CN112343590A - 炮孔岩性识别系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种炮孔岩性识别系统及方法，包括：钻机终端监测模块、云服务器和客户端；钻机终端监测模块设置于钻机上，用于实时获取钻机钻每个炮孔时对应的钻机的工作参数，并将工作参数上传至云服务器；客户端用于从云服务器获取工作参数，并根据工作参数确定每个炮孔的岩性参数；钻机终端监测模块包括定位接收单元，工作参数包括炮孔的坐标信息；定位接收单元用于获取每个炮孔的坐标信息，并将坐标信息通过串口上传至工控机。本发明可以改善现有技术中炮孔岩性参数测试方法存在的问题，提高炮孔岩性参数测试结果的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及露天采矿技术领域，尤其是涉及一种炮孔岩性识别系统及方法。
背景技术
随着矿山开采行业的不断发展，精准控制采矿和爆破技术也逐渐成为衡量矿山开采技术的重要指标，也即对钻孔和爆破设计的要求也越来越高。而对于爆破设计的过程首先需要确定矿山岩石的性能参数，传统的矿山岩石的性能参数测试方法，诸如：室内岩芯实验法、声波测试法和霍普森杆试验法，均属于钻前、钻后测试法，存在局限性，试验结果与实际的岩石的性能参数存在较大的差异。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种炮孔岩性识别系统及方法，以改善现有技术中炮孔岩性参数测试方法存在的问题，提高炮孔岩性参数测试结果的准确度。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种炮孔岩性识别系统，包括：钻机终端监测模块、云服务器和客户端；钻机终端监测模块设置于钻机上，用于实时获取钻机钻每个炮孔时对应的钻机的工作参数，并将工作参数上传至云服务器；客户端用于从云服务器获取工作参数，并根据工作参数确定每个炮孔的岩性参数；钻机终端监测模块包括定位接收单元，工作参数包括炮孔的坐标信息；定位接收单元用于获取每个炮孔的坐标信息，并将坐标信息通过串口上传至工控机。
在一种实施方式中，钻机终端监测模块还包括：数据传输单元、PLC采集单元以及工控机；工控机与数据传输单元相连接，用于将工作参数实时上传至云服务器的数据库。
在一种实施方式中，工控机用于对获取的坐标信息进行解析，将坐标信息由WGS-84坐标转换为北京54坐标。
在一种实施方式中，钻机终端监测模块还包括多个传感器，PLC采集单元用于获取传感器采集的数据，并将数据上传至工控机。
在一种实施方式中，传感器包括以下几种中的一种或多种：霍尔转速传感器、倾角传感器和压力传感器；霍尔转速传感器设置于钻机的加压机构的主轴上，用于获取加压机构的主轴链条的传动距离；倾角传感器设置于钻机的钻杆外架上，用于获取钻孔角度；压力传感器设置于钻机的加压机构液压马达入口一测的管路上，用于获取加压机构的加压力。
在一种实施方式中，工作参数还包括以下几种中的一种或多种：钻孔深度、钻杆转速、钻杆钻速、钻杆扭矩、钻杆轴压；工控机还用于根据加压机构的主轴链条的传动距离和对应时间确定钻孔深度和钻杆钻速；工控机还用于根据加压力和钻机的回转机构的自重确定钻机的钻杆轴压。
在一种实施方式中，工控机还用于通过串口通讯方式和/或PLC通讯方式，获取钻机的回转机构的变频器的输出参数，并根据输出参数确定钻杆转速和钻杆扭矩；输出参数至少包括：输出功率、电机转速和电源频率；
其中，按照以下公式计算钻杆转速：
n2=(60F/ pi)(1-s)
n =k*n2
其中， n2表示变频器的电机转速（r/min），n表示钻杆转速，k表示转换系数；F表示电源频率（Hz）；p表示电机极对数；i表示减速比；s表示转差率；
按照以下公式计算钻杆扭矩：
其中，M表示钻杆扭矩；N表示有功功率，N =P*Q，P表示变频器的输出功率，Q表示功率因数；n表示钻杆转速，η表示传递效率。
在一种实施方式中，客户端用于根据每个炮孔的钻杆转速、钻杆钻速、钻杆轴压和钻孔直径确定每个炮孔的岩石普氏系数，并根据岩石普氏系数判断岩性硬度和岩石可爆性。
在一种实施方式中，客户端还用于根据每个炮孔的坐标信息和岩石普氏系数，采用双线性差值算法绘制爆区岩性示意图。
第二方面，本发明实施例提供了一种炮孔岩性识别方法，该方法应用于前述第一方面任一项提供的炮孔岩性识别系统，包括：获取钻机钻每个炮孔时对应的钻机的工作参数，并将工作参数上传至云服务器；从云服务器获取工作参数，并根据工作参数确定每个炮孔的岩性参数；上述方法还包括：通过定位接收单元获取每个炮孔的坐标信息，并将坐标信息通过串口上传至工控机。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的上述炮孔岩性识别系统及方法，包括：钻机终端监测模块、云服务器和客户端；钻机终端监测模块设置于钻机上，用于实时获取钻机钻每个炮孔时对应的钻机的工作参数，并将工作参数上传至云服务器；客户端用于从云服务器获取工作参数，并根据工作参数确定每个炮孔的岩性参数；钻机终端监测模块包括定位接收单元，工作参数包括炮孔的坐标信息；定位接收单元用于获取每个炮孔的坐标信息，并将坐标信息通过串口上传至工控机。