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)。

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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。