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范文一：高速公路隧道监控系统的组成与实现
交通运输工程与信息学报 第1卷 第2期 2003年12月 Journal of Transportation Engineering and Information No.2 Vo1.1 Dec.2003
高速公路隧道监控系统的
组成与实现
张杰宏 谭献海
西南交通大学计算机与通信工程学院，四川，成都 610031
摘 要：本文介绍了一个高速公路隧道监控方案的软硬件结构、系统功能及系统的实现过程。该方案采用了现场总线技术和面向对象的组件技术，提高了监控系统软件的复用度和可靠性，因而，该系统的方案具有一定的推广价值。
关键词：高速公路； 隧道监控系统；现场总线；组件技术
中图分类号：Ｕ４５８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－４７４７（２００３）０２－０１０９－０５
Study and Implementation of a Monitor
and Control System in Tunnel on Freeway
ＺＨＡＮＧ Ｊｉｅ－ｈｏｎｇ ＴＡＮ Ｘｉａｎ－ｈａｉ
Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ， ６１００３１， ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｓｃｈｅｄｕｌｅ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ（ＭＣＳＴ） ｉｎ Ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ Ｆｒｅｅｗａｙ， ｗｈｉｃｈ ｂｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｐｏｎｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒｅｕｓｅ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｔｈｅ ＭＣＳＴ＇ｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｉｔｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｌｓｏ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｆｒｅｅｗａｙ，ｔｕｎｎｅｌ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｆｉｅｌｄｂｕｓ，ｐｏｎｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
收稿日期：2003-07-15.
作者简介：张杰宏（1968-），女，四川人，西南交通大学计算机与通信工程学院硕士研究生。
109
交通运输工程与信息学报 2003年 第2期
０ 引 言
高速公路监控系统是高速公路建设的一个关键组成部分。对于高速公路中的隧道系统，由于隧道特殊的通车环境，大部分需建隧道监控系统，以保证隧道内通车的安全畅通[1]。高速公路隧道监控系统的主要设计目标如下：
（1）使管理部门能全面掌握和了解隧道交通、环境和设备运行状态，提高隧道营运的科学管理水平；
（2）预防隧道发生火灾和交通事故；
（3）保证隧道设备的安全运行，确保隧道行车舒适、安全、高效、流畅；
（4）及时发现火灾、交通事故，迅速调度，增强管理部门对隧道交通异常事件的处理能力，把事故造成的损失减至最低；
（5）合理组织交通，防止交通阻塞，减少由于交通阻塞、偶发事故、道路维护、施工及隧道环境对交通的影响，提高流量，增加经济效益；
（6）降低事故严重程度，尽可能避免二次事故的发生；
（7）保证隧道营运高效、节能、低成本，综合提高隧道营运的总体经济效益和社会效益。
本文介绍作者参与设计实施的某高速公路隧道监控系统，该系统融合了现场总线技术及组件技术。
１ 系统结构
重庆上界高速公路是重庆至湛江高速公路的一段。在此路段上，我们设计并实现了隧道监测系统。该高速公路监控系统分为两级：监控中心计算机网络 系统和隧道现场计算机系统，系统结构如图1所示。
监控中心计算机系统构成一个局域网；该局域网与收费系统局域网、监控总中心局域网等通过通信系统构成一个广域网。
监控中心计算机系统采用 C/S 模式，服务器采用双机热备份结构；客户机包括隧道监控工作站、路段监控工作站、视频监控工作站、图形处理工作站、信息管理工作站、通信管理工作站。监控中心局域网外接打印机、光盘刻录机、扫描仪等外围设备，可对大屏幕投影仪、地图板、视频切换矩阵主机等进行控制。
服务器
数据库
主控柜ＬＣＯ
ＬＣ１
ＬＣ１３
隧道监控 路段监控
视频监控 图形处理 信息管理 通信管理
图１ 隧道监控系统结构
监控中心通过一条光缆数据通道与隧道现场计算机连接，隧道现场计算机再与隧道现场监控设备相连。在该通道畅通时，隧道现场计算机与中心控制系
统构成一个局域网，二者之间通过局域网传递信息；为了提高系统的可靠性，再由沿线通信线路在二者之间提供一条低速数据通道。当以太网通道发生故障
110
高速公路隧道监控系统的组成与实现 张杰宏 等
时，该低速通道可启用。隧道现场计算机可通过该通道向中心控制系统传递告警信息。
隧道现场监控计算机是隧道现场控制系统的核心部分。它必须具备对各种数据进行存储、运算，对隧道交通、通风、照明、消防、火灾报警等进行控制的能力。
区域控制器采用 SIEMENS S7-300 和 S7-400 系列高性能工业可编程控制器（PLC ），负责管理和控制相关区域的现场设备。本系统共设置 10 台区域控制器（其中 1 台为 S7-400 主控器）， 4 台 RIO ，分布在隧道内和隧道变电所监控室内。
监控中心计算机局域网
ＬＣ１
ＲＩ０３
ＬＣ５
ＬＣ７
