復雜環境沉井施工爆破振動遠程綜合監測系統

柴慧珍， 侯立波， 任高峰， 邱菜謀

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

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復雜環境沉井施工爆破振動遠程綜合監測系統

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，施工技術要求較高，復雜環境下常需進行多次爆破作業，且施工工藝不合理時容易導致工程事故的發生，故需對沉井施工爆破振動信號進行監測與分析處理，以便預測和控制爆破振動效應。針對復雜環境下沉井施工爆破振動監測，利用虛擬儀器技術、數據庫技術、無線通信技術、Web技術，建立一個集爆破振動數據采集、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測系統。系統由數據采集層、數據傳輸層、Web應用層、客戶端四部分組成，能夠實現多傳感器信號的同時采集、顯示與傳輸，并實現遠程多終端實時快速查看爆破振動監測結果，便于及時對數據進行處理。

沉井施工； 爆破振動監測； 虛擬儀器技術； 多傳感器；Web技術

1　引言

沉井施工一般用于建造地下構筑物和深基礎建筑物等工程，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，且爆破監測點位置固定。由于沉井施工埋置深度較大，施工技術要求較高，復雜環境下常需進行多次爆破作業，而施工工藝不合理時容易出現沉井傾斜或下沉困難等現象，導致周圍地面出現裂縫、塌方等情況，不但危及施工人員的安全，還會對周圍環境產生影響。因此對沉井施工爆破振動信號進行監測與分析處理，以便預測和控制爆破振動效應，及時調整下個循環爆破的爆破參數，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、無線通信技術、數據庫技術、Web技術及虛擬儀器技術的快速發展，各種高效監測預警系統在不同領域的工程項目得到了廣泛的應用。趙利坤等〔1〕基于虛擬儀器技術設計了爆破振動實時監測系統；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用軟件構建了無線遙測爆破振動系統；張成平等〔3〕設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測系統，實現了對施工過程的遠程實時監控與管理；單海東〔4〕設計了基于Web的煤礦遠程綜合監測系統，實現遠程信息的監測及多級數據傳輸故障診斷，數據分級傳輸處理等功能。

以上關于監測預警系統的研究工作在不同施工環境下實現了對施工過程的監控與管理，對沉井施工爆破振動遠程綜合監測系統的設計提供了一定的參考。但目前，專門針對多終端的遠程、實時爆破振動監測系統尚有待于進一步研究。本文以某大橋沉井爆破項目為背景，結合傳感器技術、虛擬儀器技術、數據庫技術、無線傳輸技術、Web技術設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測系統，對沉井施工爆破振動數據的及時查看、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，采用分層多次起爆開挖，每循環爆破布置4個監測點，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，防止黏土層出現液化。由于此次爆破任務工期較短，為保證爆破質量與安全的同時加快施工進度，對爆破振動數據進行高效地監測、分析與處理，及時調整下個循環爆破參數顯得極為重要。

3　傳統爆破振動監測系統

傳統爆破振動監測系統主要由爆破振動傳感器，爆破振動記錄儀與分析軟件構成，其主要框架如圖1所示。爆破產生振動信號，傳感器將采集到的信號通過有線傳輸到爆破振動記錄儀，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，得出爆破振動結果〔5〕。

圖1　傳統爆破振動監測系統框架Fig.1　Framework of traditional blasting vibration monitoring system

傳統爆破振動監測系統采用單傳感器采集信號，傳感器與記錄儀的關系是單項對應，導致了在多傳感器監測時，系統需要多臺記錄儀，加重監測人員工作負擔，提高監測成本，降低了監測效率。記錄儀記錄數據后，需帶離現場，再將數據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、快速反應的需求。

4　沉井施工爆破振動遠程綜合監測系統

沉井施工爆破振動遠程綜合監測系統由數據采集層、數據傳輸層、Web應用層、客戶端四部分組成，實現遠程實時監測多個工程爆破點需求，系統總體框架如圖2所示。

圖2　系統總體框架Fig.2　Overall framework of system

在監測點放置爆破振動傳感器，傳感器采集爆破振動數據后，以有線方式將數據傳遞給數據采集卡，LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)虛擬儀器軟件顯示、分析、處理爆破振動數據，并通過Internet將爆破振動數據傳送給遠程的Web應用層。Web應用層由數據庫服務器、Web服務器組成，爆破振動數據在Web應用層中進行存儲、管理、調用。用戶可以利用客戶端通過Internet、無線網絡、移動通信網絡等方式在線訪問Web應用層，實現爆破振動數據的遠程查看，對爆破振動進行快速反應與處理。系統應用框架如圖3所示。

