饒小康，羅 熠，姚振和

(長(zhǎng)江科學(xué)院 儀器及自動(dòng)化研究所，武漢 430010)

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白鶴灘水電站開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

饒小康，羅 熠，姚振和

(長(zhǎng)江科學(xué)院 儀器及自動(dòng)化研究所，武漢 430010)

在水利工程爆破施工技術(shù)規(guī)程的基礎(chǔ)上，結(jié)合分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和B/S體系結(jié)構(gòu)，建立了一套基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方式和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋菩畔⒐蚕砥脚_(tái)——白鶴灘水電站開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能包括爆破基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、總體開(kāi)挖方案管理、爆破作業(yè)流程管理、爆破器材管理、爆破監(jiān)測(cè)管理、爆破質(zhì)量檢查管理、爆破監(jiān)測(cè)預(yù)警、用戶權(quán)限管理和系統(tǒng)幫助文檔。該系統(tǒng)的建立可為現(xiàn)場(chǎng)爆破數(shù)字化系統(tǒng)的建設(shè)提供數(shù)字支持和技術(shù)支撐，提高了現(xiàn)場(chǎng)爆破開(kāi)挖管理和控制水平。

白鶴灘水電站；開(kāi)挖爆破；數(shù)據(jù)預(yù)處理；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1 工程背景

白鶴灘水電站位于金沙江下游的四川寧南縣和云南巧家縣境內(nèi)，上接烏東德，下鄰溪洛渡，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件等綜合利用效益的大型水電站，為在建的中國(guó)第二大水電站，也是國(guó)家西電東送骨干電源點(diǎn)之一。電站裝機(jī)容量約1 600萬(wàn)kW，樞紐工程由攔河壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程為834.00 m，最大壩高289.0 m，壩下設(shè)水墊塘和二道壩。

白鶴灘水電站大壩壩肩邊坡巖石主要為玄武巖，在進(jìn)行大壩基礎(chǔ)開(kāi)挖爆破時(shí)，要求盡量少損傷建基面巖體，特別是在邊坡和壩基有柱狀節(jié)理出露的部位(集中分布在高程600～660 m)，爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)研究以壩肩基礎(chǔ)，特別是柱狀節(jié)理玄武巖基礎(chǔ)為主，其它部位為輔。

白鶴灘水利工程周期長(zhǎng)、規(guī)模大，其爆破開(kāi)挖施工環(huán)節(jié)復(fù)雜、參建單位多、工程技術(shù)水平高、質(zhì)量要求嚴(yán)格、監(jiān)督困難，爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集量大、相關(guān)資料文檔較多。如何利用信息化手段對(duì)爆破設(shè)計(jì)、爆破施工、爆破監(jiān)測(cè)、爆破控制和爆破評(píng)價(jià)進(jìn)行管理和控制，實(shí)現(xiàn)爆破作業(yè)流程的信息化、數(shù)字化管理，已經(jīng)成為水利工程建設(shè)管理領(lǐng)域急需解決的一大課題。

以白鶴灘水電站基礎(chǔ)開(kāi)挖討論會(huì)議紀(jì)要為基礎(chǔ)，參考《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開(kāi)挖施工技術(shù)規(guī)范》、《水電水利工程爆破安全監(jiān)測(cè)規(guī)程》等技術(shù)規(guī)范，應(yīng)用現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)技術(shù)、B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式開(kāi)發(fā)一套開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)爆破開(kāi)挖規(guī)范科學(xué)、有效的管理和精細(xì)化爆破[1]。

2 開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)的基本理論與方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理及整編模塊

由于爆破儀器設(shè)備、人員讀數(shù)等多種原因都可能導(dǎo)致原始資料出現(xiàn)誤差，資料分析時(shí)應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)整編處理，才能保證分析結(jié)論的可靠性。預(yù)處理模塊旨在根據(jù)評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行突變值識(shí)別、趨勢(shì)性變化識(shí)別和異常值識(shí)別，并將無(wú)異常的數(shù)據(jù)存入整編數(shù)據(jù)庫(kù)，為下一步的數(shù)據(jù)分析提供可靠數(shù)據(jù)源。開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)采用t檢驗(yàn)法對(duì)爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。t檢驗(yàn)法采用臨界值K作為判定異常值的標(biāo)準(zhǔn)，即若K大于顯著水平α(一般為0.001或0.005)下的t檢驗(yàn)臨界值K(n,α)，則其為異常值[2]。K的表達(dá)式為

(1)

該系統(tǒng)在中央服務(wù)器端利用該算法針對(duì)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)爆破監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)異常值進(jìn)行識(shí)別處理，再由爆破設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料對(duì)爆破監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行審核確認(rèn)，提交至爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)針對(duì)白鶴灘水電站開(kāi)挖爆破工期長(zhǎng)、爆點(diǎn)多、數(shù)據(jù)傳輸快、完整性高等特點(diǎn)，在指定位置埋設(shè)爆破傳感器，采用自主研發(fā)的爆破通訊協(xié)議，將開(kāi)挖爆點(diǎn)振動(dòng)沖擊波通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸至中央服務(wù)器，并同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和完整性?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 爆破監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topological structure diagram for blasting monitoring network

