复杂环境沉井施工爆破振动远程综合监测系统

柴慧珍， 侯立波， 任高峰， 邱菜谋

(1. 武汉理工大学 资源与环境工程学院， 武汉 430070；2. 中铁十四局集团有限公司， 济南 250014)



复杂环境沉井施工爆破振动远程综合监测系统

柴慧珍1， 侯立波2， 任高峰1， 邱菜谋1

(1. 武汉理工大学 资源与环境工程学院， 武汉 430070；2. 中铁十四局集团有限公司， 济南 250014)

由于沉井施工埋置深度较大，施工技术要求较高，复杂环境下常需进行多次爆破作业，且施工工艺不合理时容易导致工程事故的发生，故需对沉井施工爆破振动信号进行监测与分析处理，以便预测和控制爆破振动效应。针对复杂环境下沉井施工爆破振动监测，利用虚拟仪器技术、数据库技术、无线通信技术、Web技术，建立一个集爆破振动数据采集、存储、传输、多终端查看于一体的多传感器爆破振动远程综合监测系统。系统由数据采集层、数据传输层、Web应用层、客户端四部分组成，能够实现多传感器信号的同时采集、显示与传输，并实现远程多终端实时快速查看爆破振动监测结果，便于及时对数据进行处理。

沉井施工； 爆破振动监测； 虚拟仪器技术； 多传感器；Web技术

1　引言

沉井施工一般用于建造地下构筑物和深基础建筑物等工程，沉井下沉要通过不易破碎的较硬岩层时，常需采用爆破方式完成作业，且爆破监测点位置固定。由于沉井施工埋置深度较大，施工技术要求较高，复杂环境下常需进行多次爆破作业，而施工工艺不合理时容易出现沉井倾斜或下沉困难等现象，导致周围地面出现裂缝、塌方等情况，不但危及施工人员的安全，还会对周围环境产生影响。因此对沉井施工爆破振动信号进行监测与分析处理，以便预测和控制爆破振动效应，及时调整下个循环爆破的爆破参数，避免爆破振动带来次生灾害，具有重要的理论和实际意义。

近年来，随着传感器技术、无线通信技术、数据库技术、Web技术及虚拟仪器技术的快速发展，各种高效监测预警系统在不同领域的工程项目得到了广泛的应用。赵利坤等〔1〕基于虚拟仪器技术设计了爆破振动实时监测系统；许强〔2〕通过采用USB接口便携式爆破振动仪、无线遥测模块及配套的虚拟仪器应用软件构建了无线遥测爆破振动系统；张成平等〔3〕设计了针对既有地铁隧道下新建地铁车站施工过程的远程监测系统，实现了对施工过程的远程实时监控与管理；单海东〔4〕设计了基于Web的煤矿远程综合监测系统，实现远程信息的监测及多级数据传输故障诊断，数据分级传输处理等功能。

以上关于监测预警系统的研究工作在不同施工环境下实现了对施工过程的监控与管理，对沉井施工爆破振动远程综合监测系统的设计提供了一定的参考。但目前，专门针对多终端的远程、实时爆破振动监测系统尚有待于进一步研究。本文以某大桥沉井爆破项目为背景，结合传感器技术、虚拟仪器技术、数据库技术、无线传输技术、Web技术设计一种支持多传感器实时采集、远程快速多终端查看的爆破振动远程综合监测系统，对沉井施工爆破振动数据的及时查看、分析与处理。

2　工程概况

沉井施工爆破项目主要对沉井下沉过程中影响正面下沉的黏土层爆破开挖。沉井基底持力层为坚硬黏土层，为减弱爆破地震效应，采用分层多次起爆开挖，每循环爆破布置4个监测点，且位置固定。

该爆破工程的特点是爆体位于深水处、四周静压大，爆破过程中既要将黏土破碎并抛掷出来，又要保护爆体上部的沉井刃脚不受损伤性破坏，防止黏土层出现液化。由于此次爆破任务工期较短，为保证爆破质量与安全的同时加快施工进度，对爆破振动数据进行高效地监测、分析与处理，及时调整下个循环爆破参数显得极为重要。