ＬＣ２
ＲＩ０４
ＬＣ６
各区域控制器采用 PROFIBUS 工业现场总线方式进行通信，通信协议为令牌传递协议。现场总线在物理连接上构成冗余闭合环网，如图 2 所示。总线通信环网传输介质为 4 芯多模光缆[2]。
２ 系统功能
高速公路隧道监控系统的主要功能是实时采集管理区段内的各种数据（交通量、速度、占有率、车头距、 CO/VI 检测值、光强检测值、火灾报警、事故等），对它们进行实时运算、分析与处理；并具有事
ＬＣ８
ＲＩＯ１０
ＬＣ１２
ＲＩ０９
ＬＣ１１ 主控柜
ＬＣＯ
ＬＣ１３
光纤链路模块
图２ 隧道现场区域控制器 ＰＲＯＦＩＢＵＳ 光纤自愈环网
故检测功能、交通控制方案自动选择功能、显示功能、统计、查询功能、图像监视功能、系统设备检测功能、协调处理系统内部交通管理业务功能等，以确保本路段交通通畅，实施对全线的宏观管理和调度汇总、处理数据，并实时上传到监控总中心。我们所设计并实现的隧道监控系统的具体功能如下：监控参数设定；隧道状态信息（包括隧道设备工作状态信息和故障状态信息）的动态显示；信息采集；隧道交通控制；隧道通风控制；火灾事故处理；隧道照明控制；隧道消防检测；广播系统控制；设备工作状态和故障状态的实
３．１ 系统功能的实现
为了提高系统的可靠性，我们所设计的隧道监控系统具有普通模式和降档控制模式两种运行模式。当隧道现场计算机与中心控制室之间的以太网连接道畅通时，监控系统工作于普通模式，由监控中心的隧
时刷新显示；自动对钟。以服务器的时钟为基准，保持隧道监控计算机与服务器的时钟同步。
３ 系统设计与实现
111
交通运输工程与信息学报 2003年 第2期
道监控计算机负责隧道的监控工作；而当该通道出现故障时，监控系统自动切换到降档控制模式，由隧道现场计算机负责隧道的监控工作。在局域网通道恢复畅通后，系统重新切换到普通模式工作。在高速公路隧道监控系统中，异常情况处理是关键。我们设计的隧道监控系统的异常情况实现流程如图 3 所示。
下面介绍主要功能模块的实现原理。
（1）隧道交通控制 隧道监控系统周期采集并显示交通状态。交通异常报警后，系统自动提供离事发点最近的摄像机编号，通过视频计算机自动将图像切换到大屏幕，通过图形计算机自动进行声音报警。交通异常确认后，操作员通过确认处理预案或手动进
图３ 异常情况监控处理流程
行交通控制，并将操作日志归档备查。
（2）隧道通风控制 隧道监控系统周期采集并显示风机状态，故障报警信息，现场人工操作记录。得到通风报警后通过图形计算机自动进行声音报警。确认后，操作员通过确认处理预案或手动进行通风控制，并将操作日志归档备查。
（3）火灾事故处理 隧道监控系统周期采集并显示火灾检测数据和曲线。火灾报警时，可在控制台和地图板上实时显示并进行声光报警，自动通过视频计算机提供离事发点最近的摄像机编号，并将视频图像切换到大屏幕。火灾报警被确认后，操作员通过火
灾报警处理预案或手动，联动交通控制系统、通风控制系统、照明系统、广播系统、可变情报板、可变限速标志等进行火灾事故处理。并将火灾地点、时刻、操作员识别码等有关信息记入数据库中。
（4）隧道照明控制 隧道监控系统周期采集并显示各照明回路状态，现场人工操作记录。得到照明报警并确认后，操作员通过确认处理预案或手动进行照明控制，并将操作日志归档备查。
（5）隧道消防检测 可实时显示消防水池水位状态、水源水位状态、消防水泵工作和故障状态。
（6）广播系统控制 监控系统监视有线广播系
112
高速公路隧道监控系统的组成与实现 张杰宏 等
统的工作状态，系统故障应能以告警方式通知操作人员并在地图板上显示。在隧道管理计算机和现场控制计算机间提供有线广播的备用音频通道。 ３．２ 基于组件技术的系统实现
由于隧道监控系统控制的设备数量众多，类型繁杂，系统按照面向对象的方法迸行分析与设计。各种设备、数学模型及其他要素都被封装为对象[3]，以便于动态显示各设备的当前状态并加以控制。在具体实现过程中，充分利用了开发工具 Delphi 的 VCL 组件特性，在其基础上继承开发了大量自己的组件，如车道指示器、照明回路、信号灯、风机、线圈、光强检
测仪、 COVI 检测器、区域控制器等。
４ 结束语
本文介绍的高速公路隧道监控系统，硬件部分采用了在各种自动化场合已得到广泛应用的基于 PROFIBUS 现场总线技术；软件部分应用组件技术。经试用表明，整个系统可靠性高、可维护性好、具有更好的稳定性和扩展性，降低了系统及工程成本，有利于实现高速、高精度的隧道监控系统，因而，该系统的方案具有一定的推广价值。
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113
范文二：隧道爆破设计智能系统的组成与结构研究
3
隧道爆破设计智能系统的组成与结构研究
1 1 张继春,肖清华,夏真荣 2
( 1 . 西南交通大学土木工程学院 ,四川 成都 610031 ;
)2 . 中铁五局集团公司技术部 ,贵州 贵阳 550003
摘要 : 针对目前隧道掘进爆破设计多以人工设计并辅以 CAD 绘图而存在设计质量差 、速度慢的不足 ,进 行了爆破设计智能系统的组成和结构研究 。按照爆破设计与施工所涉及的参数特点 ,应用软件工程 、人工智 能等方法 ,确定以知识库 、数据库 、推理机 、人机交互系统和解释机构为隧道爆破设计智能系统的组成部分。 创建了系统管理 、参数智能计算 、爆破数据 、布孔设计 、施工设计和施工信息管理等系统功能模块 ,并给出了爆 破设计数据流程图 。实现了掘进掌子面上炮孔的自适应布置。由此研制的智能系统能够完成传统、人工智能 和完全智能 3 种方法的隧道爆破设计 。隧道爆破实例的设计结果表明 ,采用本设计系统能够自动、准确 、快 速、高质量地获得炮孔布置、布孔说明 、爆破命令等设计图表 。
关键词 : 爆炸力学 ;智能系统 ;爆破设计 ;隧道工程 ;组成结构
中图分类号 : O389 ; TD235 . 14 国标学科代码 : 130 ?35 文献标志码 : A
引 言 1
随着我国经济和社会的发展 ,公路 、铁路 、城市地铁、水利水电等基础设施建设项目日益增多 ,隧道
