The Challenge:

　　創(chuàng )建易用的軟件及硬件方案，控制面向公眾的大型地震仿真器。

　　The Solution:

　　使用NI LabVIEW軟件及數據采集硬件創(chuàng )建程序，控制仿真器運動(dòng)，并生成仿真地震特征，為用戶(hù)制造出真實(shí)的地震體驗。

　　"由于使用了LabVIEW，我們在軟件開(kāi)發(fā)上的成本比預期節省了近50%。"

　　在世界各地的科技主題公園及博物館中，常會(huì )采用地震仿真器來(lái)對公眾普及地震災難教育。Anco Engineers公司提供用于材料、設備、及結構的震動(dòng)測試系統及相關(guān)服務(wù)，是全球范圍內具有豐富經(jīng)驗的地震振動(dòng)臺開(kāi)發(fā)商之一。我們?yōu)楦鞣N教學(xué)性地震振動(dòng)臺開(kāi)發(fā)的多媒體軟件具有很高的逼真性及易用性。

　　在項目中我們遇到了兩大挑戰，我們希望設計易用且低成本的軟硬件方案 ，并具有多媒體功能。程序還要有直觀(guān)的用戶(hù)界面，以及多語(yǔ)言的版本。應用要求提供簡(jiǎn)單的工具生成指定光譜能量信號的模擬地震，以滿(mǎn)足各種條件，如震區建筑條例規定的光譜響應。我們需要完成所有條件下的程序開(kāi)發(fā)，使博物館操作人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓便可輕松控制這些相對復雜的系統。

    過(guò)去存在的局限

　　驅動(dòng)多軸的大沖撞振動(dòng)臺已經(jīng)是很完善的技術(shù)了。近年來(lái)，硬件與快速計算機處理器、數據采集板的集成也變得越來(lái)越方便。然而，早期版本的驅動(dòng)軟件只能在實(shí)驗室環(huán)境下傳輸相關(guān)未處理的地震數據至驅動(dòng)器，不具備復雜信號處理能力及多媒體功能。另外，由于舊版本不包括用于生成理論震動(dòng)的統一程序，所以用戶(hù)無(wú)法仿真指定光譜能量的地震場(chǎng)景。過(guò)去的地震場(chǎng)景仿真中也不能設定建筑高度（共振）、土壤成分、及單個(gè)振動(dòng)波類(lèi)型等。

    多媒體集成及信號處理

　　考慮到LabVIEW具有與NI硬件的無(wú)縫集成性、并行編程構架性能、以及豐富的數學(xué)及信號處理函數，我們決定選用它作為開(kāi)發(fā)及部署工具。我們編寫(xiě)了一個(gè)程序，有效地處理多種包含加速度時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)圖的大型地震信號文件，這些信號文件包含真實(shí)和仿真的地震數據。通過(guò)使用16位雙通道NI PCI-6221 M系列模擬電壓輸出板卡及多種數字線(xiàn)路輸出，程序能夠控制2臺重型大沖擊位移驅動(dòng)器，監測所有聯(lián)動(dòng)裝置及安全特性，同時(shí)還能通過(guò)雙通道VGA輸出一系列自定義音頻及視頻文件。這些視頻將在模擬地震過(guò)程中放映在大屏幕上。為了增強地震的真實(shí)體驗，所選用的PCI-6221板卡具有多數字通道，可同時(shí)控制閃光燈、煙霧器、及聲效等，并設定其間隔及持續時(shí)間。

　　為了降低對操作人員的培訓強度，我們必須開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)單易用的圖形化用戶(hù)界面（GUI）。在超過(guò)50種真實(shí)或仿真的地震場(chǎng)景庫中，只需選擇指定子菜單，通過(guò)簡(jiǎn)單拖曳即可在數分鐘內創(chuàng )建出一系列地震場(chǎng)景。這些地震設定可以成批鏈接，并順序執行數秒甚至數分鐘。

　　每次地震都有一定的信號特征，其能量分布由強度（里氏震級）、地震波頻率、及振幅確定。振動(dòng)中波形的傳播取決于不同的土壤類(lèi)型，并與各種結構類(lèi)型的建筑產(chǎn)生相互作用。民用工程師必須對這些相互作用建模，生成建筑的反應頻譜（RRS），以此來(lái)預測建筑在地震中的狀態(tài)。

　　Anco Engineers公司使用LabVIEW內置的頻譜及頻率分析工具，基于特定的RRS曲線(xiàn)計算瞬時(shí)的任意波形。該自動(dòng)重復過(guò)程能根據RRS輸入，在數秒內產(chǎn)生符合要求的能量及頻率分布數據，并與IEEE 344多軸固定/獨立測試相一致。

    克服頻率相關(guān)振幅

　　對于推動(dòng)大質(zhì)量的動(dòng)態(tài)大型沖擊驅動(dòng)器，如何在規定頻率范圍內保持恒定振幅是一個(gè)普遍存在的限制因素。因此，需要對驅動(dòng)信號在高頻下的振幅衰減作一定補償。我們對此種情況作了預防，使驅動(dòng)軟件能在必要時(shí)通過(guò)系統專(zhuān)用傳輸函數動(dòng)態(tài)生成修正量。此外，我們采用LabVIEW的信號處理及濾波函數極大簡(jiǎn)化了編程，節省了編程開(kāi)發(fā)成本，從而可將精力集中于公眾振動(dòng)臺的開(kāi)發(fā)。

    使用LabVIEW及NI硬件節省成本

　　由于使用了LabVIEW，我們在軟件開(kāi)發(fā)上的成本比預期節省了近50%。LabVIEW的靈活性，如濾波選項、光譜函數、與NI硬件的無(wú)縫連接，以及適用于復雜數據集的數學(xué)函數，確保了軟件開(kāi)發(fā)的成功。此外，理論地震生成程序極大縮短了數據生成時(shí)間，過(guò)去生成指定RRS的地震需要大約20分鐘，而現在僅需5到10秒。程序員無(wú)需太多培訓及故障檢測經(jīng)驗即可通過(guò)LabVIEW創(chuàng )建直觀(guān)、易用的GUI。

    計算機及操作系統

    我們使用的標準雙核PC具有1 GB RAM、雙VGA輸出，操作系統為Windows XP SP2，并安裝LabVIEW 8.2及8.5 運行時(shí)引擎。程序套件由Windows版LabVIEW專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)系統編寫(xiě)。我們還采用了PCI-6221板卡與NI BNC-2110連結盒連接。

    現有系統的安裝

    現有的公眾教學(xué)振動(dòng)臺被安裝于法國、印度及美國等地的博物館及科技主題公園中。有些博物館將振動(dòng)臺安置于地震型 “災難區”演示，并伴有人造的混凝土廢墟、煙霧及其它視覺(jué)效果，以此來(lái)強調地震研究及加強建筑條例的重要性。振動(dòng)臺的平均大小約為4 m高（約合13ft），可在多個(gè)平臺上承載6至9人。