类型4中，第4类子模块上位机软件为非开放源代码系统，且本类型的传感器读取和控制系统不支持程控仪器标准；通过在类型4传感器读取和控制系统中增设硬件拓展接口，将第4类传感器阵列的采集和控制信号引出；利用附加数据采集和控制装置对本类传感器阵列的数据进行读取和控制；基于LabVIEW语言的第4类子模块接口将采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统软件的第4类子模块接口进行连接，以实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换。增设的硬件拓展接口在系统结构上包含于本类型传感器读取和控制系统中；附加的数据采集和控制装置在系统结构上包含于本类型子模块接口内。

优选的方案中，所述的传感器阵列包括应力/应变传感器、压力传感器、含水量传感器、含冰量传感器、含盐量传感器、温度传感器、加速度传感器、角度传感器、位移传感器中的一种或多种。

优选的方案中，所述的主控系统的软件系统中还设有数据同步和汇总模块，数据同步和汇总模块用于按照一定格式整理和汇总各个传感器子模块所采集的传感器数据集；

优选的方案中，所述的软件系统中还设有数据预处理及可视化模块，数据预处理及可视化模块用于对各个传感器子模块所采集的传感器数据集进行滤波或降噪的预处理；

并且，数据预处理及可视化模块在图形用户界面中对监测数据进行二维/三维的可视化处理。

优选的方案中，所述的主控系统的软件系统中还设有异常识别和预警模块，异常识别和预警模块用于对监测数据的异常情况进行判断，包括对采集数据进行误差评估、预防及监测数据丢失判定、和监测数据异常的预警。

所述的软件系统中还设有数据保存及查询模块，数据保存及查询模块用于按照一定格式，存储和备份各个传感器子模块回传的数据信息，以进一步查询、分析和处理。

一种采用上述大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统的方法，其特征是包括以下步骤：

S1、将测试单元内的各个传感器阵列所属传感器子模块按照其上位机软件开发语言种类、是否开放源代码以及是否支持程控仪器命令标准为条件，将测试系统中的各种功能传感器子模块划分为4种类型：

类型1是子模块的上位机软件采用LabVIEW语言开发并完全开放源代码的传感器子模块系统；

类型2是子模块上位机软件采用非LabVIEW语言编写，但开放源代码的传感器子模块系统；

类型3是子模块上位机软件为非开源的软件系统，但是传感器子模块读取和控制系统支持程控仪器命令标准；

类型4是子模块上位机软件不开源，同时传感器子模块读取和控制系统也不支持程控仪器命令标准；

按照上述4种类型对各个功能的传感器子模块进行归类，传感器子模块系统中设有子模块上位机及软件，子模块上位机软件增设基于LabVIEW的数据读取及参数控制子模块接口；

各类传感器子模块系统通过网关模块与主控系统组建成局域网，主控系统的软件为采用LabVIEW语言编写的系统；

S2、类型1中，基于LabVIEW语言的第1类传感器子模块接口，直接嵌入于第1类传感器子模块系统上位机LabVIEW软件中，通过与类型1传感器读取和控制系统的通信，将第1类传感器阵列的采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控软件系统的第1类子模块接口进行传递，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

类型2中，基于LabVIEW的第2类传感器子模块接口，通过嵌入标准软件编程接口与第2类子模块上位机软件进行通信，实现与类型2传感器读取和控制系统的数据交换；然后将第2类传感器阵列的采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内向主控系统的软件系统的第2类子模块接口进行传递，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

类型3中，基于LabVIEW的第3类传感器子模块接口通过调用支持程控仪器标准的动态链接库或第三方软件控件，以GPIB、串口协议或其他通讯协议与类型3传感器读取和控制系统通信，然后将第3类传感器阵列的数据采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统的第3类子模块接口进行连接，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

类型4中，第4类子模块上位机软件为非开放源代码系统，且类型4传感器读取和控制系统不支持程控仪器标准；需在类型4传感器读取和控制系统上增设硬件拓展接口，将第4类传感器阵列的采集和控制信号引出；利用外加数据采集和控制装置对本类传感器系统中所需信号进行采集和控制；基于LabVIEW语言的第4类子模块接口将采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控软件系统的第4类子模块接口进行连接，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换。外加数据采集和控制装置在结构上包含于本类子模块接口当中。