上述系统能够通过钻机终端监测模块实时监测钻机钻孔过程中的工作参数，并将工作参数上传至云服务器；客户端可以访问云服务器获取工作参数，并根据工作参数得到每个炮孔的岩性参数，从而能够改善现有技术中炮孔岩性参数测试方法存在的问题，提高炮孔岩性参数测试结果的准确度，为爆破设计提供更准确的参考信息。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种炮孔岩性识别系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种GPRS DTU参数配置界面；
图3为本发明实施例提供的另一种炮孔岩性识别系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种GPS RTK接收系统的工作原理示意图；
图5为本发明实施例提供的一种PLC控制器的监测原理图；
图6为本发明实施例提供的一种钻机终端监测模块的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种爆区岩性示意图；
图8为本发明实施例提供的一种岩性参数识别的技术路线图；
图9为本发明实施例提供的一种双线性插值示意图；
图10为本发明实施例提供的一种XY平面矩形网格单元划分以及三角网格单元等高线绘制示意图；
图11为本发明实施例提供的一种炮孔岩性识别方法的流程图。
图标：
10-钻机终端监测模块；20-云服务器；30-客户端。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，传统的矿山岩石方面的性能参数测试方法（室内岩芯实验法、声波测试法和霍普森杆试验法），均属于钻前、钻后测试法，存在局限性，比如岩体的非均匀性特性（节理和裂隙对爆破的影响），但是基于试验确定爆区岩性参数不能反映节理和裂隙特征。同时，现场勘探成果不能详细准确地描述岩体的真实情况，现有的计算理论也难以全面模拟岩体形态，室内试验测定的参数与现场真实情况相比，由于尺度效应和非均质性存在很大差别，现场测定的参数由于开挖过程扰动作用和时间效应，同样也存在差异，并且试验结果代表性不强、数据离散，使得与实际的爆区岩性参数有较大的偏差，进而导致在一定程度上按照这些参数所计算的理论分析结果与现场实测值有较大的误差，从而对精细爆破设计起到不可忽视的负面影响。
基于此，本发明实施例提供的一种炮孔岩性识别系统及方法，可以改善现有技术中炮孔岩性参数测试方法存在的问题，提高炮孔岩性参数测试结果的准确度。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种炮孔岩性识别系统进行详细介绍，参见图1所示的一种炮孔岩性识别系统的结构示意图，示意出该系统包括：钻机终端监测模块10、云服务器20和客户端30。
钻机终端监测模块10设置于钻机上，用于实时获取钻机钻每个炮孔时对应的钻机的工作参数，并将工作参数上传至云服务器20；客户端30用于从云服务器20获取工作参数，并根据工作参数确定每个炮孔的岩性参数；钻机终端监测模块10包括定位接收单元，工作参数包括炮孔的坐标信息；定位接收单元用于获取每个炮孔的坐标信息，并将坐标信息通过串口上传至工控机。
在一种具体实施方式中，工作参数包括炮孔的坐标信息；定位接收单元用于获取每个炮孔的坐标信息，并将坐标信息通过串口上传至工控机。
考虑到RTK（Real - time kinematic，实时动态）定位技术能够以厘米级的精度提供三维坐标，其定位和测速精度要比导航接收机高，为了精确识别每个炮孔的位置，本发明实施例中的定位接收单元可以采用GPS RTK接收系统，GPS RTK相对定位技术可以将采集到的位置信息进行差分，削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等影响，并对基线求解、解算载波相位差分改正值，然后解算出钻机钻孔的孔口坐标。参见图4所示的一种GPS RTK接收系统的工作原理示意图，GPS RTK接收系统主要由GPS RTK基准站、GPS RTK移动站和GPS天线组成；GPS RTK基准站由BD970或BD992（BD982）GPS接收机、GPS单天线、PDL 35W大功率数传电台组成，GPS RTK基准站可以部署在矿区开阔地（如矿区的卡调中心），并且能够方便提供电源；GPS RTK移动站由0W小功率数传电台、BD992（BD982）GPS接收机、GPS双天线等组成，GPS RTK移动站部署在钻机上，与钻机终端监测模块的工控机相连，GPS RTK移动站的GPS接收机可以接收GPS RTK基准站发出的差分信号，将采集到的位置信息进行差分，并对基线求解、解算载波相位差分改正值，然后解算出钻机钻孔的孔口坐标（即炮孔的坐标信息），并将炮孔的坐标信息上传至工控机，从而实现钻机钻孔的厘米级定位精度。