[ 122 ] ( ) 工程建设任务繁重。当前 ,隧道施工主要采用钻爆法 、机械开挖法 TB M 机和盾构机、机械结合钻 () 爆 预切槽等 3 种方法。因机械开挖法受到地质条件的极大限制 ,而且工程造价高 ,在我国难以全面推
广应用。预切槽法尚不成熟 ,应用更少 。
隧道开挖爆破技术经过多年的发展 ,基本上能够满足隧道施工和安全的需要 ,也是当前隧道施工中
[ 324 ] 应用最多的一种方法。但是 ,随着施工技术装备水平的提高 ,隧道施工速度要求越来越快 ,加上施工
作业队伍组织模式的变化 ,传统的人工隧道爆破设计方法已不能满足施工需要 ,开发可靠的隧道爆破设
[ 529 ] 计智能系统 ,用计算机进行爆破设计是隧道爆破施工技术的重要发展方向之一。然而 ,现有的隧道
爆破设计系统都是通过 CAD 软件实现炮孔布置图 、起爆网络图 、装药结构图、爆破设计说明书的绘制
[ 10211 ] 与打印 ,掌子面上的炮孔位置尚未完全由计算机进行自适应布置 ,设计中的人为因素较多。 本文中针对山岭隧道掘进爆破设计的要求 ,应用爆破设计原理、软件工程和人工智能等方法 ,进行
系统组成 、结构设计、系统功能研究 ,在讨论知识库组成与炮孔自适应布置的推理机制基础上 ,构建隧道
爆破设计智能系统的结构 ,并通过实例检验系统设计成果的可靠性与实用性。
系统组成 2 [ 12 ] [ 13 ] 按照隧道爆破设计原理和方法,结合计算机智能系统开发技术,确定隧道爆破智能系统由知
识库、数据库、推理机 、人机交互系统和解释机构组成。
2 . 1 知识库
知识库由知识规则和推理规则组成。这些规则表示事实和判断 ,即当问题求解出现某种情况需要
识别、判断和决策时应采取的行动 。隧道爆破设计智能系统根据爆破专家的理论知识和经验知识以
3 收稿日期 : 2006204213 ; 修回日期 : 2006206228
() 基金项目 : 铁道部科技研究开发计划基金项目 2004 G038
() 作者简介 : 张继春 1963 — ,男 ,博士 ,教授 ,博士生导师 。
爆 炸 与 冲 击 第 27 卷 456
及由智能网络学习后获得的爆破知识来完成爆破设计工作 ,其知识库由 5 部分组成 ,如下图所示。
2 . 2 数据库
数据库主要由隧道爆破设计与施工所涉及的参数 、数据 、图表和材料规格等组成 ,包括用户信息、爆 破设计总体信息、隧道断面参数、爆区地质数据、爆前数据、掏槽孔爆破参数、辅助孔爆破参数、周边孔爆
破参数等 。
2 . 3 推理机
推理机是利用知识库中的知识 ,按一定的推理策略求解当前的问题、解释外部输入的事实和数据 ,推导出结论并向用户提示等。隧道爆破设计智能系统的任何一项设计工作都通过推理完成 。由于隧道 爆破设计智能系统中的设计过程是一种测试 —反馈 —修正 —测试的循环过程 ,其推理过程既有从原始
数据或条件出发向结论方向的正向推理 ,也有从假设或结论出发向依据方向进行的逆向推理 ,即混合推理过程。 以隧道掌子面上炮孔平面布置为
例 ,系
统调用爆破参数知识库的知识和布孔原则来
确定炮孔的空间位置 ,使爆破设计参数达到
爆破质量的要求 。除掏槽孔外的辅助孔 、掘
进孔、周边孔和底板孔的孔位确定的推理过
程如右图所示 ,该过程包括炮孔布置 、炮孔装
药量校核与孔位调整 。
根据设计选取的掏槽形式、掏槽孔布置
范围 ,系统自动确定除掏槽孔外的孔位布置
( 参考区域和调用孔网参数知识库数据 辅助
孔、掘进孔的孔距和排距以及周边孔 、底板孔
) 的孔距和抵抗线,按照炮孔排距分别由隧道
底部往上至掏槽区下边界确定下部各排掘进
孔的排列线高度、由掏槽区左右边界至隧道
开挖边界确定两侧辅助孔和掘进孔的排列线
位置、由掏槽区上边界至隧道上部开挖边界并参考起拱点高度确定上部各排掘进孔的炮孔排列线位置 , 计算各排炮孔的排列线长度及所能布置的炮孔数 ,再根据孔距均匀地将辅助孔和掘进孔自适应布置在
() 各条排列线上 ,逐一确定出各炮孔在掌子面上的位置 坐标、孔深、钻孔角度等参数 。以各拐角处的布 孔为参考点 ,按照周边孔 、底板孔的孔距及与开挖边界的距离自适应均匀布置各炮孔 ,计算炮孔位置坐 标、孔深和钻孔角度。按照炮孔位置坐标由系统自动绘制掌子面上的炮孔平面布置图 。
由于炸药单耗由专家知识选定 ,系统认为合理 ,所以 ,炮孔装药量校核与孔位调整并行进行。以在 界面中选定的炸药单耗和设计的爆破体积计算得到的单循环爆破所需炸药量为标准 ,用炮孔布置后各 炮孔的设计装药量总和与其比较 ,根据二者的差值进行炮孔位置调整。
单循环爆破所需炸药量由下式计算
第 5 期 张继春等 : 隧道爆破设计智能系统的组成与结构研究 457
( )η1 Q= qS Ljh
式中 : Q为一次爆破所需的炸药量 , q 为由专家知识确定的炸药单耗 , S 为隧道开挖断面积 , L 为炮孔深 jh
ηη 度 ,为炮孔利用率 ,= L / L = 0 . 85,0 . 95 , 其中 L 为设计循环进尺。 p p 定义
()炮孔装药量总和与单循环爆破所需炸药量的百分误差 装药量误差
Qi - Qjh ?( )×100 % K = 2 Qjh
式中 : Qi 为炮孔装药量总和。
按照装药量误差 K 值进行炮孔装药量校核和炮孔位置调整 ,以使炮孔装药量总和与单循环爆破所 需炸药量尽可能相等 ,因而装药量校核与孔位调整的并行处理原则如下 :
() ( ) 1当 - 10 % ?K ?2 %时 ,从尽量降低施工成本 、提高掘进速度考虑 尽量减少炮孔量,认为此误
差范围的炮孔布置合理 ,单孔装药量或孔距均不需调整。
() () 2当 2 % < k="" %时="" ,炮孔布置合理="" ,孔位不需调整="" 炮孔数目不变,但单孔装药量稍大="" ,需减少="" 掘进孔的单孔装药量="" 。按照掘进孔数目计算各炮孔的减小量后确定其装药量="" 。="">
() 3当 K < -="" 10="" %时="" ,表明设计的装药量过少。此时="" ,应先增加掘进炮孔的单孔装药量="" ,即按照="" 1="">
( ) 的装药系数增量确定各孔装药量 ,循环计算装药量误差 K ,当保证炮孔堵塞长度 最大装药系数条件 下的 K 值能满足 - 10 % ?K ?2 %时 ,结束装药量校核和调整 。若仍不满足该条件 ,则应增加掘进炮孔
