北京奥运使用NI LabVIEW与CompactRIO监控建筑物构造平安.docx

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1、北京奥运使用NILabVIEW与CompactRIO监控建筑物构造平安在2004年，负责全中国防震与防灾的官方机构：中国地震局ChinaEarthquakeAdministration，CEA，即针对构造安康监测SHM技术，选择7项新架构的超构造体Megastructure做为测试平台。这些地标建筑物包含2020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WorldTradeCenter、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-stayedbridge，还有北京的地基隔震

2、Base-isolatedCEA资料中心。此工程的主要目的是利用计算机技术、与通讯系统来开发并实现包含最新技术的构造安康监测解决方案，实如今线构造监测，以保证建筑物的稳定性、可靠性与抗震性。位于加州的CGMEngineeringInc.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。演示说明，即使是一个回形针落在桌上产生的振动，也可以被准确的检测出来。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治理系统。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知足系统的变化要求，它的远程网络监测功能可以使得专家在不同

3、地点进展观察研究，加上其高性能及低单位本钱等上风使得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构造监控作业通过LabVIEW与CompactRIO，我们的系统可撷取建筑物的振动讯号，并侦测到构造特性所发生的任何突发转变。从自然的地质作用，到举行赛事时的冲动的观众，有过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，构造工程师也可以通过连续监控特征频率与阻尼比Dampingratio，记录加速计测量到的加速度与时间数据，以迟滞图Hysteresisdiagram来诊断整体构造的情形。举例来讲，假设地震造成了办公大楼关键构造处如

4、横梁或者圆柱的永久性损坏，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构造监控。由于大局部灾难的发生均在意料之外，因此如需针对灾难进展紧急治理并有效反响，就必须以实时信息为根底，理解建筑物在灾难发生期间与之后的反响情形。此外，由于构造平安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构造衰退的征兆，并让工程师对关键的构造平安记录进展比拟。以LabVIEW与CompactRIO开发构造安康监测SHM系统通过NI平台，我们开发出2款不同的定制化系统，以知足CEA的SHM系统需求。鸟巢采用了9套64通道的CompactRIO系统，水立方那么是2套36

5、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巩固的NEMA4机箱中，各个机箱再以客户端-效劳器的构架与主效劳器连接后分布在各构造关键点进展监测与预警。系统可在温度范围在-40to+70C的恶劣环境下正常工作。系统的主要任务在于测量构造振动和加速度，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，进而更好地理解和描绘整个建筑构造所受的影响。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，因此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NILab

6、VIEWFPGA模块，多个机箱间使用GPS所提供的准确时钟来完成远程同步，LabVIEW实时模块那么提供了可配置的滤波功能以消除噪声，进而防止对系统进展低频测量造成干扰。使用GPS卫星的准确时钟，我们的建筑监测方案不受间隔限制，而且可以到达+/-10微秒内的同步精度，符合系统的同步需求。CompactRIO系统将收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治理才能将数据通过以太网发送到主效劳器，以进展进一步的分析。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安康状况。当事件发生时，系统也可以电子邮件通知离线的用

7、户。NI软硬件架构的系统上风CEA之所以选择以LabVIEW为架构的解决方案有多个原因。其中高准确度的实时GPS同步数据收集功能，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本钱到达最高通道数。利用CompactRIO与模块化的NIC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同步化功能扩大更高的信道数。此外，该系统还具有配置简单、可迅速重设与多种I/O选项等上风，可随时应系统需要而进展变更。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

8、，也同时包含GPS同步功能。我们使用LabVIEW与CompactRIO做为系统平台，以极高的本钱效益到达绝佳的准确度与灵敏性，实现了嵌入式监控系统。通过此解决方案，我们所提供的系统准确度可达CEA初始系统的10倍，且所需的本钱更低。中国大陆建筑物平安监控的将来趋势两座标志性建筑在2020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2021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。比方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，引入最新技术碰到了较高的门槛。而在中国，新的楼宇建筑可以利用革新的监控科技，在设计构建的经过中考虑到安康监控功能，最终确保人员与建筑物的平安性。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，合作或者合资关系。