饒小康，羅 熠，姚振和

(長江科學(xué)院 儀器及自動化研究所，武漢 430010)

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白鶴灘水電站開挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)研究與開發(fā)

饒小康，羅 熠，姚振和

(長江科學(xué)院 儀器及自動化研究所，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)庫技術(shù)、無線傳感器網(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)庫存儲方式和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋菩畔⒐蚕砥脚_——白鶴灘水電站開挖爆破數(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)測管理、爆破質(zhì)量檢查管理、爆破監(jiān)測預(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)場爆破開挖管理和控制水平。

白鶴灘水電站；開挖爆破；數(shù)據(jù)預(yù)處理；無線傳感器網(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、改善下游航運條件等綜合利用效益的大型水電站，為在建的中國第二大水電站，也是國家西電東送骨干電源點之一。電站裝機容量約1 600萬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，在進行大壩基礎(chǔ)開挖爆破時，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、規(guī)模大，其爆破開挖施工環(huán)節(jié)復(fù)雜、參建單位多、工程技術(shù)水平高、質(zhì)量要求嚴格、監(jiān)督困難，爆破監(jiān)測數(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爆破設(shè)計、爆破施工、爆破監(jiān)測、爆破控制和爆破評價進行管理和控制，實現(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)開挖討論會議紀要為基礎(chǔ)，參考《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖施工技術(shù)規(guī)范》、《水電水利工程爆破安全監(jiān)測規(guī)程》等技術(shù)規(guī)范，應(yīng)用現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù)、B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式開發(fā)一套開挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)，實現(xiàn)爆破開挖規(guī)范科學(xué)、有效的管理和精細化爆破[1]。

2 開挖爆破數(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，資料分析時應(yīng)先對其進行合理的數(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)評判準則對實測資料進行突變值識別、趨勢性變化識別和異常值識別，并將無異常的數(shù)據(jù)存入整編數(shù)據(jù)庫，為下一步的數(shù)據(jù)分析提供可靠數(shù)據(jù)源。開挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)采用t檢驗法對爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。t檢驗法采用臨界值K作為判定異常值的標(biāo)準，即若K大于顯著水平α(一般為0.001或0.005)下的t檢驗臨界值K(n,α)，則其為異常值[2]。K的表達式為

(1)

該系統(tǒng)在中央服務(wù)器端利用該算法針對無線傳輸網(wǎng)絡(luò)爆破監(jiān)測采集數(shù)據(jù)異常值進行識別處理，再由爆破設(shè)計人員根據(jù)工程設(shè)計資料對爆破監(jiān)測資料進行審核確認，提交至爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。開挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)針對白鶴灘水電站開挖爆破工期長、爆點多、數(shù)據(jù)傳輸快、完整性高等特點，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，將開挖爆點振動沖擊波通過3G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸至中央服務(wù)器，并同時保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和完整性?，F(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 爆破監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)點就是可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺能上網(wǎng)的電腦就能使用，客戶端零安裝、零維護，系統(tǒng)的擴展非常容易。

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，而對客戶端沒有特殊限制，只要有網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可。服務(wù)器通過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大功能，系統(tǒng)維護也就只限于服務(wù)器端。系統(tǒng)可在客戶端電腦、平板電腦、手機上運行，方便用戶隨時隨地進行操作和管理[3]。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

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

(1) 數(shù)據(jù)訪問層：包括開挖爆破系統(tǒng)爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)、爆破安全控制資料庫、爆破設(shè)計資料庫、爆破質(zhì)量標(biāo)準庫、參建方人員信息等。

(2) 業(yè)務(wù)邏輯層：包括開挖爆破系統(tǒng)各種功能，如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、總體方案及進度管理、地質(zhì)超前預(yù)報管理、爆破設(shè)計及過程控制、爆破監(jiān)測及評價管理、靜態(tài)監(jiān)測及評價管理6個功能。

(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、維護、爆破設(shè)計信息提交、導(dǎo)入、導(dǎo)出、數(shù)據(jù)預(yù)覽、成果查詢等。