S3、在主控系统的软件系统中还设有数据同步和汇总模块，数据同步和汇总模块用于按照一定格式整理和汇总各个传感器子模块所采集的传感器数据集；

所述的主控系统的软件系统中还设有数据预处理及可视化模块，数据预处理及可视化模块用于对各个传感器子模块所采集的传感器数据集进行包括滤波或降噪的预处理；并在图形用户界面中对监测数据进行二维/三维的可视化处理；

所述的主控系统的软件系统中还设有异常识别和预警模块，异常识别和预警模块用于对监测数据的异常情况进行判段，包括对采集数据进行误差评估、预防及监测数据丢失判定、和监测数据异常的预警；

所述的主控系统的软件系统中还设有数据保存及查询模块，数据保存及查询模块用于按照一定格式，存储和备份各个功能传感器子模块回传的数据信息，用于进一步查询、分析和处理。

本发明提供的一种大型多场耦合试验装备中的分布式数据采集系统及方法，与现有技术相比，优点和积极效果在于：本发明不仅方便实现在大型多场耦合试验装备系统中各个功能传感器子模块监测数据获取和工作参数设置，而且在系统的研发阶段不必完全统一各个子模块的软硬件标准。通过划分传感器子模块类型并设置相应的数据通信接口模块，使得一套主控系统能覆盖到较多的不同功能的传感器子模块。使系统整体研发更加灵活，并更专注于多场数据的获取和分析；同时本发明便于各个功能传感器子模块的独立研发、调试工作，特别是对于新型的传感器系统，无需更改或设置一个单独的数据采集装置，而是尽可能通过网关模块和LabVIEW共享变量的方式实现传感器子模块和主控系统的连接与数据交换，这种方法在变更/增减更多不同类型的传感器子模块时具有较大优势，节省了系统研发的成本。此外，通过设立不同的子模块接口后，各个子模块数据采用统一标准进行传输、预处理、分析和存储，也进一步便于试验装备数据的长期备份、查询、后处理等任务。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体系统结构示意图。

图2为本发明的软件部分的结构示意图。

图3为优选的方案类型1传感器子模块系统结构图。

图4为优选的方案类型2传感器子模块系统结构图。

图5为优选的方案类型3传感器子模块系统结构图。

图6为优选的方案类型4传感器子模块系统结构图。

图中：主控系统1，主控系统的软件系统100；第1类子模块接口101，第2类子模块接口102，第3类子模块接口103，第4类子模块接口104；数据同步和汇总模块105，数据预处理及可视化模块106，异常识别和预警模块107，数据保存及查询模块108；网关模块2；

第1类子模块上位机含软件301，类型1传感器读取和控制系统302，第1类传感器阵列303，第1类子模块接口304；第2类子模块上位机401，类型2传感器读取和控制系统402，第2类传感器阵列403，第2类子模块接口404，第2类子模块接口404与第2类子模块上位机401之间的标准软件编程接口；第3类子模块上位机501，类型3传感器读取和控制系统502，第3类传感器阵列503，第3类子模块接口504；第4类子模块上位机601，类型4传感器读取和控制系统602，第4类传感器阵列603，第4类子模块接口604，第4类子模块的硬件拓展接口605，第4类子模块的外加数据采集和控制装置606；试验系统中的测试单元7。

具体实施方式

实施例1：

如图1、2中，一种大型多场耦合试验装备中的分布式数据采集系统，其组成包括主控系统1和多种不同功能的传感器子模块；每种传感器子模块的结构都划分为：子模块的上位机含软件，传感器读取和控制系统，及设置于测试单元中的传感器阵列；各传感器子模块通过网关模块2与主控系统1进行连接；所述的多种不同功能的传感器子模块，包括应力/应变、压力、含水/含冰量、含盐量、温度传感器等；按照各子模块的上位机软件开发语言类型、是否开放源代码、以及子模块传感器读取及控制系统是否支持程控仪器命令标准为条件划归为4种类型。每种类型传感器子模块系统增设与之相匹配的子模块读取及控制接口，并在主控系统的软件系统中再设置对应的数据接口，以实现主控系统对传感器子模块数据的传输。本例中所述的每种类型的传感器子模块都包括子模块上位机及软件、本类型的传感器读取和控制系统和本类型的传感器阵列。将所述的传感器子模块划分为4种类型，但并不意味着系统只能包含4种传感器。

