一种基于无线通讯的隧道爆破震动测试系统及方法与流程

本发明涉及一种基于无线通讯的隧道爆破震动测试系统及方法。

背景技术：

爆破是隧道开挖的主要施工手段，广泛应用于隧道掘进、边坡整治、建筑物拆除、爆破筑堤等领域。工程爆破的危害主要是爆破所引起的震动，随着我国城市化进程的推进，很多工程爆破点周边有较多的城镇基础设施、居民区等，如不能合理评价爆破震动影响，则很有可能造成邻近的建筑物开裂、破坏等，甚至造成人员和财产损失。爆破震动危害，与飞石、冲击波、粉尘等爆破危害比较，具有影响范围大且较难控制的特点。工程爆破产生较强振动时，将对生态环境带来不可挽回的破坏，尤其在大断面隧道施工中，由于一次起爆量较大，爆破产生的振动很难控制，研究爆破地震波在岩体中的衰减规律，采用合理的爆破参数，最大限度降低爆破振动对岩体稳定性的影响，则显得极为重要，因此进行施工现场爆破震动监测工作非常必要。

现有的隧道爆破震动测试系统中，在对隧道进行爆破测试时，一般都是在施工现场设置测振仪参数，待爆破完成后将测振仪带回数据处理中心，将测振仪内数据传输至计算机，而后进行数据分析与处理，无法实现监测数据的实时分析与处理，且无法及时根据监测结果对突发事件进行预警，不能有效指导现场施工。

目前隧道爆破震动监测系统大多利用以太网络进行数据的有线传输，存在着成本高、综合布线复杂等实际工程问题，限制了隧道爆破震动监测系统的发展前景。隧道施工现场布设多个传感器，将产生复杂的多元信息数据的采集与传输。对这些错综复杂的数据进行处理和分析既需要处理能力很强的电脑处理硬件系统，又需要能够实时地处理分析和预测报警的软件系统，这些是目前隧道爆破震动振动监测系统存在的关键性问题。隧道现场施工环境较差，空间有限，无法安装体积庞大的计算机系统，而单片机等嵌入式系统无法处理复杂的多元信息。且通常的数据传输系统传输距离有限，监测数据突破空间限制及时地传递到隧道外的公网服务器数据中心还是个有待解决的问题。

一般的用于隧道爆破震动监测系统只能在现场采集数据，将数据通过有线传输等方式传输到公网服务器数据中心进行分析处理，无法实现数据传输的实时处理与分析，在分析方法和预警能力方面存在很大的局限性。隧道现场爆破震动监测仪器布置的空间受到限制不允许布设过长的有线线缆，一般只能采用单片机性质的微处理器和较短线缆，不易实现复杂多元信息的复杂的融合处理及分析运算及数据远距离传输。在数据的采集、分析预测和报警处理过程中，需要突破隧道现场到隧道外公网服务器数据中心的距离限制。研发能够实时进行多元信息的自动监测、并能够快速进行多元信息融合处理与分析、具有超远距离和超前预测功能的隧道爆破震动监测系统，具有重要的经济意义和社会意义。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。建立基于ZigBee技术的无线数据传输系统则可以较好的解决上述问题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于无线通讯的隧道爆破震动测试系统及方法，本发明既保证了数据传输的准确可靠性，又实现了数据分析处理的实时性，同时实现了超限报警的功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无线通讯的隧道爆破震动测试系统，包括无线网络测振仪、三向振动速度传感器、无线通讯站和数据中心，其中：

所述无线网络测振仪有多个，采集隧道内振动波形，将所测数据通过测振仪自带无线发射装置传输到距离测振仪最近的无线通讯站，并将该波形转换为数字信号通过无线通讯站传输给数据中心进行存储；

所述无线网络测振仪，按照固定测线法的原则布置测点，每条测线上布置多个测点，每个测点处设置一台无线网络测振仪及一个三向振动速度传感器，每个测点的三向振动速度传感器必须布设在同一条测线上，每个测点测试径向、切向和纵向的震动速度。

所述三向振动速度传感器，用于接收震动信号，得到三个坐标轴方向的振动速度分量，计算合速度，反映振动强度的大小，调整三向振动速度传感器的方位使其水平，并使安装箭头指向震源。

每个三向振动速度传感器通过信号线与测振仪进行有线连接，将传感器所采集的振动信号传输至测振仪。

所述无线通讯站有多个，以广播分布模式布设于隧道内，无线通讯站之间通过无线网络连接，与数据中心实现网络连接；

所述数据中心，接收监测数据，对振动波形进行分析，判断振动波速是否超过预定值，如果超度进行报警动作。

所述数据中心的计算机远程控制软件操作界面，通过输入用户名和密码，可在授权范围内执行不同操作，用户可查看相关仪器的运行状态，调整仪器的测振采集参数、查看振动波形图、对波形分析处理、其他文件管理、打印波形等功能。用户可以通过检测结果实时分析所需的结果，如爆破振动大小、触地时间、触地振动大小、倾倒总时间、振动频率等相关参数。

所述无线通讯站均设置有无线数传模块，各个无线通讯站通过无线数传模块建立各自的ZigBee无线通讯网络平台。

所述ZigBee无线通讯网络平台中的每个ZigBee网络节点既可以作为监控对象，通过与其连接的传感器直接进行数据采集和监控，又可以中转别的网络节点传输而来的监测数据。

