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作者:
Chris McDonald - CGM Engineering, Inc.
行業:
Construction
產品:
LabVIEW, FPGA模塊, CompactRIO, 實時模塊
挑戰:
針對中國大陸大型建筑物的穩定性、可靠性，與使用壽命，執行進行多項建筑物結構健康安全監測監控 (Structural health monitoring，SHM)；其中包含 2008 北京奧運所使用的新建筑物。
解決方案:
使用 NI LabVIEW 圖形化編程程式設計環境，與 NI CompactRIO 硬件硬體平臺，以設計高精確度的 SHM 系統，并通過透過時脈架構的 GPS實現同步數據采集與分析 同步化作業，在建筑物的關鍵部分實施在線以監控建筑物的關鍵接點。
"使用 NI LabVIEW 圖形化編程程式設計環境，與 NI CompactRIO 硬件硬體平臺，以設計高精確度的 SHM 系統，并通過透過時脈架構的 GPS實現同步數據采集與分析 同步化作業，在建筑物的關鍵部分實施在線以監控建筑物的關鍵接點。 "
在地震、颶風，或火災的生命財產損失中，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，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、傳感器與通訊系統來開發并實現包含最新技術的結構健康監測解決方案，實現在線結構監測，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 聯盟伙伴之一，通過現場遠程系統的演示，贏得此解決方案的國際競標。演示表明，即使是一個回形針落在桌上產生的振動，也能夠被精確的檢測出來。經過仔細評估，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以滿足系統的變化要求，它的遠程網絡監測功能可以使得專家在不同地點進行觀察研究，加上其高性能及低單位成本等優勢使得SeismoCast最終獲選成為鳥巢和水立方的守護者。
執行實時且連續的建筑物結構監控作業
通過 LabVIEW 與 CompactRIO，我們的系統可擷取建筑物的振動訊號，并偵測到結構特性所發生的任何突發轉變。從自然的地質作用，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。如同心臟科醫師透過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間數據，以遲滯圖 (Hysteresis diagram)來診斷整體結構的情形。舉例來說，若地震造成了辦公大樓關鍵結構處 (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時的結構監控。由于大部分災難的發生均在意料之外，因此如需針對災難進行緊急管理并有效反應，就必須以實時信息為基礎，了解建筑物在災難發生期間與之后的反應情形。此外，由于結構安全性能會隨著時間而逐漸下降，因此必須通過持續監控以盡早發現結構衰退的征兆，并讓工程師對關鍵的結構安全記錄進行比較。
以 LabVIEW 與 CompactRIO 開發結構健康監測 (SHM) 系統
通過 NI 平臺，我們開發出 2 款不同的定制化系統，以滿足 CEA 的 SHM 系統需求。
鳥巢采用了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，各個機箱再以客戶端-服務器的構架與主服務器連接后分布在各結構關鍵點進行監測與預警。系統可在溫度范圍在-40 to +70 °C 的惡劣環境下正常工作。
系統的主要任務在于測量結構振動和加速度，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測多個位置的振動，從而更好地理解和描述整個建筑結構所受的影響。傳統基于線纜的同步方法限制每個系統間最多相隔100米，考慮到鳥巢和水立方的場地規模，至少需要分布上百套這樣的系統，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(GPS)來構建同步解決方案。通過NI LabVIEW FPGA模塊，多個機箱間使用GPS所提供的精確時鐘來完成遠程同步，LabVIEW實時模塊則提供了可配置的濾波功能以消除噪聲，從而避免對系統進行低頻測量造成干擾。
使用GPS衛星的精確時鐘，我們的建筑監測方案不受距離限制，而且能夠達到+/- 10微秒內的同步精度，符合系統的同步需求。CompactRIO系統將采集得到的大量數據和分析結果傳送到同機箱的嵌入式單板電腦并臨時儲存，借助LabVIEW對于分布在不同地點數據的管理能力將數據通過以太網發送到主服務器，以進行進一步的分析。此外，系統允許研究人員通過客戶端軟件遠程連接并實時監測建筑物的健康狀況。當事件發生時，系統也可以電子郵件通知離線的用戶。
NI 軟硬件架構的系統優勢
CEA之所以選擇以 LabVIEW 為架構的解決方案有多個原因。其中高精確度的實時 GPS 同步數據采集功能，和遠程數據訪問與分析是其中最主要的兩個原因。我們的系統也通過最低成本達到最高通道數。利用 CompactRIO 與模塊化的 NI C 系列 I/O 硬件為架構，我們可達最多 128 個通道，而 16 位系統的每通道平均 $500 美金；24 位系統的每信道平均 $800 美金 (不含傳感器)，更可使用 GPS 同步化功能擴充更高的信道數。此外，該系統還具有配置簡單、可迅速重設與多種 I/O 選項等優勢，可隨時應系統需要而進行變更。
使用 NI 硬件與軟件，我們在一年之內就完成從設計到原型制作，布署的高通道數 SHM 系統，也同時包含 GPS 同步功能。我們使用 LabVIEW 與 CompactRIO 做為系統平臺，以極高的成本效益達到絕佳的精確度與靈活性，實現了嵌入式監控系統。通過此解決方案，我們所提供的系統精確度可達 CEA 初始系統的 10 倍，且所需的成本更低。
中國大陸建筑物安全監控的未來趨勢
兩座標志性建筑在2009年8月的奧運期間成為世界矚目的焦點。根據世界銀行統計，到2015年，全球半數以上新建樓宇會在中國拔地而起；中國將繼續保持強勁經濟增長勢頭。誠然，只有在世界市場中不斷提升競爭力，中國才能脫穎而出。值得指出的是，中國的獨特機遇在于沒有很多傳統系統的負擔，可以直接采用最新的科技。比如前文所講的建筑物監測，在諸如美國等西方國家中，先進的監控系統研發誕生之前就已高樓林立，引入最新技術遇到了較高的門檻。而在中國，新的樓宇建筑可以利用革新的監控科技，在設計構建的過程中考慮到健康監控功能，最終確保人員與建筑物的安全性。
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