復雜環(huán)境沉井施工爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)

柴慧珍， 侯立波， 任高峰， 邱菜謀

(1. 武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院， 武漢 430070；2. 中鐵十四局集團有限公司， 濟南 250014)

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復雜環(huán)境沉井施工爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)

柴慧珍1， 侯立波2， 任高峰1， 邱菜謀1

(1. 武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院， 武漢 430070；2. 中鐵十四局集團有限公司， 濟南 250014)

由于沉井施工埋置深度較大，施工技術(shù)要求較高，復雜環(huán)境下常需進行多次爆破作業(yè)，且施工工藝不合理時容易導致工程事故的發(fā)生，故需對沉井施工爆破振動信號進行監(jiān)測與分析處理，以便預測和控制爆破振動效應(yīng)。針對復雜環(huán)境下沉井施工爆破振動監(jiān)測，利用虛擬儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、無線通信技術(shù)、Web技術(shù)，建立一個集爆破振動數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、多終端查看于一體的多傳感器爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、Web應(yīng)用層、客戶端四部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器信號的同時采集、顯示與傳輸，并實現(xiàn)遠程多終端實時快速查看爆破振動監(jiān)測結(jié)果，便于及時對數(shù)據(jù)進行處理。

沉井施工； 爆破振動監(jiān)測； 虛擬儀器技術(shù)； 多傳感器；Web技術(shù)

1　引言

沉井施工一般用于建造地下構(gòu)筑物和深基礎(chǔ)建筑物等工程，沉井下沉要通過不易破碎的較硬巖層時，常需采用爆破方式完成作業(yè)，且爆破監(jiān)測點位置固定。由于沉井施工埋置深度較大，施工技術(shù)要求較高，復雜環(huán)境下常需進行多次爆破作業(yè)，而施工工藝不合理時容易出現(xiàn)沉井傾斜或下沉困難等現(xiàn)象，導致周圍地面出現(xiàn)裂縫、塌方等情況，不但危及施工人員的安全，還會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。因此對沉井施工爆破振動信號進行監(jiān)測與分析處理，以便預測和控制爆破振動效應(yīng)，及時調(diào)整下個循環(huán)爆破的爆破參數(shù)，避免爆破振動帶來次生災害，具有重要的理論和實際意義。

近年來，隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)的快速發(fā)展，各種高效監(jiān)測預警系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的工程項目得到了廣泛的應(yīng)用。趙利坤等〔1〕基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了爆破振動實時監(jiān)測系統(tǒng)；許強〔2〕通過采用USB接口便攜式爆破振動儀、無線遙測模塊及配套的虛擬儀器應(yīng)用軟件構(gòu)建了無線遙測爆破振動系統(tǒng)；張成平等〔3〕設(shè)計了針對既有地鐵隧道下新建地鐵車站施工過程的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對施工過程的遠程實時監(jiān)控與管理；單海東〔4〕設(shè)計了基于Web的煤礦遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程信息的監(jiān)測及多級數(shù)據(jù)傳輸故障診斷，數(shù)據(jù)分級傳輸處理等功能。

以上關(guān)于監(jiān)測預警系統(tǒng)的研究工作在不同施工環(huán)境下實現(xiàn)了對施工過程的監(jiān)控與管理，對沉井施工爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定的參考。但目前，專門針對多終端的遠程、實時爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)尚有待于進一步研究。本文以某大橋沉井爆破項目為背景，結(jié)合傳感器技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、Web技術(shù)設(shè)計一種支持多傳感器實時采集、遠程快速多終端查看的爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)，對沉井施工爆破振動數(shù)據(jù)的及時查看、分析與處理。

2　工程概況

沉井施工爆破項目主要對沉井下沉過程中影響正面下沉的黏土層爆破開挖。沉井基底持力層為堅硬黏土層，為減弱爆破地震效應(yīng)，采用分層多次起爆開挖，每循環(huán)爆破布置4個監(jiān)測點，且位置固定。

該爆破工程的特點是爆體位于深水處、四周靜壓大，爆破過程中既要將黏土破碎并拋擲出來，又要保護爆體上部的沉井刃腳不受損傷性破壞，防止黏土層出現(xiàn)液化。由于此次爆破任務(wù)工期較短，為保證爆破質(zhì)量與安全的同時加快施工進度，對爆破振動數(shù)據(jù)進行高效地監(jiān)測、分析與處理，及時調(diào)整下個循環(huán)爆破參數(shù)顯得極為重要。

3　傳統(tǒng)爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)

