利用NI LabVIEW与CompactRIO平台，助力奥运场馆结构健康监测

作者：NI 中国市场部经理 朱君
通过NI LabVIEW软件和CompactRIO硬件平台进行系统的设计、原型、发布，CGM公司在不到一年的时间里就完成了两套系统的开发以满足中国政府对奥运鸟巢和水立方的建筑监测管理的特定需求。

正文

近年来，中国在多方面飞速发展：人民生活质量提高，嫦娥奔月，中国制造的产品遍及全世界。毫无疑问，中国已经是国际舞台上最受瞩目的超级大国之一。2001年，北京被定为2008年奥林匹克运动会的主办城市，这个决定实现了无数中国人的梦想； 而这无疑也成为在成千上万国外游客面前展示中国技术进步的契机。其中，以创新方式构建奥运会场馆设施是一大表现方式。

北京国家体育场作为2008年北京奥运会的主体育场，可容纳8万名观众。整个体育场结构部件相互支撑，形成网络状构架，外观酷似树枝织成的鸟巢，“鸟巢”体育场故因此得名 。而另一奥运水上比赛项目举办地——中国国家水上运动中心，其设计理念源于自然状态下肥皂泡沫的形状，称为“水立方”。它独特的设计结构使其具有诸多环保特性，比如泳池和馆内均由太阳能供热，馆内反冲洗水经过过滤可重新作为泳池用水，等等。这两座标志性建筑在8月奥运期间成为世界瞩目的焦点。由于两个场馆体积巨大，如何监测它们的建筑安全、以及确保运动员和观众的安全也成为了中国政府的一大重视。与其它新近建造的大型建筑一样，中国地震局需要选择尖端的建筑健康监测系统在场馆内监测。该系统必须监测任何可能影响建筑物的波动——从自然地质的震动到在场观众造成的震动，以确保安全。举例来说，当比赛进入高潮时，观众会情不自禁地挥手示意，甚至跳动或以某种节奏摇晃身体来表示对运动员的支持。如果这些运动节奏正好处于建筑结构的谐振频率，建筑物会产生共振，带来安全隐患，所以对场内状况进行监测，确保这些震动处于安全范围之内就显得尤为必要。经过仔细评估，CGM工程公司（美国国家仪器有限公司合作伙伴之一）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，同时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。

通过NI LabVIEW软件和CompactRIO硬件平台进行系统的设计、原型、发布，CGM在不到一年的时间里就完成了两套系统的开发以满足中国政府的特定需求。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，SeismoCast采用了全球定位系统(GPS)来构建同步解决方案。使用GPS卫星的精确时钟，SeismoCast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。

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。

实现创新的策略很明显：1）选择一个模块化平台可以综合使用多种商用现成技术（COTS）；商用现成技术的快速发展确保了性能的持续增长，模块化架构则提供了更大的灵活性，方便工程师选择最合适的配置。2）采取软件为中心的系统构架，将控制权从系统供应商转到工程师自己的手里， 工程师可以通过加入自己的知识产权（IP）来突出产品优势和满足特殊需求。以软件为中心的方式结合模块化架构提供了很好的灵活性，可以在尽可能保持硬件层不变的情况下，增加其他附加功能。这也是NI的一贯宗旨，提供以软件为中心的模块化平台让工程师和科学家构建创新应用，并改善人们的日常生活。

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