爆破振动危害智能监测系统研究进展.pdf

第4 6 卷第3 期爆破器材 V 0 1 ．4 6N o ．3 2 0 1 7 年6 月E x p l o s i v eM a t e r i a l s J n n ．2 0 1 7 一 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 7 ．0 3 ．0 1 1 爆破振动危害智能监测系统研究进展米 钟明寿①谢全民②刘影①潘鲁萍②谢兴博① ①解放军理工大学 江苏南京，2 1 0 0 0 7 ②武汉军械士官学校 湖北武汉，4 3 0 0 7 5 『摘要]随着互联网的发展，国内外在爆破振动监测技术研究领域取得了突破性的发展。近年来，数字爆破测 振已成为了工程爆破领域内的研究热点。对国内外工程爆破振动危害远程监测系统的研究进展进行了综述；在分 析讨论该领域阶段性研究成果的基础上，提出下一步爆破振动远程智能监测系统研究的合理化建议，为促进数字 爆破的发展提供参考。 [ 关键词]数字爆破；爆破振动；数字爆破测振 『分类号] T D 2 3 5 ．1 4 R e s e a r c hP r o g r e s so fI n t e l l i g e n tM o n i t o r i n gS y s t e mf o rB l a s t i n gV i b r a t i o nD a m a g e Z H O N GM i n g s h o u ①，X I EQ u a n m i n ②，L I UY i n g ①，P A NL u p i n g ②，X I EX i “g b o ① ①U n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g yo fP L A J i a n g s uN a n g ，2 1 0 0 0 7 W u h a nO r d n a n c eN ．C ．O ．A c a d e m yo fP L A H u b e iW u h a n ，4 3 0 0 7 5 [ A B S T R A C T ] W i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，ab r e a k t h r o u g ho fr e s e a r c hp r o g r e s sc a nb eo b s e r v e di nd i g i t a lb l a s t i n g v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ．I nr e c e n ty e a r s ．t h er e s e a r c ho nd i g i t a lb l a s t i n gv i b r a t i o nm e a s u r e m e n th a sb e c o m eah o t s p o ti nt h e f i e l do fe n g i n e e r i n gb l a s t i n g ．R e s e a r c hp r o g r e s si nh a z a r dr e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n dp l a t f o r mo fd o m e s t i ce n g i n e e r i n g v i b r a t i o nw a ss m m n a r i z e d ．B a s e do nt h ea n a l y s i so fc u r r e n td i g i t a lb l a s t i n gv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，r e a s o n a b l es u g g e s t i o n s f o rt h er e s e a r c ho fr e m o t ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mf o rb l a s t i n gv i b r a t i o nw e r ep r o p o s e d ．