傳統(tǒng)爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)主要由爆破振動傳感器，爆破振動記錄儀與分析軟件構(gòu)成，其主要框架如圖1所示。爆破產(chǎn)生振動信號，傳感器將采集到的信號通過有線傳輸?shù)奖普駝佑涗泝x，爆破振動記錄儀記錄、存儲傳感器傳送的振動信號。記錄儀通過與電腦連接，利用專門的分析軟件進行必要的分析，得出爆破振動結(jié)果〔5〕。

圖1　傳統(tǒng)爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)框架Fig.1　Framework of traditional blasting vibration monitoring system

傳統(tǒng)爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)采用單傳感器采集信號，傳感器與記錄儀的關(guān)系是單項對應(yīng)，導致了在多傳感器監(jiān)測時，系統(tǒng)需要多臺記錄儀，加重監(jiān)測人員工作負擔，提高監(jiān)測成本，降低了監(jiān)測效率。記錄儀記錄數(shù)據(jù)后，需帶離現(xiàn)場，再將數(shù)據(jù)導入特定的分析軟件進行分析處理，整個過程耗時長、效率低，無法滿足遠程多終端查看、快速反應(yīng)的需求。

4　沉井施工爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)

沉井施工爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、Web應(yīng)用層、客戶端四部分組成，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測多個工程爆破點需求，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總體框架Fig.2　Overall framework of system

在監(jiān)測點放置爆破振動傳感器，傳感器采集爆破振動數(shù)據(jù)后，以有線方式將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)虛擬儀器軟件顯示、分析、處理爆破振動數(shù)據(jù)，并通過Internet將爆破振動數(shù)據(jù)傳送給遠程的Web應(yīng)用層。Web應(yīng)用層由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器組成，爆破振動數(shù)據(jù)在Web應(yīng)用層中進行存儲、管理、調(diào)用。用戶可以利用客戶端通過Internet、無線網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等方式在線訪問Web應(yīng)用層，實現(xiàn)爆破振動數(shù)據(jù)的遠程查看，對爆破振動進行快速反應(yīng)與處理。系統(tǒng)應(yīng)用框架如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)應(yīng)用框架Fig.3　Application framework of system

4.1數(shù)據(jù)采集、處理與發(fā)送

4.1.1數(shù)據(jù)采集層硬件組成

沉井施工爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理與發(fā)送功能主要由數(shù)據(jù)采集層完成。采集層硬件主要由三軸速度傳感器、NIUSB-6353數(shù)據(jù)采集卡、便攜筆記本電腦組成。三軸速度傳感器將采集爆破振動速度信號，轉(zhuǎn)換為電壓信號進行傳輸。NI數(shù)據(jù)采集卡以有線連接的方式與多個傳感器進行連接，將采集到的模擬的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過USB數(shù)據(jù)線傳送給便攜筆記本電腦，以便電腦中的分析軟件來處理，數(shù)據(jù)采集層框架如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集層框架Fig.4　Framework chart of data acquisition layer

數(shù)據(jù)采集層利用輕盈、便于攜帶、單個NIUSB-6353采集卡實現(xiàn)將多傳感器模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，替代傳統(tǒng)爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)中體積較大、不方便攜帶、多個的爆破振動記錄儀，實現(xiàn)多個監(jiān)測點同時監(jiān)測，減輕振動監(jiān)測人員工作負擔，提高監(jiān)測效率。同時利用USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)采集卡與筆記本電腦進行連接，充分利用電腦硬件資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析的便捷與快速。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備全部基于現(xiàn)有硬件設(shè)備，有效降低系統(tǒng)的研發(fā)時間以及成本，同時數(shù)據(jù)采集層的各個硬件部分相對獨立，為系統(tǒng)硬件更換升級提供靈活性與擴展性。

4.1.2數(shù)據(jù)采集、分析與處理軟件

虛擬儀器(VirtualInstrument--VI)〔6〕是以計算機為基礎(chǔ)，配以相應(yīng)測試功能的硬件作為信號輸入與輸出的接口、利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(如LabVIEW，LabWindows等)，在計算機屏幕上虛擬出儀器的面板以及相應(yīng)的功能。其利用虛擬測試平臺接收多個傳感器信號，對應(yīng)編制不同的應(yīng)用軟件來完成多種測控功能。

