NetSLabOSR远程协同拟动力试验平台的开发研究

黄民元+郭玉荣

摘 要：为了推进拟动力试验方法的研究与应用，基于NetSLab提供的通讯功能，开发了通用建筑结构远程协同拟动力试验平台NetSLabOSR.NetSLabOSR运用NetSLab所提供的通讯模式，从结构远程协同试验的角度，解决了异地计算机之间远程通讯问题，实现了操作信息的传送控制、及时反馈.采用自带的数值模拟功能和利用OpenSees进行数值模拟，NetSLabOSR试验平台能够实现传统本地子结构拟动力试验和分布式远程协同子结构拟动力试验.利用NetSLabOSR试验平台，对钢管混凝土柱钢梁组合平面和空间框架结构进行了子结构拟动力试验研究.子结构拟动力试验验证了NetSLabOSR试验平台的有效性、稳定性，且具备良好的通讯性能与试驗精度.

关键词：拟动力试验；远程协同；子结构；试验平台

中图分类号：TU317 文献标志码：A

在国外，开展网络化拟动力试验研究的主要有美国、英国、韩国、日本和新西兰.早在1999年，美国国家科学基金会建立了地震工程网络模拟系统NEES（Network for Earthquake Engineering Simulation）用于提高研究人员的试验能力，从而改善抗震设计.基于NEES系统，加州大学伯克利分校Andreas Schellenberg等人开发了拟动力试验系统OpenFresco.伊利诺伊大学厄本那香槟分校Kwon等人基于MATLAB开发了分布式的混合模拟系统UISimCor.EPSRC建立了英国地震工程模拟网络UKNEES，新西兰奥克兰大学建立了地震工程模拟网络系统NZNEES，让更多的研究机构实现对NEES系统的资源共享[2].在韩国建设交通部门建立了KOCED，它将遍布在各个大学的12个大型试验设施用网络连接起来，实现了高速、共享的协同工作方式[3].在日本建立了大型EDefense网络地震试验设备，它将异地的计算机连接起来，对不同类型的高架桥展开了远程拟动力试验等[4].在我国台湾地震工程研究中心建立了网络化拟动力实验平台ISEE，通过系统集成和远程控制将分布各地的结构实验室进行试验的网络连接，利用该平台与加拿大卡尔顿大学展开了国际合作的远程试验.湖南大学提出了etest的构想，并展开了网络化结构实验室系统的建设和相关的一系列研究[5].王涛等人提出了P2P分布式混合试验，取得了很好的试验效果[6].哈尔滨工业大学吴斌课题组，对大型建筑和桥梁结构进行了远程协同混合试验基础理论和试验方法的深入研究[7-8].蔡新江等人对多跨的桥梁结构，进行了网络协同的拟动力试验研究[9].王大鹏等人针对土木工程试验中广泛应用的MTS系统，研究了远程协同试验中的试验设备与控制系统[10].杨格等人建立了建筑结构混合试验平台HyTest的开发研究，采用带中转服务器的通讯模式，解决了不同局域网之间的数据传输问题等[11].

随着拟动力试验技术进一步发展，湖南大学基于NetSLab远程通讯系统建立多模块、多功能的NetSLabOSR远程协同拟动力试验平台，并利用该试验平台展开了相关的系统验证工作和模型试验研究，进一步扩展了拟动力试验平台的适用范围，推动了拟动力试验方法的发展与应用.

1 NetSLabOSR远程协同拟动力试验平台

1.1 试验平台的系统构架

远程协同拟动力试验平台NetSLabOSR包括3个组成部分：试验总控制中心ControlCtrR，试验站点控制程序Tester，设备控制程序ControlEqDAQ，基本系统构架如图1所示.3大部分的功能与作用如下：ControlCtrR组织和控制整个试验进程，承担结构数值模拟工作，实现与不同试验室之间的远程通讯；Tester相当于ControlCtrR与ControlEqDAQ之间的中转站，在这里完成ControlCtrR和ControlEqDAQ之间的通讯连接、试验指令和反馈传递，以及试验过程的动态观测、进程协调；ControlEqDAQ完成真实拟动力试验的加载和试验响应的数据采集，并将采集的数据发送、反馈给Tester[12].