圖3　系統應用框架Fig.3　Application framework of system

4.1數據采集、處理與發送

4.1.1數據采集層硬件組成

沉井施工爆破振動遠程綜合監測系統的數據采集處理與發送功能主要由數據采集層完成。采集層硬件主要由三軸速度傳感器、NIUSB-6353數據采集卡、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，轉換為電壓信號進行傳輸。NI數據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換為數字信號，通過USB數據線傳送給便攜筆記本電腦，以便電腦中的分析軟件來處理，數據采集層框架如圖4所示。

圖4　數據采集層框架Fig.4　Framework chart of data acquisition layer

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

4.1.2數據采集、分析與處理軟件

虛擬儀器(VirtualInstrument--VI)〔6〕是以計算機為基礎，配以相應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的功能。其利用虛擬測試平臺接收多個傳感器信號，對應編制不同的應用軟件來完成多種測控功能。

LabVIEW〔7〕即虛擬儀器軟件開發工作臺，其集成了數據分析、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計出人性化界面，實現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測系統基于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

系統軟件以模塊化設計為基礎，由系統登錄模塊、振動數據采集模塊、振動數據顯示、分析模塊、文件傳輸模塊、報告生成模塊、系統幫助模塊組成。完成一系列硬件設備連接后，監測人員登錄軟件系統，啟動振動數據采集模塊，利用數據采集卡配置、硬件校準等功能，完成采集準備工作；振動數據采集模塊完成振動信號的采集、顯示與儲存；振動數據顯示、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Matlab與LabVIEW軟件之間交互，可以利用Matlab強大的數學計算能力對爆破振動數據進行有關的研究分析；文件傳輸模塊利用LabVIEW中TCP通信功能和LabSQL數據庫接口功能以SQL命令經Internet將爆破振動數據傳送給遠端的Web應用層中的數據庫服務器，實現爆破振動數據的傳輸與儲存。

4.2振動數據遠程傳輸

系統數據傳輸層利用Internet、無線寬帶網絡(Wi-Fi、WiMAX)和移動通信網絡(GPRS/CDMA/EDGE/3G)等完成數據從爆破振動現場到Web服務器再到客戶終端的傳輸過程。爆破振動數據利用基于LabVIEW軟件的文件傳輸模塊以TCP/IP通信協議經Internet從爆破振動現場傳輸并存儲到數據庫服務器。數據采用集中式存儲模式，存儲在數據庫服務器當中。數據庫服務器主要由計算機與MSSQLServer數據庫管理系統組成。用戶經客戶終端利用Internet、無線寬帶網絡或移動通信網絡對數據庫服務器中的爆破振動數據進行查詢操作。系統數據遠程傳輸能夠實現爆破振動數據的實時傳輸與快速查看，提高數據處理的效率。

4.3Web應用層

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據的需求，系統采用B/S(Brower/Server)三層Web體系結構，即瀏覽器、Web服務器和數據庫服務器體系〔8〕。計算機或智能手機客戶端，通過瀏覽器訪問系統的Web應用層，實現多終端對爆破振動數據進行快捷查看的需求，減少數據發送過程，提高數據傳輸效率。

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

圖6　Web應用工作機制Fig.6　Working mechanism of Web application

系統基于Java網絡編程技術，以MVC(Model-View-Controller)設計模式〔10〕，實現Web應用程序編程開發。利用能夠實現動態頁面與靜態頁面分離、跨Windows、Linux等平臺、執行效率較高的JSP(JavaServePage)動態網頁技術實現表示層，負責數據顯示。利用支持多種Web服務器、具有易開發性、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，并根據請求信息將它們分發給適當的JSP頁面來產生響應，同時根據JSP視圖需求生成JavaBean的實例并輸給JSP環境。利用JavaBean負責業務邏輯處理，實現諸如數據運算，操縱數據庫等功能。

5　結論

由于沉井施工埋置深度較大，施工技術要求較高，復雜環境下常需進行多次爆破作業，而施工工藝不合理時容易出現沉井傾斜或下沉困難等現象，導致周圍地面出現裂縫、塌方等，不但危及施工人員的安全，還會對周圍環境產生影響。基于本文的系統設計，得到如下結論：

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

(2)系統采用數據采集卡以及LabVIEW虛擬儀器軟件替代傳統爆破振動監測系統所需的多個爆破振動記錄儀，可根據監測項目的特殊要求進行分析模塊的及時擴充，實現多傳感器振動信號的同時采集、顯示、存儲，基于Web技術實現遠程多客戶端通過瀏覽網頁方式對爆破振動數據進行實時監測，進而及時對數據進行反應處理，為優化爆破參數提供數據基礎，有效提高爆破振動數據監測的效率。

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LIUJi-hua.ResearchonWebapplicationbasedonJ2EEandMVCmode[D].Wuhan：WuhanUniversityofTechnology, 2003: 10-12.

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務費專項資金資助(WHUT：2015-Ⅲ-011)

柴慧珍(1992-)，女，碩士，主要從事安全技術及爆破數字化方面的研究。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