() 数 ,即适当缩小孔距 排距不变,按照步距为 5 cm 进行循环计算 ,直至满足 - 10 % ?K ?2 % 。在按照
减小后的孔距重新布置炮孔时 ,其单孔药量按调整后的值选取 。
() ( 4当 K > 5 %时 ,表明设计的装药量过大。此时 ,应先减少掘进炮孔数 ,即适当增大炮孔间距 排
) 距不变,按照步距为 5 cm 进行循环计算孔位和装药量误差 K ,在孔距增大量不超过原值 25 %的条件 下 K 值能满足 - 10 % ?K ?2 %时 ,结束装药量校核和孔位调整。若仍不满足该条件 ,则需减小重新布 置后的掘进炮孔的单孔装药量 ,即按照 1 %的装药系数减小量确定各孔装药量 ,循环计算装药量误差 K ,直至 K 值满足 - 10 % ?K ?2 % 。
本系统中的施工设计、起爆系统设计和孔位修改等设计内容的实现都采用了与此类似的推理过程。限于篇幅以及掏槽孔布置的特殊性、复杂性 ,将另文介绍掏槽孔自适应布置的原理及其实现方法。
2 . 4 解释机构
解释机构解释系统本身的推理结果 ,回答用户的提问 ,使用户能够了解推理的过程及所运用的知识 和数据。
3 系统结构及其功能模块
组成隧道爆破设计智能系统的模块除了应有必需的功能外 ,还应综合考虑安全 、实用 、质量 、用户特
[ 14216 ] 点等多种因素,本系统在确定其功能时具体考虑到了以下 3 个方面 :
() 1必须保证系统本身的安全性 ,即对所有爆破设计数据应该有使用权限限制。
() 2必须保证系统能够顺利实现且性能良好 ,在使用此系统设计时能够保证只要输入爆破区段地质 资料和隧道断面参数即可选取设计参数 ,自适应布置炮孔并得到现场所需施工图表 。
() 3必须具备 3 种设计功能 ,即人工选择设计参数设计、智能选择设计参数设计 、智能设计。
人工选择设计参数设计是完全按照人工设计方法由设计者选择各个设计参数来进行爆破设计 ; 智 能选择设计参数设计是系统根据爆区地质条件、钻孔基本数据和隧道断面参数以及期望达到的爆破效
果 ,利用已进行过智能学习的神经网络模型先计算出各设计参数 ,然后再进行爆破设计。无论采用系统的哪种设计功能进行爆破设计 ,所有炮孔的位置都由计算机自动搜索确定 。 按照隧道爆破设计所涉及
的工作内容和相关设计参数与数据特征 ,以及系统管理和施工信息管理
的内容 ,本文中提出的隧道爆破设计智能系统模块由系统管理 、爆破数据、布孔设计 、施工设计和施工信 息管理等 5 部分组成 ,如下图所示。
爆 炸 与 冲 击 第 27 卷 458
任何计算机系统要完成一定的任务 ,各个模块
[ 17 ] 之间的数据及信息都必须有一定的流动方向,右
图给出了隧道掘进爆破设计所涉及的相关数据在设
计过程中的数据流图 。
隧道爆破设计是在已知地质条件基础上先选择
爆破设计参数 ,然后进行布孔设计和施工设计 。所
以 ,在成功登录进入系统后 ,数据经流过程如下 :
() 1打开或新建一个爆破设计 ;
() 2进入爆区地质和爆前数据模块 ,在爆区地质
模块中输入或修改地质数据 ,在爆前数据模块中选
取爆破设计参数 ;
() 3进行布孔设计及修改 ,打印输出已完成布孔
设计的炮孔平面图、布孔设计说明书 ;
() 4根据设计结果进行现场炮孔布置并结合现
场情况调整孔位 ,进行局部修改 ;
() 5施工设计 ,打印输出已完成施工设计的炮孔平面图、装药结构图、起爆系统图、炮孔剖视图和设 计说明书 、爆破命令书等 ;
() 6现场施工并根据钻凿炮孔的结果再进行孔位局部调整和爆破参数修改 ;
() 7施工信息管理 ,可以得到或查询爆破所必需的图表 ,并可进行管理 、打印 、在线监测、统计分析 。
隧道爆破设计实例 4 + + [ 11212 ] [ 13214 ] 以 Vi sual C 为系统研制平台,选用 M FC ODB C 作为开发技术,创建了隧道爆破设计智
( ) 能系统 ZX TB S ZX t un nel bla sti ng sy st e m。在此以某工程为例 ,采用本设计系统进行相关的爆破设 计和参数计算 ,检验系统的可靠性。实例隧道为马蹄型断面 ,其底宽 6 m ,高 7 m ,隧道断面轮廓线由 4 个控制点确定。属 ?级围岩 ,主要以白云质灰岩为主 ,普氏系数 f = 8,10 ,节理裂隙发育程度中等 ,整 体稳固性较好 ,地下水量小 。
应用智能系统进行隧道掘进爆破设计时 ,首先输入爆区地质数据 ,再输入隧道断面参数和选择输入
第 5 期 张继春等 : 隧道爆破设计智能系统的组成与结构研究 459
掏槽方法 ,以及完成自动或人工选取孔网参数、炸药单耗等操作 ,即可由布孔设计模块进行炮孔自适应 布置 ,并在需要时进行炮孔的局部调整 。设计完成的布孔图和施工炮孔平面布置图既能实时在屏幕上
显示 ,又能随时保存在系统的数据库中以待调用和打印 ,系统同时计算并以表格形式保存和显示相应的 爆破参数 。图 1 是由系统设计给出的施工阶段炮孔平面图 ,其爆破设计参数列于表 1 中。 表 1 隧道实例的爆破设计参数
Ta ble 1 Para meters of blasting design f or tunnel example
周边孔 辅助孔 掘进孔 单耗 炮孔深度 掏槽超深 掏槽 爆破 间距 孔药量 间距 排距 孔药量 间距 排距 孔药量 3 类型 )( / m / m / kg/ m 类型 / m / kg / m / m / kg / m / m / kg
桶形 光面 2 . 50 1 . 15 0 . 25 0 . 50 0 . 50 0 . 60 0 . 50 1 . 10 0 . 80 0 . 70 1 . 20
从图 1 可看出 ,由系统设计完成的施工炮孔布
置图已标出了各炮孔的主要孔网参数和起爆顺序 ,
完全可以用于现场施工作业。完整的隧道爆破设计
主要包括布孔设计、装药结构设计、起爆系统设计以
及炮孔位置坐标计算和爆破参数计算 ,这些工作全
部由爆破设计系统自动完成 ,设计者只需要在设计
过程中按照界面提示选择输入或键入少量的数据 ,