T h e s er e s u l t sc o u l dp r o v i d e r e f e r e n c e sf o rp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lb l a s t i n g ． [ K E Y W O R D S ] d i g i t a lb l a s t i n g ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；d i g i t a lb l a s t i n gv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t 引言 工程爆破中，减小和控制爆破振动对爆破安全 具有重要意义。爆破测振技术和手段研究是控制爆 破振动危害的基础和前提[ 1 。3 I 。 目前，国内爆破企业采用的测振设备种类、型号 繁多．且部分设备出厂后未进行定期校准，工程爆破 领域中缺乏统一的测振标准和规范，各企业中从事 爆破振动测试及数据分析的技术人员水平参差不 齐。上述问题的客观存在，造成了爆破测振数据的 可比性、共享性差4 I ，也制约了工程爆破向数字化、 精细化方向的发展。 近年来，随着计算机、互联网、通信及传感器技 术的快速发展，现代测试系统逐渐以计算机和信息 处理技术为核心，向智能化方向发展[ 1 5 ’1 7 I 。因此， 在当前数字爆破的热点研究领域中，将爆破安全与 信息技术研究进行有效融合，构建爆破振动危害效 应的远程监测系统成为可能[ 18 I 。许多科研工作者 及爆破技术人员在爆破振动智能监测及数据分析方 面已做了大量有意义的探索和尝试1 1 9 。2 0 I 。 1国外爆破振动危害智能监测系统 随着数字技术、互联网技术、大数据、云计算、物 联网等技术的发展，现在测振仪向数字化、网络化、 粜收稿日期2 0 1 6 - 1 1 - 0 3 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 3 0 4 2 1 8 ；国家自然科学基金项目 5 1 5 0 8 5 6 9 ；江苏省自然科学基金面上项目 B K 2 0 1 5 1 4 4 9 作者简介钟明寿 1 9 8 3 一 ，男，博士，讲师，从事爆破器材理论及应用研究。E - m a i l z h o n g m i n g s h o u s i n aC O n l 通信作者谢全民 1 9 8 3 一 ，男，博士，讲师，从事弹药工程及工程爆破研究。E - m a i l 1 3 7 9 7 0 0 6 9 9 6 1 3 9 ．c o r n 万方数据 爆破器材 第4 6 卷第3 期 便携式、多功能等方向发展，如加拿大I n s t a n t e l 公司 生产的B l a s t m a t eI I I 型振动检测仪。在该型测振仪 基础上，加拿大又研制了M i n i m a t e 型振动和过压监 测仪。M i n i m a t eP R 0 4 可以连接1 个I S E E 标准或 D I N 标准三向检波器和1 个I S E E 标准线性麦克风。 在美国。E G G 公司研制了S t r a t a v i e wT M 型高分 辨率振动仪；怀特地震工业公司生产了M i n i ．S e i s 测 振仪4 I 。M i n i ．S e i s 测振仪具有1 个声通道和3 个 爆破振动信号通道，最多可储存3 4 1 个记录，可测得 最低振动速度值为0 ．3m m ／s 。 2国内爆破振动危害智能监测系统 2 ．1 长科院的基于物联网的爆破振动无线监测系 统 长江科学院2 0 1 2 年基于物联网及无线网络技 术研制的无线爆破振动监测系统[ 2 1 。22 1 ，如图1 所 示。该系统主要由检波器、爆破记录仪、中央服务器 和终端监测管理系统组成。其中，爆破记录仪包含 了无线传输、无线射频识别 R F I D 、全球定位系统 G P S 等功能，能够对检波器采集得到的多路信号 进行并行收集和数据分析处理。 在工程爆破振动测试中，由检波器将采集到的 质点振动信号转换为电信号，并经数据线传输至爆 破记录仪。实测数据经爆破记录仪中的无线模块传 输至中央服务器后进行统一管理和存储。用户通过 互联网登录终端监测管理系统，即可获取到爆破现 场的振动实测数据[ 22 | 。 2 ．2中科测控的爆破振动测振仪 2 0 1 1 年6 月，中科测控研制了T C - 4 8 5 0 低频宽 带爆破测振仪。在数千千米的井下、矿山、隧道等无 人值守的恶劣现场，该型测振仪能够自动将测试数 据经W i F i 或直接搭载手机信号登录互联网，实现对 仪器远程遥感、遥测、遥控和高速网络数据的可靠传 输㈣。 