优选的方案中，接口类型的类型1是上位机软件采用LabVIEW语言编写的完全开放源代码的传感器子模块；接口类型的类型2是上位机软件采用非LabVIEW语言编写的但开放源代码的传感器子模块；接口类型的类型3是上位机软件采用非开源的系统，但是传感器读取及控制系统支持程控仪器命令标准的传感器子模块；接口类型的类型4是上位机软件不开源，同时传感器读取及控制系统也不支持程控仪器命令标准系统的传感器子模块。

优选的方案中，所述的主控系统的软件系统100为基于LabVIEW语言开发的软件系统，主控系统1与各个传感器子模块之间通过共享变量的方式进行连接并实现数据交换；

子模块的读取及控制接口也基于LabVIEW语言开发。LabVIEW语言由美国国家仪器NI公司研制，类似于C和BASIC语言；但LabVIEW与其他计算机语言显著的区别是：不必采用传统的基于文本的代码编写方式，而是使用图形化的编辑方法，产生的程序是类似框图的形式。

优选的方案中，各传感器子模块的上位机软件部分均加入一个基于LabVIEW语言开发的软件接口；主控系统的软件系统100也基于LabVIEW语言开发，并在主控系统的软件系统100中设置与每类传感器子模块对应的数据接口；主控系统1与各传感器子模块之间通过数据接口，以网络共享变量的方式进行数据传输和实现数据交换。

优选的方案类型1中（如图3），第1类子模块上位机301的软件为基于LabVIEW语言编写并开放源代码的系统，用于连接到类型1传感器读取和控制系统302并可读取本类的（第1类）传感器阵列303的采集和控制参数；第1类子模块接口304也由LabVIEW语言编写；由于和上位机软件的开发语言一致，接口可内嵌于上位机及软件301中并获取301中的传感器采集和控制参数。第1类子模块接口304在局域网内与主控软件系统100的第1类子模块接口101连接，以共享变量的方式实现主控系统与该类型传感器子模块间的数据交换；

优选的方案类型2中（如图4），第2类子模块上位机401的软件为开放源代码的非LabVIEW语言编写，用于连接到类型2传感器读取和控制系统402，并可读取本类型的（第2类）传感器阵列403的采集和控制参数；在第2子模块上位机401的软件中增设标准软件编程接口405，以此方式通过上位机401的软件中读取的第2类传感器读取和控制系统402的参数及第2类传感器阵列403的采集和控制参数传递给由LabVIEW语言编写的第2类子模块接口404；第2类子模块接口404再将采集和控制参数以共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统100中的第2子模块接口102进行连接，实现主控系统1与该类型传感器子模块的数据交换；

优选的方案类型3中（如图5），第3类子模块上位机501的软件为非开放源代码系统，但类型3传感器读取和控制系统502支持程控仪器标准；基于LabVIEW语言编写的第3类子模块接口504通过调用支持程控仪器标准的动态链接库或第三方软件控件，以GPIB、串口协议或其他通讯协议与类型3传感器读取和控制系统502进行直接通信，实现本类型的第3类传感器阵列503的数据采集和控制参数传递；第3类子模块接口504将采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统100的第3子模块接口103进行连接，实现主控系统1与该类型传感器子模块的数据交换；

优选的方案类型4中（如图6），第4类子模块上位机601的软件为非开放源代码系统，且本类型的类型4传感器读取和控制系统602不支持程控仪器标准；在类型4传感器读取和控制系统602中设置硬件拓展接口605，将第4类传感器阵列603的采集和控制信号引出；利用附加数据采集和控制装置606，在硬件拓展接口605和类型4传感器读取和控制系统602的辅助下，对本类传感器阵列603进行读取和控制；基于LabVIEW语言的第4类子模块接口604将采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统100的第4子模块接口104进行连接，以实现主控系统1与该类型传感器子模块的数据交换。所述的硬件拓展接口结构上属于类型4传感器读取和控制系统602，所述的附加数据采集和控制装置结构上属于子模块接口604。

