2008年北京奧運使用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:
針對中國大陸大型建筑物的穩(wěn)定性、可靠性，與使用壽命，執(zhí)行進行多項建筑物結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測監(jiān)控 (Structural health monitoring，SHM)；其中包含 2008 北京奧運所使用的新建筑物。

The Solution:
使用 NI LabVIEW 圖形化編程程式設(shè)計環(huán)境，與 NI CompactRIO 硬件硬體平臺，以設(shè)計高精確度的 SHM 系統(tǒng)，并通過透過時脈架構(gòu)的 GPS實現(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)鍵部分實施在線以監(jiān)控建筑物的關(guān)鍵接點。

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LabVIEW與CompactRIO為架構(gòu)的SHM 系統(tǒng)，將監(jiān)控并確保 2008 北京奧運國家體育館（鳥巢）的穩(wěn)定性、可靠性，與使用壽命。

在地震、颶風，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，負責全中國防震與防災(zāi)的官方機構(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 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(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)場遠程系統(tǒng)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(chǎn)生的振動，也能夠被精確的檢測出來。經(jīng)過仔細評估，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，它的遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)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(yōu)勢使得SeismoCast最終獲選成為鳥巢和水立方的守護者。

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機箱中，各個機箱再以客戶端-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(tǒng)進行低頻測量造成干擾。

使用GPS衛(wèi)星的精確時鐘，我們的建筑監(jiān)測方案不受距離限制，而且能夠達到+/- 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(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，以進行進一步的分析。此外，系統(tǒng)允許研究人員通過客戶端軟件遠程連接并實時監(jiān)測建筑物的健康狀況。當事件發(fā)生時，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

CEA之所以選擇以 LabVIEW 為架構(gòu)的解決方案有多個原因。其中高精確度的實時 GPS 同步數(shù)據(jù)采集功能，和遠程數(shù)據(jù)訪問與分析是其中最主要的兩個原因。我們的系統(tǒng)也通過最低成本達到最高通道數(shù)。利用 CompactRIO 與模塊化的 NI C 系列 I/O 硬件為架構(gòu)，我們可達最多 128 個通道，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 同步化功能擴充更高的信道數(shù)。此外，該系統(tǒng)還具有配置簡單、可迅速重設(shè)與多種 I/O 選項等優(yōu)勢，可隨時應(yīng)系統(tǒng)需要而進行變更。

使用 NI 硬件與軟件，我們在一年之內(nèi)就完成從設(shè)計到原型制作，布署的高通道數(shù) SHM 系統(tǒng)，也同時包含 GPS 同步功能。我們使用 LabVIEW 與 CompactRIO 做為系統(tǒng)平臺，以極高的成本效益達到絕佳的精確度與靈活性，實現(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 CEA 初始系統(tǒng)的 10 倍，且所需的成本更低。

中國大陸建筑物安全監(jiān)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(jù)世界銀行統(tǒng)計，到2015年，全球半數(shù)以上新建樓宇會在中國拔地而起；中國將繼續(xù)保持強勁經(jīng)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(tǒng)系統(tǒng)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(jiān)測，在諸如美國等西方國家中，先進的監(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，新的樓宇建筑可以利用革新的監(jiān)控科技，在設(shè)計構(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。