ControlCtrR作为试验总控制中心，其功能是完成拟动力试验的有限元数值模拟与试验室之间的远程控制，它提供了较简单的结构模型，如多跨连续桥结构、带支撑多层剪切型结构的地震响应数值模拟功能，也提供调用其他有限元软件，如OpenSees进行数值模拟的功能.对于具体的试验，试验者可以根据试验结构模型和试验目的选择合适的数值模拟手段，以获得最佳的拟动力试验效果.ControlCtrR的主控界面，提供了拟动力试验的远程实验室配置，能有效完成与异地试验室之间的试验数据传输.试验控制者能够通过ControlCtrR的主界面，观察各个实验室的试验指令和反馈的对比时程曲线、力位移滞回曲线，并可控制试验进程.

Tester的功能相当于整个试验过程的一个中转站，主要是完成ControlCtrR与ControlEqDAQ之间的试验加载指令和反馈指令的传递.当Tester接收到ControlCtrR发来的试验加载指令后，如位移指令后，根据试验相似比将位移指令转换为实际试验子结构的位移加载值发送给ControlEqDAQ，然后按一定的时间间隔读取设备反馈，当反馈位移值满足用户设定的误差等规则时，将反馈力按相似比缩放后，发回给ControlCtrR.Tester的主控界面，提供试验过程动态观察的功能，可显示由ControlCtrR发送来的试验加载指令及ControlEqDAQ发来的设备反馈数据，同时动态显示主要的参数曲线、时间间隔及试验步状态等.

设备控制程序ControlEqDAQ的功能是实现拟动力试验中试验子结构的模拟加载，以获得试验子结构的地震响应.基于实验室电液伺服试验设备的规模和功能，试验者根据自己的需要可以对组合柱、防屈曲支撑等基本构件进行试验的加载.根据试验需求选择水平方向加载、竖直方向加载、试验节点转角加载等.ControlEqDAQ根据Tester发来的子结构试位移或力加载命令控制作动器对试件进行加载，并通过传感器测试位移和力，按一定的时间间隔发送给Tester.为了方便试验平台的测试和供用户学习使用，编制了一个虚拟的设备控制程序，如图2所示.该程序模拟设备控制程序的功能，接收指令个数要和Tester程序中设定的指令个数相同.各指令对应的通道、指令类型也要和Tester程序中的设置一致.

1.2 基于NetSLab的远程通讯系统

NetSLabOSR远程协同拟动力试验平台采用NetSLab网络通讯平台实现参与试验的异地计算机之间的数据通讯.NetSLab网络通讯平台是基于网络化结构试验室NetSLab（Networked Structural Laboratories）的需求而开发的，它根据远程协同试验的需求提供了异地计算机之间基于互联网的数据通讯功能.

从结构远程协同试验的角度，在NetSLab网络通讯平台的开发中引入了多个新概念并采用接口引擎，从而使得应用程序界面友好、使用方便，并且用户还可以在该平台上作进一步自主开发.NetSLab网络通讯平台提供给试验应用程序开发的是一个UPSupport.exe程序，一个标准ActiveX控件UPCtlATX.DLL和一个配置文件NetLab.UPF（它是用于试验参数配置和行为树配置的记录文件）.基于NetSLab网络通讯平台来开发结构远程协同拟动力试验的应用程序非常方便，任何支持标准ActiveX控件的高级计算机语言（如Visual Basic、Visual C和Visual Java等）都可以作为开发工具.应用程序通过UPCtlATX控件提供的接口函数实现异地计算机之间的通讯和修改NetLab.UPF文件中的试验参数，UPSupport.exe程序则可以对记录在NetLab.UPF中的行为树进行编辑，从而改变远程协同试验的操作控制模式.

