Author(s):
Michael Schulze - Anco Engineers
Paul Ibanez - Anco Engineers
Industry:
Machines/Mechanics
Products:
LabVIEW, PCI-6221
The Challenge:
創(chuàng)建易用的軟件及硬件方案，控制面向公眾的大型地震仿真器。
The Solution:
使用NI LabVIEW軟件及數(shù)據采集硬件創(chuàng)建程序，控制仿真器運動，并生成仿真地震特征，為用戶制造出真實的地震體驗。
在世界各地的科技主題公園及博物館中，常會采用地震仿真器來對公眾普及地震災難教育。Anco Engineers公司提供用于材料、設備、及結構的震動測試系統(tǒng)及相關服務，是全球范圍內具有豐富經驗的地震振動臺開發(fā)商之一。我們?yōu)楦鞣N教學性地震振動臺開發(fā)的多媒體軟件具有很高的逼真性及易用性。
在項目中我們遇到了兩大挑戰(zhàn)，我們希望設計易用且低成本的軟硬件方案 ，并具有多媒體功能。程序還要有直觀的用戶界面，以及多語言的版本。應用要求提供簡單的工具生成指定光譜能量信號的模擬地震，以滿足各種條件，如震區(qū)建筑條例規(guī)定的光譜響應。我們需要完成所有條件下的程序開發(fā)，使博物館操作人員經過簡單培訓便可輕松控制這些相對復雜的系統(tǒng)。
過去存在的局限
驅動多軸的大沖撞振動臺已經是很完善的技術了。近年來，硬件與快速計算機處理器、數(shù)據采集板的集成也變得越來越方便。然而，早期版本的驅動軟件只能在實驗室環(huán)境下傳輸相關未處理的地震數(shù)據至驅動器，不具備復雜信號處理能力及多媒體功能。另外，由于舊版本不包括用于生成理論震動的統(tǒng)一程序，所以用戶無法仿真指定光譜能量的地震場景。過去的地震場景仿真中也不能設定建筑高度（共振）、土壤成分、及單個振動波類型等。
多媒體集成及信號處理
考慮到LabVIEW具有與NI硬件的無縫集成性、并行編程構架性能、以及豐富的數(shù)學及信號處理函數(shù)，我們決定選用它作為開發(fā)及部署工具。我們編寫了一個程序，有效地處理多種包含加速度時間關系曲線圖的大型地震信號文件，這些信號文件包含真實和仿真的地震數(shù)據。通過使用16位雙通道NI PCI-6221 M系列模擬電壓輸出板卡及多種數(shù)字線路輸出，程序能夠控制2臺重型大沖擊位移驅動器，監(jiān)測所有聯(lián)動裝置及安全特性，同時還能通過雙通道VGA輸出一系列自定義音頻及視頻文件。這些視頻將在模擬地震過程中放映在大屏幕上。為了增強地震的真實體驗，所選用的PCI-6221板卡具有多數(shù)字通道，可同時控制閃光燈、煙霧器、及聲效等，并設定其間隔及持續(xù)時間。
為了降低對操作人員的培訓強度，我們必須開發(fā)出簡單易用的圖形化用戶界面(GUI)。在超過50種真實或仿真的地震場景庫中，只需選擇指定子菜單，通過簡單拖曳即可在數(shù)分鐘內創(chuàng)建出一系列地震場景。這些地震設定可以成批鏈接，并順序執(zhí)行數(shù)秒甚至數(shù)分鐘。
每次地震都有一定的信號特征，其能量分布由強度（里氏震級）、地震波頻率、及振幅確定。振動中波形的傳播取決于不同的土壤類型，并與各種結構類型的建筑產生相互作用。民用工程師必須對這些相互作用建模，生成建筑的反應頻譜(RRS)，以此來預測建筑在地震中的狀態(tài)。
Anco Engineers公司使用LabVIEW內置的頻譜及頻率分析工具，基于特定的RRS曲線計算瞬時的任意波形。該自動重復過程能根據RRS輸入，在數(shù)秒內產生符合要求的能量及頻率分布數(shù)據，并與IEEE 344多軸固定/獨立測試相一致。
克服頻率相關振幅
對于推動大質量的動態(tài)大型沖擊驅動器，如何在規(guī)定頻率范圍內保持恒定振幅是一個普遍存在的限制因素。因此，需要對驅動信號在高頻下的振幅衰減作一定補償。我們對此種情況作了預防，使驅動軟件能在必要時通過系統(tǒng)專用傳輸函數(shù)動態(tài)生成修正量。此外，我們采用LabVIEW的信號處理及濾波函數(shù)極大簡化了編程，節(jié)省了編程開發(fā)成本，從而可將精力集中于公眾振動臺的開發(fā)。
使用LabVIEW及NI硬件節(jié)省成本
由于使用了LabVIEW，我們在軟件開發(fā)上的成本比預期節(jié)省了近50%。LabVIEW的靈活性，如濾波選項、光譜函數(shù)、與NI硬件的無縫連接，以及適用于復雜數(shù)據集的數(shù)學函數(shù)，確保了軟件開發(fā)的成功。此外，理論地震生成程序極大縮短了數(shù)據生成時間，過去生成指定RRS的地震需要大約20分鐘，而現(xiàn)在僅需5到10秒。程序員無需太多培訓及故障檢測經驗即可通過LabVIEW創(chuàng)建直觀、易用的GUI。
計算機及操作系統(tǒng)
我們使用的標準雙核PC具有1 GB RAM、雙VGA輸出，操作系統(tǒng)為Windows XP SP2，并安裝LabVIEW 8.2及8.5 運行時引擎。程序套件由Windows版LabVIEW專業(yè)開發(fā)系統(tǒng)編寫。我們還采用了PCI-6221板卡與NI BNC-2110連結盒連接。
現(xiàn)有系統(tǒng)的安裝
現(xiàn)有的公眾教學振動臺被安裝于法國、印度及美國等地的博物館及科技主題公園中。有些博物館將振動臺安置于地震型 “災難區(qū)”演示，并伴有人造的混凝土廢墟、煙霧及其它視覺效果，以此來強調地震研究及加強建筑條例的重要性。振動臺的平均大小約為4 m高（約合13ft），可在多個平臺上承載6至9人。
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