2008年北京奧運使用NI LabVIEW與CompactRIO監控建

在地震、颶風(fēng)，或火災的生命財產(chǎn)損失中，因為建筑物倒塌所造成的傷亡最為嚴重。因此，全世界的工程師均在不斷嘗試并檢驗建筑物模型，變更結構設計，以期降低此類(lèi)事件所造成的悲劇。

在 2004 年，負責全中國防震與防災的官方機構：中國地震局 (China Earthquake Administration，CEA)，即針對結構健康監測 (SHM) 技術(shù)，選擇 7 項新架構的超結構體 (Megastructure) 做為測試平臺。這些地標建筑物包含 2008 年北京奧運的國家體育館（鳥(niǎo)巢）、國家游泳中心(水立方)、104 層的上海世界貿易中心 (World Trade Center)、66 層樓高的北京凱悅酒店、四川省二灘 (Ertan) 高達 240 公尺的混凝土拱壩、廣東省汕頭 (Shantou) 長(cháng)達 8266 公尺的斜張橋 (Cable-stayed bridge)，還有北京的地基隔震 (Base-isolated) CEA 資料中心。

此項目的主要目的是利用計算機技術(shù)、傳感器與通訊系統來(lái)開(kāi)發(fā)并實(shí)現包含最新技術(shù)的結構健康監測解決方案，實(shí)現在線(xiàn)結構監測，以保證建筑物的穩定性、可靠性與抗震性。

位于加州的 CGM Engineering Inc. 公司屬于 NI 聯(lián)盟伙伴之一，通過(guò)現場(chǎng)遠程系統的演示，贏(yíng)得此解決方案的國際競標。演示表明，即使是一個(gè)回形針落在桌上產(chǎn)生的振動(dòng)，也能夠被精確的檢測出來(lái)。經(jīng)過(guò)仔細評估，我們的SeismoCast建筑監測方案被甄選為上述建筑物的監測管理系統。此方案提供簡(jiǎn)單即用的安裝、多種I/O選擇，工程師可快速簡(jiǎn)便地重新配置系統以滿(mǎn)足系統的變化要求，它的遠程網(wǎng)絡(luò )監測功能可以使得專(zhuān)家在不同地點(diǎn)進(jìn)行觀(guān)察研究，加上其高性能及低單位成本等優(yōu)勢使得SeismoCast最終獲選成為鳥(niǎo)巢和水立方的守護者。

執行實(shí)時(shí)且連續的建筑物結構監控作業(yè)

通過(guò) LabVIEW 與 CompactRIO，我們的系統可擷取建筑物的振動(dòng)訊號，并偵測到結構特性所發(fā)生的任何突發(fā)轉變。從自然的地質(zhì)作用，到舉行賽事時(shí)的激動(dòng)的觀(guān)眾，有太多類(lèi)型的刺激可能造成建筑物振動(dòng)。如同心臟科醫師透過(guò)脈搏與血壓診斷病患的心臟疾病一樣，結構工程師也可以通過(guò)連續監控特征頻率與阻尼比 (Damping ratio)，記錄加速計測量到的加速度與時(shí)間數據，以遲滯圖 (Hysteresis diagram)來(lái)診斷整體結構的情形。舉例來(lái)說(shuō)，若地震造成了辦公大樓關(guān)鍵結構處 (如橫梁或圓柱) 的永久性損壞，就有如特征頻率 (大量建材所造成的作用) 染上慢性疾病一般。

系統的兩項主要需求為連續與實(shí)時(shí)的結構監控。由于大部分災難的發(fā)生均在意料之外，因此如需針對災難進(jìn)行緊急管理并有效反應，就必須以實(shí)時(shí)信息為基礎，了解建筑物在災難發(fā)生期間與之后的反應情形。此外，由于結構安全性能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而逐漸下降，因此必須通過(guò)持續監控以盡早發(fā)現結構衰退的征兆，并讓工程師對關(guān)鍵的結構安全記錄進(jìn)行比較。

以 LabVIEW 與 CompactRIO 開(kāi)發(fā)結構健康監測 (SHM) 系統

通過(guò) NI 平臺，我們開(kāi)發(fā)出 2 款不同的定制化系統，以滿(mǎn)足 CEA 的 SHM 系統需求。

鳥(niǎo)巢采用了9套64通道的CompactRIO系統，水立方則是2套36通道的系統。每套系統分別與嵌入式單板電腦相連并安置在堅固的NEMA 4機箱中，各個(gè)機箱再以客戶(hù)端-服務(wù)器的構架與主服務(wù)器連接后分布在各結構關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監測與預警。系統可在溫度范圍在-40 to +70 °C 的惡劣環(huán)境下正常工作。

系統的主要任務(wù)在于測量結構振動(dòng)和加速度，因此保證各通道之間的同步是非常重要的，這使得研究人員可以同步監測多個(gè)位置的振動(dòng)，從而更好地理解和描述整個(gè)建筑結構所受的影響。傳統基于線(xiàn)纜的同步方法限制每個(gè)系統間最多相隔100米，考慮到鳥(niǎo)巢和水立方的場(chǎng)地規模，至少需要分布上百套這樣的系統，因而基于線(xiàn)纜的方案并不適用于這種場(chǎng)地。為此，我們采用了全球定位系統(GPS)來(lái)構建同步解決方案。通過(guò)NI LabVIEW FPGA模塊，多個(gè)機箱間使用GPS所提供的精確時(shí)鐘來(lái)完成遠程同步，LabVIEW實(shí)時(shí)模塊則提供了可配置的濾波功能以消除噪聲，從而避免對系統進(jìn)行低頻測量造成干擾。