LabVIEW〔7〕即虛擬儀器軟件開發(fā)工作臺，其集成了數(shù)據(jù)分析、過程通信、圖形化用戶界面等特性，具有非常高的編程效率。系統(tǒng)采用LabVIEW圖形界面編程，將實際儀器的面板、功能和操作在前面板和程序圖中虛擬出來，同時按照實際測試需求設(shè)計出人性化界面，實現(xiàn)爆破振動分析儀器的所有功能，高效完成爆破振動顯示、分析、處理工作，具有較強的靈活性與擴展性。沉井施工爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)基于LabVIEW的便攜電腦端功能模塊如圖5所示。

圖5　筆記本電腦端功能模塊Fig.5　Function module chart of notebook computer terminal

系統(tǒng)軟件以模塊化設(shè)計為基礎(chǔ)，由系統(tǒng)登錄模塊、振動數(shù)據(jù)采集模塊、振動數(shù)據(jù)顯示、分析模塊、文件傳輸模塊、報告生成模塊、系統(tǒng)幫助模塊組成。完成一系列硬件設(shè)備連接后，監(jiān)測人員登錄軟件系統(tǒng)，啟動振動數(shù)據(jù)采集模塊，利用數(shù)據(jù)采集卡配置、硬件校準等功能，完成采集準備工作；振動數(shù)據(jù)采集模塊完成振動信號的采集、顯示與儲存；振動數(shù)據(jù)顯示、分析模塊具有波形顯示、FFT頻譜分析、時域分析、時頻分析等功能，供單點或者多點爆破振動規(guī)律研究，分析地震波的衰減情況，同時加速度、位移、矢量合成分析功能直接獲取加速度、位移信息并顯示。Matlab接口實現(xiàn)Matlab與LabVIEW軟件之間交互，可以利用Matlab強大的數(shù)學計算能力對爆破振動數(shù)據(jù)進行有關(guān)的研究分析；文件傳輸模塊利用LabVIEW中TCP通信功能和LabSQL數(shù)據(jù)庫接口功能以SQL命令經(jīng)Internet將爆破振動數(shù)據(jù)傳送給遠端的Web應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實現(xiàn)爆破振動數(shù)據(jù)的傳輸與儲存。

4.2振動數(shù)據(jù)遠程傳輸

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸層利用Internet、無線寬帶網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi、WiMAX)和移動通信網(wǎng)絡(luò)(GPRS/CDMA/EDGE/3G)等完成數(shù)據(jù)從爆破振動現(xiàn)場到Web服務(wù)器再到客戶終端的傳輸過程。爆破振動數(shù)據(jù)利用基于LabVIEW軟件的文件傳輸模塊以TCP/IP通信協(xié)議經(jīng)Internet從爆破振動現(xiàn)場傳輸并存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)采用集中式存儲模式，存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器當中。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要由計算機與MSSQLServer數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成。用戶經(jīng)客戶終端利用Internet、無線寬帶網(wǎng)絡(luò)或移動通信網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的爆破振動數(shù)據(jù)進行查詢操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠程傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)爆破振動數(shù)據(jù)的實時傳輸與快速查看，提高數(shù)據(jù)處理的效率。

4.3Web應(yīng)用層

為方便用戶在不同客戶終端如智能手機、筆記本電腦或臺式機上對爆破振動數(shù)據(jù)的需求，系統(tǒng)采用B/S(Brower/Server)三層Web體系結(jié)構(gòu)，即瀏覽器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器體系〔8〕。計算機或智能手機客戶端，通過瀏覽器訪問系統(tǒng)的Web應(yīng)用層，實現(xiàn)多終端對爆破振動數(shù)據(jù)進行快捷查看的需求，減少數(shù)據(jù)發(fā)送過程，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

系統(tǒng)Web應(yīng)用層由免費、開源、輕量級、適合中小型系統(tǒng)的TomcatWeb服務(wù)器和MSSQLServer數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。用戶在客戶終端上利用瀏覽器向Web應(yīng)用層中的Web服務(wù)器發(fā)出爆破振動數(shù)據(jù)查看請求，Web服務(wù)器通過駐留在自身的應(yīng)用程序服務(wù)器向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提出數(shù)據(jù)訪問請求，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將檢索到的結(jié)果傳給應(yīng)用服務(wù)器形成HTML頁面，傳給Web服務(wù)器，再通過HTTP協(xié)議交由瀏覽器，顯示在用戶客戶終端的瀏覽器窗口上，Web應(yīng)用的工作機制如圖6所示〔9〕。

