巖石試驗檢測數據自動采集及處理系統研發

宗靜，董曉慶

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 引 言

近年來，地下空間的開發利用越來越得到注重，高層、超高層建筑不斷增多，地下商場、隧道、地下車站等地下工程項目也不斷深入地層深處，巖石在工程勘察業務中所占的比重越來越大，巖石樣品試驗檢測的效率亟待提高。由于大多數巖石試驗室現有檢測儀器自動化程度較低，無法實現數據的直接采集，仍采用傳統的人工記錄—手工錄入計算工作模式，這種工作模式相對煩瑣，重復勞動，且人為干擾因素較多，影響測試精度和報告時效性[1]。因此，通過信息化手段提升檢測效率及數據準確性就成為當前國內外檢測試驗室建設工作的重要環節。

針對傳統巖石試驗室工作模式的弊端，通過對現有儀器進行數據傳輸功能改造，并建立試驗室數據自動采集及處理系統，以實現試驗檢測數據的自動采集，試驗結果的自動計算輸出。

2 傳統檢測儀器的改造設計

2.1 巖石試驗室主要儀器現狀

物理性質測量設備主要有：游標卡尺和電子天平，這兩種設備均預留信息接口，通信接口均為USB。

力學性質(壓力峰值)測量設備主要有：200噸YE-2000型電液試驗機(機械表讀數)、100噸YA-100型電液試驗機(電子讀數)、10噸HDH-1B型點荷載儀(電子讀數)，均不具備數據傳輸功能。各測量參數相關設備性質如表1所示。

各測量參數相關設備性質一覽表 表1

2.2 力學性質測量設備改造設計要點

巖石試驗儀器設備自動化改造，包括壓力傳感器、高輸入阻抗模擬信號測量單元、數據采集器、數據總線、2.4G無線通訊設備、計算機。將壓力傳感器安裝到壓力機油箱上，壓力傳感器輸出的信號經過高輸入阻抗模擬信號測量單元調理、整形、放大后送至數據采集器中，數據采集器將數據轉換為數字信號并將其按照指定協議打包傳送到數據總線上，2.4G無線通訊設備通過總線接收到來自總線的特定協議包后，將數據通過2.4頻率無線方式傳送到另一個2.4G無線通訊設備，當另一個2.4G無線通訊設備接收到傳送來的數據后，再將試驗數據通過USB傳輸方式傳送到電腦終端。

通過分析，YA-100型電液式壓力試驗機與HDH-1B點荷載儀出廠時已具備壓力傳感器，輸出信號均為模擬信號，改造時為了不破壞原有設備的測量電路，且不影響原有設備的測量精度，只需額外增加高輸入阻抗模擬信號測量單元，即可進行后續操作。而YE-2000型液壓式壓力試驗機生產制造時間久遠，設備中并無配備任何電子壓力傳感器，原設備中并無真正意義上的傳感器，僅僅為壓力變動推動油表顯示的老式結構，所以要完成此設備數字化改造，還需在測力油缸處增加一電子壓力傳感器(如圖1所示)用來實現對壓力測量結果的數字化。巖石力學性質試驗設備改造系統框架，如圖2所示。