3　传统爆破振动监测系统

传统爆破振动监测系统主要由爆破振动传感器，爆破振动记录仪与分析软件构成，其主要框架如图1所示。爆破产生振动信号，传感器将采集到的信号通过有线传输到爆破振动记录仪，爆破振动记录仪记录、存储传感器传送的振动信号。记录仪通过与电脑连接，利用专门的分析软件进行必要的分析，得出爆破振动结果〔5〕。

图1　传统爆破振动监测系统框架Fig.1　Framework of traditional blasting vibration monitoring system

传统爆破振动监测系统采用单传感器采集信号，传感器与记录仪的关系是单项对应，导致了在多传感器监测时，系统需要多台记录仪，加重监测人员工作负担，提高监测成本，降低了监测效率。记录仪记录数据后，需带离现场，再将数据导入特定的分析软件进行分析处理，整个过程耗时长、效率低，无法满足远程多终端查看、快速反应的需求。

4　沉井施工爆破振动远程综合监测系统

沉井施工爆破振动远程综合监测系统由数据采集层、数据传输层、Web应用层、客户端四部分组成，实现远程实时监测多个工程爆破点需求，系统总体框架如图2所示。

图2　系统总体框架Fig.2　Overall framework of system

在监测点放置爆破振动传感器，传感器采集爆破振动数据后，以有线方式将数据传递给数据采集卡，LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)虚拟仪器软件显示、分析、处理爆破振动数据，并通过Internet将爆破振动数据传送给远程的Web应用层。Web应用层由数据库服务器、Web服务器组成，爆破振动数据在Web应用层中进行存储、管理、调用。用户可以利用客户端通过Internet、无线网络、移动通信网络等方式在线访问Web应用层，实现爆破振动数据的远程查看，对爆破振动进行快速反应与处理。系统应用框架如图3所示。

图3　系统应用框架Fig.3　Application framework of system

4.1数据采集、处理与发送

4.1.1数据采集层硬件组成

沉井施工爆破振动远程综合监测系统的数据采集处理与发送功能主要由数据采集层完成。采集层硬件主要由三轴速度传感器、NIUSB-6353数据采集卡、便携笔记本电脑组成。三轴速度传感器将采集爆破振动速度信号，转换为电压信号进行传输。NI数据采集卡以有线连接的方式与多个传感器进行连接，将采集到的模拟的电信号转换为数字信号，通过USB数据线传送给便携笔记本电脑，以便电脑中的分析软件来处理，数据采集层框架如图4所示。

图4　数据采集层框架Fig.4　Framework chart of data acquisition layer

数据采集层利用轻盈、便于携带、单个NIUSB-6353采集卡实现将多传感器模拟电信号转换为数字信号，替代传统爆破振动监测系统中体积较大、不方便携带、多个的爆破振动记录仪，实现多个监测点同时监测，减轻振动监测人员工作负担，提高监测效率。同时利用USB数据线将数据采集卡与笔记本电脑进行连接，充分利用电脑硬件资源，实现数据采集、分析的便捷与快速。系统的数据采集硬件设备全部基于现有硬件设备，有效降低系统的研发时间以及成本，同时数据采集层的各个硬件部分相对独立，为系统硬件更换升级提供灵活性与扩展性。

4.1.2数据采集、分析与处理软件

虚拟仪器(VirtualInstrument--VI)〔6〕是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入与输出的接口、利用虚拟仪器软件开发平台(如LabVIEW，LabWindows等)，在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板以及相应的功能。其利用虚拟测试平台接收多个传感器信号，对应编制不同的应用软件来完成多种测控功能。

LabVIEW〔7〕即虚拟仪器软件开发工作台，其集成了数据分析、过程通信、图形化用户界面等特性，具有非常高的编程效率。系统采用LabVIEW图形界面编程，将实际仪器的面板、功能和操作在前面板和程序图中虚拟出来，同时按照实际测试需求设计出人性化界面，实现爆破振动分析仪器的所有功能，高效完成爆破振动显示、分析、处理工作，具有较强的灵活性与扩展性。沉井施工爆破振动远程综合监测系统基于LabVIEW的便携电脑端功能模块如图5所示。

