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 年代擴建了中圈和外圈看臺，可容納八萬(wàn)名觀(guān)眾。最初體育場(chǎng)用于足球比賽，從80年代后期開(kāi)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)有強烈振動(dòng)。這是由于成千上萬(wàn)的人隨著(zhù)音樂(lè )的旋律跳躍和舞動(dòng)引起的。為了應對這樣的問(wèn)題，米蘭理工使用結構評估、模態(tài)分析、動(dòng)/ 靜態(tài)測量和腐蝕測評等方法研究了體育場(chǎng)的狀態(tài)。通過(guò)大量的實(shí)驗和數據分析表明，有必要為進(jìn)行振動(dòng)、應力、溫度和其他物理量的定量分析搭建一個(gè)實(shí)時(shí)監控系統，以評估長(cháng)時(shí)間下體育場(chǎng)的結構特性、變化趨勢，并預報危險情況。

　　體育場(chǎng)舉辦音樂(lè )活動(dòng)時(shí)，觀(guān)眾隨著(zhù)旋律搖擺、舞動(dòng)或者跳躍，引起結構振動(dòng)。振動(dòng)幅度隨著(zhù)這種由觀(guān)眾引起的、交替性的外力而變化。振動(dòng)的強度不僅于觀(guān)眾人有關(guān)，如果歌曲的節奏（引起的觀(guān)眾的運動(dòng)）與結構的固有頻率匹配時(shí)，振動(dòng)會(huì )明顯加強。因此，需要測量這種情況下的振動(dòng)，在達到引起破壞的量級之前采取控制措施。

　　監控系統必須連續測量0～50Hz振動(dòng)范圍內相關(guān)的物理量，進(jìn)行可靠的數據采集、存儲和傳輸。米蘭理工大學(xué)的力學(xué)和熱學(xué)測量組曾經(jīng)為很多建筑搭建過(guò)實(shí)時(shí)監控系統，在這一領(lǐng)域享有盛譽(yù)。對于梅亞查體育場(chǎng)的應用，他們基于CompactRIO 平臺搭建一個(gè)業(yè)內領(lǐng)先水平的系統，并利用LabVIEW圖形化編程環(huán)境開(kāi)發(fā)了功能強大的軟件程序。

　　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(xiàn)需要盡可能的縮短。從網(wǎng)絡(luò )的角度來(lái)看，布線(xiàn)越長(cháng)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)。因為測量中大量使用了加速度計，所以使用ICP標準的加速度計可在兩者之間找到比較好的平衡。

　　PC 安放在一個(gè)受保護的環(huán)境中，作為系統的主控端。在通常的操作條件下，他主要是收集和分析各個(gè)采集節點(diǎn)上的數據。在搭建過(guò)程中，它還可以在配置節點(diǎn)和校準傳感器時(shí)作為人機界面。PC 還可以作為Internet 網(wǎng)上遠程訪(fǎng)問(wèn)本系統的網(wǎng)關(guān)。這個(gè)測試系統的關(guān)鍵部分是如何經(jīng)濟有效的放置分布式的數

　　據采集節點(diǎn)。最終目的就是在上萬(wàn)部手機、成百電視信號收發(fā)天線(xiàn)和無(wú)數的電力傳輸的環(huán)境下，減少傳感器連線(xiàn)，改善采集效果。

圖2. 監控系統的主控室

　　使用CompactRIO，系統有了可靠的數據采集節點(diǎn)，并且把數據有效的存儲在本地。通常主控PC 負責協(xié)調這些節點(diǎn)，并且控制數據存儲和回傳。如果主控PC 不能正常工作，每一個(gè)CompactRIO 節點(diǎn)仍然可以采集數據，并獨立保存數天的數據。CompactRIO 提供了強大的計算和存儲功能，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)的監控系統使用了14 套CompactRIO 硬件設備。

　　此外，很重要的是它還具有很好的擴展、升級的性能。一個(gè)大規模的系統節點(diǎn)數和信號接入類(lèi)型非常重要。尤其對于動(dòng)態(tài)信號采集，CompactRIO 平臺還提供了數字和模擬的濾波器。

圖3. 振動(dòng)信號分析界面

　　LabVIEW 是一種方便快捷的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，力學(xué)組的研究人員一部分工作必須深入結合采集系統。使用LabVIEW，不需要無(wú)需高級軟件技巧，即可在任何時(shí)刻做對系統任意的修改。系統的管理軟件提供了非常靈活、便捷界面，從底層配置到常規控制。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間運行，證明系統穩定可靠。最后，作者致謝米蘭市政府、國際和米蘭足球協(xié)會(huì )的支持。