2008年北京奧運(yùn)使用NI LabVIEW與CompactRIO監(jiān)控建筑物結(jié)構(gòu)安全
Author(s):
Chris McDonald - CGM Engineering, Inc.
Industry:
Construction
Products:
LabVIEW, FPGA Module, CompactRIO, Real-Time Module
The Challenge:
針對(duì)中國(guó)大陸大型建筑物的穩(wěn)定性、可靠性,與使用壽命,執(zhí)行進(jìn)行多項(xiàng)建筑物結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控 (Structural health monitoring,SHM);其中包含 2008 北京奧運(yùn)所使用的新建筑物。
The Solution:
使用 NI LabVIEW 圖形化編程程式設(shè)計(jì)環(huán)境,與 NI CompactRIO 硬件硬體平臺(tái),以設(shè)計(jì)高精確度的 SHM 系統(tǒng),并通過透過時(shí)脈架構(gòu)的 GPS實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集與分析 同步化作業(yè),在建筑物的關(guān)鍵部分實(shí)施在線以監(jiān)控建筑物的關(guān)鍵接點(diǎn)。
LabVIEW與CompactRIO為架構(gòu)的SHM 系統(tǒng),將監(jiān)控并確保 2008 北京奧運(yùn)國(guó)家體育館(鳥巢)的穩(wěn)定性、可靠性,與使用壽命。
在地震、颶風(fēng),或火災(zāi)的生命財(cái)產(chǎn)損失中,因?yàn)榻ㄖ锏顾斐傻膫鲎顬閲?yán)重。因此,全世界的工程師均在不斷嘗試并檢驗(yàn)建筑物模型,變更結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以期降低此類事件所造成的悲劇。
在 2004 年,負(fù)責(zé)全中國(guó)防震與防災(zāi)的官方機(jī)構(gòu):中國(guó)地震局 (China Earthquake Administration,CEA),即針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) (SHM) 技術(shù),選擇 7 項(xiàng)新架構(gòu)的超結(jié)構(gòu)體 (Megastructure) 做為測(cè)試平臺(tái)。這些地標(biāo)建筑物包含 2008 年北京奧運(yùn)的國(guó)家體育館(鳥巢)、國(guó)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(zhǎng)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(xiàng)目的主要目的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器與通訊系統(tǒng)來(lái)開發(fā)并實(shí)現(xiàn)包含最新技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)解決方案,實(shí)現(xiàn)在線結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè),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(chǎng)遠(yuǎn)程系統(tǒng)的演示,贏得此解決方案的國(guó)際競(jìng)標(biāo)。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(cè)出來(lái)。經(jīng)過仔細(xì)評(píng)估,我們的SeismoCast建筑監(jiān)測(cè)方案被甄選為上述建筑物的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。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(tǒng)以滿足系統(tǒng)的變化要求,它的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)功能可以使得專家在不同地點(diǎn)進(jìn)行觀察研究,加上其高性能及低單位成本等優(yōu)勢(shì)使得SeismoCast最終獲選成為鳥巢和水立方的守護(hù)者。
執(zhí)行實(shí)時(shí)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(dòng)訊號(hào),并偵測(cè)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(shí)的激動(dòng)的觀眾,有太多類型的刺激可能造成建筑物振動(dòng)。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(jì)測(cè)量到的加速度與時(shí)間數(shù)據(jù),以遲滯圖 (Hysteresis diagram)來(lái)診斷整體結(jié)構(gòu)的情形。舉例來(lái)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(xiàng)主要需求為連續(xù)與實(shí)時(shí)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(duì)災(zāi)難進(jìn)行緊急管理并有效反應(yīng),就必須以實(shí)時(shí)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(huì)隨著時(shí)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(duì)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(cè) (SHM) 系統(tǒng)