图5　笔记本电脑端功能模块Fig.5　Function module chart of notebook computer terminal

系统软件以模块化设计为基础，由系统登录模块、振动数据采集模块、振动数据显示、分析模块、文件传输模块、报告生成模块、系统帮助模块组成。完成一系列硬件设备连接后，监测人员登录软件系统，启动振动数据采集模块，利用数据采集卡配置、硬件校准等功能，完成采集准备工作；振动数据采集模块完成振动信号的采集、显示与储存；振动数据显示、分析模块具有波形显示、FFT频谱分析、时域分析、时频分析等功能，供单点或者多点爆破振动规律研究，分析地震波的衰减情况，同时加速度、位移、矢量合成分析功能直接获取加速度、位移信息并显示。Matlab接口实现Matlab与LabVIEW软件之间交互，可以利用Matlab强大的数学计算能力对爆破振动数据进行有关的研究分析；文件传输模块利用LabVIEW中TCP通信功能和LabSQL数据库接口功能以SQL命令经Internet将爆破振动数据传送给远端的Web应用层中的数据库服务器，实现爆破振动数据的传输与储存。

4.2振动数据远程传输

系统数据传输层利用Internet、无线宽带网络(Wi-Fi、WiMAX)和移动通信网络(GPRS/CDMA/EDGE/3G)等完成数据从爆破振动现场到Web服务器再到客户终端的传输过程。爆破振动数据利用基于LabVIEW软件的文件传输模块以TCP/IP通信协议经Internet从爆破振动现场传输并存储到数据库服务器。数据采用集中式存储模式，存储在数据库服务器当中。数据库服务器主要由计算机与MSSQLServer数据库管理系统组成。用户经客户终端利用Internet、无线宽带网络或移动通信网络对数据库服务器中的爆破振动数据进行查询操作。系统数据远程传输能够实现爆破振动数据的实时传输与快速查看，提高数据处理的效率。

4.3Web应用层

为方便用户在不同客户终端如智能手机、笔记本电脑或台式机上对爆破振动数据的需求，系统采用B/S(Brower/Server)三层Web体系结构，即浏览器、Web服务器和数据库服务器体系〔8〕。计算机或智能手机客户端，通过浏览器访问系统的Web应用层，实现多终端对爆破振动数据进行快捷查看的需求，减少数据发送过程，提高数据传输效率。

系统Web应用层由免费、开源、轻量级、适合中小型系统的TomcatWeb服务器和MSSQLServer数据库服务器组成。用户在客户终端上利用浏览器向Web应用层中的Web服务器发出爆破振动数据查看请求，Web服务器通过驻留在自身的应用程序服务器向数据库服务器提出数据访问请求，数据库服务器将检索到的结果传给应用服务器形成HTML页面，传给Web服务器，再通过HTTP协议交由浏览器，显示在用户客户终端的浏览器窗口上，Web应用的工作机制如图6所示〔9〕。

图6　Web应用工作机制Fig.6　Working mechanism of Web application

系统基于Java网络编程技术，以MVC(Model-View-Controller)设计模式〔10〕，实现Web应用程序编程开发。利用能够实现动态页面与静态页面分离、跨Windows、Linux等平台、执行效率较高的JSP(JavaServePage)动态网页技术实现表示层，负责数据显示。利用支持多种Web服务器、具有易开发性、平台独立性、可访问大量Java平台下的API集的Servlet作为控制器，负责流程控制，其接收请求，并根据请求信息将它们分发给适当的JSP页面来产生响应，同时根据JSP视图需求生成JavaBean的实例并输给JSP环境。利用JavaBean负责业务逻辑处理，实现诸如数据运算，操纵数据库等功能。

5　结论

由于沉井施工埋置深度较大，施工技术要求较高，复杂环境下常需进行多次爆破作业，而施工工艺不合理时容易出现沉井倾斜或下沉困难等现象，导致周围地面出现裂缝、塌方等，不但危及施工人员的安全，还会对周围环境产生影响。基于本文的系统设计，得到如下结论：

(1)复杂环境下沉井施工爆破振动远程综合监测系统克服了传统的单传感器采集信号，数据只能从监测仪器显示面板现场读取的不足，有助于提高监测效率，实现数据共享，便于高效、实时预测和控制爆破振动效应，及时调整下个循环爆破的爆破参数，在加快施工进度的同时，避免爆破振动带来次生灾害。