ControlCtrR和Tester之间的数据交换采用NetSLab网络通讯平台来实现.在开始试验前，ControlCtrR先启动NetSLab网络通讯平台，然后等待各个试验室的Tester通讯接入.当所有的Tester都连接成功后，则在ControlCtrR程序里启动试验.在每个试验步，ControlCtrR将试验指令发送给所有的Tester后，就监听网络.当接收到所有Tester的反馈之后，进行下一步的数值模拟.在ControlCtrR的主控界面，点击“启动NetSLab”菜单，在主窗口右下角的提示区会显示“NetSLab”成功启动，然后程序等待各个试验机Tester的通讯连接，如图3所示.在NetSLab状态栏，显示本程序和试验机程序的通讯连接状态.

2 拟动力试验验证例子

多功能的建筑结构远程协同拟动力试验平台NetSLabOSR，试验中可根据结构模型的不同特点选择适合的、针对性的试验平台，可选择采用ControlCtrR自带的数值模拟功能的试验平台，也可选择采用OpenSees进行数值模拟的试验平台.

2.1 采用ControlCtrR自带的数值模拟功能

2.1.1 拟动力试验设计

拟动力试验采用十层方钢管混凝土柱H形钢梁平面组合框架，柱采用方形截面钢管混凝土柱，梁采用窄翼缘H型钢梁.在组合框架两边跨的每一层，都布置人字型的防屈曲耗能支撑，以获得在地震作用下的高效减震效果.拟动力试验组合框架的横向跨径采用三跨，其中间的跨度为12.8 m，两边的跨度为9.6 m.组合框架的层高，底层为4 m，其余各层为3 m.在拟动力试验中，取框架底层的人字型防屈曲耗能支撑作为试验子结构，其余部分作为计算子结构，两部分协同共同完成整个拟动力试验.

拟动力试验加载装置如图5所示.从图中可以看出，人字型防屈曲耗能支撑试验子结构上端与H型鋼加载横梁铰接，加载横梁安装在一个刚架滑道中以防止侧向位移.作动器铰接在加载横梁端头，实现水平位移的加载.两个防屈曲耗能支撑的底部与钢底座铰接，钢底座用钢螺栓与地槽连接在一起，以保证试验过程中的结构稳定.

3 结 论

为了促进拟动力试验技术的应用与发展，本文开发了通用建筑结构远程协同拟动力试验平台NetSLabOSR，介绍了其采用的主要模块和试验方法，并通过真实试验检验了平台的性能，主要结论如下：

1）基于分布式的远程协同子结构拟动力试验特征，设计了试验平台NetSLabOSR的架构体系.该架构体系设置了一个试验控制中心模块ControlCtrR，便于协调整个混合试验，分布在各个远程实验室的Tester模块则基于不同试验设备控制系统ControlEqDAQ所开放的接口和数据交换格式，实现了试验控制中心和试验设备控制程序之间的加载指令和反馈数据转送.所开发的试验平台，各个模块之间工作协调，数据流向清晰、合理.

2）基于NetSLab网络通讯平台，实现子结构拟动力试验平台的远程通讯，完成了异地计算机之间试验信息的传输.在网络通讯平台的开发中，引入了多个新概念并采用接口引擎，能满足分布式远程协同子结构拟动力试验多种数据传输的需求.远程数据传输快捷高效，可大大提高子结构拟动力试验的综合性能和试验效率.

3） 开发的NetSLabOSR试验平台自带了一些简单结构模型数值模拟功能，也可调用现有的有限元软件如OpenSees进行复杂结构的子结构拟动力试验.子结构拟动力试验表明，该试验平台可以应用于不同复杂程度结构的混合试验，模拟不同的子结构试验加载边界条件.试验平台的精度较高、数据交换稳定，且通用性能良好，能有效完成各种需求的子结构拟动力试验.

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