2.3 B/S體系架構(gòu)

B/S結(jié)構(gòu)(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式)，是Web興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專(zhuān)門(mén)的軟件，只要有一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦就能使用，客戶端零安裝、零維護(hù)，系統(tǒng)的擴(kuò)展非常容易。

系統(tǒng)采用B/S模式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求在服務(wù)器端安裝系統(tǒng)軟件，而對(duì)客戶端沒(méi)有特殊限制，只要有網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可。服務(wù)器通過(guò)Web協(xié)議(HTTP協(xié)議、SMTP協(xié)議、FTP協(xié)議)和客戶端溝通，并響應(yīng)客戶端請(qǐng)求。B/S模式下，只要在服務(wù)器端安裝一套系統(tǒng)軟件，就可以在各客戶端共享該軟件的強(qiáng)大功能，系統(tǒng)維護(hù)也就只限于服務(wù)器端。系統(tǒng)可在客戶端電腦、平板電腦、手機(jī)上運(yùn)行，方便用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行操作和管理[3]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

白鶴灘水電站開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)采用Browse/Client模式開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層[4]：

(1) 數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：包括開(kāi)挖爆破系統(tǒng)爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、爆破安全控制資料庫(kù)、爆破設(shè)計(jì)資料庫(kù)、爆破質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、參建方人員信息等。

(2) 業(yè)務(wù)邏輯層：包括開(kāi)挖爆破系統(tǒng)各種功能，如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、總體方案及進(jìn)度管理、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)管理、爆破設(shè)計(jì)及過(guò)程控制、爆破監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)管理、靜態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)管理6個(gè)功能。

(3) 表示層：主要為用戶提供信息，以及把用戶的指令翻譯，提供與用戶交互的界面，根據(jù)用戶指令調(diào)用業(yè)務(wù)接口層相應(yīng)接口，并將數(shù)據(jù)傳遞給業(yè)務(wù)層，如系統(tǒng)用戶登錄、注銷(xiāo)、維護(hù)、爆破設(shè)計(jì)信息提交、導(dǎo)入、導(dǎo)出、數(shù)據(jù)預(yù)覽、成果查詢(xún)等。

3.2 功能設(shè)計(jì)

白鶴灘水電站開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)，是一套爆破作業(yè)綜合管理的信息平臺(tái)。各職能部門(mén)相關(guān)人員通過(guò)手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)等終端，在信息管理平臺(tái)中進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)、爆破施工、爆破監(jiān)測(cè)、爆破器材管理、爆破控制、爆破評(píng)價(jià)等工作，實(shí)現(xiàn)爆破作業(yè)流程的信息化、數(shù)字化管理，確保工作各個(gè)流程有序落實(shí)，達(dá)到爆破振動(dòng)監(jiān)控和管理的實(shí)時(shí)化和自動(dòng)化[5]。系統(tǒng)基本功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Structure design of overall functions of the system

3.3 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

(1) 系統(tǒng)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理對(duì)長(zhǎng)時(shí)間爆破開(kāi)挖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整編，以保證后期數(shù)據(jù)分析的可靠性。

(2) 目前水利工程開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)大多采用儀器監(jiān)測(cè)、人工導(dǎo)入資料的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，本系統(tǒng)針對(duì)白鶴灘現(xiàn)場(chǎng)爆破開(kāi)挖環(huán)境，在左右岸壩肩邊坡開(kāi)挖爆破組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線路由器設(shè)備將爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至中央服務(wù)器，并保證爆破儀器設(shè)備在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)和位置任意調(diào)整。除此之外，系統(tǒng)還具備在無(wú)任何通訊信號(hào)的施工區(qū)域內(nèi)組建無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò),自動(dòng)收集、傳輸爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能。

(3) 相對(duì)于以往單機(jī)版管理信息系統(tǒng)升級(jí)、維護(hù)的滯后性，系統(tǒng)采用B/S三層體系架構(gòu)，易于擴(kuò)展和升級(jí)，用戶無(wú)需安裝任何客戶端，通過(guò)瀏覽器即可登錄、管理爆破數(shù)字化系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

白鶴灘水電站開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)主要采用開(kāi)發(fā)工具M(jìn)icrosoft Visiual Studio 2012與數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL Server 2008結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在開(kāi)挖爆破區(qū)域內(nèi)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)爆破施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，爆破測(cè)振資料包括測(cè)振時(shí)間、機(jī)器號(hào)、x,y,z軸3個(gè)方向波形速度值，如表1所示。