(2)系统采用数据采集卡以及LabVIEW虚拟仪器软件替代传统爆破振动监测系统所需的多个爆破振动记录仪，可根据监测项目的特殊要求进行分析模块的及时扩充，实现多传感器振动信号的同时采集、显示、存储，基于Web技术实现远程多客户端通过浏览网页方式对爆破振动数据进行实时监测，进而及时对数据进行反应处理，为优化爆破参数提供数据基础，有效提高爆破振动数据监测的效率。

〔1〕 赵利坤，王玉杰，卻海言，等. 基于LabVIEW的虚拟仪器在爆破震动测试中的应用[J]. 金属矿山，2012(1)：136-138.

ZHAOLi-kun,WANGYu-jie,QUEHai-yan,etal.ApplicationintestingtechniqueofblastingvibrationofvirtualinstrumentbasedonLabVIEW[J].MetalMine, 2012(1):136-138.

〔2〕 许强. 无线遥测爆破振动的解决方案[J]. 国外电子测量技术，2008，27(9)：75-76.

XUQiang.Thesolutionforblastingvibrationofwirelesstelemetry[J].ForeignElectronicMeasurementTechnology, 2008, 27(9)：75-76.

〔3〕 张成平，张顶立，骆建军，等. 地铁车站下穿既有线隧道施工中的远程监测系统[J]. 岩土力学，2009，30(6)：1861-1866.

ZHANGCheng-ping,ZHANGDing-li,LUOJian-jun,etal.Remotemonitoringsystemappliedtotheconstructionofmetrostationundercrossingexistingmetrotunnel[J].RockandSoilMechanics, 2009, 30(6)：1861-1866.

〔4〕 单海东. 基于Web的煤矿远程综合监测系统研究[D]. 西安：西安科技大学，2009.

SHANHai-dong.Researchofcoalminelong-distanceobservationsystembasedonWeb[D].Xi′an：Xi′anUniversityofScienceandTechnology,2009.

〔5〕 曲广建，谢全民，朱振海，等. 工程爆破远程测振系统[J]. 工程爆破，2015，21(5)：58-62.

QUGuang-jian,XIEQuan-min,ZHUZhen-hai,etal.Remotevibrationmeasuringsystemofengineeringblasting[J].EngineeringBlasting, 2015，21(5)：58-62.

〔6〕 贺希. 基于LabVIEW的虚拟远程实验系统的设计[D]. 株洲：湖南工业大学，2014:6-8.

HEXi.ThedesignofvirtualremoteexperimentsystembasedonLabVIEW[D].Zhuzhou:HunanUniversityofTechnology, 2014:6-8.

〔7〕 张浩然. 基于LabVIEW的小型无人机地面站系统研究与设计[D]. 长春: 长春理工大学，2014:19-20.

ZHANGHao-ran.MiniUAVgroundstationsystemdesignandresearchbasedonLabVIEW[D].Changchun:ChangchunUniversityofScienceandTechnology,2014:19-20.

〔8〕 刘春友，蒋哲远. 基于B/S架构的高校物资管理系统设计与实现[J]. 电脑编程技巧与维护，2014(12)：61-62.

LIUChun-you,JIANGZhe-yuan.DesignandimplementationofmaterialmanagementsysteminuniversitybasedonB/Sarchitecture[J].ComputerProgrammingSkills&Maintenance,2014(12):61-62.

〔9〕 刘学芳. 基于WEB的远程瓦斯监测系统的研究[D]. 西安: 西安科技大学，2008:8-11.

LIUXue-fang.Researchofremote-monitoringsystemofgasbasedonWeb[D].Xi′an:Xi′anUniversityofScienceandTechnology,2008:8-11.

〔10〕 刘继华. 基于J2EE和MVC模式的Web应用研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2003:10-12.

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

国家自然科学基金(51104112)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(WHUT：2015-Ⅲ-011)

柴慧珍(1992-)，女，硕士，主要从事安全技术及爆破数字化方面的研究。E-mail：chaihuizhen@whut.edu.cn

任高峰(1979-)，男，博士、副教授，主要从事采矿工程、爆破工程等方面的教学和研究工作。E-mail：rgfwhut@163.com

TD235

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.014