所述数据中心支持终端访问与连接，设置有预警模块，所述预警模块支持短信报警。

所述无线网络测振仪的布设按照固定测线法的原则布置，每个测点的震动测试传感器必须布设在同一条测线上。

所述传感器布设时其偏差应不超过0.2m，测点位置并非按照等间距布设，而是按照等对数距离排列。

所述无线网络测振仪的布设的测点按照等对数距离排列。

所述三向振动速度传感器布设于每个测点，测试径向、切向和纵向的震动速度。

基于上述系统的工作方法，测试前在爆破现场的测点安装固定三向振动速度传感器后，打开电源离开现场，在隧道外通过控制远程完成参数设置并启动自动采集模式，爆破发生时自动采集振动数据，待数据采集完成后，将所测数据通过仪器自带无线发射装置传输到距离测振仪最近的无线通讯站，各无线通讯站之间通过无线传输ZigBee技术实现网络连接，将现场监测数据顺利的传输到位于隧道外的数据中心，数据中心对数据进行分析处理后，根据分析处理后的数据达到或者超过预设的报警振速时进行报警。

按照固定测线法的原则布置测点，每个测点的震动测试传感器必须布设在同一条测线上，每条测线上布置多个测点，测点位置并非按照等间距布设，而是按照等对数距离排列。

布设三向振动速度传感器时与划定的测点位置的偏差应不超过0.2m。

本发明的有益效果为：

1)本发明减少了现场的通讯线缆和对现场处理能力的要求，从而使施工现场部分的采集-发射-传输-分析处理-超限预警等形成一个完整有效的系统；

2)施工现场采用ZigBee无线数据传输技术，可以全面地将现场采集数据顺利地传到远距离的公网服务器数据中心，分析的结果通过短信报警，提高了报警的针对性、灵活性和可靠性，突破了空间距离的限制。

3)本发明使相关人员不必直接接触复杂危险的围岩现场，在隧道外安全地获得爆破震动信息，并实时地对现场施工进行反馈和指导。

4)本发明设计合理、操作简单、成本低廉；符合经济性和实用性原则。

附图说明

图1为本发明所述系统的流程图；

图2为本发明的一个实施例示意图；

图3为本发明测振仪传感器布置图；

其中1无线网络测振仪；2三向振动速度传感；3手机客户端；4无线通讯站；5公网服务器数据中心。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：一种基于无线通讯的隧道爆破震动测试系统及方法，其操作方法包括以下几步：本发明通过公网服务器数据中心的远程计算机完成参数设置并启动自动采集模式，仪器进入工作状态。现场爆破开始后，爆破震动信号传至三向振动速度传感器，测振仪自动记录下整个振动波形，并将该波形转换为数字信号存储。测试人员在远离爆破现场处通过公网服务器数据中心终端测控软件即可控制测振仪参数的改变、数据的采集，同时可控制测试系统将所测数据通过无线通讯网络传回位于隧道外公网服务器数据中心。数据传回后，公网服务器数据中心计算机对数据进行分析处理，实现实时监控系统工作状态，系统根据分析处理后的数据达到或者超过预设的报警振速时向设置接收的手机客户端发送预警信息，实现该系统的报警功能。

如图2所示：一种基于无线通讯的隧道爆破震动测试系统及方法，主要包括无线网络测振仪；三向振动速度传感器；手机客户端；无线通讯站；公网服务器数据中心。隧道通讯管理站包括以广播分布模式布置的多个无线通讯站，相邻的无线通讯站的间距为75-100米，无线通讯站之间通过无线网络连接，无线通讯站最终与隧道外的公网服务器数据中心实现网络连接。各个无线通讯站均设置有无线数传模块，通过无线数传模块建立各自的ZigBee无线通讯网络平台，每个ZigBee网络节点既可以作为监控对象，通过与其连接的传感器直接进行数据采集和监控，又可以中转别的网络节点传输而来的监测数据。三向振动速度传感器可同时监测出三个坐标轴上的振动速度分量，能方便准确的求出合速度，更准确的反映振动强度的大小。无线网络测振仪可在现场显示爆破震动特征值及完整的振动波形，操作者可在远离爆破现场处通过公网服务器数据中心的终端软件远程控制仪器读取数据并控制该系统，将所采集数据通过无线通讯网络传输回远程公网服务器数据中心，实时监控系统工作状态，公网服务器数据中心终端软件可对数据进行分析处理形成数据报告和分析报告等监测结果。该系统的预警模块支持短信报警，在测试过程中制定合理的报警机制，系统根据分析处理后的数据达到或者超过预设的报警振速时向设置接收的手机客户端发送预警信息，实现该系统的报警功能；该系统运行稳定，故障率低。

该系统所使用的无线网络测振仪现场设置快速简便，操作简单，界面清晰，内置大容量可充电电池，一次充电可连续使用48小时以上，其充电系统采用非接触充电方式，内置拾电器与变压器，当电量不足时拾电器以电磁感应方式接受电缆的电能，经过变压器转换为相应的电压等级为测振仪充电。

所述的测振仪具有8G存储器，读写和传输快速可靠，可将从传感器接收的数据准确存储。

如图3所示：按照固定测线法的原则布置测点，每个测点的震动测试传感器必须布设在同一条测线上，每条测线上布置5个测点，传感器布设时其偏差应不超过0.2m，测点位置并非按照等间距布设，而是按照等对数距离排列，每个测点测试径向、切向和纵向的震动速度。

本发明大大减小了对现场采集处理数据能力的要求，通过无线通讯技术，减少了现场的通讯线缆，采用多个无线通讯站进行数据传输，减小了测试系统的成本。该系统预警模块提高了超限报警的针对性、灵活性和可靠性，实现了对爆破震动测试的实时监控。该系统使得相关工作人员在不直接接触危险的爆破现场的情况下，在隧道外公网服务器数据中心即可安全的获得测试结果，有效的保证了工作人员的生命安全。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。