2008年北京奧運使用NI LabVIEW與CompactRIO監(jiān)控建

在地震、颶風(fēng)，或火災(zāi)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(yán)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(jié)構(gòu)設(shè)計，以期降低此類事件所造成的悲劇。

在 2004 年，負(fù)責(zé)全中國防震與防災(zāi)的官方機(jī)構(gòu)：中國地震局 (China Earthquake Administration，CEA)，即針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 (SHM) 技術(shù)，選擇 7 項新架構(gòu)的超結(jié)構(gòu)體 (Megastructure) 做為測試平臺。這些地標(biāo)建筑物包含 2008 年北京奧運的國家體育館（鳥巢）、國家游泳中心(水立方)、104 層的上海世界貿(mào)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(dá) 240 公尺的混凝土拱壩、廣東省汕頭 (Shantou) 長達(dá) 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(jī)技術(shù)、傳感器與通訊系統(tǒng)來開發(fā)并實現(xiàn)包含最新技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測解決方案，實現(xiàn)在線結(jié)構(gòu)監(jiān)測，以保證建筑物的穩(wěn)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，通過現(xiàn)場遠(yuǎn)程系統(tǒng)的演示，贏得此解決方案的國際競標(biāo)。演示表明，即使是一個回形針落在桌上產(chǎn)生的振動，也能夠被精確的檢測出來。經(jīng)過仔細(xì)評估，我們的SeismoCast建筑監(jiān)測方案被甄選為上述建筑物的監(jiān)測管理系統(tǒng)。此方案提供簡單即用的安裝、多種I/O選擇，工程師可快速簡便地重新配置系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)的變化要求，它的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測功能可以使得專家在不同地點進(jìn)行觀察研究，加上其高性能及低單位成本等優(yōu)勢使得SeismoCast最終獲選成為鳥巢和水立方的守護(hù)者。

執(zhí)行實時且連續(xù)的建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控作業(yè)

通過 LabVIEW 與 CompactRIO，我們的系統(tǒng)可擷取建筑物的振動訊號，并偵測到結(jié)構(gòu)特性所發(fā)生的任何突發(fā)轉(zhuǎn)變。從自然的地質(zhì)作用，到舉行賽事時的激動的觀眾，有太多類型的刺激可能造成建筑物振動。如同心臟科醫(yī)師透過脈搏與血壓診斷病患的心臟疾病一樣，結(jié)構(gòu)工程師也可以通過連續(xù)監(jiān)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間數(shù)據(jù)，以遲滯圖 (Hysteresis diagram)來診斷整體結(jié)構(gòu)的情形。舉例來說，若地震造成了辦公大樓關(guān)鍵結(jié)構(gòu)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(tǒng)的兩項主要需求為連續(xù)與實時的結(jié)構(gòu)監(jiān)控。由于大部分災(zāi)難的發(fā)生均在意料之外，因此如需針對災(zāi)難進(jìn)行緊急管理并有效反應(yīng)，就必須以實時信息為基礎(chǔ)，了解建筑物在災(zāi)難發(fā)生期間與之后的反應(yīng)情形。此外，由于結(jié)構(gòu)安全性能會隨著時間而逐漸下降，因此必須通過持續(xù)監(jiān)控以盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)衰退的征兆，并讓工程師對關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)安全記錄進(jìn)行比較。

以 LabVIEW 與 CompactRIO 開發(fā)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 (SHM) 系統(tǒng)

通過 NI 平臺，我們開發(fā)出 2 款不同的定制化系統(tǒng)，以滿足 CEA 的 SHM 系統(tǒng)需求。

鳥巢采用了9套64通道的CompactRIO系統(tǒng)，水立方則是2套36通道的系統(tǒng)。每套系統(tǒng)分別與嵌入式單板電腦相連并安置在堅固的NEMA 4機(jī)箱中，各個機(jī)箱再以客戶端-服務(wù)器的構(gòu)架與主服務(wù)器連接后分布在各結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警。系統(tǒng)可在溫度范圍在-40 to +70 °C 的惡劣環(huán)境下正常工作。

系統(tǒng)的主要任務(wù)在于測量結(jié)構(gòu)振動和加速度，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(jiān)測多個位置的振動，從而更好地理解和描述整個建筑結(jié)構(gòu)所受的影響。傳統(tǒng)基于線纜的同步方法限制每個系統(tǒng)間最多相隔100米，考慮到鳥巢和水立方的場地規(guī)模，至少需要分布上百套這樣的系統(tǒng)，因而基于線纜的方案并不適用于這種場地。為此，我們采用了全球定位系統(tǒng)(GPS)來構(gòu)建同步解決方案。通過NI LabVIEW FPGA模塊，多個機(jī)箱間使用GPS所提供的精確時鐘來完成遠(yuǎn)程同步，LabVIEW實時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(tǒng)進(jìn)行低頻測量造成干擾。