作者:
Michael Schulze - Anco Engineers
Paul Ibanez - Anco Engineers

行業:
機器/機械

產品:
LabVIEW, PCI-6221

挑戰:
創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。

解決方案:
使用NI LabVIEW軟件及數據采集硬件創建程序，控制仿真器運動，并生成仿真地震特征，為用戶制造出真實的地震體驗。

"由于使用了LabVIEW，我們在軟件開發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，常會采用地震仿真器來對公眾普及地震災難教育。Anco Engineers公司提供用于材料、設備、及結構的震動測試系統及相關服務，是全球范圍內具有豐富經驗的地震振動臺開發商之一。我們為各種教學性地震振動臺開發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。程序還要有直觀的用戶界面，以及多語言的版本。應用要求提供簡單的工具生成指定光譜能量信號的模擬地震，以滿足各種條件，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發，使博物館操作人員經過簡單培訓便可輕松控制這些相對復雜的系統。

過去存在的局限

驅動多軸的大沖撞振動臺已經是很完善的技術了。近年來，硬件與快速計算機處理器、數據采集板的集成也變得越來越方便。然而，早期版本的驅動軟件只能在實驗室環境下傳輸相關未處理的地震數據至驅動器，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的統一程序，所以用戶無法仿真指定光譜能量的地震場景。過去的地震場景仿真中也不能設定建筑高度（共振）、土壤成分、及單個振動波類型等。

多媒體集成及信號處理

考慮到LabVIEW具有與NI硬件的無縫集成性、并行編程構架性能、以及豐富的數學及信號處理函數，我們決定選用它作為開發及部署工具。我們編寫了一個程序，有效地處理多種包含加速度時間關系曲線圖的大型地震信號文件，這些信號文件包含真實和仿真的地震數據。通過使用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路輸出，程序能夠控制2臺重型大沖擊位移驅動器，監測所有聯動裝置及安全特性，同時還能通過雙通道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程中放映在大屏幕上。為了增強地震的真實體驗，所選用的PCI-6221板卡具有多數字通道，可同時控制閃光燈、煙霧器、及聲效等，并設定其間隔及持續時間。

為了降低對操作人員的培訓強度，我們必須開發出簡單易用的圖形化用戶界面(GUI)。在超過50種真實或仿真的地震場景庫中，只需選擇指定子菜單，通過簡單拖曳即可在數分鐘內創建出一系列地震場景。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。振動中波形的傳播取決于不同的土壤類型，并與各種結構類型的建筑產生相互作用。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)，以此來預測建筑在地震中的狀態。

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曲線計算瞬時的任意波形。該自動重復過程能根據RRS輸入，在數秒內產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。

克服頻率相關振幅

對于推動大質量的動態大型沖擊驅動器，如何在規定頻率范圍內保持恒定振幅是一個普遍存在的限制因素。因此，需要對驅動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，使驅動軟件能在必要時通過系統專用傳輸函數動態生成修正量。此外，我們采用LabVIEW的信號處理及濾波函數極大簡化了編程，節省了編程開發成本，從而可將精力集中于公眾振動臺的開發。

使用LabVIEW及NI硬件節省成本

由于使用了LabVIEW，我們在軟件開發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硬件的無縫連接，以及適用于復雜數據集的數學函數，確保了軟件開發的成功。此外，理論地震生成程序極大縮短了數據生成時間，過去生成指定RRS的地震需要大約20分鐘，而現在僅需5到10秒。程序員無需太多培訓及故障檢測經驗即可通過LabVIEW創建直觀、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 運行時引擎。程序套件由Windows版LabVIEW專業開發系統編寫。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

現有的公眾教學振動臺被安裝于法國、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、煙霧及其它視覺效果，以此來強調地震研究及加強建筑條例的重要性。振動臺的平均大小約為4 m高（約合13ft），可在多個平臺上承載6至9人。

作者信息:
Michael Schulze
Anco Engineers
1965-A 33rd. St.
Boulder, CO 80301
Tel: 303-443-7580
michael.schulze@ancoengineers.com