因此通常只需要几分钟的时间就能完成一个设计。
结 语 5
本文中所确定的隧道爆破设计智能系统的组成
与结构是合理、可行的 ,提出的推理机制能达到自适
应布置炮孔目的 ,创建的系统管理、布孔设计、施工
设计、参数智能计算、爆破数据和施工信息管理等功
图 1 施工阶段的炮孔布置图 + + 作 C 能模块能够满足系统功能需要。以 Vi sual Fig. 1 Bla st2hole a r rangement fo r co nst r uctio n 为开发平台 ,研制的智能系统能够完成传统、人工智
能和完全智能 3 种方法的隧道爆破设计 ,自动、准确、快速、高质量地获得自适应炮孔布置 、布孔说明、爆 破命令等设计图表。通过工程实例的设计可知 ,系统能够克服目前隧道掘进爆破设计以人工设计并辅
以 CAD 绘图而存在设计质量差、速度慢的不足 ,设计结果可靠、实用。
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On composit ion an d structure of intell igent system f or
tunnel bla st ing design
3 1 1 2Z H A N G J i2c hun, XIA O Qi ng2hua, XIA Zhe n2ro ng
( 1 . S c hool o f Ci v i l E n g i nee ri n g , S ou t h w es t J i aot on g U ni v e rs i t y , C he n g d u 610031 , S i c h u a n , C hi n a ;
)2 . T ec h ni c al D e p a rt m e nt , C hi n a R ai l w a y W u j u Gro u p Co , Gui y a n g 550003 , Gu i z ho u , C h i n a Abstract : Ai mi ng at t he sho rt a ge s o n qua ntit y a nd sp ee d e xi st e d i n t he t unnel bla sti ng de si gn no w mai nl y co mp let ed by t he a r tificial met ho d a nd t he CAD , t he co mpo sitio n a nd st r uct ure of i nt elli ge nt sy st e m fo r t un nel bla sti ng de si gn wa s st udie d. Acco r di ng to t he cha ract eri stic s of t unneli ng bla sti ng de sign a nd co n st r uctio n ma na ge me nt , t he co mpo sitio n of i nt elli ge nt sy st e m fo r t un nel bla sti ng de si gn wa s det e r mi ned by a dop ti ng t he met ho ds of bo t h sof t wa re e ngi neeri ng a nd a r tificial i nt elli ge nce , w hic h co n si st s of k no wle dge ba se , dat a ba se , rea so ni ng machi ne , h uma n2co mp ut er i nt e ractio n syst e m , e xp la2 natio n o r ga nizatio n . The f unctio n mo dule s i ncl udi ng t he sy st e m ma na ge me nt , i nt elli ge nt calc ulatio n of p a ra met er , bla sti ng dat a , p ri ma r y de si gn , co n st r uctio n de si gn a nd co n st r uctio n i nfo r matio n ma na ge2 me nt were e st a bli shed , a nd t he dat a f lo wi ng cha r t of t unnel bla sti ng de si gn wa s p ut fo rwa r d . The self2 a dap ti ng a r ra nge me nt of t he bla st hole s o n t u nnel f ace i s realize d. The syst e m p ro vi de s t hree ki nds of de sign met ho d , suc h a s t ra ditio nal , a r tificial i nt elli ge nt a nd co mp let e i nt elli ge nt de si gn s. De si gn re2 sult s of t he e xa mp le of t un nel bla sti ng sho w t hat t he bla sti ng de si gn syst e m ca n o bt ai n t he hi gh2quali2 t y de si gn dia gra ms acc urat el y a nd quic kl y w hich i ncl ude t he bla st2hole a r ra nge me nt , t he ma n ual of a r2 ra ngi ng bla st hole s a nd t he bla sti ng o r der , et c .
