巖石試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及處理系統(tǒng)研發(fā)

宗靜，董曉慶

(南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 引 言

近年來，地下空間的開發(fā)利用越來越得到注重，高層、超高層建筑不斷增多，地下商場(chǎng)、隧道、地下車站等地下工程項(xiàng)目也不斷深入地層深處，巖石在工程勘察業(yè)務(wù)中所占的比重越來越大，巖石樣品試驗(yàn)檢測(cè)的效率亟待提高。由于大多數(shù)巖石試驗(yàn)室現(xiàn)有檢測(cè)儀器自動(dòng)化程度較低，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接采集，仍采用傳統(tǒng)的人工記錄—手工錄入計(jì)算工作模式，這種工作模式相對(duì)煩瑣，重復(fù)勞動(dòng)，且人為干擾因素較多，影響測(cè)試精度和報(bào)告時(shí)效性[1]。因此，通過信息化手段提升檢測(cè)效率及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性就成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)試驗(yàn)室建設(shè)工作的重要環(huán)節(jié)。

針對(duì)傳統(tǒng)巖石試驗(yàn)室工作模式的弊端，通過對(duì)現(xiàn)有儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸功能改造，并建立試驗(yàn)室數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及處理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，試驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)計(jì)算輸出。

2 傳統(tǒng)檢測(cè)儀器的改造設(shè)計(jì)

2.1 巖石試驗(yàn)室主要儀器現(xiàn)狀

物理性質(zhì)測(cè)量設(shè)備主要有：游標(biāo)卡尺和電子天平，這兩種設(shè)備均預(yù)留信息接口，通信接口均為USB。

力學(xué)性質(zhì)(壓力峰值)測(cè)量設(shè)備主要有：200噸YE-2000型電液試驗(yàn)機(jī)(機(jī)械表讀數(shù))、100噸YA-100型電液試驗(yàn)機(jī)(電子讀數(shù))、10噸HDH-1B型點(diǎn)荷載儀(電子讀數(shù))，均不具備數(shù)據(jù)傳輸功能。各測(cè)量參數(shù)相關(guān)設(shè)備性質(zhì)如表1所示。

各測(cè)量參數(shù)相關(guān)設(shè)備性質(zhì)一覽表 表1

2.2 力學(xué)性質(zhì)測(cè)量設(shè)備改造設(shè)計(jì)要點(diǎn)

巖石試驗(yàn)儀器設(shè)備自動(dòng)化改造，包括壓力傳感器、高輸入阻抗模擬信號(hào)測(cè)量單元、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)總線、2.4G無線通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)。將壓力傳感器安裝到壓力機(jī)油箱上，壓力傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過高輸入阻抗模擬信號(hào)測(cè)量單元調(diào)理、整形、放大后送至數(shù)據(jù)采集器中，數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將其按照指定協(xié)議打包傳送到數(shù)據(jù)總線上，2.4G無線通訊設(shè)備通過總線接收到來自總線的特定協(xié)議包后，將數(shù)據(jù)通過2.4頻率無線方式傳送到另一個(gè)2.4G無線通訊設(shè)備，當(dāng)另一個(gè)2.4G無線通訊設(shè)備接收到傳送來的數(shù)據(jù)后，再將試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過USB傳輸方式傳送到電腦終端。

通過分析，YA-100型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)與HDH-1B點(diǎn)荷載儀出廠時(shí)已具備壓力傳感器，輸出信號(hào)均為模擬信號(hào)，改造時(shí)為了不破壞原有設(shè)備的測(cè)量電路，且不影響原有設(shè)備的測(cè)量精度，只需額外增加高輸入阻抗模擬信號(hào)測(cè)量單元，即可進(jìn)行后續(xù)操作。而YE-2000型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)制造時(shí)間久遠(yuǎn)，設(shè)備中并無配備任何電子壓力傳感器，原設(shè)備中并無真正意義上的傳感器，僅僅為壓力變動(dòng)推動(dòng)油表顯示的老式結(jié)構(gòu)，所以要完成此設(shè)備數(shù)字化改造，還需在測(cè)力油缸處增加一電子壓力傳感器(如圖1所示)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力測(cè)量結(jié)果的數(shù)字化。巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)設(shè)備改造系統(tǒng)框架，如圖2所示。

圖1 壓力傳感器

圖2 力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)設(shè)備改造系統(tǒng)圖

3 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)采用C++作為開發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLite。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主模塊和子模塊，系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

各模塊功能介紹如下：

(1)項(xiàng)目管理模塊

項(xiàng)目管理模塊用于對(duì)原始數(shù)據(jù)、原始記錄數(shù)據(jù)處理、生成報(bào)告的目錄及相關(guān)文件的管理，提高項(xiàng)目各文件管理的清晰度。項(xiàng)目管理模塊界面如圖4所示。

