基于TDMS文件的桥梁监测数据存储方法研究

文/赵亮

1 前言

在建造和使用桥梁的过程中，由于受到气候、腐蚀、老化、人为因素以及日益增加的交通荷载影响，结构各部件往往还没达到使用年限就产生不同程度的损伤，结构性能不断退化，这不仅影响了行车安全，还会缩短桥梁的使用寿命[1]。为了保障桥梁运营安全，越来越多的桥梁安装了健康监测系统，通过在桥梁上安装风速、温湿、振动、索力、应变、挠度、倾角、位移等传感器实时采集监测数据，并经过预处理后将这些数据实时传输至后台服务器，后台分析软件再根据相应的阈值对其进行预警、评估。桥梁健康监测系统具有传感器种类多、分布广、监测数据量大、信号传输与存储的实时性要求高等特点，在数据采集过程中需要快速处理、存储以及实时传输多点、多类型海量数据。面对诸多采集要求，传统采集仪器已很难满足工程需要。在这种背景下，监测工程师开始使用虚拟仪器来构建数据采集系统。目前，LabVIEW 作为一款图形化虚拟仪器开发工具，以其应用广、功能全的特点被普遍使用[2]。

LabVIEW 是一种图形化的编程语言，它被广泛应用于工程测试测量中。和传统编程语言相比，Lab-VIEW 降低了对工程师编程经验的要求，采用图形化语言，没有太多编程经验的测试工程师只需要建立人机交互界面的前面板和程序框图的后面板即可完成程序编程[3]。LabVIEW 中配有多种文件存储函数，常见的有文本文件函数，用户方便查看数据，但是该存储占用空间较大、读取速度较慢，文献[4]选用电子表格函数进行文件存储，文献[5]选用XML 函数进行文件存储，但此类函数存在和文本文件函数类似的问题，难以满足监测系统快速海量数据的存储要求[4]。目前，桥梁监测系统中实际应用最多的是二进制文件存储方式，该文件存储占用空间小、存储速度快，但是该文件数据不带时间戳，数据可读性较差，影响后期数据分析效率[5]。由此，本文提出了一种基于TDMS文件的桥梁监测数据存储策略，选用TDMS 快速统一存储多类型、多通道海量数据，并搭建了数一套多通道数据采集软硬件测试平台进行分析验证。

2 TDMS 文件简介

2.1 常见文件存储格式的比较

为实现数据采集系统有效性、高效性及数据的可读性、快速处理，选择合适的文件存储格式极为重要。目前，常见的测试测量数据存储格式有文本、电子表格、二进制、XML 和TDMS 五种，它们在数据的可读性、占用空间大小、存储速度等方面有各自的优缺点[6]。

一般而言，对于健康监测的数据采集系统，我们选择的是TDMS(Technical Data Management Streaming)文件。它是NI 公司推出的，采用数据流文件来存储数据，实现了数据的高校存储，方便读取；同时，它还能与该公司开发的其他各类数据分析、挖缺软件相互交互，提供一系列API 函数方便其他程序调用[7]。

2.2 TDMS 文件结构概述

TDMS 文件基于TDM 数据模型，用于保存结构分明的测量数据。它由三个层次结构组成：文件（File）、通道组（Channel Groups）和通道（Channels）[8]。一个文件由无数个通道组组成，而每个通道组则由无限个通道组成。这个结构非常适合于桥梁健康监测系统数据存储，对于桥梁健康监测系统而言，某座桥或外站可设计一个数据文件，不同传感器类型对应通道组，而每个类型传感器下的多个传感器对应通道。

除此之外，在层次结构中的每个级别还可以存储无限数量的自定义标量属性。用户无需另外设计信息来添加描述内容，这为多通道采集数据的有序存储和快速索引提供了保证。针对某座桥梁健康监测系统，TDMS 文件属性可包含标题、时间等信息，某个通道组属性可包含传感器类型的测量范围、采样频率等信息，某个通道属性可包含传感器编号、通道号、工程单位等信息，这样若干传感器数据可保存在同一个TDMS 文件中，大大减少了碎片文件的产生，提高了实时传输的工作效率。

2.3 TDMS 的数据文件和头文件

测试测量过程中的采集数据写入TDMS 文件结束后，用于存储采集数据的文件存储目录下将会出现两个文件:一个是以.tdms 为扩展名，而另一个则是以.tdms_index 为扩展名。通常，前者称为数据文件或者主文件，而后者称为头文件或者索引文件。数据文件显而易见是存放采集到的原始数据，而头文件不含原始数据，只包含文件名、通道组名、通道名及其属性等信息，头文件中的这些信息有利于提高TDMS文件的搜索和数据检索速度。

3 系统架构

3.1 测试系统硬件结构

为验证数据存储方法的可行性，建立一套测试用信号采集存储系统，系统主要由PC 上位机（软件部分）和下位机（硬件部分）组成。下位机由加速度传感器和24 位A/D 采样的加速度信号采集仪组成，该采集仪可对振动信号进行数据采集，并将数据通过RJ45网口传送给上位机；上位机由LabVIEW 编写采集系统软件程序，通过配置采集系统的各项功能参数，即可实现振动加速度信号的采集、存储和实时显示。

3.2 软件程序设计

整个软件在NI LabVIEW2019 平台上进行开发，利用厂商提供的二次开发接口来实现对加速度信号的拾取功能，采集存储程序框架采用生产者/消费者循环模式，软件主要功能为参数设置、数据采集、数据存储及实时数据波形显示。

其中，数据存储模块采用高效的数据存储格式TDMS。数据文件名以采集外站名+绝对时间+文件扩展名(.tdms)组成，TDMS 文件包含1 个通道组-索力数据（SLData），索力数据通道组包含1 个时间通道数据和6 个通道索力数据。文件信息包括测量标题、测量者姓名、日期，通道组信息包括传感器类型、工程单位、测量范围、采样频率，通道信息包括工程编号、通道号、灵敏度、传感器安装位置。TDMS 数据文件由创建TDMS 文件子Vi 生成。

4 使用DIAdem 软件处理TDMS 数据

DIAdem 软件是美国NI 公司开发的一个交互式软件，它具有强大的数据管理、显示、分析和报告生成功能，能够快速有效地获取并分析数据和绘制各种曲线[9]。DIAdem 为大量文件格式提供数据输入功能，如ASCLL、Excel、二进制以及TDMS 文件，通过DIAdem软件的浏览功能，可将测试原始数据直接导入软件，然后利用分析模块进行数据处理操作。

利用本测试系统以20Hz 采样频率采集了一段10minTDMS 原始数据（1 通道时间+6 通道索力数据），文件名：SL_20201008220000.tdms，通过NI DIAdem 软件对采集到的数据进行分析处理。

5 结语

作为NI 公司主推、工程技术人员普遍使用的数据存储格式之一，TDMS 文件以高速、方便和易存取等诸多优点逐渐成为测量领域的首选数据存储格式。本文采用TDMS 文件存储策略，设计了集采集、存储、显示等功能为一体的数据采集系统，该系统具有快速、存储量大、数据带时间戳、多类型数据统一存储等优势；同时，TDMS 还能对测试件添加描述性信息，这为以后分析和处理数据提供了便利。在此研究的基础上，搭建一套多通道加速度信号采集软硬件测试平台，测试结果表明，该系统能够稳定快速地存储数据和实时数据显示，其友好的人机界面也很好地满足用户的操控需要，非常适用于桥梁监测系统中多类型、全天候、海量数据存储；另外，该系统还能利用NI DIAdem 软件实时处理测试数据绘制出测量曲线，并形成测试报告。