表1 白鶴灘水電站爆破測(cè)振資料

目前白鶴灘水電站開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)在左右岸壩肩開(kāi)挖爆破中已投入使用，進(jìn)行施工期爆破安全監(jiān)測(cè)和爆破試驗(yàn)研究，為現(xiàn)場(chǎng)爆破數(shù)字化系統(tǒng)的建設(shè)提供了數(shù)字支持和技術(shù)支撐。系統(tǒng)登錄主界面如圖3所示[6]，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、總體方案管理、爆破過(guò)程管理、爆破器材管理、爆破監(jiān)測(cè)管理和爆破質(zhì)量檢查管理等功能模塊。

圖3 系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of the system

系統(tǒng)采用自主研制、具有物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸功能的YBJ-III遠(yuǎn)程微型動(dòng)態(tài)記錄儀和無(wú)線通訊協(xié)議，通過(guò)GPRS或3G網(wǎng)絡(luò)將爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至爆破數(shù)字化系統(tǒng)，記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破時(shí)間、設(shè)備號(hào)、各通道振動(dòng)峰值速度、波形圖、傳感器等信息，如圖4所示，記錄了傳感器三軸爆破時(shí)間-速度值，直觀反映現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)波形情況。

圖4 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)波形圖Fig.4 Waveforms for monitoring blasting vibration

爆破作業(yè)申請(qǐng)經(jīng)過(guò)創(chuàng)建、咨詢(xún)及審核通過(guò)、工程部確認(rèn)后即可生成爆破設(shè)計(jì)文檔，用戶可在線打印或?qū)С鯬DF格式，如圖5所示；系統(tǒng)設(shè)置爆破監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)爆破超標(biāo)預(yù)警信息發(fā)送至用戶，各建設(shè)方可通過(guò)手機(jī)及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖爆破效果情況。

圖5 爆破設(shè)計(jì)文檔Fig.5 Blasting design document

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 根據(jù)白鶴灘水電站開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)的項(xiàng)目總體建設(shè)目標(biāo)，初步建立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、總體方案及進(jìn)度管理、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)管理、爆破設(shè)計(jì)及過(guò)程控制、爆破監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)管理、靜態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)管理6個(gè)功能。該系統(tǒng)將以開(kāi)挖施工過(guò)程控制流程為主線，涵蓋地質(zhì)超前預(yù)報(bào)管理、爆破設(shè)計(jì)及過(guò)程控制、爆破監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)管理、靜態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)管理，對(duì)開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程、全方位的控制與管理。

(2) 白鶴灘水電站開(kāi)挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是爆破開(kāi)挖工作向數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、高效率管理層次發(fā)展的一次飛躍，通過(guò)該系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)、穩(wěn)定程度和爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，修正設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化爆破施工工藝，變更爆破施工方法。

[1] 饒小康，羅 熠，姚振和．溪洛渡水電站灌漿網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2014，31(1)：61-65．

[2] 饒小康，王 暉．基于B/S結(jié)構(gòu)的灌漿數(shù)字化系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(2)：79-83．

[3] 余學(xué)農(nóng)，王 路，饒小康．施工管理數(shù)字化體系在大崗山水電站中的運(yùn)行[J]．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(4)：98-102．

[4] 李 喆，譚德寶，張 穗，等．水利工程建設(shè)項(xiàng)目管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2014，31(1)：66-71．

[5] 謝 偉，呂培?。罔F施工監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]．施工技術(shù)，2006，35(4)：87-89．

[6] 吳世勇，陳建康，鄧建輝． 水電工程安全監(jiān)測(cè)與管理[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2009．

(編輯：黃 玲)

Research and Development of Excavation Blasting Digital System forBaihetan Hydropower Station

RAO Xiao-kang，LUO Yi，YAO Zhen-he

(Instrumentation and Automation Department, Yangtze River Scientific Research Institute， Wuhan 430010，China)

Based on the construction specification of blasting in water conservancy projects, combined with the distributed database technology, wireless sensor network technologies and B/S architecture, we established the excavation blasting digital system for Baihetan hydropower station. This blasting sharing information platform has the fundamental characteristics of distributed database storage and wireless sensor network transmission. The main functions of the system include blasting basic data management, overall excavation program management, blasting processes management, blasting equipment management, monitoring and management of blasting, blasting quality inspection management, prewarning of blast monitoring, user rights management and system help files. The system provides digital support and technical support for in-site digital blasting, improving site management and control for blasting excavation.

Baihetan hydropower station；excavation blasting；data preprocessing；wireless sensor network；B/S network structure

2014-07-17；

2014-09-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)(2012BAH10B00)

饒小康(1985-)，男，湖北黃岡人，工程師，碩士，主要從事水利水電工程施工數(shù)字化研究，(電話)18140555722(電子信箱)283139246@qq.com。

10.11988/ckyyb.20140597

2016,33(01):143-146

TV22

A

1001-5485(2016)01-0143-04