NI LabVIEW​と​CompactRIO​を​使用​した​北京​五輪​会場​の​構造​ヘルス​モニタリング

Chris McDonald, CGM Engineering, Inc.

"コンピュータ​プラットフォーム​として​LabVIEW​と​CompactRIO​を​採用​した​ため、​極めて高精度で柔軟性に優れ、​コスト​効率​も​高い​組​込​モニタリング​システム​を​実装​する​こと​が​でき​ま​した。"

- Chris McDonald, CGM Engineering, Inc.

課題:

構造​ヘルス​モニタリング​(SHM)​によって、​北京​五輪​会場​を​含む​中国​各地​に​ある​複数​の​大型​構造​物​の​安定性、​信頼​性、​居住​適性​を​特定​する。

ソリューション:

NI LabVIEW​グラフィカル​プログラミング​環境​と​NI CompactRIO​ハードウェア​プラットフォーム​を​使用​し​て、​構造​物​の​重要​点​を​モニタ​する​時間​ベース​の​GPS​同期​による​高​精度​SHM​システム​を​設計​した。

地震​や​台風、​火災、​爆破​事件​など​で​人命​や​財産​が​失​われる​最も​大きな​原因​は、​建造​物​の​損傷​や​崩壊​です。​そのため、​世界中​の​技術​者​は​その​よう​な​事故​や​災害​による​惨事​を​防ぐ​ため、​構造​モデル​の​検証​や​構造​設計​の​繰り返し​作業​を​常に​行​って​い​ます。

 

 

地震​へ​の​備え​や​災害​軽減​対策​を​管理​する​中国​の​政府​機関、​中国​地震​局​(CEA)​は​2004​年、​新たに建築された​7​つ​の​大型​構造​物​を​構造​ヘルス​モニタリング​(SHM)​技術​の​試験​台​として​選定​しま​した。​その​7​つ​と​は、​北京​の​2008​年​夏季​五輪​会場​(北京​国家​体育​場​と​北京​国家​遊泳​センター)、​104​階​建て​の​上海​国際​貿易​センター、​66​階​建て​の​パークハイアット​北京、​四川省​に​ある​240 m​の​アーチ​式​コンクリート​ダム、​汕頭​に​ある​8266 m​の​斜​張​橋、​そして​北京​に​ある​免​震​構造​の​CEA​データ​センター​です。

 

この​大規模​な​土木​工学​プロジェクト​は、​コンピュータ、​センサ、​通信​技術​を​活用​し​て、​安定性​や​信頼​性、​居住​適性​といった​構造​ヘルス​の​特性​を​リアルタイム​で​モニタ​する​最新​式​ソリューション​を​開発​する​こと​を​主​な​目的​として​い​ます。

 

カリフォルニア​を​拠点​と​する​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​ア​ライアン​ス​パートナー、​CGM Engineering​社​は、​この​プロジェクト​の​ソリューション​開発​の​国際​入札​を​リモート​デモ​により​勝ち​取り​ま​した。​その​デモ​では、​ペーパー​クリップ​を​テーブル​に​落とし​た​時に​生じる​振動​を​検出​する​リアルタイム​アプリケーション​を​提示​しま​した。​その後​同社​は、​CompactRIO​組​込​コントローラ​を​使用​し​て、​CEA​向け​に​リモート​ネットワーク​モニタリング​を​採用​した​64​チャンネル​9​台​と​36​チャンネル​2​台​の​組​込​モニタリング​システム​を​設計​しま​した。

 

 

