米蘭的圣西羅體育場(chǎng)（又名梅亞查）作為大型體育場(chǎng)，一直面臨著一些建筑結(jié)構(gòu)上問(wèn)題，比如人們使用建筑物內(nèi)部設(shè)施帶來(lái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力（舉辦音樂(lè)會(huì)時(shí)樂(lè)曲、歌曲帶來(lái)的振動(dòng)）。米蘭市政府請(qǐng)米蘭理工大學(xué)（是意大利最大也最負(fù)盛名理工科大學(xué)）對(duì)梅亞查體育場(chǎng)進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)一個(gè)新型的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠測(cè)量振動(dòng)、金屬部件腐蝕和其他物理參數(shù)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)必須堅(jiān)固耐用、適用于體育場(chǎng)環(huán)境，可以克服高溫、強(qiáng)振以及復(fù)雜的電磁環(huán)境等不利因素。
圖1. 梅亞查體育場(chǎng)
米蘭梅亞查體育場(chǎng)興建于1925 年，與50 年代和80 年代擴(kuò)建了中圈和外圈看臺(tái)，可容納八萬(wàn)名觀眾。最初體育場(chǎng)用于足球比賽，從80年代后期開始，體育場(chǎng)也舉辦非體育活動(dòng)，比如音樂(lè)會(huì)、演唱會(huì)等。在足球比賽和音樂(lè)會(huì)期間，人們會(huì)感覺(jué)到體育場(chǎng)有強(qiáng)烈振動(dòng)。這是由于成千上萬(wàn)的人隨著音樂(lè)的旋律跳躍和舞動(dòng)引起的。為了應(yīng)對(duì)這樣的問(wèn)題，米蘭理工使用結(jié)構(gòu)評(píng)估、模態(tài)分析、動(dòng)/ 靜態(tài)測(cè)量和腐蝕測(cè)評(píng)等方法研究了體育場(chǎng)的狀態(tài)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析表明，有必要為進(jìn)行振動(dòng)、應(yīng)力、溫度和其他物理量的定量分析搭建一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，以評(píng)估長(zhǎng)時(shí)間下體育場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特性、變化趨勢(shì)，并預(yù)報(bào)危險(xiǎn)情況。
體育場(chǎng)舉辦音樂(lè)活動(dòng)時(shí)，觀眾隨著旋律搖擺、舞動(dòng)或者跳躍，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)。振動(dòng)幅度隨著這種由觀眾引起的、交替性的外力而變化。振動(dòng)的強(qiáng)度不僅于觀眾人有關(guān)，如果歌曲的節(jié)奏（引起的觀眾的運(yùn)動(dòng)）與結(jié)構(gòu)的固有頻率匹配時(shí)，振動(dòng)會(huì)明顯加強(qiáng)。因此，需要測(cè)量這種情況下的振動(dòng)，在達(dá)到引起破壞的量級(jí)之前采取控制措施。
監(jiān)控系統(tǒng)必須連續(xù)測(cè)量0～50Hz振動(dòng)范圍內(nèi)相關(guān)的物理量，進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸。米蘭理工大學(xué)的力學(xué)和熱學(xué)測(cè)量組曾經(jīng)為很多建筑搭建過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在這一領(lǐng)域享有盛譽(yù)。對(duì)于梅亞查體育場(chǎng)的應(yīng)用，他們基于CompactRIO 平臺(tái)搭建一個(gè)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平的系統(tǒng)，并利用LabVIEW圖形化編程環(huán)境開發(fā)了功能強(qiáng)大的軟件程序。
傳感器的功能是量化各種物理量，從傳感器的角度來(lái)看，為了盡可能保證采集精度，采集模塊和傳感器之間的連線需要盡可能的縮短。從網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，布線越長(zhǎng)越好，這樣采集模塊可以集中而變少。因此這兩者之間有一個(gè)妥協(xié)。因?yàn)闇y(cè)量中大量使用了加速度計(jì)，所以使用ICP標(biāo)準(zhǔn)的加速度計(jì)可在兩者之間找到比較好的平衡。
PC 安放在一個(gè)受保護(hù)的環(huán)境中，作為系統(tǒng)的主控端。在通常的操作條件下，他主要是收集和分析各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)。在搭建過(guò)程中，它還可以在配置節(jié)點(diǎn)和校準(zhǔn)傳感器時(shí)作為人機(jī)界面。PC 還可以作為Internet 網(wǎng)上遠(yuǎn)程訪問(wèn)本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)。這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是如何經(jīng)濟(jì)有效的放置分布式的數(shù)
據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。最終目的就是在上萬(wàn)部手機(jī)、成百電視信號(hào)收發(fā)天線和無(wú)數(shù)的電力傳輸?shù)沫h(huán)境下，減少傳感器連線，改善采集效果。
圖2. 監(jiān)控系統(tǒng)的主控室
使用CompactRIO，系統(tǒng)有了可靠的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，并且把數(shù)據(jù)有效的存儲(chǔ)在本地。通常主控PC 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)這些節(jié)點(diǎn)，并且控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回傳。如果主控PC 不能正常工作，每一個(gè)CompactRIO 節(jié)點(diǎn)仍然可以采集數(shù)據(jù)，并獨(dú)立保存數(shù)天的數(shù)據(jù)。CompactRIO 提供了強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)功能，小巧的體積，并能承受高濕度等不利環(huán)境因素。目前整個(gè)體育場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)使用了14 套CompactRIO 硬件設(shè)備。
此外，很重要的是它還具有很好的擴(kuò)展、升級(jí)的性能。一個(gè)大規(guī)模的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)和信號(hào)接入類型非常重要。尤其對(duì)于動(dòng)態(tài)信號(hào)采集，CompactRIO 平臺(tái)還提供了數(shù)字和模擬的濾波器。
圖3. 振動(dòng)信號(hào)分析界面
LabVIEW 是一種方便快捷的開發(fā)語(yǔ)言，力學(xué)組的研究人員一部分工作必須深入結(jié)合采集系統(tǒng)。使用LabVIEW，不需要無(wú)需高級(jí)軟件技巧，即可在任何時(shí)刻做對(duì)系統(tǒng)任意的修改。系統(tǒng)的管理軟件提供了非常靈活、便捷界面，從底層配置到常規(guī)控制。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。最后，作者致謝米蘭市政府、國(guó)際和米蘭足球協(xié)會(huì)的支持。
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Giovanni Moschioni
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