圖6　Web應(yīng)用工作機制Fig.6　Working mechanism of Web application

系統(tǒng)基于Java網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，以MVC(Model-View-Controller)設(shè)計模式〔10〕，實現(xiàn)Web應(yīng)用程序編程開發(fā)。利用能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)頁面與靜態(tài)頁面分離、跨Windows、Linux等平臺、執(zhí)行效率較高的JSP(JavaServePage)動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)實現(xiàn)表示層，負責數(shù)據(jù)顯示。利用支持多種Web服務(wù)器、具有易開發(fā)性、平臺獨立性、可訪問大量Java平臺下的API集的Servlet作為控制器，負責流程控制，其接收請求，并根據(jù)請求信息將它們分發(fā)給適當?shù)腏SP頁面來產(chǎn)生響應(yīng)，同時根據(jù)JSP視圖需求生成JavaBean的實例并輸給JSP環(huán)境。利用JavaBean負責業(yè)務(wù)邏輯處理，實現(xiàn)諸如數(shù)據(jù)運算，操縱數(shù)據(jù)庫等功能。

5　結(jié)論

由于沉井施工埋置深度較大，施工技術(shù)要求較高，復雜環(huán)境下常需進行多次爆破作業(yè)，而施工工藝不合理時容易出現(xiàn)沉井傾斜或下沉困難等現(xiàn)象，導致周圍地面出現(xiàn)裂縫、塌方等，不但危及施工人員的安全，還會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。基于本文的系統(tǒng)設(shè)計，得到如下結(jié)論：

(1)復雜環(huán)境下沉井施工爆破振動遠程綜合監(jiān)測系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的單傳感器采集信號，數(shù)據(jù)只能從監(jiān)測儀器顯示面板現(xiàn)場讀取的不足，有助于提高監(jiān)測效率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，便于高效、實時預測和控制爆破振動效應(yīng)，及時調(diào)整下個循環(huán)爆破的爆破參數(shù)，在加快施工進度的同時，避免爆破振動帶來次生災害。

(2)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡以及LabVIEW虛擬儀器軟件替代傳統(tǒng)爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)所需的多個爆破振動記錄儀，可根據(jù)監(jiān)測項目的特殊要求進行分析模塊的及時擴充，實現(xiàn)多傳感器振動信號的同時采集、顯示、存儲，基于Web技術(shù)實現(xiàn)遠程多客戶端通過瀏覽網(wǎng)頁方式對爆破振動數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，進而及時對數(shù)據(jù)進行反應(yīng)處理，為優(yōu)化爆破參數(shù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有效提高爆破振動數(shù)據(jù)監(jiān)測的效率。

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Blastingvibrationremotecomprehensivemonitoringsystemofopencaissonconstructionundercomplexenvironment

CHAIHui-zhen1，HOULi-bo2，RENGao-feng1，QIUCai-mou1

(1.SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China；2.ChinaRailway14thConstructionBureauCo.,Ltd.,Jinan250014,China)

Inordertopredictandcontroltheblastingvibrationeffect,it′snecessarytomonitorandanalyzetheopencaissonconstructionblastingvibrationsignals.Multipleblastingoperationundercomplicatedenvironmentarerequired,whichisduetolargerembedmentdepthandhigherconstructiontechnicalrequirementsofopencaissonconstruction,andunreasonableconstructiontechnologycouldeasilyleadtoengineeringaccidents.Inviewofthecomplexenvironmentofopencaissonconstructionblastingvibrationmonitoring,theblastingvibrationremotemonitoringsystemwithmultiplesensors,whichcouldacquire,store,transportandviewblastingsignaldatawasestablishedbasedonvirtualinstrumenttechnology,databasetechnology,wirelesscommunicationtechnologyandWebtechnology.Thesystemiscomposedofdataacquiringlayer，datatransportinglayer,Webapplicationlayerandclient,whichcouldacquire，displayandtransportblastingsignalswithmultiplesensors,andthereal-timeandfastcheckoflong-distanceandmulti-terminalofmonitoringresultsarerealizedtoprocessdatatimely.

Opencaissonconstruction;Blastingvibrationmonitoring;Virtualinstrumenttechnology;Multiplesensor;Webtechnology

1006-7051(2016)04-0067-05

2015-12-18

國家自然科學基金(51104112)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(WHUT：2015-Ⅲ-011)

柴慧珍(1992-)，女，碩士，主要從事安全技術(shù)及爆破數(shù)字化方面的研究。E-mail：chaihuizhen@whut.edu.cn

任高峰(1979-)，男，博士、副教授，主要從事采礦工程、爆破工程等方面的教學和研究工作。E-mail：rgfwhut@163.com

TD235

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.014