連続​的​な​リアルタイム​構造​ヘルス​モニタリング​を​実行

LabVIEWCompactRIOを​利用​した​同社​の​システム​は、​構造​物​の​振動​の​サイン​を​捉​えて​構造​特性​に​生​じ​た​何らかの​急激​な​変化​を​検出​する​よう​設計​さ​れ​てい​ます。​検出​さ​れる​振動​は、​地質​波​から​イベント​の​観客​まで、​様々​な​刺激​により​起こる​可能性​が​あり​ます。​心臓​専門医​が​脈拍​や​血圧​を​測​って​心臓​病​を​診断​する​の​と​同様​に、​構造​エンジニア​は​固有​周波数、​減衰​比、​加速度​計​が​計測​する​加速​時間​履歴​から​得​た​ヒステリシス​ダイ​ア​グラム​を​連続​的​に​モニタ​する​こと​で、​構造​性能​を​特定​し​ます。​例えば、​地震​によって​高層​ビル​の​梁​や​柱​といった​主要​構造​部材​に​変形​が​生​じ​た​場合、​その​固定​周波数​(剛性​関数)​の​減少​が​見​られる​可能性​が​高​く​なり​ます。

 

システム​の​主​な​要件​に​は、​連続​モニタリング​と​リアルタイム​モニタリング​の​2​つ​が​あり​ます。​ほとんど​の​災害​は​予期​せ​ぬ​時に​突然​発生​する​ので、​突発​的​な​災害​に対する​危機​管理​と​効果​的​な​行動​に​は、​有害​事象​発生​時​および​直後​の​構造​物​の​状況​に関する​リアルタイム​の​知識​が​必要​です。​また、​構造​物​の​健全性​は​時間​の​経過​とともに​徐々に​劣化​する​ため、​連続​モニタリング​を​行う​こと​で​何らかの​変化​を​以前​の​記録​と​比較​し​て、​劣化​の​兆候​を​早い​段階​で​捉える​こと​が​でき​ます。

 

 

LabVIEW​と​CompactRIO​で​構造​ヘルス​モニタリング​システム​を​開発

同社​では、​NI​プラットフォーム​を​使用​し​て、​CEA​の​SHM​要件​を​満​た​した​2​種類​の​カスタム​システム​を​開発​しま​した。​64​チャンネル​の​システム​9​台​と​36​チャンネル​の​システム​2​台​を​ク​ライアン​ト​サーバ​アーキテクチャ​で​構成​し、​中国​各地​に​ある​6​か​所​の​構造​物​の​重要​点​に​実装​しま​した。​システム​は、-40​~​+70℃​の​温度​と​高​湿度​環境​で​の​動作​を​可能​に​する​ケース​に​収​め​ま​した。

 

9​台​の​64​チャンネル​デバイス​は​それぞれ​3​台、​2​台​の​36​チャンネル​デバイス​に​は​それぞれ​2​台​の​CompactRIO​システム​が​使用​さ​れ​てい​ます。​また、​各​デバイス​に​は​振動​計測​用​の​複数​の​加速度​計​と、​リアルタイム​同期​用​の​GPS​受信​機​も​設置​さ​れ​てい​ます。 LabVIEW FPGA​モジュールと​GPS​同期​クロック​を​使用​し​て、​シャー​シ​間​で​±10 µs​以下​の​リアルタイム​同期​を​実現​しま​した。​GPS​信号​が​届​か​ない​地域​では、​コンピュータ​クロック​を​使用​し​て​システム​を​同期​でき​ます。​また、​LabVIEW Real-​Time​モジュール​を​使用​し​て​ユーザ​定義​による​フィルタ​処理​を​行い、​システム​の​低​周波数​計測​の​精度​を​高める​とともに​不要​な​ノイズ​を​除去​し​ます。

 

集録​した​データ​は、​各​システム​の​組​込​シングル​ボード​コンピュータ​(SBC)​に​保存​さ​れ​ます。​LabVIEW​シェア​変数​エンジン​を​システム​ソフトウェア​アーキテクチャ​で​使用​する​こと​で、​複数​の​ユーザ​が​組​込​SBC​から​インターネット​経由​で​リモート​アクセス​し、​記録​さ​れ​た​データ​を​リアルタイム​で​同時に​解析​する​こと​が​可能​となり​ます。​また、​単​変量/​多​変量​アーキテクチャ​を​使用​し​て、​オフライン​ユーザ​に​イベント​の​発生​を​E​メール​で​通知​する​よう​システム​を​構成​する​こと​も​でき​ます。

 