使用共享变量，可在同一网络上的不同VI之间共享数据。与LabVIEW中其他现有的数据共享的方法如UDP/TCP，LabVIEW队列，及实时FIFO不同，通常在LabVIEW环境中配置共享变量，而无需在应用中编写额外代码。可以创建三种类型的共享变量：单进程，网络发布，以及时间触发的共享变量。使用单进程变量在同一个VI中不能用连线传输的不同位置间传递数据，例如同一个VI的并行循环之间，或者同一应用实例中的两个不同VI之间。单进程共享变量的底层实现与LabVIEW中全局变量相似。单进程共享变量相对于传统的全局变量的主要优点是能够将一个单进程共享变量转换成一个网络发布的共享变量，这样网络上的任何节点都可以访问。利用网络发布的共享变量，则可以在以太网上对共享变量进行读写操作。网络应用的处理完全由网络发布的共享变量完成。

优选的方案中，所述的传感器阵列包括应力/应变传感器、含水量传感器、含冰量传感器、含盐量传感器、温度传感器、加速度传感器、角度传感器、位移传感器中的一种或多种。传感器阵列被安装、埋设在被测系统主体7中。

优选的方案中，所述的主控系统的软件系统100中还设有数据同步和汇总模块105。数据同步和汇总模块105用于按照一定格式整理和汇总各个传感器子模块所采集的传感器数据集。例如：从各子模块接口读取传感器数据后，按照时间演变和传感器空间位置的顺序汇总和整理应力/应变传感器、含水量传感器、含冰量传感器、含盐量传感器、温度传感器等的监测数据。

优选的方案中，所述的软件系统100中还设有数据预处理及可视化模块106。数据预处理及可视化模块106用于对各个传感器子模块所采集的传感器数据集进行滤波或降噪等预处理；例如：对传感器数据进行高、低通滤波或小波降噪等预处理。

数据预处理及可视化模块106还能在图形用户界面中对监测数据进行二维/三维的可视化处理。例如：对汇总的应力、应变场、含水、冰、盐分数据分布、温度场等监测数据，在图形用户界面上按照时间演变的顺序进行二维/三维空间的数据可视化处理。

优选的方案中，所述的主控系统的软件系统100中还设有异常识别和预警模块107，异常识别和预警模块107用于对监测数据的异常情况进行判断，包括对采集数据进行误差评估、预防及监测数据丢失判定和监测数据异常的预警。例如：对子模块传感器的采样数据与理论预测值偏差大于设定阈值的情况，对传感器数据存在缺失的情况，以及对于应力、应变或温度超出预警指标的情况做出反应；对于采集系统造成数据异常进行判断，进行滤波或异常值剔除等。

所述的软件系统100中还设有数据保存及查询模块108，数据保存及查询模块108用于按照一定格式，存储和备份各个传感器子模块回传的数据信息，以进一步查询、分析、处理。

实施例2：

一种采用上述的大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统的方法，其特征是包括以下步骤：

S1、将测试单元内的传感器阵列所属子模块按照传感器阵列所属子模块的上位机开发语言类型、是否开放源代码以及是否支持程控仪器命令标准为条件，将测试系统中不同功能的传感器子模块划分为4种类型：

类型1是子模块上位机软件采用LabVIEW语言开发并完全开放源代码的系统；

类型2是子模块上位机软件采用非LabVIEW语言编写，但开放源代码的传感器读取和控制系统；

类型3是子模块上位机软件采用非开源的软件系统，但是传感器读取和控制系统支持程控仪器命令标准；

类型4是子模块上位机软件不开源，同时传感器读取和控制系统也不支持程控仪器命令标准；

按照各个不同类型对传感器子模块进行归类，传感器子模块中设有子模块上位机，子模块上位机软件设有基于LabVIEW的数据读取及参数控制子模块接口；

需要说明所述的传感器子模块是对一般的可以独立运行的传感器系统进行的抽象，一般为包括软件、硬件的综合系统。在集成各子模块到大型测试设备时，各子模块可看作单独模块，即忽略其内部的原理和运行机制，只考虑对模块整体的数据交换，包括子模块设置参数和传感器监测数据的读取等。目前在主控系统软件为LabVIEW语言编写的情况下，本申请能够覆盖所述的4种类型的传感器子模块，涵盖了实验测试系统中常见的不同功能的传感器系统。