通過 NI 平臺(tái),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(jiān)固的NEMA 4機(jī)箱中,各個(gè)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(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)量結(jié)構(gòu)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(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)所受的影響。傳統(tǒng)基于線纜的同步方法限制每個(gè)系統(tǒng)間最多相隔100米,考慮到鳥巢和水立方的場(chǎng)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(chǎng)地。為此,我們采用了全球定位系統(tǒng)(GPS)來(lái)構(gòu)建同步解決方案。通過NI LabVIEW FPGA模塊,多個(gè)機(jī)箱間使用GPS所提供的精確時(shí)鐘來(lái)完成遠(yuǎn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行低頻測(cè)量造成干擾。
使用GPS衛(wèi)星的精確時(shí)鐘,我們的建筑監(jiān)測(cè)方案不受距離限制,而且能夠達(dá)到+/- 10微秒內(nèi)的同步精度,符合系統(tǒng)的同步需求。CompactRIO系統(tǒng)將采集得到的大量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果傳送到同機(jī)箱的嵌入式單板電腦并臨時(shí)儲(chǔ)存,借助LabVIEW對(duì)于分布在不同地點(diǎn)數(shù)據(jù)的管理能力將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到主服務(wù)器,以進(jìn)行進(jìn)一步的分析。此外,系統(tǒng)允許研究人員通過客戶端軟件遠(yuǎn)程連接并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物的健康狀況。當(dāng)事件發(fā)生時(shí),系統(tǒng)也可以電子郵件通知離線的用戶。
NI 軟硬件架構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
CEA之所以選擇以 LabVIEW 為架構(gòu)的解決方案有多個(gè)原因。其中高精確度的實(shí)時(shí) GPS 同步數(shù)據(jù)采集功能,和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問與分析是其中最主要的兩個(gè)原因。我們的系統(tǒng)也通過最低成本達(dá)到最高通道數(shù)。利用 CompactRIO 與模塊化的 NI C 系列 I/O 硬件為架構(gòu),我們可達(dá)最多 128 個(gè)通道,而 16 位系統(tǒng)的每通道平均 $500 美金;24 位系統(tǒng)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(kuò)充更高的信道數(shù)。此外,該系統(tǒng)還具有配置簡(jiǎn)單、可迅速重設(shè)與多種 I/O 選項(xiàng)等優(yōu)勢(shì),可隨時(shí)應(yīng)系統(tǒng)需要而進(jìn)行變更。
使用 NI 硬件與軟件,我們?cè)谝荒曛畠?nèi)就完成從設(shè)計(jì)到原型制作,布署的高通道數(shù) SHM 系統(tǒng),也同時(shí)包含 GPS 同步功能。我們使用 LabVIEW 與 CompactRIO 做為系統(tǒng)平臺(tái),以極高的成本效益達(dá)到絕佳的精確度與靈活性,實(shí)現(xiàn)了嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。通過此解決方案,我們所提供的系統(tǒng)精確度可達(dá) CEA 初始系統(tǒng)的 10 倍,且所需的成本更低。
中國(guó)大陸建筑物安全監(jiān)控的未來(lái)趨勢(shì)
兩座標(biāo)志性建筑在2009年8月的奧運(yùn)期間成為世界矚目的焦點(diǎn)。根據(jù)世界銀行統(tǒng)計(jì),到2015年,全球半數(shù)以上新建樓宇會(huì)在中國(guó)拔地而起;中國(guó)將繼續(xù)保持強(qiáng)勁經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)勢(shì)頭。誠(chéng)然,只有在世界市場(chǎng)中不斷提升競(jìng)爭(zhēng)力,中國(guó)才能脫穎而出。值得指出的是,中國(guó)的獨(dú)特機(jī)遇在于沒有很多傳統(tǒng)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),可以直接采用最新的科技。比如前文所講的建筑物監(jiān)測(cè),在諸如美國(guó)等西方國(guó)家中,先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)誕生之前就已高樓林立,引入最新技術(shù)遇到了較高的門檻。而在中國(guó),新的樓宇建筑可以利用革新的監(jiān)控科技,在設(shè)計(jì)構(gòu)建的過程中考慮到健康監(jiān)控功能,最終確保人員與建筑物的安全性。