NI​ソフトウェア/​ハードウェア​を​使用​した​システム​の​メリット

CEA​が​LabVIEW​を​使用​した​同社​の​ソリューション​を​採用​した​の​に​は、​いくつか​の​理由​が​あり​ます​が、​特に​重要​な​要素​として、​極めて​精度​の​高い​リアルタイム​GPS​同期​機能​と、​世界​の​どこ​から​でも​データ​に​リモート​アクセス​できる​機能​の​2​つ​が​あ​げ​ら​れ​ます。​また、​チャンネル​あたり​の​コスト​も​同社​の​システム​なら​最も​低​く​抑える​こと​が​でき​ます。​CompactRIO​と​モジュール​式​の​NI C​シリーズ​I/​O​ハードウェア​を​ベース​に​設計​した​同社​の​システム​では、​最大​128​チャンネル​まで​の​任意​の​チャンネル​数​に​対応​でき​ます。​GPS​同期を利用すれば、​さらに​チャンネル​数​を​増やす​こと​が​でき​ます。​さらに、​様々​な​商用​I/​O​オプション​が​利用​でき​セットアップ​が​シンプル​な​ため、​システム​要件​の​変化​に​伴​い​再​構成​する​の​も​簡単​です。

 

同社​では、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​ソフトウェア​と​ハードウェア​を​使用​した​こと​で、​GPS​同期​機能​付き​の​多​チャンネル​SHM​システム​を​1​年​以内​に​設計、​試作、​実装​する​こと​が​でき​ま​した。​コンピュータ​プラットフォーム​として​LabVIEW​と​CompactRIO​を​採用​した​ため、​極めて高精度で柔軟性に優れ、​コスト​効率​も​高い​組​込​モニタリング​システム​を​実装​する​こと​が​でき​ま​した。​この​組み合わせ​で​構築​した​システム​は、​システム​あたり​の​コスト​は​最少​で​あり​ながら、​当初​想定​し​てい​たより​10​倍​もの​精度​を​実現​できる​設計​と​な​って​い​ます。

 

中国​における​構造​ヘルス​モニタリング​の​今後

世界​銀行​による​と、​2015​年​まで​に​世界​で​建設​さ​れる​建築物​の​半分​は、​中国​で​建設​さ​れる​と​の​こと​です。​米国​の​よう​な​国​に​ある​大型​構造​物​の​多く​は、​高度​な​モニタリング​システム​が​開発​さ​れる​以前​に​建て​ら​れ​て​いる​ため、​それらの​建築物​を​モニタ​し​研究​を​行う​こと​で、​今後​建て​られる​建築物​の​安全​性​を​も​高め、​究極​的​に​惨事​で​失​われる​命​を​減らす​ことに​つながり​ます。

 

日本​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​ア​ライアン​ス​パートナー​は、​日本​ア​ライアン​ス​プログラム​に​参加​し​て​いる​システム​イン​テグ​レ​ータ​を​中心​と​した​パートナー​企業​で、​代理店​の​関係​は​有​し​てい​ま​せん。

 

著者​情報:

Chris McDonald
CGM Engineering, Inc.
​882 N. Fairoaks Ave
​Pasadena, CA 91103
​United States
​Tel: 626-441-3884
cmcdonald@cgmeng.com

​ ​Structural health monitoring systems based on LabVIEW and CompactRIO monitor the Beijing National Stadium, the main venue for the 2008 Summer Olympics for stability, reliability, and livability. ​
​ ​Based on LabVIEW and CompactRIO, our systems are designed to capture the vibration signatures of a structure and detect any sudden shifts of structural characteristics ​
​ ​Each unit consits of two or three CompactRIO systems, multiple accelerometers for vibration measurements, and a GPS receiver for real-​time synchronization. ​
​ ​The Beijing National Aquatics Center, also a main venue for the 2008 Olympics, has two SHM systems from CGM Engineering monitoring the building’s structural health. ​
​ ​The 240 m concrete arch dam in Ertan is also monitored by the SHM system based on LabVIEW. ​