挑戰(zhàn)：

　　針對中國大陸大型建筑物的穩(wěn)定性、可靠性，與使用壽命，執(zhí)行進行多項建筑物結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測監(jiān)控 （Structural health monitoring,SHM）；其中包含 2008 北京奧運所使用的新建筑物。

　　解決方案：

　　使用 NI LabVIEW 圖形化編程程式設(shè)計環(huán)境，與 NI CompactRIO 硬件硬體平臺，以設(shè)計高度的 SHM 系統(tǒng)，并通過透過時脈架構(gòu)的 GPS實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集與分析 同步化作業(yè)，在建筑物的關(guān)鍵部分實施在線以監(jiān)控建筑物的關(guān)鍵接點。

　　"使用 NI LabVIEW 圖形化編程程式設(shè)計環(huán)境，與 NI CompactRIO 硬件硬體平臺，以設(shè)計高度的 SHM 系統(tǒng)，并通過透過時脈架構(gòu)的 GPS實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集與分析 同步化作業(yè)，在建筑物的關(guān)鍵部分實施在線以監(jiān)控建筑物的關(guān)鍵接點。 "

　　在地震、颶風(fēng)，或火災(zāi)的生命財產(chǎn)損失中，因為建筑物倒塌所造成的傷亡為嚴重。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(jié)構(gòu)設(shè)計，以期降低此類事件所造成的悲劇。

　　在2004年，負責(zé)全中國防震與防災(zāi)的機構(gòu)：中國地震局 ,即針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 技術(shù)，選擇 7 項新架構(gòu)的超結(jié)構(gòu)體  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、國家游泳中心（水立方）、104 層的上海世界貿(mào)易中心、66 層樓高的北京凱悅酒店、四川省二灘 高達 240 公尺的混凝土拱壩、廣東省汕頭長達 8266 公尺的斜張橋，還有北京的地基隔震  CEA 資料中心。

　　此項目的主要目的是利用計算機技術(shù)、傳感器與通訊系統(tǒng)來開發(fā)并實現(xiàn)包含技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測解決方案，實現(xiàn)在線結(jié)構(gòu)監(jiān)測，以保證建筑物的穩(wěn)定性、可靠性與抗震性。

　　位于加州的 CGM Engineering Inc. 公司屬于 NI 聯(lián)盟伙伴之一，通過現(xiàn)場遠程系統(tǒng)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(chǎn)生的振動，也能夠被的檢測出來。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(tǒng)以滿足系統(tǒng)的變化要求，它的遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測功能可以使得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(yōu)勢使得SeismoCast終獲選成為鳥巢和水立方的守護者。

　　執(zhí)行實時且連續(xù)的建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控作業(yè)

　　LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

　　通過 LabVIEW 與 CompactRIO,我們的系統(tǒng)可擷取建筑物的振動訊號，并偵測到結(jié)構(gòu)特性所發(fā)生的任何突發(fā)轉(zhuǎn)變。如同心臟科醫(yī)師透過脈搏與血壓診斷病患的心臟疾病一樣，結(jié)構(gòu)工程師也可以通過連續(xù)監(jiān)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(shù)據(jù)，以遲滯圖 來診斷整體結(jié)構(gòu)的情形。舉例來說，若地震造成了辦公大樓關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處 （如橫梁或圓柱） 的性損壞，就有如特征頻率  染上慢性疾病一般。

　　系統(tǒng)的兩項主要需求為連續(xù)與實時的結(jié)構(gòu)監(jiān)控。由于大部分災(zāi)難的發(fā)生均在意料之外，因此如需針對災(zāi)難進行緊急管理并有效反應(yīng)，就必須以實時信息為基礎(chǔ)，了解建筑物在災(zāi)難發(fā)生期間與之后的反應(yīng)情形。此外，由于結(jié)構(gòu)安全性能會隨著時間而逐漸下降，因此必須通過持續(xù)監(jiān)控以盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)衰退的征兆，并讓工程師對關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)安全記錄進行比較。