Key words : mec ha nic s of e xp lo sio n ; i nt elli ge nt syst e m ; bla sti ng de si gn ; t un nel e ngi neeri ng ; co mpo si2 tio n a nd st r uct ure
3 Co r re spo ndi ng a ut ho r : Z HA N G J i2chun
E2mail addre ss : jczha ng2004 @126 . co m
Telep ho ne : 86228287600836
范文三：隧道爆破CAD设计模式和组成结构的研究
隧道爆破CAD设计模式和组成结构的研究 -
爆破
BLASTlG
VoI16No3
Sept999
文章编号1001,487XcI999)03—0093—04
隧道爆破CAD设计模式和组成结构的研究
万虹
(武汉I业大孚—430070)/
摘要本文在论速了隧道爆破CAD的必要性基础上,对目前国内外广迁流行的软件建楼方法进
行了分析和总结,井蛄合隧道开挖爆破的特.最和施工的实际情况.对隧道爆破c加系统的框架进
行7总体构思.
美键词
.堕堇三塞i竺苎匹
中国分类号TD235.4+7
DesignModelandStructureonTunnelDemolitionCAD
Hong
(Wul~n,WuhanUniversityotTechnology,430070)
Abstraet
Thispaperreseavchedthebasicstructureanddesignrouteoftunneldemolition
CAD,putforwardsomekindofsoftwaremodelsoftunnddemolition,providedapow— erfultoameworko12tunnelCADdesign Keywords:tunnel;demolition;CAD 1前言
我国改革开放以来,随着交通运输产业作为国民经济先行产业战略地位的确定.我国道路
建设的高潮,蓬勃兴起.由于我国地形地貌具有山多,丘陵多,江河多的特点,山地和丘陵面积
占国土总面积的65%,尤其是当我国开放和建设的重点正逐渐向中西部地区转移,迫切需要
加快西部地区道路基础设施建设的步伐,这一基本国情使我国道路建设中隧道所占比重大,隧
道建设工程量剧增,已成为我国道路建设的"瓶颈",迫切需要我们加强对隧道施工方法和工艺
的研究,以提高隧道建设的速度和质量.由于隧道的施工取决于隧道地址的具体条件,所受影
响的因素很多,而爆破方法作为隧道施工的主要方法,更需要加强其在各种不良地质条件下的
更好应用的研究,由于近年来计算机软硬件产品及外围设备在大幅度提升功能的
价格不 同时,
断下降,使得支撑爆破CAD系统的软硬件环境的成本已降到可以普遍进人隧道施工现场,因
收稿日期:1999一O6—28
万虹:男,硬士,副教授,武汉工业大学资环系(430070)
?
94爆破1999年9月
而隧道爆破CAD系统的研究就具有了相当的现实性和迫切性.本文试图对隧道爆破CAD系
统的开发模型和设计框架在强调其实用性的基础上做一些探讨. 2隧道爆破CAD开发的模型
在计算机软件技术迅速发展的几十年中,
软件的开发大体上经历了无模型阶段,有模型
阶段和新模型阶段,其中最具有代表意义的是
软件生命周期模型(SLCM)和快速原型模型
在设计开发隧道爆破CAD的过程中,必须从
,
开始就对系统模型的建立进行慎重的思考,
充分借鉴已有模型的优点,摒弃其缺陷,从诸
多模型中综合出一种适合隧道爆破CAD内容
叉具有实用性的模型.
软件生命周期模型的出现是软件开发史
上一个重要的转折点.它的特点是强调CAD图1软件生命周期模型 辅助过程阶段的划分及其顺序性;强调各阶段工作及其规范文档的完备性.因此软件生命周
期模型被看成是一种严格线性的,按阶段顺序的.逐步细化辅助过程的软件开发模式.图1给
出了软件生命周期模型的基本形式.
该模型的优点是(1)结构简单明了,清晰易懂;(2)历史较长,应用面广泛,基础好,已成为
广大软件工作者所熟悉的一种标准模型;(3)已有与之配套的一组十分成熟的开发方法和丰富
的支撑工具:(4)阶段的划分和严格的复审可把回溯尽量控制在最近的阶段上,从而有效地减
少了重复工作量和修改代价.
该模型的缺陷是:(1)该模型的特点决定了需求说明的鲍对重要性,但在隧道爆破施工中
要想获得完善的要求说明是非常困难的;(2)反馈信息慢;(3)该模型的"文档驱动"特点需要太
多的时间和精力用于文档的产生,使得开发过程趋于更快地产生文槽而跳过某些阶段没有仔
细考虑关键问题.
在对软件生命周期模型的批评中,为了克服其缺
点,在80年代提出了一种着名的软件开发新模式,即快
速原型模型.即用较小的代价和较快的速度生成一个
可对用户需求和目标系统进行审定的,具体的,可执行
的模型.其形式如图2所示.
