使用NI LabVIEW操控大型地震仿真器

Author(s):
Michael Schulze - Anco Engineers
Paul Ibanez - Anco Engineers

Industry:
Machines/Mechanics

Products:
LabVIEW, PCI-6221

The Challenge:
创建易用的软件及硬件方案，控制面向公众的大型地震仿真器。

The Solution:
使用NI LabVIEW软件及数据采集硬件创建程序，控制仿真器运动，并生成仿真地震特征，为用户制造出真实的地震体验。

在世界各地的科技主题公园及博物馆中，常会采用地震仿真器来对公众普及地震灾难教育。Anco Engineers公司提供用于材料、设备、及结构的震动测试系统及相关服务，是全球范围内具有丰富经验的地震振动台开发商之一。我们为各种教学性地震振动台开发的多媒体软件具有很高的逼真性及易用性。

在项目中我们遇到了两大挑战，我们希望设计易用且低成本的软硬件方案 ，并具有多媒体功能。程序还要有直观的用户界面，以及多语言的版本。应用要求提供简单的工具生成指定光谱能量信号的模拟地震，以满足各种条件，如震区建筑条例规定的光谱响应。我们需要完成所有条件下的程序开发，使博物馆操作人员经过简单培训便可轻松控制这些相对复杂的系统。

过去存在的局限

驱动多轴的大冲撞振动台已经是很完善的技术了。近年来，硬件与快速计算机处理器、数据采集板的集成也变得越来越方便。然而，早期版本的驱动软件只能在实验室环境下传输相关未处理的地震数据至驱动器，不具备复杂信号处理能力及多媒体功能。另外，由于旧版本不包括用于生成理论震动的统一程序，所以用户无法仿真指定光谱能量的地震场景。过去的地震场景仿真中也不能设定建筑高度（共振）、土壤成分、及单个振动波类型等。

多媒体集成及信号处理

考虑到LabVIEW具有与NI硬件的无缝集成性、并行编程构架性能、以及丰富的数学及信号处理函数，我们决定选用它作为开发及部署工具。我们编写了一个程序，有效地处理多种包含加速度时间关系曲线图的大型地震信号文件，这些信号文件包含真实和仿真的地震数据。通过使用16位双通道NI PCI-6221 M系列模拟电压输出板卡及多种数字线路输出，程序能够控制2台重型大冲击位移驱动器，监测所有联动装置及安全特性，同时还能通过双通道VGA输出一系列自定义音频及视频文件。这些视频将在模拟地震过程中放映在大屏幕上。为了增强地震的真实体验，所选用的PCI-6221板卡具有多数字通道，可同时控制闪光灯、烟雾器、及声效等，并设定其间隔及持续时间。

为了降低对操作人员的培训强度，我们必须开发出简单易用的图形化用户界面(GUI)。在超过50种真实或仿真的地震场景库中，只需选择指定子菜单，通过简单拖曳即可在数分钟内创建出一系列地震场景。这些地震设定可以成批链接，并顺序执行数秒甚至数分钟。

每次地震都有一定的信号特征，其能量分布由强度（里氏震级）、地震波频率、及振幅确定。振动中波形的传播取决于不同的土壤类型，并与各种结构类型的建筑产生相互作用。民用工程师必须对这些相互作用建模，生成建筑的反应频谱(RRS)，以此来预测建筑在地震中的状态。

Anco Engineers公司使用LabVIEW内置的频谱及频率分析工具，基于特定的RRS曲线计算瞬时的任意波形。该自动重复过程能根据RRS输入，在数秒内产生符合要求的能量及频率分布数据，并与IEEE 344多轴固定/独立测试相一致。

克服频率相关振幅

对于推动大质量的动态大型冲击驱动器，如何在规定频率范围内保持恒定振幅是一个普遍存在的限制因素。因此，需要对驱动信号在高频下的振幅衰减作一定补偿。我们对此种情况作了预防，使驱动软件能在必要时通过系统专用传输函数动态生成修正量。此外，我们采用LabVIEW的信号处理及滤波函数极大简化了编程，节省了编程开发成本，从而可将精力集中于公众振动台的开发。

使用LabVIEW及NI硬件节省成本

由于使用了LabVIEW，我们在软件开发上的成本比预期节省了近50%。LabVIEW的灵活性，如滤波选项、光谱函数、与NI硬件的无缝连接，以及适用于复杂数据集的数学函数，确保了软件开发的成功。此外，理论地震生成程序极大缩短了数据生成时间，过去生成指定RRS的地震需要大约20分钟，而现在仅需5到10秒。程序员无需太多培训及故障检测经验即可通过LabVIEW创建直观、易用的GUI。

计算机及操作系统

我们使用的标准双核PC具有1 GB RAM、双VGA输出，操作系统为Windows XP SP2，并安装LabVIEW 8.2及8.5 运行时引擎。程序套件由Windows版LabVIEW专业开发系统编写。我们还采用了PCI-6221板卡与NI BNC-2110连结盒连接。

现有系统的安装

现有的公众教学振动台被安装于法国、印度及美国等地的博物馆及科技主题公园中。有些博物馆将振动台安置于地震型 “灾难区”演示，并伴有人造的混凝土废墟、烟雾及其它视觉效果，以此来强调地震研究及加强建筑条例的重要性。振动台的平均大小约为4 m高（约合13ft），可在多个平台上承载6至9人。