2008​年​北京​奥运​使用​NI LabVIEW​与​CompactRIO​监​控​建筑​物​结构​安全

Chris McDonald, CGM Engineering, Inc.

"使用 NI LabVIEW 图形​化​编​程​程式​设计​环境,​与 NI CompactRIO 硬件​硬体​平台,​以​设计​高​精确​度​的 SHM 系统,​并​通过​透过​时脉​架构​的 GPS​实现​同步​数据​采集​与​分析 同步​化​作业,​在​建筑​物​的​关键​部分​实施​在​线​以​监​控​建筑​物​的​关键​接点。 "

- Chris McDonald, CGM Engineering, Inc.

挑战:

针对​中国​大陆​大型​建筑​物​的​稳定​性、​可靠性,​与​使用​寿命,​执行​进行​多​项​建筑​物​结构​健康​安全​监测​监​控 (Structural health monitoring,​SHM);​其中​包含 2008 北京​奥运​所​使用​的​新​建筑​物。

解决​方案:

使用 NI LabVIEW 图形​化​编​程​程式​设计​环境,​与 NI CompactRIO 硬件​硬体​平台,​以​设计​高​精确​度​的 SHM 系统,​并​通过​透过​时脉​架构​的 GPS​实现​同步​数据​采集​与​分析 同步​化​作业,​在​建筑​物​的​关键​部分​实施​在​线​以​监​控​建筑​物​的​关键​接点。

在​地震、​飓风,​或​火灾​的​生命​财产​损失​中,​因为​建筑​物​倒塌​所​造成​的​伤亡​最为​严重。​因此,​全世界​的​工程​师​均​在​不断​尝试​并​检验​建筑​物​模型,​变更​结构​设计,​以期​降低​此类​事件​所​造成​的​悲剧。 

 

 

在 2004 年,​负责​全​中国​防震​与​防​灾​的​官方​机构:​中国​地震​局 (China Earthquake Administration,​CEA),​即​针对​结构​健康​监测 (SHM) 技术,​选择 7 项​新​架构​的​超​结构​体 (Megastructure) 做为​测试​平台。​这些​地​标​建筑​物​包含 2008 年​北京​奥运​的​国家​体育​馆​(鸟巢)、​国家​游泳​中心​(水​立方)、​104 层​的​上海​世界​贸易​中心 (World Trade Center)、​66 层​楼​高​的​北京​凯​悦​酒店、​四川省​二​滩 (Ertan) 高达 240 公尺​的​混凝土​拱​坝、​广东​省​汕头 (Shantou) 长达 8266 公尺​的​斜​张​桥 (Cable-​stayed bridge),​还有​北京​的​地基​隔​震 (Base-​isolated) CEA 资料​中心。

 

此​项目​的​主要​目的​是​利用​计算​机​技术、​传感器​与​通讯​系统​来​开发​并​实现​包含​最新​技术​的​结构​健康​监测​解决​方案,​实现​在​线​结构​监测,​以​保证​建筑​物​的​稳定​性、​可靠性​与​抗震​性。

 

位于​加州​的 CGM Engineering Inc. 公司​属于 NI 联盟​伙伴​之一,​通过​现场​远程​系统​的​演示,​赢得​此​解决​方案​的​国际​竞​标。​演示​表明,​即使是​一个​回​形​针​落在​桌上​产生​的​振动,​也​能够​被​精确​的​检测​出来。​经过​仔细​评估,​我们​的​SeismoCast​建筑​监测​方案​被​甄选​为​上述​建筑​物​的​监测​管理​系统。​此​方案​提供​简单​即​用​的​安装、​多种​I/​O​选择,​工程​师​可​快速​简便​地​重新​配置​系统​以​满足​系统​的​变化​要求,​它的​远程​网络​监测​功能​可以​使得​专家​在​不同​地点​进行​观察​研究,​加上​其​高性能​及​低​单位​成本​等​优势​使得​SeismoCast​最终​获选​成为​鸟巢​和​水​立方​的​守护者。

 

 

执行​实​时​且​连续​的​建筑​物​结构​监​控​作业

通过 LabVIEW 与 CompactRIO,​我们​的​系统​可​撷​取​建筑​物​的​振动​讯号,​并​侦测​到​结构​特性​所​发生​的​任何​突发​转变。​从​自然​的​地质​作用,​到​举行​赛​事​时​的​激动​的​观众,​有​太多​类型​的​刺激​可能​造成​建筑​物​振动。​如同​心脏​科​医师​透过​脉搏​与​血压​诊断​病患​的​心脏​疾病​一样,​结构​工程​师​也可以​通过​连续​监​控​特征​频率​与​阻尼​比 (Damping ratio),​记录​加速​计​测量​到​的​加速度​与​时间​数据,​以​迟​滞​图 (Hysteresis diagram)​来​诊断​整体​结构​的​情形。​举例来说,​若​地震​造成​了​办公​大楼​关键​结构​处 (如​横梁​或​圆柱) 的​永久性​损坏,​就有​如​特征​频率 (大量​建材​所​造成​的​作用) 染上​慢性​疾病​一般。

 

系统​的​两​项​主要​需求​为​连续​与​实​时​的​结构​监​控。​由于​大部分​灾难​的​发生​均​在​意料之外,​因此​如需​针对​灾难​进行​紧急​管理​并​有效​反应,​就​必须​以​实​时​信息​为​基础,​了解​建筑​物​在​灾难​发生​期间​与​之后​的​反应​情形。​此外,​由于​结构​安全​性能​会​随着​时间​而​逐渐​下降,​因此​必须​通过​持续​监​控​以​尽早​发现​结构​衰退​的​征兆,​并​让​工程​师​对​关键​的​结构​安全​记录​进行​比较。