圖1 壓力傳感器

圖2 力學性質試驗設備改造系統圖

3 試驗系統設計

試驗系統采用C++作為開發工具，數據庫采用SQLite。系統采用模塊化設計，分為主模塊和子模塊，系統功能模塊如圖3所示。

圖3 系統功能模塊圖

各模塊功能介紹如下：

(1)項目管理模塊

項目管理模塊用于對原始數據、原始記錄數據處理、生成報告的目錄及相關文件的管理，提高項目各文件管理的清晰度。項目管理模塊界面如圖4所示。

圖4 項目管理模塊界面

(2)原始數據生成模塊

原始數據生成模塊連接系統與各試驗設備(天平、卡尺、壓力機等)，是試驗人員進行巖石試驗和試驗儀器控制的橋梁。原始數據生成模塊是巖石試驗室工作模式改變的關鍵內容。巖石試驗的原始數據生成模塊主要包括四個部分：接口適配器、設備管理、數據采集和數據發送。接口適配器是巖石試驗檢測設備與計算機試驗系統信息傳遞的樞紐。當具體設備連接時，通過調用事先建立好的通信方法來實現對檢測設備的數據采集工作[2]。設備管理是用來實現壓力機、天平、卡尺等試驗檢測設備在系統內的注冊和管理。數據采集子模塊是原始數據生成模塊的主要功能部分，通過與接口適配器的協作可完成巖石樣品質量、試樣尺寸以及破壞荷載等原始數據的采集。數據發送是將原始試驗檢測數據按照系統內標準格式進行封裝，然后發送至原始記錄計算處理模塊。原始數據生成模塊界面如圖5所示。

圖5 原始數據生成模塊界面

(3)原始記錄計算處理模塊

原始記錄計算處理模塊提供對原始數據生成模塊所產生的原始試驗數據接收、數據處理、數據存儲及數據接口等服務及功能。原始記錄計算處理模塊接收到原始數據生成模塊發送過來的試驗原始數據包后，根據數據包中的數據類型標記，從已建立的試驗標準指標庫和檢測方法庫(根據《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266-2013)建立)中調用相應的處理方法對原始數據進行處理，得到所需結果包括塊體密度、單軸抗壓強度、抗拉強度、點荷載強度等工程巖體參數[3]。之后原始記錄計算處理模塊將按照數據需要對分析的最終結果進行流轉，如推送報告自動生成模塊、返回最終結果到數據采集程序的用戶界面、提交原始數據存儲等。數據處理界面如圖6所示。

圖6 數據處理界面

(4)報告自動生成模塊

報告自動生成模塊是根據建立的報告格式標準庫，實現根據所需報告格式，檢驗結果自動采集到報告模板中，并可按指定格式(eg.excel格式)導出成果總表，供用戶使用，如圖7所示。

圖7 成果總表界面

總之，原始數據生成模塊屬于巖石試驗系統前端，直接與試驗檢測設備發生聯系；原始記錄計算處理模塊屬于中間層，主要負責試驗數據的處理和存儲等功能；報告自動生成模塊屬于系統終端，并提供對外數據查詢分析服務；項目管理模塊則負責不同模塊間的協調管理，提高項目管理效率。

以上功能在測試中運行正常，結果正確。

4 結 語

巖石試驗檢測數據自動采集及處理系統的研發，不但能避免測試過程中的重復勞動問題，還能提高測試精度，縮短測試時間，具有以下特色：

(1)采用高效的數據同步采集模式替代傳統的手工錄入模式

傳統巖石試驗室中，巖石試驗數據的采集通常采用人工記錄模式。試驗結束后，將人工記錄的試驗數據輸入到巖石試驗處理程序，從而進行數據處理分析。傳統的工作模式操作煩瑣、人為因素影響大，成為巖石試驗室工作效率的瓶頸。研究成果將巖石試驗數據處理系統平臺與試驗儀器直接相連，采用高效的試驗數據直接采集技術，實現了試驗任務分配、試驗數據采集、分析計算、試驗結論判定、成果報告生成等巖石試驗檢測核心環節的全程自動化。

(2)無線傳輸技術

高效的試驗數據采集系統，使不同試驗儀器檢測的試驗數據上傳至數據處理平臺。通過無線傳輸技術，解決了試驗儀器跨區域布置問題，從而使多區域和多個試驗室擴展的分布式試驗室管理體系得以實現。

(3)儀器改造通用性強。

傳統的巖石試驗儀器本身不具備數據傳輸功能，采用該方式可以對大多數現有試驗儀器進行數據傳輸改造；所研發的巖石試驗數據自動采集系統在實施過程中可適用多種品牌的試驗檢測儀器，具有很好的兼容性和適用性。

(4)實現無紙化巖石試驗檢測

巖石試驗檢測數據自動采集及處理系統的建立，從根本上解決了傳統巖石試驗室工作模式下紙質記錄及歸檔問題。極大提高了工作效率的同時，也節省了試驗原始數據資料歸檔的空間成本。