各类传感器子模块通过网关模块2与主控系统1组建成局域网，主控系统的软件系统100为采用基于LabVIEW语言的软件系统；

S2、类型1中，基于LabVIEW 语言的第1类子模块接口304，嵌入于第1类子模块上位机301的LabVIEW软件中，通过与类型1传感器读取和控制系统302的通信，将第1类传感器阵列303的采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控软件系统100的第1子模块接口101进行传递，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

类型2中，基于LabVIEW的第2类子模块接口404，通过标准软件编程接口405与第2类子模块上位机401的软件进行通信，实现与类型2传感器读取和控制系统402的数据交换；然后将第2类传感器阵列403的采集和控制参数，经类型2传感器读取和控制系统402、第2类子模块上位机含软件401和标准软件编程接口405，传输至第2类子模块接口404。再通过共享变量的方式在局域网内向主控系统的软件系统100的第2子模块接口102进行传递，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

类型3中，基于LabVIEW 的第3类子模块接口504通过调用支持程控仪器标准的动态链接库或第三方软件控件，以GPIB、串口协议或其他通讯协议直接与类型3传感器读取和控制系统502通信，然后将第3类传感器阵列503的数据采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统100的第3子模块接口103进行连接，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

类型4中，第4类子模块上位机601的软件为非开放源代码系统，且类型4传感器读取和控制系统602不支持程控仪器标准；需在类型4传感器读取和控制系统602上设置硬件拓展接口605，将第4类传感器阵列603的采集和控制信号引出；利用外加数据采集和控制装置606对所需信号进行采集和控制；基于LabVIEW语言的第4类子模块接口604将采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控软件系统100的第4类子模块接口104进行连接，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换。所述的硬件拓展接口结构上包含于类型4传感器读取和控制系统602中，外加数据采集和控制装置结构上包含于子模块接口604内。

S3、在主控系统的软件系统100中还设有数据同步和汇总模块105，数据同步和汇总模块105用于按照一定格式整理和汇总各传感器子模块所采集的传感器数据集；

所述的主控系统的软件系统100中还设有数据预处理及可视化模块106，数据预处理及可视化模块106用于对各个传感器子模块所采集的传感器数据集进行包括滤波或降噪等预处理；并在图形用户界面中对监测数据进行二维/三维的可视化处理；

所述的主控系统的软件系统100中还设有异常识别和预警模块107，异常识别和预警模块107用于对监测数据的异常情况进行判断，包括对采集数据进行误差评估、预防及监测数据丢失判定、和监测数据异常的预警；

所述的主控系统的软件系统100中还设有数据保存及查询模块108，数据保存及查询模块108用于按照一定格式，存储和备份各个传感器子模块回传的数据信息，用于进一步查询、分析、处理。

实施例3：

如图1中，一种大型多场耦合试验装备中的分布式数据采集系统，包括主控系统1和多种不同功能的传感器子模块；例如：布置于测试土单元中的温度、水分/盐分、含冰量、应力应变，结构压力传感器等；各种功能的传感器子模块按照上位机开发语言类型、是否开放源代码以及是否支持程控仪器命令标准等条件划分为4种类型；例如：水分/盐分子模块的上位机软件为LabVIEW语言开发并开放源代码；结构检测用压力传感器和应力、应变子模块的上位机软件为C#语言开发并开放源代码；温度检测子模块上位机利用非开源的安捷伦测量软件，但温度传感器读取和控制系统（安捷伦34970A）支持GPIB的通信方式；冰水含量传感子模块，包含中子散射仪等成套系统，可拓展数据接口将其监测信号引出。各个传感器子模块通过网关模块2与主控系统1组成局域网；

在水分/盐分传感子模块中，基于LabVIEW语言的传感器子模块读取及控制接口通过与子模块上位机软件集成，可将水分/盐分传感探头阵列的采集和控制参数，以共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统的第1类子模块接口101进行传输，实现主控系统与本类型传感器子模块的数据交换；

在用于结构检测的压力传感器和应力、应变传感子模块中，基于LabVIEW语言的子模块读取及控制接口通过标准软件编程接口，例如Socket与子模块上位机的C#软件进行通信；通过此连接，子模块读取及控制接口可对本类传感器子模块读取及控制系统及压力、应力或应变传感器探头阵列的采集和控制参数进行读取和设定，然后这些参数再以共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统100的第2类子模块接口102进行传输，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

