Chris McDonald，CGM Engineering, Inc.
对中国多个大型建筑物（包括北京新奥运会场馆）进行结构健康监测(SHM)来确定建筑物的稳定性、可靠性和宜居性。
使用NI LabVIEW图形化编程环境和NI CompactRIO硬件平台设计出一个具有基于时间的GPS同步功能的高精度SHM系统，用于监测关键点的结构。
地震、飓风、火灾或炸弹爆炸等灾难性事件中的生命和财产损失主要是由于结构损坏或倒塌造成的。因此，世界各地的工程师都在不断尝试验证结构模型并迭代结构设计，以减少由此类事件引起的悲剧。
2004年，管理国家地震防备和减灾的政府机构中国地震局(CEA)选择了七座新建的巨型结构作为结构健康监测(SHM)技术的测试台。这些标志性建筑包括北京2008年夏季奥运会场馆（包括北京国家体育场和北京国家游泳中心）、上海104层的世贸中心、北京66层的柏悦酒店综合建筑群、240米的二滩混凝土拱坝、8266米的汕头斜拉桥以及北京的地基隔震CEA数据中心。
这个重大土木工程项目的主要目标是开发先进的解决方案，通过使用现代计算、传感器和通信技术实时监测结构健康特征，包括稳定性、可靠性和宜居性。
总部位于加利福尼亚的CGM Engineering Inc.通过远程演示赢得了为该项目开发解决方案的国际竞标。在这次演示中，中国官员观察了实时客户端应用程序检测到回形针掉落到桌子上产生的振动。随后，我们使用CompactRIO嵌入式控制器设计了九个64通道和两个36通道嵌入式监控系统，这些控制器使用远程网络监控和配置，供CEA部署。
我们的系统基于LabVIEW和CompactRIO设计，旨在捕捉结构的振动特征并检测结构特点是否有任何突然的变化。检测到的振动可能是由各种刺激引起的，此类刺激包括自然岩土波和活动现场的观众等。就像心脏病专家通过测量脉搏和血压来诊断人类心脏病一样，结构工程师通过持续监测加速度计测量的加速度时间历史得出的固有频率、阻尼比和滞后图来确定结构性能。例如，如果高层办公楼的主要结构构件（例如梁或柱）因地震而发生永久形变，则其固有频率（刚度与质量的函数）可能会降低。
该系统的两个关键要求是持续和实时的结构监测。由于大多数灾难是突发的且不可预测的，因此在不利事件期间和之后立即实时了解结构的情况是应急管理和对突发灾难的有效反应的基础。此外，由于结构的健康状况会随着时间的推移而逐渐下降，因此通过持续监测和捕捉健康衰退的早期症状，工程师可以将关键健康指标与之前记录的水平进行比较。
借助NI平台，我们开发了两种不同的定制系统来满足CEA的SHM要求。由封装在坚固耐用的NEMA外壳（该外壳允许系统在高湿度环境和-40至+70°C的温度范围内运行）中的客户端服务器架构提供九个64通道系统和两个36通道系统，并将关键点部署在中国境内六个选定地点。
九个64通道单元各包含三个CompactRIO系统，而两个36通道设备各包含两个。每台设备还包含用于振动测量的多个加速度计以及用于实时同步的GPS接收器。我们使用LabVIEW FPGA模块和GPS规范时钟在±10 µs内实现实时机箱内同步。在GPS信号不可用的区域，工程师可以使用计算机时钟同步系统。此外，我们使用LabVIEW Real-Time模块进行用户可配置的滤波，以提高系统进行低频测量的精度，并防止不必要的噪声。
所采集的数据存储在每个系统内的嵌入式单板计算机(SBC)上。通过使用系统软件架构中的LabVIEW共享变量引擎，多个用户可以通过互联网从嵌入式SBC远程实时访问和分析记录的数据。此外，我们可以使用单变量或多变量架构配置系统，以便在事件发生时通过电子邮件通知离线用户。
CEA在众多竞争方案中选择了我们基于LabVIEW的解决方案，主要出于以下几点原因。两个关键因素是高精度的实时GPS同步能力和从全球任何位置远程访问数据的能力。我们的系统还以超低的成本提供了非常高的通道数。我们的系统基于CompactRIO和模块化的NI C系列I/O硬件进行设计，可以实现高达128个的通道数，16位系统的平均每通道成本约为500美元，24位系统的平均每通道成本约为800美元（不包括传感器），并可使用GPS同步扩展到更高的通道数。此外，我们的系统提供简单的开箱即用设置，并提供各种现成的I/O选项，可以快速轻松地重新配置以满足不断变化的系统要求。
借助NI的硬件和软件，我们在不到一年的时间里完成了设计、原型化和部署，打造了一个具有GPS同步功能的高通道数SHM系统。通过将LabVIEW和CompactRIO用作计算平台，我们部署了一个嵌入式监测系统，该系统具有卓越的精度、价格优势与灵活性。通过这种组合，我们以超低的单系统平均成本为CEA提供了一个精度比最初设想高于10倍的系统。
根据世界银行的数据，到2015年，全球一半的新建筑建设将在中国进行。位于美国等国家的大多数大型建筑物都是在先进监测系统开发之前建造的，因此，现在把握机会监测这些建筑物并进行研究，最终将有助于提高未来建筑物的安全性并减少灾难性事件带来的人身伤亡。
Chris McDonald
CGM Engineering, Inc.
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