1、 NI LabVIEW與 CompactRIO 監控建筑物結構安全LabVIEW與 CompactRIO 為架構的SHM 系統，將監控并確保 2008 北京奧運 國家體育館（鳥巢） 的穩定性、可靠性， 與使用壽命。Author (s):Chris McDonald - CGM Engineering, Inc."使用 NI LabVIEW 圖 形化編程程式設計環 境，與 NI CompactRIO硬件硬體平臺，以設 計高精確度的 SHM 系統，并通 過透過時脈架構的 GPS實現同步數據 采集與分析 同步化 作業，在建筑物的關 鍵部分實施在線以監 控建筑物的關鍵接 點。 "-

2、 Chris McDonald, CGM Engineering, Inc.The Challenge:針對中國大陸大型建 筑物的穩定性、可靠 性，與使用壽命，執 行進行多項建筑物結 構健康安全監測監 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 形化編程程式設計環 境，與 NI CompactRIO 硬件硬體平臺，以設 計高精確度的 SHM 系統，并通 過透過時脈架構的 GPS實現同步數據 采集與分析 同步化 作業，在建筑物的關 鍵部分實施在線以監 控建

3、筑物的關鍵接 點。在地震、颶風，或火 災的生命財產損失 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， 變更結構設計，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 災的官方機構：中國 地震局 (China Earthquake Administration， CEA)，即針對結 構健康監測 (SHM) 技術， 選擇 7 項新架構 的超結構體(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 界貿易中心 (W

4、orld 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、傳 感器與通訊系統來開 發并實現包含最新技 術的結構健康監測解 決方案，實現在線結 構監測，以保證建筑 物的穩定性、可靠性 與抗震性。位于加州的 CGM Engineering Inc. 公司屬 于 NI 聯盟伙伴 之一，通過現場遠程 系統的演示

5、，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 上產生的振動，也能 夠被精確的檢測出 來。經過仔細評估， 我們的 SeismoCast 建筑監測方案被甄選 為上述建筑物的監測 管理系統。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 新配置系統以滿足系 統的變化要求，它的 遠程網絡監測功能可 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 成本等優勢使得 SeismoCast 最終獲選成為鳥巢和 水立方的守護者。執行實時且連續的建 筑物結構監控作業通過 LabVIEW 與 CompactRIO，我們的系統可擷取 建筑物的振動訊號， 并偵測到

6、結構特性所 發生的任何突發轉 變。從自然的地質作 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 臟科醫師透過脈搏與 血壓診斷病患的心臟 疾病一樣，結構工程 師也可以通過連續監 控特征頻率與阻尼 比 (Damping ratio)，記錄 加速計測量到的加速 度與時間數據，以遲 滯圖 (Hysteresis diagram)來 診斷整體結構的情 形。舉例來說，若地 震造成了辦公大樓關 鍵結構處 (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。系統的兩項主要需求 為連續與實時的結構 監控。由于大部分災 難的發生均

7、在意料之 外，因此如需針對災 難進行緊急管理并有 效反應，就必須以實 時信息為基礎，了解 建筑物在災難發生期 間與之后的反應情 形。此外，由于結構 安全性能會隨著時間 而逐漸下降，因此必 須通過持續監控以盡 早發現結構衰退的征 兆，并讓工程師對關 鍵的結構安全記錄進 行比較。以 LabVIEW 與 CompactRIO 開發結構健康監測 (SHM) 系統通過 NI 平臺， 我們開發出 2 款 不同的定制化系統， 以滿足 CEA 的 SHM 系統需 求。鳥巢采用了9套64 通道的 CompactRIO 系統，水立方則是2 套36通道的系統。 每套系統分別與嵌入 式單板電腦相連并安 置在堅固的 N

8、EMA 4機箱 中，各個機箱再以客 戶端-服務器的構架 與主服務器連接后分 布在各結構關鍵點進 行監測與預警。系統 可在溫度范圍在- 40 to +70 °C 的惡 劣環境下正常工作。系統的主要任務在于 測量結構振動和加速 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 員可以同步監測多個 位置的振動，從而更 好地理解和描述整個 建筑結構所受的影 響。傳統基于線纜的 同步方法限制每個系 統間最多相隔100 米，考慮到鳥巢和水 立方的場地規模，至 少需要分布上百套這 樣的系統，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(GPS)來構 建同步解

9、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 系統進行低頻測量造 成干擾。使用GPS衛星的精 確時鐘，我們的建筑 監測方案不受距離限 制，而且能夠達到 +/- 10微秒內 的同步精度，符合系 統的同步需求。 CompactRIO 系統將采集得到的大 量數據和分析結果傳 送到同機箱的嵌入式 單板電腦并臨時儲 存，借助 LabVIEW對于 分布在不同地點數據 的管理能力將數據通 過以太網發送到主服 務器，以進行進一步 的分析。此外，系統 允許研究人員通過客 戶端

10、軟件遠程連接并 實時監測建筑物的健 康狀況。當事件發生 時，系統也可以電子 郵件通知離線的用 戶。NI 軟硬件架構的系統優 勢CEA之所以選擇 以 LabVIEW 為 架構的解決方案有多 個原因。其中高精確 度的實時 GPS 同步數據采集功能， 和遠程數據訪問與分 析是其中最主要的兩 個原因。我們的系統 也通過最低成本達到 最高通道數。利用 CompactRIO 與模塊化的 NI C 系列 I/O 硬件為架構，我們可 達最多 128 個 通道，而 16 位 系統的每通道平均 $500 美金； 24 位系統的每信 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

11、信道數。 此外，該系統還具有 配置簡單、可迅速重 設與多種 I/O 選項等優勢，可隨時 應系統需要而進行變 更。1/6使用 NI 硬件與 軟件，我們在一年之 內就完成從設計到原 型制作，布署的高通 道數 SHM 系 統，也同時包含 GPS 同步功能。 我們使用 LabVIEW 與 CompactRIO 做為系統平臺，以極 高的成本效益達到絕 佳的精確度與靈活 性，實現了嵌入式監 控系統。通過此解決 方案，我們所提供的 系統精確度可達 CEA 初始系統 的 10 倍，且所 需的成本更低。中國大陸建筑物安全 監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。根據世界銀

12、 行統計，到2015 年，全球半數以上新 建樓宇會在中國拔地 而起；中國將繼續保 持強勁經濟增長勢 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 在于沒有很多傳統系 統的負擔，可以直接 采用最新的科技。比 如前文所講的建筑物 監測，在諸如美國等 西方國家中，先進的 監控系統研發誕生之 前就已高樓林立，引 入最新技術遇到了較 高的門檻。而在中 國，新的樓宇建筑可 以利用革新的監控科 技，在設計構建的過 程中考慮到健康監控 功能，最終確保人員 與建筑物的安全性。國家儀器聯盟是一個 獨立于NI的企業實 體,與NI沒有任何 代理，合作或合資關 系。Author Information:Chris McDonaldCGM En