圖4 項(xiàng)目管理模塊界面

(2)原始數(shù)據(jù)生成模塊

原始數(shù)據(jù)生成模塊連接系統(tǒng)與各試驗(yàn)設(shè)備(天平、卡尺、壓力機(jī)等)，是試驗(yàn)人員進(jìn)行巖石試驗(yàn)和試驗(yàn)儀器控制的橋梁。原始數(shù)據(jù)生成模塊是巖石試驗(yàn)室工作模式改變的關(guān)鍵內(nèi)容。巖石試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)生成模塊主要包括四個(gè)部分：接口適配器、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送。接口適配器是巖石試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備與計(jì)算機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)信息傳遞的樞紐。當(dāng)具體設(shè)備連接時(shí)，通過調(diào)用事先建立好的通信方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工作[2]。設(shè)備管理是用來實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)、天平、卡尺等試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備在系統(tǒng)內(nèi)的注冊(cè)和管理。數(shù)據(jù)采集子模塊是原始數(shù)據(jù)生成模塊的主要功能部分，通過與接口適配器的協(xié)作可完成巖石樣品質(zhì)量、試樣尺寸以及破壞荷載等原始數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)發(fā)送是將原始試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行封裝，然后發(fā)送至原始記錄計(jì)算處理模塊。原始數(shù)據(jù)生成模塊界面如圖5所示。

圖5 原始數(shù)據(jù)生成模塊界面

(3)原始記錄計(jì)算處理模塊

原始記錄計(jì)算處理模塊提供對(duì)原始數(shù)據(jù)生成模塊所產(chǎn)生的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)接口等服務(wù)及功能。原始記錄計(jì)算處理模塊接收到原始數(shù)據(jù)生成模塊發(fā)送過來的試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)包后，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)類型標(biāo)記，從已建立的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)庫(kù)和檢測(cè)方法庫(kù)(根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-2013)建立)中調(diào)用相應(yīng)的處理方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到所需結(jié)果包括塊體密度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、點(diǎn)荷載強(qiáng)度等工程巖體參數(shù)[3]。之后原始記錄計(jì)算處理模塊將按照數(shù)據(jù)需要對(duì)分析的最終結(jié)果進(jìn)行流轉(zhuǎn)，如推送報(bào)告自動(dòng)生成模塊、返回最終結(jié)果到數(shù)據(jù)采集程序的用戶界面、提交原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。數(shù)據(jù)處理界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理界面

(4)報(bào)告自動(dòng)生成模塊

報(bào)告自動(dòng)生成模塊是根據(jù)建立的報(bào)告格式標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)所需報(bào)告格式，檢驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)采集到報(bào)告模板中，并可按指定格式(eg.excel格式)導(dǎo)出成果總表，供用戶使用，如圖7所示。

圖7 成果總表界面

總之，原始數(shù)據(jù)生成模塊屬于巖石試驗(yàn)系統(tǒng)前端，直接與試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備發(fā)生聯(lián)系；原始記錄計(jì)算處理模塊屬于中間層，主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)等功能；報(bào)告自動(dòng)生成模塊屬于系統(tǒng)終端，并提供對(duì)外數(shù)據(jù)查詢分析服務(wù)；項(xiàng)目管理模塊則負(fù)責(zé)不同模塊間的協(xié)調(diào)管理，提高項(xiàng)目管理效率。

以上功能在測(cè)試中運(yùn)行正常，結(jié)果正確。

4 結(jié) 語

巖石試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及處理系統(tǒng)的研發(fā)，不但能避免測(cè)試過程中的重復(fù)勞動(dòng)問題，還能提高測(cè)試精度，縮短測(cè)試時(shí)間，具有以下特色：

(1)采用高效的數(shù)據(jù)同步采集模式替代傳統(tǒng)的手工錄入模式

傳統(tǒng)巖石試驗(yàn)室中，巖石試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集通常采用人工記錄模式。試驗(yàn)結(jié)束后，將人工記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到巖石試驗(yàn)處理程序，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。傳統(tǒng)的工作模式操作煩瑣、人為因素影響大，成為巖石試驗(yàn)室工作效率的瓶頸。研究成果將巖石試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺(tái)與試驗(yàn)儀器直接相連，采用高效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)任務(wù)分配、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算、試驗(yàn)結(jié)論判定、成果報(bào)告生成等巖石試驗(yàn)檢測(cè)核心環(huán)節(jié)的全程自動(dòng)化。

(2)無線傳輸技術(shù)

高效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使不同試驗(yàn)儀器檢測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。通過無線傳輸技術(shù)，解決了試驗(yàn)儀器跨區(qū)域布置問題，從而使多區(qū)域和多個(gè)試驗(yàn)室擴(kuò)展的分布式試驗(yàn)室管理體系得以實(shí)現(xiàn)。

(3)儀器改造通用性強(qiáng)。

傳統(tǒng)的巖石試驗(yàn)儀器本身不具備數(shù)據(jù)傳輸功能，采用該方式可以對(duì)大多數(shù)現(xiàn)有試驗(yàn)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸改造；所研發(fā)的巖石試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)在實(shí)施過程中可適用多種品牌的試驗(yàn)檢測(cè)儀器，具有很好的兼容性和適用性。

(4)實(shí)現(xiàn)無紙化巖石試驗(yàn)檢測(cè)

巖石試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及處理系統(tǒng)的建立，從根本上解決了傳統(tǒng)巖石試驗(yàn)室工作模式下紙質(zhì)記錄及歸檔問題。極大提高了工作效率的同時(shí)，也節(jié)省了試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)資料歸檔的空間成本。