　　以 LabVIEW 與 CompactRIO 開發(fā)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 （SHM） 系統(tǒng)

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。

　　通過 NI 平臺，我們開發(fā)出 2 款不同的定制化系統(tǒng)，以滿足 CEA 的 SHM 系統(tǒng)需求。

　　鳥巢采用了9套64通道的CompactRIO系統(tǒng)，水立方則是2套36通道的系統(tǒng)。每套系統(tǒng)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(wù)器的構(gòu)架與主服務(wù)器連接后分布在各結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點進行監(jiān)測與預(yù)警。系統(tǒng)可在溫度范圍在-40 to +70 °C 的惡劣環(huán)境下正常工作。

　　系統(tǒng)的主要任務(wù)在于測量結(jié)構(gòu)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(jiān)測多個位置的振動，從而更好地理解和描述整個建筑結(jié)構(gòu)所受的影響。我們采用了定位系統(tǒng)來構(gòu)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(tǒng)進行低頻測量造成干擾。

　　使用GPS衛(wèi)星的時鐘，我們的建筑監(jiān)測方案不受距離限制，而且能夠達到+/- 10微秒內(nèi)的同步，符合系統(tǒng)的同步需求。CompactRIO系統(tǒng)將采集得到的大量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果傳送到同機箱的嵌入式單板電腦并臨時儲存，借助LabVIEW對于分布在不同地點數(shù)據(jù)的管理能力將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到主服務(wù)器，以進行進一步的分析。系統(tǒng)允許研究人員通過客戶端軟件遠程連接并實時監(jiān)測建筑物的健康狀況。當(dāng)事件發(fā)生時，系統(tǒng)也可以電子郵件通知離線的用戶。

　　NI 軟硬件架構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)勢

　　LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

　　CEA之所以選擇以 LabVIEW 為架構(gòu)的解決方案有多個原因。其中高度的實時 GPS 同步數(shù)據(jù)采集功能，和遠程數(shù)據(jù)訪問與分析是其中主要的兩個原因。我們的系統(tǒng)也通過成本達到通道數(shù)。利用 CompactRIO 與模塊化的 NI C 系列 I/O 硬件為架構(gòu)，我們可達多 128 個通道，而 16 位系統(tǒng)的每通道平均 ＄500 美金；24 位系統(tǒng)的每信道平均 ＄800 美金，更可使用 GPS 同步化功能擴充更高的信道數(shù)。此外，該系統(tǒng)還具有配置簡單、可迅速重設(shè)與多種 I/O 選項等優(yōu)勢，可隨時應(yīng)系統(tǒng)需要而進行變更。

　　使用 NI 硬件與軟件，我們在一年之內(nèi)就完成從設(shè)計到原型制作，布署的高通道數(shù) SHM 系統(tǒng)，也同時包含 GPS 同步功能。我們使用 LabVIEW 與 CompactRIO 做為系統(tǒng)平臺，以極高的成本效益達到的度與靈活性，實現(xiàn)了嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。通過此解決方案，我們所提供的系統(tǒng)度可達 CEA 初始系統(tǒng)的 10 倍，且所需的成本更低。

　　中國大陸建筑物安全監(jiān)控的未來趨勢

　　兩座標志性建筑在2009年8月的奧運期間成為世界矚目的焦點。誠然，只有在世界市場中不斷提升競爭力，中國才能脫穎而出。值得指出的是，可以直接采用的科技。比如前文所講的建筑物監(jiān)測，在諸如美國等西方國家中，先進的監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)誕生之前就已高樓林立，引入技術(shù)遇到了較高的門檻。而在中國，新的樓宇建筑可以利用革新的監(jiān)控科技，在設(shè)計構(gòu)建的過程中考慮到健康監(jiān)控功能，終確保人員與建筑物的安全性。