2 ．3 铁科院的爆破振动远程监测系统 铁科院2 0 1 2 年提出了基于T C - 4 8 5 0 N 无线网络 测振仪的远程爆破振动监测系统[ 2 引。该系统由速 度传感器、T C - 4 8 5 0 N 无线网络测振仪及专用数据服 务器等组成，通过内置的3 G 网络设备可将采集到 的实测数据上传至专用的大型服务器内。对于井下 或隧道深处等无手机信号的地方，先经内置的W i F i 模块将数据上传至有3 G 信号的地方，再通过专用 的V P N 通道传输，确保数据的安全性。用户通过开 发的配套软件，可读取现场测试数据[ 2 4 ] 。该设备还 可以远程控制仪器进行远程开关机、参数设置等，可 用于井下或地铁开挖工程等爆破振动监测项目。 系统示意图如图2 所示。 2 ．4 华南理工大学的爆破测振信息管理系统 2 0 11 年，华南理工大学研究开发了爆破振动信 号特征捕捉性采集技术。将现有的爆破测振机理、测 振数据资源和各种测振仪器与计算机领域的网格技 术、并行计算技术有效融合，研发了远程智能化监测 系统[ 1 5 - 1 9 ] 。该系统包含测振数据中心、测振网格及 薰一 圆三l 卧一s ㈧ 压瑟西习J爆破记录仪1 ／／／／／ _ ；；| 一 ≮碜。茜巨虱＼ ．_ ． f 检波器以y磔傲记累仪∥／／ 照器 翌系统 图1无线监测系统原理示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m 黻 万方数据 2 0 1 7 年6 月 爆破振动危害智能监测系统研究进展钟明寿，等 5 9 ‘臼孓， ‘目’L ‘目’L ．‘翩k K 舶5 叭吣黟，徐 赢≤霈甚分静季～ 图2 爆破振动远程监测系统示意图 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo fr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rb l a s t i n gv i b r a t i o n 数字爆破档案馆等。其中．测振数据中心接收并储 存传感器采集到的现场振动测试数据及测振网格的 数据处理结果；测振网格负责并行地处理测振得到 的海量数据；数字爆破档案馆主要用于储存现场测 振信息及企业的数字设备信息。该测振平台还提供 了数字档案馆的门户网站、端口软件系统及专家软 件系统。 管理系统的操作界面和体系架构分别如图3 、 图4 所示。 2 ．5 解放军理工大学的爆破振动预报与控制平台 2 0 1 0 年。解放军理工大学工程兵工程学院建立 了一种爆破振动预报与控制平台。该平台包含工程 信息采集功能、重要度分析功能、预报模型功能、信 号分析功能、模态分析功能等5 个模块，可用于军事 工程、交通 铁路、地铁、隧道 、水利、核电、矿山等 工程爆破施工的振动安全控制[ 25 I 。 该平台中大量采用了数字信号分析领域中的新 算法。如，在重要度分析模块中采用了灰色关联法 及粗糙集改进算法，分析主要的爆源参数对爆破振 动参量的重要度；预报模型模块中采用了基于萨道 夫斯基公式的拟合算法及支持向量机改进算法．实 爆破测振信息管理系统 矗毫翟譬 图3 爆破测振信息管理系统界面 F i g ．3O p e r a t i o ni n t e r f a c eo fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mf o rb l a s t i n gv i b r a t i o n 图4 爆破测振信息管理系统体系架构 F i g ．4 A r c h i t e c t u r eo fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mf o rb l a s t i n gv i b r a t i o n 现对爆破振动强度、主频和持续时间的预报；信号分 析模块中采用了H H T [ 26 I 、F F T 等实现对爆破振动测 试信号的时频特征的全面分析。该平台中所引入的 丰富多样的数字信号分析算法[ 2 7 _ 2 8 ] ，有助于更加精 确、完整地提取爆破振动测试信号中蕴含的丰富的 细节特征信息，同时为爆破振动智能监测系统的构 建提供了核心技术支撑。平台的电脑操作界面如 图5 。 图5爆破振动预报与控制平台操作界面 F i g ．