快速原型模型的优点可归纳如下:一般认为,建造
CAD系统的最重要,最艰难的部分是如何准确地确定不
同使用环境中的不同用户的真正需求,在隧道爆破设计图2快速原型模型 和施工中.由于需求的模糊性和动态性,由于基础条件的千差万别和施工习惯的不同,使得软
件开发人员和软件使用人员之问的交流不可避免地存在某种障碍.快速原型模型的最太优点
就在于它能克服必上问题,快速而廉价地提供一种连续的,有效的信息反馈机制来不断地,动
态地求解和完善需求描述和系统设计,使现场使用者通过实际的使用对系统的功能做出全面
客观的验证和判断,并向开发者提供反馈信息
L
咤
第16卷第3期万虹隧道爆破CAD设计模式和组成结构的研究'95 3隧道爆破CAD框架的总体构思
在充分吸收上述两种模型的优点,克服其缺点的前提下,考虑到总体框架构思的原则和目
标要兼顾购置硬件设备的经济可能性和使用效果的可靠性及使用过程的方便性,本文针对隧
道爆破的特点和我国隧道施工的现状,对隧道爆破CAD的总体框架构思如图3. 基础数据库的建
立,修改,补充
隧道爆破设计
破测试和质量检查 爆破事故处理
厂—丁]
事问
故题专
现收家
场集诊
描整断
述理系
收系统
集统
4系统能实现的功能 [垂
理论公式和经验公式库 E亟
厂磊
瓦斯隧道爆破设计 l穿越破碎地带碱震爆破设计l
[
厂而]
爆破冲击波的.测试 不平整度检查计算系统 超欠挖量统计分析系统 圉3隧道爆破0藤统结构 人
机
交
互
界
面
接口
(1)在给定条件输人后,能快速推演出几套爆破设计方案供用户选择. (2)在硬件平台具备的条件下,对爆破施工中遇到的问题,能适时产生专家级别的诊断性
意见.
(3)提供爆破过程的动态模拟和视听.
96?爆破1999年9月
(4)部分爆破图表的自动生成.
(5)爆破震动对围岩稳定性影响的定性定量分析.
(6)隧道爆破方案的经济比较.
(7)能对隧道反复多方位切割,使爆轰波传递过程可视化.
(8)可提供大量爆破实例供用户观章.
(9)提供各种特殊条件下的爆破设计.
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d.提高了科技含量.因采用了现代微控制技术及A/D转换器,LED发光显示器等新型
器件.使信息和数据的输人只需操作几个简单的开关和按键.不仅实现了怠好的人机界面,且
使该起爆器的高科技成份显着提高.
e.安全性好,可靠性高.在设计上将起爆器外部起爆电路接线端和测量电路接线端
分开,
内部测量电路和执行电路通过耦台电路隔离,在原理上使高,低压电路彻底分离;设计了高压
模块,低压模块,微差输出/驱动模块,在结构上使高,低压电路的执行方式实现隔离;通过恒流
源电路和保护电路使测量电流达到安全输出,确保操作使用安全,可靠 4结束语
新型便携式多功能程控起爆器已按国家有关试验标准对各项战术技术指标进行并通过了
鉴定试验.对随机抽取的一批起爆器首先进行了导通电流,电阻值范围,充电时间,爆破电压,
微差时间间隔,起爆能力,放电安全性等试验后,又进行了振动,跌落,淋雨和温度冲击等例行
试验,最后进行了导通和起爆可靠性考核,结果表明:每部起爆器在连续起爆1550次后,未出
现故障.仍能继续可靠工作.满足可靠性指标无故障工作次数MTBF=1500次的要求.
该起爆器除可用于军事工程和军事训练外,也是铁道,交通,水电,矿山等建设工程中进行
土石方爆破及城市建筑物拆除爆破可供优先选用的一种多功能起爆器材. 参考文献
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范文四：隧道掘进机的组成部分及盾壳的制作工艺介绍
隧道掘进机的组成部分及盾壳的制作工艺介绍 【摘 要】 介绍了一种用于隧道开采的掘进机。本文对于隧 道掘进机各个组成部分及盾壳的制作工艺进行了详细的介绍,实践 证明:此工艺方法满足了隧道掘进机的使用,且效率高,成本低。 【关键词】 隧道掘进机组成部分及盾壳的制作工艺
1 隧道掘进机介绍及其组成部
掘进机分为全断面掘进机和部分断面掘进机两种,全断面掘进机 又分为全断面岩石掘进机和土压式盾构机两种,本文主要介绍的是 全断面岩石掘进机。
隧道掘进机(tunnel boring machine ,英文缩写 tbm )通常是 指岩石隧道全断面掘进机,它是一种采掘进、出渣、支护和通风防 尘等多功能为一体的大型高效隧道施工机械。
隧道掘进机主要由前盾、支撑盾、伸缩盾、止行盾、刀盘、后配 套等六大部分组成
前盾主要用于防止隧洞岩渣掉落保护刀盘、驱动系统、推进缸和 人身安全的作用,同时也可以增大机头与隧洞底部接触面积而降低 接地比压以利于掘进机通过软岩或破碎带的作用
伸缩盾的作用是在掘进时支撑盾固定、前盾伸出时,前、支撑盾 之间有一伸缩盾可以保护推进缸和人员安全,另外通过伸缩盾的观 察窗口可以对局部洞壁进行监察。伸缩盾通过油缸与支撑盾相连, 必要时可伸出油缸将伸缩盾移入到前盾内以便直接露出洞壁空间, 对洞壁进行处理
范文五：隧道工程中防排水系统的组成结构及施工关键技术
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隧道工程中防排水系统的组成结构及施工关键技术 隧道工程中防排水系统的组成结构及施工关键技术