在温度检测子模块中，基于LabVIEW语言的子模块读取及控制接口通过调用支持程控仪器标准的动态链接库，例如：接口以GPIB的通信协议与安捷伦34970A连接，将温度传感器探头阵列的采集和控制参数以共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统100的第3子模块接口103进行传输，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

在冰水含量传感中子散射系统子模块中，其采集和控制系统为类型4，需在传感器读取和控制系统602上增设扩展接口605，将第4类传感器阵列603的读取和控制信号从硬件上引出；基于LabVIEW语言开发的第4类子模块接口604利用附加的数据采集装置606，例如：NIUSB6009数据采集卡，对探测的中子散射信号进行采集，并将其通过共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统100的第4类子模块接口104进行传输，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换。

优选的方案中，所述的主控软件系统100中还设有数据预处理及可视化模块106，数据预处理及可视化模块106用于对本实例中所述各个传感器子模块所采集的传感器数据集进行滤波或降噪的预处理；例如：对传感器数据进行高、低通滤波或小波降噪等预处理。

数据预处理及可视化模块106并在图形用户界面中对监测数据进行二维/三维的可视化处理。例如：对应力、应变场、含水、冰、盐分数据分布、温度场等监测数据在图形用户界面上按照时间演变的顺序进行二维/三维的可视化处理。

优选的方案中，所述的主控软件系统100中还设有异常识别和预警模块107，异常识别和预警模块107用于对监测数据的异常情况进行判断，例如：包括对采集数据进行误差评估、预防及监测数据丢失判定和监测数据异常的预警。包括对采集数据进行误差评估、预防及监测数据丢失判定和监测数据异常的预警，例如：对子模块传感器的采样数据与理论预测值偏差大于设定阈值的情况，对传感器数据存在缺失情况，以及对于应力、应变或温度超出预警指标的情况做出反应；对于采集系统造成数据异常进行判断，进行滤波或异常值剔除等。

所述的主控软件系统100中还设有数据保存及查询模块108，数据保存及查询模块108用于按照一定格式，例如：LabVIEW中的TDMS格式，存储和备份各个传感器子模块回传的数据信息，用于进一步查询、分析、处理。

Claims (10)

1.一种大型多场耦合试验装备中的分布式数据采集系统，其特征是：其组成包括主控系统（1）和多种不同功能的传感器子模块；每种传感器子模块的系统结构包括：子模块上位机含软件，传感器读取和控制系统及设置于测试单元中的传感器阵列；各传感器子模块硬件上通过网关模块（2）与主控系统（1）进行连接；

按照各子模块的上位机软件开发语言类型、是否开放源代码以及子模块传感器读取及控制系统是否支持程控仪器命令标准为条件，将不同功能的传感器子模块划归为4种接口类型，针对每类传感器子模块的特点增设与之相匹配的子模块读取及控制接口，在主控系统（1）的软件系统中再设置对应的数据接口，以实现对传感器子模块数据的传输。

2.根据权利要求1所述的一种大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统，其特征是：接口类型的类型1是上位机软件采用LabVIEW语言编写的完全开放源代码的传感器子模块；接口类型的类型2是上位机软件采用非LabVIEW语言编写的但开放源代码的传感器子模块；接口类型的类型3是上位机软件采用非开源的系统，但传感器读取及控制系统支持程控仪器命令标准的传感器子模块；接口类型的类型4是上位机软件不开源，同时传感器读取及控制系统也不支持程控仪器命令标准系统的传感器子模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统，其特征是：各传感器子模块的上位机软件部分均加入基于LabVIEW语言开发的软件接口；主控系统的软件系统（100）也基于LabVIEW语言开发，并在主控系统的软件系统（100）中设置与每类传感器子模块对应的数据通信接口；主控系统（1）与各传感器子模块之间通过数据通信接口，以网络共享变量的方式进行数据传输和实现数据交换。

