土木结构试验网络化方法的研究和实现
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【摘要】互随着联网的飞速发展，我们看到了一个崭新的世界。20世纪末，美国国家科学基金会投入了大量的资金来建设“远程地震模拟网络”，打算将各个结构实验室通过互联网联系起来，分享资源设备和资源，实现所谓“无墙实验室”。目前，我国也正在对这一领域的研究工作进行积极的开展。本文通过从多个方面来对土木结构网络化方法进行深入的探讨。
中图分类号： S969 文献标识码： A
一 前言
土木结构试验是土木工程学科发展的核心，为实验和开展土木结构试验理论提供了重要依据。但伴随着科学技术的发展，传统意义上的试验技术已经不能够满足土木结构试验进一步发展的要求，于是一批新的结构试验技术便被发明出来。网络化方法已经成为结构试验不可或缺的一部分，传统结构试验的数字信号分析和处理、数据存储与输出、试验数据的转换和表达等，都与计算机紧密相关。
二 网络远程协同结构试验技术
随着结构试验的大型化和复杂化，需要更为精确、准确地模拟复杂工作条件，此时单个实验室资源往往无法满足此类结构试验的要求。由于现场条件的限制，希望充分发挥有限的试验资源，把各地的大型结构实验室的资源都利用起来进行相应的实验室模型协同试验，从而实现资源共享。由此，提出了网络远程协同的结构试验技术。互联网技术的应用和发展，使得远程通信和远程控制在结构实验领域的应用价值愈发凸显，将结构试验方法和概念提高到一个新水平。互联网技术不仅可以将分散在不同实验室的设备资源进行整合与协同，形成一个规模庞大的网络化结构实验室；还可以通过将大型结构分解成若干个子结构，每个子结构在不同的实验室进行实验，整个试验通过网络通信进行数据交换和远程控制达到各个实验室之间的多地协同工作，各个子结构实验通过网络化方法集成为整体结构[5]。这种网络远程协同结构实验技术具有如下优势：
1、使各具特色的结构实验室强强联合，做到优势互补。
2、过去中小规模的结构实验室通过网络平台得到提升和拓展，在设备能力上弥补过去的不足。
3、过去没有实验设备的单位和研究人员也可以通过网络平台使用实验设备。
4、经费投入小，节省了结构实验室建设的大量资金。
网络远程协同结构试验的典型代表是美国地震工程模拟系统NEES（Network for Earthquake Simulation），其目的是为了支持地震工程研究和教育领域的广泛合作[6]。NESS的地震研究设备包括建立新一代振动台、岩土离心试验机、海啸波浪水池、大型实验室系统以及通过高效互联网联接的现场实验和监控体系。除了可以通过网络对NESS设备站点实行远程操作，还可以在网上联结高性能计算和数据存储设备，包括一个地震工程及相关领域的试验和分析方面的诊断数据库。NEES实现了诸如土木、地震工程、结构、岩土和海啸、信息技术、计算机科学、传感器和测试仪器、可视化和实验与模拟软件等多学科领域的交叉，充分体现了现代科学技术渗透、交叉、融合的特点。我国也在积极开展这一领域的研究工作，并进行网络联机结构抗震试验。湖南大学防灾减灾省重点实验室与美国一些结构实验室进行远程协同试验的合作，在国内最先提出开展结构远程协同试验研究，并于2000年开始开发基于互联网的网络平台即网络实验室。
三 网络化改造的实现
本地设备控制系统为MTS液压试验系统，原版的MTS后台控制软件只能实现对本地MTS系统的控制，并不能实现网络化的控制，因此必须通过MTS系统开放的动态库接口进行开发改造才能完成远程试验。
网络化改造基于客户机、服务器模式和Win―sock技术进行网络远程通讯，开发了一个本地的远程服务程序和远程的控制控件。本地远程服务程序做为服务器端，通过Win Socket监听网络报文，然后通过MTS程序接口接管系统控制权，控制命令，提取反馈数据；远程控制控件通过Socket连接远程服务程序，发出控制命令，并采用ActiveX技术进行封装，将远程控制命令和数据反馈用c0M接口的方法和事件，这样，该控件就可以做为一个编程接口嵌入到第三方应用程序中，达到远程控制本地试验系统，提取本地试验系统反馈数据的目的。
四 MTS远程服务程序
MTS远程服务程序是一个Windows界面程序，用Microsoft Visual C++6．O开发。做为服务网络程序，程序本身不主动控制试验系统，只是通过Win Sock监听网络命令，对MTS试验系统进行控制，程序监听网络通讯报文，记录网络命令，形成日志。程序具备多线程处理能力，能与多个网络节点通讯，处理控制命令。