5 O p e r a t i o ni n t e r f a c eo fp r e d i c t i o na n dc o n t r o l p l a t f o r mf o rb l a s t i n gv i b r a t i o n 2 ．6 中爆数字的工程爆破振动远程测振系统 广州中爆数字信息科技股份有限公司依托中国 爆破网构建了工程爆破远程测振系统[ 2 9 - 3 0 ] 。该系 统包含了工程爆破企业信息和i 贝0 振仪器设备备案管 万方数据 6 0 爆破器材第4 6 卷第3 期 理、测振任务信息管理、测振数据分析、振速预测、安 全评估预测、测振报告管理和编写、各种信息查询等 多个功能模块。 图6 为该系统的网络拓朴图。远程测振系统采 用经典的傅里叶算法对测振数据进行幅频特性分 析、功率谱分析、时频能量特征分析及矢量合成。在 数据分析功能选择界面 图7 ，用户可根据需要选 择对应功能模块进行相应数据的自动分析。该系统 可读取上传至测振中心的当前国内外主要测振仪的 测试数据。并将不同企业测振数据格式转换为统一 的数据格式_ l4 | 。 智能传感器 校准 瞬态信号校准仪 囊曩藤嚣心讳幛 振校准标定中心- ■_ 一 ，中矗磊破 备篓 ＼中垦王程爆破 ＼远程测振中心 豳 移动串画爆破网 罔6 远程测振系统网络拓朴图 F i g ．6 N e t w o r kt o p o l o g yo ft h er e m o t ev i b r o m e l e iS ．V S i e n l 图7 数据分析功能选择界面 F i g ．7 S e l e c t i o ni n t e r f a c eo fd a t aa n a l y s i s 2 ．7 托普测控的工程爆破3 G 遥测云系统 托普测控科技有限公司基于3 G 、I n t e r n e t 等现 代通讯技术和数据传输网络，利用该公司近年来研 发的新一代智能爆破测振仪N u b o x ．6 0 1 6 、N u b o x ． 8 0 1 6 ．同工业级3 G 网关等一起构建了基于3 G 无线 网络的工程爆破遥测系统。面向用户提供了一个城 际或省际间较为全面的多点工程爆破振动3 G 遥测 解决方案及云端数据管理基础服务。用户可足不出 户。在办公室远程查看爆破现场的振动测试数据。 图8 为该系统示意图。 酽网关 测振仪 s G ‰ 测振仪 器 辘矮琴尊麓蹇 A D S L 外网 掣奢 3 比较与讨论 2 0 0 9 年初．中国工程爆破协会在工程爆破行业 冁i 愀蒸 盈 日 击 万方数据 2 0 1 7 年6 月 爆破振动危害智能监测系统研究进展钟明寿，等 6 1 图1 0L 2 0 型爆破测振仪 F i g ．1 0 L 2 0b l a s t i n gv i b r a t i o nm e a s u r i n gi n s t r m n e n t “十二五”发展规划中提出了“数字爆破”发展理 念。3 1 。3 2 ] ，对爆破测振研究工作提出了“数字测振”的 新要求。在G B 6 7 2 2 - - 2 0 1 4 爆破安全规程中也明确 提出对D 级以上爆破工程须进行爆破振动危害效 应的测试，且测试结果需输人中国爆破网信息系统 长期保存。因此．基于数字化、信息化技术条件下的 工程爆破测振及数据分析处理面临许多新的亟待解 决的关键技术问题- 30 I 。 至今，工程爆破行业尚未建立适用于爆破振动 测试工作的技术规范。不同单位选用的测振系统可 能不同，传感器现场设置方式不尽相同．测试数据的 后期处理方法各异，最终得到的测振报告内容及格 式也五花／＼l q 。为改善当前现状，工程爆破领域内 涌现出上述多家具有代表性的单位。它们基于“数 字爆破”、“数字测振”理念率先开展了工程爆破振 动危害远程智能监测系统的研发工作。取得的研究 成果正逐步在工程爆破行业内推广应用。 从一体化设计方面进行分析长科院率先将 R F I D 、G P S 引入到爆破记录仪中[ 22 I 。中爆公司的网 络测振仪采用了传感器与记录仪一体化设计。 从测振数据传输方式分析T C - 4 8 5 0 N 、长科院 的爆破振动无线监测系统、铁科院的爆破振动远程 监测系统、托普测控的工程爆破3 G 遥测云系统、西 南交大的L 2 0 型爆破测振仪等爆破振动危害智能监 测系统均基于内置的3 G 模块或3 G 网络设备，实现 测振数据由数据采集仪上传至专用的服务器中。成 都泰测的B l a s t ．N e t 型爆破测振仪搭配了三网通的 4 G 模块，实现了测试数据的更高速传输。 