精品文檔-下載后可編輯北京奧運(yùn)場館使用LabVIEW與CompactRIO監(jiān)控建筑物結(jié)構(gòu)安全挑戰(zhàn)：

針對(duì)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(jìn)行多項(xiàng)建筑物結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測監(jiān)控（Structuralhealthmonitoring,SHM）；其中包含2022北京奧運(yùn)所使用的新建筑物。

解決方案：

使用NILabVIEW圖形化編程程式設(shè)計(jì)環(huán)境，與NICompactRIO硬件硬體平臺(tái)，以設(shè)計(jì)高度的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)。

"使用NILabVIEW圖形化編程程式設(shè)計(jì)環(huán)境，與NICompactRIO硬件硬體平臺(tái)，以設(shè)計(jì)高度的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)。"

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鰹閲?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2022年，負(fù)責(zé)全中國防震與防災(zāi)的機(jī)構(gòu)：中國地震局,即針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，選擇7項(xiàng)新架構(gòu)的超結(jié)構(gòu)體做為測試平臺(tái)。這些地標(biāo)建筑物包含2022年北京奧運(yùn)的國家體育館、國家游泳中心（水立方）、104層的上海世界貿(mào)易中心、66層樓高的北京凱悅酒店、四川省二灘高達(dá)240公尺的混凝土拱壩、廣東省汕頭長達(dá)8266公尺的斜張橋，還有北京的地基隔震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)來開發(fā)并實(shí)現(xiàn)包含技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測解決方案，實(shí)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CGMEngineeringInc.公司屬于NI聯(lián)盟伙伴之一，通過現(xiàn)場遠(yuǎn)程系統(tǒng)的演示，贏得此解決方案的國際競標(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)，也能夠被的檢測出來。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(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測功能可以使得在不同地點(diǎn)進(jìn)行觀察研究，加上其高性能及低單位成本等優(yōu)勢使得SeismoCast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)

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

通過LabVIEW與CompactRIO,我們的系統(tǒng)可擷取建筑物的振動(dòng)訊號(hào)，并偵測到結(jié)構(gòu)特性所發(fā)生的任何突發(fā)轉(zhuǎn)變。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（Dampingratio），記錄加速計(jì)測量到的加速度與時(shí)間數(shù)據(jù)，以遲滯圖來診斷整體結(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）的性損壞，就有如特征頻率染上慢性疾病一般。

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（SHM）系統(tǒng)

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。

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NEMA4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)測與預(yù)警。系統(tǒng)可在溫度范圍在-40to+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(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。我們采用了定位系統(tǒng)來構(gòu)建同步解決方案。通過NILabVIEWFPGA模塊，多個(gè)機(jī)箱間使用GPS所提供的時(shí)鐘來完成遠(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)行低頻測量造成干擾。

使用GPS衛(wèi)星的時(shí)鐘，我們的建筑監(jiān)測方案不受距離限制，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。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

LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

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)訪問與分析是其中主要的兩個(gè)原因。我們的系統(tǒng)也通過成本達(dá)到通道數(shù)。利用CompactRIO與模塊化的NIC系列I/O硬件為架構(gòu)，我們可達(dá)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，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)還具有配置簡單、可迅速重設(shè)與多種I/O選項(xiàng)等優(yōu)勢，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)到的度與靈活性，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)度可達(dá)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(biāo)志性建筑在2022年8月的奧運(yùn)期間成為世界矚目的