 

 

以 LabVIEW 与 CompactRIO 开发​结构​健康​监测 (SHM) 系统

通过 NI 平台,​我们​开发​出 2 款​不同​的​定制​化​系统,​以​满足 CEA 的 SHM 系统​需求。

 

鸟巢​采用​了​9​套​64​通道​的​CompactRIO​系统,​水​立方​则​是​2​套​36​通道​的​系统。​每套​系统​分别​与​嵌入式​单​板​电脑​相连​并​安置​在​坚固​的​NEMA 4​机​箱​中,​各个​机​箱​再​以​客户​端-​服务​器​的​构​架​与​主​服务​器​连接​后​分布​在​各​结构​关键​点​进行​监测​与​预警。​系统​可在​温度​范围​在-40 to +70 °C 的​恶劣​环境​下​正常​工作。

 

系统​的​主要​任务​在于​测量​结构​振动​和​加速度,​因此​保证​各​通道​之间​的​同步​是​非常​重要​的,​这​使得​研究​人员​可以​同步​监测​多个​位置​的​振动,​从而​更好​地​理解​和​描述​整个​建筑​结构​所​受​的​影响。​传统​基于​线​缆​的​同步​方法​限制​每​个​系统​间​最多​相隔​100​米,​考虑​到​鸟巢​和​水​立方​的​场地​规模,​至少​需要​分布​上百​套​这样​的​系统,​因而​基于​线​缆​的​方案​并不​适用​于​这种​场地。​为此,​我们​采用​了​全球​定位​系统​(GPS)​来​构​建​同步​解决​方案。​通过NI LabVIEW FPGA​模块,​多个​机​箱​间​使用​GPS​所​提供​的​精确​时钟​来​完成​远程​同步,​LabVIEW​实​时​模​块​则​提供​了​可​配置​的​滤波​功能​以​消除​噪声,​从而​避免​对​系统​进行​低​频​测量​造成​干扰。

 

使用​GPS​卫星​的​精确​时钟,​我们​的​建筑​监测​方案​不受​距离​限制,​而且​能够​达到​+/- 10​微秒​内的​同步​精度,​符合​系统​的​同步​需求。​CompactRIO​系统​将​采集​得到​的​大量​数据​和​分析​结果​传送​到​同​机​箱​的​嵌入式​单​板​电脑​并​临时​储存,​借助​LabVIEW​对于​分布​在​不同​地点​数据​的​管理​能力​将​数据​通过​以太​网​发送​到​主​服务​器,​以​进行​进一步​的​分析。​此外,​系统​允许​研究​人员​通过​客户​端​软件​远程​连接​并​实​时​监测​建筑​物​的​健康​状况。​当​事件​发生​时,​系统​也可以​电子​邮件​通知​离​线​的​用户。

 

NI 软​硬件​架构​的​系统​优势

CEA​之所以​选择​以 LabVIEW 为​架构​的​解决​方案​有​多个​原因。​其中​高​精确​度​的​实​时 GPS 同步​数据​采集​功能,​和​远程​数据​访问​与​分析​是​其中​最主要​的​两​个​原因。​我们​的​系统​也​通过​最低​成本​达到​最高​通道​数。​利用 CompactRIO 与​模​块​化​的 NI C 系列 I/​O 硬件​为​架构,​我们​可达​最多 128 个​通道,​而 16 位​系统​的​每​通道​平均 $500 美金;​24 位​系统​的​每​信道​平均 $800 美金 (不含​传感器),​更​可​使用 GPS 同步​化​功能​扩充​更高​的​信道​数。​此外,​该​系统​还​具有​配置​简单、​可​迅速​重​设​与​多种 I/​O 选项​等​优势,​可​随时​应​系统​需要​而​进行​变更。

 

使用 NI 硬件​与​软件,​我们​在​一年​之内​就​完成​从​设计​到​原型​制作,​布​署​的​高​通道​数 SHM 系统,​也​同时​包含 GPS 同步​功能。​我们​使用 LabVIEW 与 CompactRIO 做为​系统​平台,​以​极​高​的​成本​效益​达到​绝​佳​的​精确​度​与​灵活​性,​实现​了​嵌入式​监​控​系统。​通过​此​解决​方案,​我们​所​提供​的​系统​精确​度​可达 CEA 初始​系统​的 10 倍,​且​所需​的​成本​更低。

 

中国​大陆​建筑​物​安全​监​控​的​未来​趋势

两​座​标志​性​建筑​在​2009​年​8​月​的​奥运​期间​成为​世界​瞩目​的​焦点。​根据​世界​银行​统计,​到​2015​年,​全球​半数以上​新建​楼​宇​会​在​中国​拔地而起;​中国​将​继续​保持​强劲​经济​增长​势头。​诚​然,​只有​在​世界​市场​中​不断​提升​竞争​力,​中国​才能​脱​颖​而出。​值得​指出​的是,​中国​的​独特​机遇​在于​没有​很多​传统​系统​的​负担,​可以​直接​采用​最新​的​科技。​比如​前文​所​讲的​建筑​物​监测,​在​诸如​美国​等​西方​国家​中,​先进​的​监​控​系统​研发​诞生​之前​就​已​高楼​林立,​引入​最新​技术​遇到​了​较​高​的​门槛。​而​在​中国,​新的​楼​宇​建筑​可以​利用​革新​的​监​控​科技,​在​设计​构​建​的​过程​中​考虑​到​健康​监​控​功能,​最终​确保​人员​与​建筑​物​的​安全​性。

 

国家​仪器​联盟​是​一个​独立​于​NI​的​企业​实体,​与​NI​没有​任何​代理,​合作​或​合资​关系。

 

作者​信息:

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. ​