从测振系统数字化先进性方面分析华南理工 大学开发的爆破测振信息管理系统，将爆破记录仪 采集到的爆破振动数据传输至专用服务器，并且充 分考虑到面向工程爆破行业的数字测振系统需要解 决的海量数据分析问题。引入的测振网格技术较好 地解决了测振数据高速储存、并行计算和智能处理 等关键技术问题。在数字化方面较其他单位的研究 成果取得了明显的进步[ 16 I 。广州中爆数字信息科 技股份有限公司开发了中爆网络测振仪；振动传感 器在现场设置简单，无线组网，方便快捷；建立的工 程爆破远程测振系统，能够实现对工程爆破振动的 远程采集、数据存储、智能检索、数据特征深度挖掘 等功能，且数据对外提供查询和下载服务，能够有力 地促进工程爆破理论研究的进步。同时对工程爆破 行业向数字化、精细化方向发展也奠定了良好的基 础。比较而言，广州中爆数字信息科技股份有限公 司开发的远程测振系统比华南理工大学开发的爆破 测振信息管理系统在数据压缩算法和传输效率上具 有更明显的优势。 从测振数据分析算法方面分析解放军理工大 学开发了爆破振动预报与控制平台，将近年来数字 信号分析领域中的H H T 、F F T 等时频分析新算法引 入到工程爆破振动信号特征分析中来，在爆破振动 信号分析手段方面起到了引领示范作用。在爆破振 动预报方面采用支持向量机改进算法_ ’8 | ，可同时实 现对爆破振动强度、主频和持续时间3 要素的预报， 且精度已满足工程应用要求。另外，其模态分析功 能能够针对不同的建 构 筑物计算出固有频率及 阻尼比。上述两项功能的开发，对爆破振动预报及 控制起到重要的作用，具有工程推广应用价值。广 州中爆数字信息科技股份有限公司开发的远程测振 系统也将第二代提升小波算法引入到爆破振动测试 数据分析中．提高了测试数据特征分析的精度。相 比较而言，国内其他企业研制开发的测振系统在爆 破振动预报方面仅停留在萨道夫斯基公式方面；在 数据分析算法方面大多仍停留于快速傅里叶变换。 综上可见，随着传感器技术[ 3 } 3 4 ] 、计算机技 术‘3 5 - 3 6 ] 、互联网技术[ 3 7 - 3 8 ] 、数字信号分析技术[ 3 9 - 5 0 ] 等相关学科的飞速发展，数字爆破测振研究工作在 近年来已取得了突飞猛进的进步。 4 结论与展望 下一步。数字爆破测振工作必将向着更为规范、 精细、科学、智能的方向发展。为提高爆破振动危害 远程智能监测系统的应用范围，增强实用性。建议今 后爆破振动危害远程智能监测产品研发及系统升级 等过程中关注 1 广泛融人数字信号分析新算法。传统算法 的分析精度和功能．已不能满足爆破测振信号分析 过程中精细化、数字化等要求。因此，建议在新研发 的智能监测系统或现有测振产品升级过程中引入适 合爆破振动信号预处理、特征提取、数据挖掘的数字 万方数据 6 2 爆破器材 第4 6 卷第3 期 信号分析方法，丰富系统中爆破振动测试信号的信 号分析功能，为爆破振动危害效应控制提供更有效、 精确的数据基础。 2 测振数据特征的深度挖掘。工程爆破振动 现场测试信号中蕴含着关于爆源结构、传播场地介 质特征、结构动态响应等丰富的特征信息，需要更多 的科研工作者基于爆破振动智能监测系统获取到的 海量测振数据，进一步深入研究数据特征的挖掘算 法，从爆破测振数据中获取更多有效信息。 3 数据采集仪、传感器等的精度将直接影响测 试数据的精度．爆破振动监测设备的定期校核对测 振数据的准确性具有重要意义，应尽快在全国工程 爆破行业内建立定期标定或校核的相关机制和技术 手段。 4 测振数据共享性应进一步加强。工程爆破 测振行业内的相关资料及数据应进一步加强数字 化，充分发挥大数据技术优势，提高测振数据的共享 性，更好地为工程爆破技术及相关科研工作服务。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 谢全民，龙源，钟明寿，等．小波包与分形组合技术在 爆破振动信号分析中的应用研究『J ] ．振动与冲击， 2 0 1 1 ，3 0 1 1 1 1 5 ． X I EQM ，L O N GY ，Z H O N GMS ，e ta 1 ．A p p l i c a t i o no f w a v e l e tp a c k e ta n df r a c t a lc o m b i n a t i o nt e c h n o l o g yi nb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i s [ J ] ．J o u n a lo fV i b r a t i o na n d S h o c k ，2 0 1 1 ，3 0 1 1 1 - 1 5 ． G H O S HA ．