作者:
Chris McDonald - CGM Engineering, Inc.

行業:
Construction

產品:
LabVIEW, FPGA模塊, CompactRIO, 實時模塊

挑戰:
針對中國大陸大型建築物的穩定性、可靠性，與使用壽命，執行進行多項建築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築物。

解決方案:
使用 NI LabVIEW 圖形化編程程式設計環境
，與 NI CompactRIO 硬件硬體平台，以設計高精確度的 SHM 係統
，並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

，在建築物的關鍵部分實施在線以監控建築物的關鍵接點。

在地震、颶ju風feng
，或huo火huo災zai的de生sheng命ming財cai產chan損sun失shi中zhong

，因yin為wei建jian築zhu物wu倒dao塌ta所suo造zao成cheng的de傷shang亡wang最zui為wei嚴yan重zhong。因yin此ci
，全quan世shi界jie的de工gong程cheng師shi均jun在zai不bu斷duan嚐chang試shi並bing檢jian驗yan建jian築zhu物wu模mo型xing，變bian更geng結jie構gou設she計ji，以yi期qi降jiang低di此ci類lei事shi件jian所suo造zao成cheng的de悲bei劇ju。 

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) 做為測試平台。這些地標建築物包含 2008 年北京奧運的國家體育館（鳥巢）
、國家遊泳中心(水立方)、104 層的上海世界貿易中心 (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、傳感器與通訊係統來開發並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，以保證建築物的穩定性、可靠性與抗震性。

位於加州的 CGM Engineering Inc. 公司屬於 NI lianmenghuobanzhiyi
，tongguoxianchangyuanchengxitongdeyanshi，yingdecijiejuefangandeguojijingbiao。yanshibiaoming，jishishiyigehuixingzhenluozaizhuoshangchanshengdezhendong，yenenggoubeijingquedejiancechulai。jingguozaixipinggu，womendeSeismoCast建築監測方案被甄選為上述建築物的監測管理係統。此方案提供簡單即用的安裝、多種I/Oxuanze

，gongchengshikekuaisujianbiandizhongxinpeizhixitongyimanzuxitongdebianhuayaoqiu，tadeyuanchengwangluojiancegongnengkeyishidezhuanjiazaibutongdidianjinxingguanchayanjiu
，jiashangqigaoxingnengjididanweichengbendengyoushishideSeismoCast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築物結構監控作業

通過 LabVIEW 與 CompactRIO，womendexitongkexiequjianzhuwudezhendongxunhao，bingzhencedaojiegoutexingsuofashengderenhetufazhuanbian。congzirandedizhizuoyong，daojuxingsaishishidejidongdeguanzhong，youtaiduoleixingdecijikenengzaochengjianzhuwuzhendong。rutongxinzangkeyishitouguomaiboyuxueyazhenduanbinghuandexinzangjibingyiyang
，jiegougongchengshiyekeyitongguolianxujiankongtezhengpinlvyuzunibi (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。

係xi統tong的de兩liang項xiang主zhu要yao需xu求qiu為wei連lian續xu與yu實shi時shi的de結jie構gou監jian控kong。由you於yu大da部bu分fen災zai難nan的de發fa生sheng均jun在zai意yi料liao之zhi外wai，因yin此ci如ru需xu針zhen對dui災zai難nan進jin行xing緊jin急ji管guan理li並bing有you效xiao反fan應ying
，就jiu必bi須xu以yi實shi時shi信xin息xi為wei基ji礎chu，了le解jie建jian築zhu物wu在zai災zai難nan發fa生sheng期qi間jian與yu之zhi後hou的de反fan應ying情qing形xing。此ci外wai，由you於yu結jie構gou安an全quan性xing能neng會hui隨sui著zhe時shi間jian而er逐zhu漸jian下xia降jiang，因yin此ci必bi須xu通tong過guo持chi續xu監jian控kong以yi盡jin早zao發fa現xian結jie構gou衰shuai退tui的de征zheng兆zhao，並bing讓rang工gong程cheng師shi對dui關guan鍵jian的de結jie構gou安an全quan記ji錄lu進jin行xing比bi較jiao。

以 LabVIEW 與 CompactRIO 開發結構健康監測 (SHM) 係統

通過 NI 平台，我們開發出 2 款不同的定製化係統
，以滿足 CEA 的 SHM 係統需求。

鳥巢采用了9套64通道的CompactRIO係統，水立方則是2套36通道的係統。每套係統分別與嵌入式單板電腦相連並安置在堅固的NEMA 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後分布在各結構關鍵點進行監測與預警。係統可在溫度範圍在-40 to +70 °C 的惡劣環境下正常工作。

