2008年北京奧運使用NI LabVIEW與CompactRIO監控建

在地震、颶風，或火災的生命財產損失中，因為建筑物倒塌所造成的傷亡最為嚴重。因此，全世界的工程師均在不斷嘗試并檢驗建筑物模型，變更結構設計，以期降低此類事件所造成的悲劇。

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) 做為測試平臺。這些地標建筑物包含 2008 年北京奧運的國家體育館（鳥巢）、國家游泳中心(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、傳感器與通訊系統來開發并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，以保證建筑物的穩定性、可靠性與抗震性。

位于加州的 CGM Engineering Inc. 公司屬于 NI 聯盟伙伴之一，通過現場遠程系統的演示，贏得此解決方案的國際競標。演示表明，即使是一個回形針落在桌上產生的振動，也能夠被精確的檢測出來。經過仔細評估，我們的SeismoCast建筑監測方案被甄選為上述建筑物的監測管理系統。此方案提供簡單即用的安裝、多種I/O選擇，工程師可快速簡便地重新配置系統以滿足系統的變化要求，它的遠程網絡監測功能可以使得專家在不同地點進行觀察研究，加上其高性能及低單位成本等優勢使得SeismoCast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筑物結構監控作業

通過 LabVIEW 與 CompactRIO，我們的系統可擷取建筑物的振動訊號，并偵測到結構特性所發生的任何突發轉變。從自然的地質作用，到舉行賽事時的激動的觀眾，有太多類型的刺激可能造成建筑物振動。如同心臟科醫師透過脈搏與血壓診斷病患的心臟疾病一樣，結構工程師也可以通過連續監控特征頻率與阻尼比 (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。

系統的兩項主要需求為連續與實時的結構監控。由于大部分災難的發生均在意料之外，因此如需針對災難進行緊急管理并有效反應，就必須以實時信息為基礎，了解建筑物在災難發生期間與之后的反應情形。此外，由于結構安全性能會隨著時間而逐漸下降，因此必須通過持續監控以盡早發現結構衰退的征兆，并讓工程師對關鍵的結構安全記錄進行比較。

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

通過 NI 平臺，我們開發出 2 款不同的定制化系統，以滿足 CEA 的 SHM 系統需求。

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

系統的主要任務在于測量結構振動和加速度，因此保證各通道之間的同步是非常重要的，這使得研究人員可以同步監測多個位置的振動，從而更好地理解和描述整個建筑結構所受的影響。傳統基于線纜的同步方法限制每個系統間最多相隔100米，考慮到鳥巢和水立方的場地規模，至少需要分布上百套這樣的系統，因而基于線纜的方案并不適用于這種場地。為此，我們采用了全球定位系統(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所提供的精確時鐘來完成遠程同步，LabVIEW實時模塊則提供了可配置的濾波功能以消除噪聲，從而避免對系統進行低頻測量造成干擾。