米蘭的圣西羅體育場（又名梅亞查）作為大型體育場，一直面臨著一些建筑結構上問題，比如人們使用建筑物內部設施帶來的結構應力（舉辦音樂會時樂曲、歌曲帶來的振動）。米蘭市政府請米蘭理工大學（是意大利最大也最負盛名理工科大學）對梅亞查體育場進行研究，并設計一個新型的監控系統，能夠測量振動、金屬部件腐蝕和其他物理參數。整個監控系統必須堅固耐用、適用于體育場環境，可以克服高溫、強振以及復雜的電磁環境等不利因素。

　　

圖1. 梅亞查體育場

　　米蘭梅亞查體育場興建于1925 年，與50 年代和80 年代擴建了中圈和外圈看臺，可容納八萬名觀眾。最初體育場用于足球比賽，從80年代后期開始，體育場也舉辦非體育活動，比如音樂會、演唱會等。在足球比賽和音樂會期間，人們會感覺到體育場有強烈振動。這是由于成千上萬的人隨著音樂的旋律跳躍和舞動引起的。為了應對這樣的問題，米蘭理工使用結構評估、模態分析、動/ 靜態測量和腐蝕測評等方法研究了體育場的狀態。通過大量的實驗和數據分析表明，有必要為進行振動、應力、溫度和其他物理量的定量分析搭建一個實時監控系統，以評估長時間下體育場的結構特性、變化趨勢，并預報危險情況。

　　體育場舉辦音樂活動時，觀眾隨著旋律搖擺、舞動或者跳躍，引起結構振動。振動幅度隨著這種由觀眾引起的、交替性的外力而變化。振動的強度不僅于觀眾人有關，如果歌曲的節奏（引起的觀眾的運動）與結構的固有頻率匹配時，振動會明顯加強。因此，需要測量這種情況下的振動，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振動范圍內相關的物理量，進行可靠的數據采集、存儲和傳輸。米蘭理工大學的力學和熱學測量組曾經為很多建筑搭建過實時監控系統，在這一領域享有盛譽。對于梅亞查體育場的應用，他們基于CompactRIO 平臺搭建一個業內領先水平的系統，并利用LabVIEW圖形化編程環境開發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。從網絡的角度來看，布線越長越好，這樣采集模塊可以集中而變少。因此這兩者之間有一個妥協。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 安放在一個受保護的環境中，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采集節點上的數據。在搭建過程中，它還可以在配置節點和校準傳感器時作為人機界面。PC 還可以作為Internet 網上遠程訪問本系統的網關。這個測試系統的關鍵部分是如何經濟有效的放置分布式的數

　　據采集節點。最終目的就是在上萬部手機、成百電視信號收發天線和無數的電力傳輸的環境下，減少傳感器連線，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，并且把數據有效的存儲在本地。通常主控PC 負責協調這些節點，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CompactRIO 節點仍然可以采集數據，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境因素。目前整個體育場的監控系統使用了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。一個大規模的系統節點數和信號接入類型非常重要。尤其對于動態信號采集，CompactRIO 平臺還提供了數字和模擬的濾波器。

圖3. 振動信號分析界面

　　LabVIEW 是一種方便快捷的開發語言，力學組的研究人員一部分工作必須深入結合采集系統。使用LabVIEW，不需要無需高級軟件技巧，即可在任何時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。經過長時間運行，證明系統穩定可靠。最后，作者致謝米蘭市政府、國際和米蘭足球協會的支持。

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Giovanni Moschioni
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