D A E M E NJJK ．As i m p l en e wb l a s tv i b r a t i o np r e d i c t o r b a s e do nw a v ep r o p a g a t i o nl a w s [ C ] ／／ 2 4 t hU ．S ．S y m p o s i u mo nR o c kM e c h a n i c s ．T e x a s ，1 9 8 3 ． 龙源，冯长根，徐全军，等．爆破地震波在岩石介质中 传播特性与数值计算研究[ J ] ．工程爆破，2 0 0 0 ，6 3 1 7 ． L O N GY ，F E N GCG ，X UQJ ，e ta 1 ．S t u d yo np r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb l a s t i n gs e i s m i cw a v e si nar o c k m e d i u ma n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n g B l a s t i n g ，2 0 0 0 ，6 3 1 - 7 ． 张雪亮，黄树棠．爆破地震效应[ M ] ．北京地震出版 社．1 9 8 1 ． 林大超，施惠基，白春华，等．爆炸地震效应的时频分 析[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 3 ，2 3 1 3 1 3 6 ． L I NDC ，S H IHJ ，B A ICH ，e ta 1 ．T i m e f r e q u e n c y a n a l y s i so fe x p l o s i o ns e i s m i ce f f e c t s [ J ] ．E x p l o s i o na n d S h o c kW a v e s ，2 0 0 3 ，2 3 1 3 1 3 6 ． 李洪涛，舒大强．爆破震动衰减规律的影响因素[ J ] ． 武汉大学学报 工学版 ，2 0 0 5 ，3 8 1 7 9 ．8 2 ． [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] L IHT ．S H UD Q ．I n f u e n t i a lf a c t o r sa n a l y s i so fb l a s t i n g v i b r a t i o na t t e n u a t i o nl a w [ J ] ．E n g i n e e r i n gJ o u r n a lo fW u h a nU n i v e r s i t y ，2 0 0 5 ，3 8 1 7 9 8 2 ． 徐全军，毛致远，吴腾芳．爆破震动预报与控制综述 [ J ] ．爆破器材，1 9 9 7 ，2 6 1 2 9 3 1 ． X UQJ ．M A OZY ．W UTF ．Ar e v i e wo fp r e d i c t i o na n d c o n t r o lo fg r o u n dv i b r a i o nf r o mb l a s t i n g [ J ] ．E x p l o s i v e M a t e r i a l s ，1 9 9 7 ，2 6 1 2 9 3 1 ． 马建军，程良奎，蔡路军．爆破应力波的传播及其远区 破坏效应研究现状述评[ J ] ．爆破，2 0 0 5 ，2 2 2 1 7 2 1 ．2 6 ． M AJJ ，C H E N GLK 。C A ILJ ．P r e s e n ts i t u s t i o no f r e s e a r c ho np r o p a g a t i o no fb l a s t i n gs t r e s sw a v ea n dr o c k f r a g m e n t a t i o no n e f f e c t i nr e m o t ea r e a [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 0 5 ，2 2 2 1 7 - 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