另外，程序也可以对MTS的关键状态和控制，流程进行监控和记录，比如MTS的分油站状态、联锁状态、程序运行状态等，同时，这些状态也通过服务程序提交给网络节点，满足远程监视的要求。服务程序创建一个独立的线程处理网络服务，位移和力的数据采用定时方式反馈给远端。
五 远程控制控件
远程控制控件与上节所提到的远程服务程序配合，封装了底层网络通讯协议，对远程试验程序提供了标准的方法，在控制控制上，提供位移和力的控制方法，在反馈上，通过时间触发力和位移的反馈更新，通过事件触发MTS关键状态数据的更新。控件的关键方法如下：
1.设定促动器设备阀门为欠压状态，在设定阀门命令下发之前必须先对设备进行初始化，device表示设备地址，不得大于9或小于1，否则函数返回错误信息。
2.设定促动器设备阀门为全压状态，在设定阀门命令下发之前必须先对设备进行初始化，device表示设备地址，不得大于9或小于1，否则函数返回错误信息。
3.设定促动器动作目标值和步长，target Data为触动器动作目标值，step Data 为触动器步长
4.命令促动器执行相应的动作，具体动作方式由act Type 数值决定，act Type=2促动器开始工作，act Type =1 促动器停止工作，其他则促动器停止工作。
六 网络结构实验室用于远程地震反应模拟分析
非线性时程分析一直被认为是研究结构地震反应最好的方法。然而，由于它的复杂性和巨大的计算量，这种方法目前主要用于研究重要复杂的结构的抗震设计。对于一个非线性时程分析程序，最困难内容之一就是针对各种不同的结构构件如何来模拟其恢复力特性。因为不同类型的结构单元（梁、柱和墙）使用不同的材料，在恢复力特性方面有很大的区别，所以就存在很多种滞回模型来模拟结构的地震反应。要开发时程分析程序，需要建立整体结构模型，选择合适的数值积分方法，以及能够处理结构或构件的滞回模型。
基于非线性时程分析的特性，我们可以把恢复力特性模拟从主程序中分离出。在Net Slab中，能处理一种或几种滞回模型的计算机被称为虚拟试验机，并且放置在远程异地。而模拟结构地震反应的远程分析则被认为是虚拟远程试验。
七 网络结构实验室应用程序问题
1.标准的开放式程序
按照上述建议的数据模型，DUDP和GDCA为Net Slab系统通讯和数据传送模块提供了所必需的基础。余下来的任务就是有关应用程序的开发，即应用到结构试验，例如，根据不同的需求开发结构试验和计算程序。
在接口引擎Uni Pipe基础上，GDCA采用ActiveX控件界面。这是一种独立于高级语言的程序界面。任何支持ActiveX控件的Windows程序开发工具都可以用来开发应用程序，例如Vi s u a I Basic，Vi s u a I C++，Vi s u a I Java和C++。在我们目前的研究中，大部分的应用程序都是在Vi s u a I Basic语言和一些Vi s u a I C++语言基础上开发的，在这些语言中ActiveX控件自然纳入其开发工具。
八 网络结构实验室用于远程拟动力试验
Net Slab在数个结构模拟地震反应软件中得到了使用。目前的研究是在南加利福尼亚大学和湖南大学之间进行的，双方都具备充足的试验设备。在本阶段，双方的大比例拟动力实验系统参与了这项研究。例如，南加利福尼亚大学的设备是一个带有两个作动器的大型结构构件加载系统。这两个150t的Parker作动器是由双轴控制箱控制的。湖南大学的试验设备是多个作动器和多轴加载系统。这个加载系统目前拥有10t ~ 65t的11个Sch en ck作动器，两个120t的MTS作动器。控制系统包括一个4轴MTS控制器和一个自主开发的多轴控制平台，可以适应不同制造商的控制作动器。
九 结束语
通过以上分析我们可以得知，网络化方法为土木结构试验带来了多大的好处，实现了资源的最大化运用和技术的无间隔传输。
参考文献
[1] 肖岩 结构拟动力远程协同试验网络平台的开发研究 建筑结构学报2013年11期 12页
[2] 李轶 土木结构试验网络化方法的研究和实现试验技术与试验机―2014年3期 第85页
[3] 吴斌 弹性试件的实时子结构试验等效力控制方法 振动与冲击―2011年5期 第43页
[4] 周大睿 等效力控制方法在连梁阻尼器拟动力子结构试验中的应用振动与冲击 2014年3期 第14页