摘要:随着隧道工程日新月异的发展，我国交通运输有了很大的改善。隧道工程的合理设计，大大缩短了交通的里程，改善了路线平面线形和纵断面的指标，其优越性越来越受到关注并且被广泛认可。但是由于现有的勘探及施工技术还不完善，因此我国的隧道工程还存在许多问题。例如，防排水系统的施工不合理，容易导致漏水坍塌等重大事故的发生，本文就此进行探讨，明确了隧道工程中防排水系统的组成结构，并深入阐述了防排水施工的关键技术。
关键词:隧道工程防排水系统组成结构关键技术
根据相关的统计资料表明，在我国现有的隧道工程中，有将近百分之七十的隧道或多或少的存在渗漏的问题。隧道工程是一个地下工程，如果在设计和施工的过程中没有妥善的处理好防排水问题，将会对未来的运营产生巨大的影响。因此，在隧道工程施工的初期，就应严格规范操作，确保防排水系统的完善。
1、防排水系统的指标和设计原则
防排水工程的指标包括施工阶段对地下水的控制、结构物的防水和提高结构物的耐久性。它的设计原则主要是指在结合支护设计的情况下根据实际的情况采取“防、排、截、堵”等综合的治水措施，从而完善防排水系统。其中“防”是指衬砌抗渗和衬砌的外围防水;“排”是指排除衬砌背后空隙及围岩里的积水，从而减少衬砌背后渗水事故的产生。
2、现代常用的防排水办法及其组成结构
若渗水具有侵蚀性，将会对衬砌和其它的设施产生腐蚀，路面积水也降低了轮胎和路面的摩擦系数，在寒冷的地区，还将会冻胀顶拱和损坏墙面。因此在隧道施工时，必须严格按照要求施工防排水系统。当今较为常用的防排水方法是复合式衬砌法，其组成结构分为防水系统和排水系统。
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防水系统主要是将防水板和土工布布置在初期支护和二次衬砌之间，与二次衬砌中的工作缝、施工缝和沉降缝处的止水条或止水带形成有机完整的防水系统。排水系统包括顶拱和侧墙的环向弹簧盲管、侧墙趾部纵向排水管、横向排水盲管及中央排水管等几部分，地下水的整体流程便应运而生。水的具体流程是从围岩到环向弹簧盲管，然后到纵向排水管，之后到达横向排水管，中央排水管，直至水流通过洞外出水口流出隧道外。防水系统和排水系统一防一排，有效的保证了隧道的干燥。
3、防排水系统施工的关键技术和要点
隧道的防排水系统不仅要处理好防水系统，排水系统也同样重要，防而不排，排而不防这两种极端都是不可取的，只有两者兼顾，综合防排，才能收到良好的效果。因此防排水系统主要的施工技术包括防水层铺设的关键技术和排水系统的技术要点两个方面。
3.1防水层铺设的关键技术
隧道的防水层一般使用具有高强度和耐腐蚀性的板材，主要铺设于初期支护和二次衬砌，在施工时通过将这些板材拼接，构成密闭或者半密闭式的防水系统。因为多为人工施工，因此很容易产生问题。要避免这些问题的产生，就要在施工中注意以下几个方面:
(1)岩壁要保持圆顺。在凸凹比较明显的部位即边墙矢高与弦长之比不大于六分之一，顶拱矢高与弦长之比不大于八分之一的地方要先修葺凿平，然后进行铺设，锚杆裸露在外面的需做好防护处理。
(2)防水板的处理。防水板的施工处于初期支护和二次衬砌之间，作业点距前方爆破点应大于150米，距二次衬砌作业面大于20米。在铺设的时候要用绳扣固定，松紧适宜，并且不宜直接使用钉子，而固定的间距也有相应的规定，一般为距拱部0.5m-0.7m，侧墙1.0m-1.2m。环状铺设的时候，搭接宽度同样有规定，一般应该为10cm。在整个的铺设过程中，要保证防水板的顺滑，每次铺设的长度应根据二次衬砌的进度来定，特别要注意接缝处的情况，否则很容易造成局部积水，造成水压增大，甚至冻胀，破坏防水层。
(3)板材的焊接。焊接的温度应控制好，一般PVC板材在130?-180?之间进行，PE板材在230?-265?之间进行，其接头处
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(4)处理好二次衬砌中的缝隙。二次衬砌之前应系统的检查一遍，检查局部是否有破坏，如果有破坏的情况，应先尽快处理，再进行二次衬砌施工。在工作缝、沉降缝和变形缝中设置橡胶止水带或者止水条，止水带的固定不应使用钉子或钢筋。在浇筑的过程中还应防止位置发生变化，可在止水带的底部用混凝土振捣，使其成为真空地带，防止水流的形成，同时还应防止尖锐物刺破。发生刺破时，应该及时修复。
防水层的处理是关系到隧道安全的主要因素，也是保证外界水分不能侵入的屏障，防水层处理得好，隧道工程的质量就有了很大的保证，因此在施工的过程中，要严格按照设计的要求，紧抓质量，确保隧道工程的安全。
3.2排水系统的技术要点
防水层的铺设对于隧道工程的安全有着极大的作用，同样排水系统的严格实施对于隧道安全同样意义重大，因此在排水系统施工的过程中要注意以下几点:
(1)弹簧盲管的处理。对于弹簧盲管，在安装的时候应在两端有10cm的留白，使其在纵向排水管对接时有充分的空间。断头部位紧贴纵向排水管的梅花眼，用防水板在接口处半包围扣紧。环向弹簧盲管安装过程中不应有中断的现象，在紧贴岩壁的情况下保证其铺设的连续性。
(2)横向排水管在施工的过程中应留有不小于2%的倾角，形成一定的坡度以利于排水。横向排水管在与其他管道的衔接上应使用二级连接，保持严密性，否则很容易产生漏水的现象。
(3)中央排水管的施工应注意温度的控制，其接口处一般用沥青或者橡胶垫圈密封，出水口应采取必要的保温措施，以避免冬天结冰时，妨碍水流的顺利排出。
4、结语
隧道工程的防排水系统对于隧道工程的安全有着十分重要的作用。在施工前期应制定好合理的施工方案，施工过程中严格按规范进
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