3.2 功能設(shè)計

白鶴灘水電站開挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)，是一套爆破作業(yè)綜合管理的信息平臺。各職能部門相關(guān)人員通過手機、平板電腦或計算機等終端，在信息管理平臺中進行爆破設(shè)計、爆破施工、爆破監(jiān)測、爆破器材管理、爆破控制、爆破評價等工作，實現(xiàn)爆破作業(yè)流程的信息化、數(shù)字化管理，確保工作各個流程有序落實，達到爆破振動監(jiān)控和管理的實時化和自動化[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)計圖Fig.2 Structure design of overall functions of the system

3.3 系統(tǒng)主要特點

(1) 系統(tǒng)采用數(shù)理統(tǒng)計原理對長時間爆破開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整編，以保證后期數(shù)據(jù)分析的可靠性。

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

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

4 系統(tǒng)開發(fā)

白鶴灘水電站開挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)主要采用開發(fā)工具Microsoft Visiual Studio 2012與數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server 2008結(jié)合來實現(xiàn)。系統(tǒng)在開挖爆破區(qū)域內(nèi)組建無線網(wǎng)絡(luò)對爆破施工進行監(jiān)測，爆破測振資料包括測振時間、機器號、x,y,z軸3個方向波形速度值，如表1所示。

表1 白鶴灘水電站爆破測振資料

目前白鶴灘水電站開挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)在左右岸壩肩開挖爆破中已投入使用，進行施工期爆破安全監(jiān)測和爆破試驗研究，為現(xiàn)場爆破數(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、爆破過程管理、爆破器材管理、爆破監(jiān)測管理和爆破質(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)實時傳輸功能的YBJ-III遠程微型動態(tài)記錄儀和無線通訊協(xié)議，通過GPRS或3G網(wǎng)絡(luò)將爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至爆破數(shù)字化系統(tǒng)，記錄各監(jiān)測點爆破時間、設(shè)備號、各通道振動峰值速度、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間-速度值，直觀反映現(xiàn)場爆破振動波形情況。

圖4 爆破振動監(jiān)測波形圖Fig.4 Waveforms for monitoring blasting vibration

爆破作業(yè)申請經(jīng)過創(chuàng)建、咨詢及審核通過、工程部確認后即可生成爆破設(shè)計文檔，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)測預(yù)警閾值，將現(xiàn)場實時爆破超標(biāo)預(yù)警信息發(fā)送至用戶，各建設(shè)方可通過手機及時了解現(xiàn)場開挖爆破效果情況。

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

5 結(jié) 語

(1) 根據(jù)白鶴灘水電站開挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)的項目總體建設(shè)目標(biāo)，初步建立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、總體方案及進度管理、地質(zhì)超前預(yù)報管理、爆破設(shè)計及過程控制、爆破監(jiān)測及評價管理、靜態(tài)監(jiān)測及評價管理6個功能。該系統(tǒng)將以開挖施工過程控制流程為主線，涵蓋地質(zhì)超前預(yù)報管理、爆破設(shè)計及過程控制、爆破監(jiān)測及評價管理、靜態(tài)監(jiān)測及評價管理，對開挖作業(yè)過程進行全過程、全方位的控制與管理。

(2) 白鶴灘水電站開挖爆破數(shù)字化系統(tǒng)的實現(xiàn)是爆破開挖工作向數(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，通過該系統(tǒng)能夠及時對監(jiān)測對象的狀態(tài)、穩(wěn)定程度和爆破設(shè)計進行分析，修正設(shè)計參數(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]. 長江科學(xué)院院報，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]. 長江科學(xué)院院報，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行[J]．長江科學(xué)院院報，2013，30(4)：98-102．

[4] 李 喆，譚德寶，張 穗，等．水利工程建設(shè)項目管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J]. 長江科學(xué)院院報，2014，31(1)：66-71．

[5] 謝 偉，呂培?。罔F施工監(jiān)測信息系統(tǒng)的設(shè)計與開發(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)測與管理[M]．北京：中國水利水電出版社，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

國家科技支撐計劃專項(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