4.根据权利要求3所述的一种大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统，其特征是：

类型1中，第1类子模块上位机（301）的软件为基于LabVIEW语言编写并开放源代码的系统，用于连接到类型1传感器读取和控制系统（302）并可读取本类的（第1类）传感器阵列（303）的采集和控制参数；第1类子模块接口（304）也由LabVIEW语言编写；由于和上位机软件的开发语言一致，接口可内嵌于上位机及软件（301）中并获取其中的传感器采集和控制参数；第1类子模块接口（304）在局域网内与主控软件系统（100）的第1类子模块接口（101）连接，以共享变量的方式实现主控系统与该类型传感器子模块间的数据交换；

类型2中，第2类子模块上位机（401）的软件为开放源代码的非LabVIEW语言编写，用于连接到类型2传感器读取和控制系统（402），并可读取本类型的（第2类）传感器阵列（403）的采集和控制参数；在第2子模块上位机（401）的软件中增设标准软件编程接口（405），以此方式通过上位机（401）的软件中读取的第2类传感器读取和控制系统（402）的参数及第2类传感器阵列（403）的采集和控制参数传递给由LabVIEW语言编写的第2类子模块接口（404）；第2类子模块接口（404）再将采集和控制参数以共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统（100）中的第2子模块接口（102）进行连接，实现主控系统1与该类型传感器子模块的数据交换；

类型3中，第3类子模块上位机（501）的软件为非开放源代码系统，但类型3传感器读取和控制系统（502）支持程控仪器标准；基于LabVIEW语言编写的第3类子模块接口（504）通过调用支持程控仪器标准的动态链接库或第三方软件控件，以GPIB、串口协议或其他通讯协议与类型3传感器读取和控制系统（502）进行直接通信，实现本类型的第3类传感器阵列（503）的数据采集和控制参数传递；第3类子模块接口（504）将采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统（100）的第3子模块接口（103）进行连接，实现主控系统1与该类型传感器子模块的数据交换；

类型4中，第4类子模块上位机（601）的软件为非开放源代码系统，且本类型的类型4传感器读取和控制系统（602）不支持程控仪器标准；在类型4传感器读取和控制系统（602）中设置硬件拓展接口（605），将第4类传感器阵列（603）的采集和控制信号引出；利用附加数据采集和控制装置（606），在硬件拓展接口（605）和类型4传感器读取和控制系统（602）的辅助下，对本类传感器阵列（603）进行读取和控制；基于LabVIEW语言的第4类子模块接口（604）将采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统（100）的第4子模块接口（104）进行连接，以实现主控系统1与该类型传感器子模块的数据交换；

所述的硬件拓展接口结构上属于类型4传感器读取和控制系统（602），所述的附加数据采集和控制装置结构上属于子模块接口（604）。

5.根据权利要求3所述的一种大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统，其特征是：所述的传感器阵列包括应力/应变传感器、含水量传感器、含冰量传感器、含盐量传感器、温度传感器、加速度传感器、角度传感器、位移传感器中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的一种大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统，其特征是：所述的主控系统的软件系统（100）中还设有数据同步和汇总模块（105），数据同步和汇总模块（105）用于按照统一的格式整理和汇总各个传感器子模块所采集的传感器数据集；

所述的软件系统（100）中还设有数据预处理及可视化模块（106），数据预处理及可视化模块（106）用于对各个传感器子模块所采集的传感器数据集进行滤波或降噪的预处理；数据预处理及可视化模块（106）并在图形用户界面中对监测数据进行二维/三维的可视化处理。

7.根据权利要求3所述的一种大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统，其特征是：所述的主控系统的软件系统（100）中还设有异常识别和预警模块（107），异常识别和预警模块（107）用于对监测数据的异常情况进行判断，包括对采集数据进行误差评估、预防及监测数据丢失判定和监测数据异常的预警。

8.根据权利要求3所述的一种大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统，其特征是：所述的软件系统（100）中还设有数据保存及查询模块（108），数据保存及查询模块（108）用于按照统一格式，存储和备份各个传感器子模块回传的数据信息，以进一步查询、分析、处理。

9.一种采用权利要求1~8任一项所述的大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统的方法，其特征是包括以下步骤：

S1、将测试单元内的传感器阵列所属子模块按照上位机软件开发语言类型、是否开放源代码以及是否支持程控仪器命令标准为条件划分为4种类型，按照不同类型进行基于LabVIEW语言进行传感器子模块接口的开发；