係(xi)統(tong)的(de)主(zhu)要(yao)任(ren)務(wu)在(zai)於(yu)測(ce)量(liang)結(jie)構(gou)振(zhen)動(dong)和(he)加(jia)速(su)度(du)，因(yin)此(ci)保(bao)證(zheng)各(ge)通(tong)道(dao)之(zhi)間(jian)的(de)同(tong)步(bu)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)，這(zhe)使(shi)得(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)同(tong)步(bu)監(jian)測(ce)多(duo)個(ge)位(wei)置(zhi)的(de)振(zhen)動(dong)，從(cong)而(er)更(geng)好(hao)地(di)理(li)解(jie)和(he)描(miao)述(shu)整(zheng)個(ge)建(jian)築(zhu)結(jie)構(gou)所(suo)受(shou)的(de)影(ying)響(xiang)。傳(chuan)統(tong)基(ji)於(yu)線(xian)纜(lan)的(de)同(tong)步(bu)方(fang)法(fa)限(xian)製(zhi)每(mei)個(ge)係(xi)統(tong)間(jian)最(zui)多(duo)相(xiang)隔(ge)100mi，kaolvdaoniaochaoheshuilifangdechangdiguimo，zhishaoxuyaofenbushangbaitaozheyangdexitong

，yinerjiyuxianlandefanganbingbushiyongyuzhezhongchangdi。weici，womencaiyonglequanqiudingweixitong(GPS)來構建同步解決方案。通過NI LabVIEW FPGA模塊
，多個機箱間使用GPS所提供的精確時鍾來完成遠程同步
，LabVIEW實時模塊則提供了可配置的濾波功能以消除噪聲，從而避免對係統進行低頻測量造成幹擾。

使用GPS衛星的精確時鍾，我們的建築監測方案不受距離限製，而且能夠達到+/- 10微秒內的同步精度，符合係統的同步需求。CompactRIO係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並臨時儲存
，借助LabVIEW對(dui)於(yu)分(fen)布(bu)在(zai)不(bu)同(tong)地(di)點(dian)數(shu)據(ju)的(de)管(guan)理(li)能(neng)力(li)將(jiang)數(shu)據(ju)通(tong)過(guo)以(yi)太(tai)網(wang)發(fa)送(song)到(dao)主(zhu)服(fu)務(wu)器(qi)，以(yi)進(jin)行(xing)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)分(fen)析(xi)。此(ci)外(wai)，係(xi)統(tong)允(yun)許(xu)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)通(tong)過(guo)客(ke)戶(hu)端(duan)軟(ruan)件(jian)遠(yuan)程(cheng)連(lian)接(jie)並(bing)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)建(jian)築(zhu)物(wu)的(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況(kuang)。當(dang)事(shi)件(jian)發(fa)生(sheng)時(shi)
，係(xi)統(tong)也(ye)可(ke)以(yi)電(dian)子(zi)郵(you)件(jian)通(tong)知(zhi)離(li)線(xian)的(de)用(yong)戶(hu)。

NI 軟硬件架構的係統優勢

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。我們的係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 係列 I/O 硬件為架構
，我們可達最多 128 個通道，而 16 位係統的每通道平均 $500 美金；24 位係統的每信道平均 $800 美金 (不含傳感器)，更可使用 GPS 同步化功能擴充更高的信道數。此外，該係統還具有配置簡單、可迅速重設與多種 I/O 選項等優勢
，可隨時應係統需要而進行變更。

使用 NI 硬件與軟件
，我們在一年之內就完成從設計到原型製作，布署的高通道數 SHM 係統，也同時包含 GPS 同步功能。我們使用 LabVIEW 與 CompactRIO 做zuo為wei係xi統tong平ping台tai，以yi極ji高gao的de成cheng本ben效xiao益yi達da到dao絕jue佳jia的de精jing確que度du與yu靈ling活huo性xing
，實shi現xian了le嵌qian入ru式shi監jian控kong係xi統tong。通tong過guo此ci解jie決jue方fang案an，我wo們men所suo提ti供gong的de係xi統tong精jing確que度du可ke達da CEA 初始係統的 10 倍，且所需的成本更低。

中國大陸建築物安全監控的未來趨勢

兩座標誌性建築在2009年8月的奧運期間成為世界矚目的焦點。根據世界銀行統計，到2015年，全球半數以上新建樓宇會在中國拔地而起；zhongguojiangjixubaochiqiangjinjingjizengchangshitou。chengran
，zhiyouzaishijieshichangzhongbuduantishengjingzhengli

，zhongguocainengtuoyingerchu。zhidezhichudeshi

，zhongguodedutejiyuzaiyumeiyouhenduochuantongxitongdefudan
，keyizhijiecaiyongzuixindekeji。biruqianwensuojiangdejianzhuwujiance
，zaizhurumeiguodengxifangguojiazhong
，xianjindejiankongxitongyanfadanshengzhiqianjiuyigaoloulinli

，yinruzuixinjishuyudaolejiaogaodemenkan。erzaizhongguo，xindelouyujianzhukeyiliyonggexindejiankongkeji
，zaishejigoujiandeguochengzhongkaolvdaojiankangjiankonggongneng，zuizhongquebaorenyuanyujianzhuwudeanquanxing。

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