主控系统的软件系统（100）采用基于LabVIEW语言开发；各个传感器子模块通过网关模块（2）与主控系统（1）组成局域网；

S2、在各个传感器子模块的子模块上位机软件部分设有基于LabVIEW语言的子模块接口；通过子模块接口，传感器阵列的采集和控制参数以共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统（100）的对应接口连接，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换。

10.一种采用权利要求1~8任一项所述的大型多场耦合试验装备的分布式数据采集系统的方法，其特征是包括以下步骤：

S1、将测试单元内的传感器阵列所属子模块按照传感器阵列所属子模块的上位机开发语言类型、是否开放源代码以及是否支持程控仪器命令标准为条件，将测试系统的传感器子模块划分为4种类型：

类型1是子模块的上位机软件采用LabVIEW语言开发并完全开放源代码的系统；

类型2是子模块上位机软件采用非LabVIEW语言编写，但开放源代码的传感器读取和控制系统；

类型3是子模块上位机软件采用非开源的软件系统，但是传感器读取和控制系统支持程控仪器命令标准；

类型4是子模块上位机软件不开源，同时传感器读取和控制系统也不支持程控仪器命令标准；

按照各个不同类型对传感器子模块进行归类，传感器子模块中设有子模块上位机，子模块上位机软件设有基于LabVIEW的数据读取及参数控制子模块接口；

各类传感器子模块通过网关模块（2）与主控系统（1）组建成局域网，主控系统的软件系统（100）为采用基于LabVIEW语言的软件系统；

S2、类型1中，基于LabVIEW 语言的第1类子模块接口（304），直接嵌入于第1子模块上位机（301）的LabVIEW软件中，通过与类型1传感器读取和控制系统（302）的通信，将第1类传感器阵列（303）的采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控软件系统（100）的第1子模块接口（101）进行传递，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

类型2中，基于LabVIEW的第2类子模块接口（404），通过增设标准软件编程接口（405）与第2子模块上位机（401）的软件进行通信，实现与类型2传感器读取和控制系统（402）的数据交换；然后将第2类传感器阵列（403）的采集和控制参数进行传输，通过共享变量的方式在局域网内向主控系统的软件系统（100）的第2子模块接口（102）进行传递，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

类型3中，基于LabVIEW 的第3类子模块接口（504）通过调用支持程控仪器标准的动态链接库或第三方软件控件，以GPIB、串口协议或其他通讯协议与类型3传感器读取和控制系统（502）通信，然后将第3类传感器阵列（503）的数据采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统（100）的第3子模块接口（103）进行连接，实现主控系统与该类型传感器子模块的数据交换；

类型4中，第4子模块上位机（601）的软件为非开放源代码系统，且类型4传感器读取和控制系统（602）不支持程控仪器标准；需在类型4传感器读取和控制系统（602）上增设硬件拓展接口（605），将第4类传感器阵列（603）的采集和控制信号引出；利用附加数据采集和控制装置（606），在硬件拓展接口（605）和类型4传感器读取和控制系统（602）的辅助下，对本类传感器阵列（603）进行读取和控制；基于LabVIEW语言的第4类子模块接口（604）将采集和控制参数通过共享变量的方式在局域网内与主控系统的软件系统（100）的第4子模块接口（104）进行连接，以实现主控系统1与该类型传感器子模块的数据交换；

S3、在主控系统的软件系统（100）中还设有数据同步和汇总模块（105），数据同步和汇总模块（105）用于按照统一格式整理和汇总各个传感器子模块所采集的传感器数据集；

所述的主控系统的软件系统（100）中还设有数据预处理及可视化模块（106），数据预处理及可视化模块（106）用于对各个传感器子模块所采集的传感器数据集进行包括滤波或降噪的预处理；并在图形用户界面中对监测数据进行二维/三维的可视化处理；

所述的主控系统的软件系统（100）中还设有异常识别和预警模块（107），异常识别和预警模块（107）用于对监测数据的异常情况进行判，包括对采集数据进行误差评估、预防及监测数据丢失判定和监测数据异常的预警；

所述的主控系统的软件系统（100）中还设有数据保存及查询模块（108），数据保存及查询模块（108）用于按照统一格式，存储和备份各个传感器子模块回传的数据信息，用于进一步查询、分析、处理。

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