在一种实施方式中，钻机终端监测模块10是炮孔岩性识别系统的主体，可以安装在矿区工作的钻机上，钻机可以是任意型号的牙轮钻机；钻机终端监测模块10可以实现钻孔过程中关键参数的采集、钻孔位置坐标的精确定位以及钻孔深度的实时测量。
为了实现客户端与钻机终端监测模块之间的交互通信，可以采用无线通信方式，具体的，采用GPRS数据传输模块（GPRS DTU），也可以采用4G DTU。GPRS DTU利用GSM网络实现数据信息的透明传输，内部集成了高可靠性的GPRS模块和51单片机系统MCS51，采用SIM300内核，内嵌TCP/IP协议栈，简化了接口电路设计，屏蔽了SIM300的复杂接口方式和接口协议栈，通过RS232RS485/TTL电平接口，使用简单的AT+I命令交互界面，实现GPRS网络无线接入Internet网络。其核心功能如下：
（1）通过内部积成的TCP/IP协议栈将串行数据转换成GPRS网络数据包/Internet网络数据包在网络上进行传送；
（2）支持自动心跳，可设置时间间隔，自动向服务器端发送心跳包以保持永久在线，防止断链重连产生的费用爆炸；
（3）支持参数配置，使用自带的设置软件通过串口将参数配置成功以后，这些参数将存储在DTU内部FLASH中，下次上电之后无需重新配置即可使用；
（4）GPRS DTU同手机一样，在使用前需要购SIM（Subscriber Identity Module，客户识别模块）卡，并需要互联网服务提供商（ISP：Internet Service Provider）提供Internet接入服务（如：CMNET）。
GPRS DTU需要配置的参数有，SIM卡号、APN（Access Point Name，服务接入点名称）、云服务器的IP地址或域名、云服务器端口、串口波特率、数据位、停止位、检验位，在线模式（永远在线、按需在线、唤醒在线），传输协议（TCP、UDP）、心跳间隔、心跳内容等。参数设置完毕保存以后重启DTU，参见图2所示的一种GPRS DTU参数配置界面，可见用户不需要自己编辑AT指令，只需在对应的输入框中输入参数，并点击“设置参数”按钮，即可以完成参数设置。GPRS DTU上电以后将首先读取内部保存的参数，登录GSM网络，通过PPP（Point toPoint Protocol，点对点协议）与云服务器建立连接，并通过心跳包保持该连接。由于GPRSDTU登录GSM网络所获得的是运营商内部的IP地址，且每次登录IP地址不固定。因此，云服务器需要拥有固定的公网IP或者域名，并将其连同云服务器的端口号一起作为参数设置到作为客户端的GPRS DTU内部，需要建立连接时，由GPRS DTU主动访问云服务器，连接建立以后，便可实现数据的双向通信。
进一步为了便于理解，本发明实施例还提供了另一种炮孔岩性识别系统，参见图3所示的另一种炮孔岩性识别系统的结构示意图，示意出钻机终端监测模块10与GPRS DTU相连接，GPRS DTU可以将钻机终端监测模块10中的工作参数通过4G/5G的方式上传至云服务器20，云服务器20由固定IP地址的计算机和管理平台软件组成；客户端30可以通过网络（Internet）访问云服务器20，从云服务器20的数据库中读取工作参数，客户端30上可以安装岩性识别软件，可以利用岩性识别软件根据获取的工作参数确定每个炮孔的岩性参数。
本发明实施例提供的上述炮孔岩性识别系统能够通过钻机终端监测模块实时监测钻机钻孔过程中的工作参数，并将工作参数上传至云服务器；客户端可以访问云服务器获取工作参数，并根据工作参数得到每个炮孔的岩性参数，从而能够改善现有技术中炮孔岩性参数测试方法存在的问题，提高炮孔岩性参数测试结果的准确度，为爆破设计提供更准确的参考信息。
进一步，钻机终端监测模块还包括：数据传输单元、PLC采集单元以及工控机。工控机与数据传输单元相连接，用于将工作参数实时上传至云服务器的数据库，具体的数据传输单元可以是4G DTU。
在牙轮钻机穿孔施工过程中，实时、准确地掌握钻机工作参数以及参数的变化趋势是识别岩性参数的基础，钻机上传统仪表不能满足这种需求。因此本发明实施例可以针对牙轮钻机工作参数采用虚拟仪器技术，通过PLC控制器、串口和传感器，分别对钻机回转机构主要工作参数轴压、扭矩、钻进速度、转速等参数进行测量，最终实现对这些参数进行实时监测、实时显示等功能。
钻进参数（也即工作参数）的检测硬件最直接的就是传感器。传感器是能感受规定的测量信号并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感组件和转换组件组成，作为一个参数监测系统，传感器占有非常重要的地位，传感器的好坏直接关系到整个系统的可靠性和稳定性。为了克服以往机械式或接触式传感器因油路渗漏、机械磨损、温差等造成的传感器检测的信号失真、安装调校困难等问题，本发明实施例提供的炮孔岩性识别系统可以采用新型固态和非接触传感器，这些新型传感器具有安装方便、测量准确、防爆抗磁等优点。
基于此，本发明实施例提供钻机终端监测模块还包括多个传感器，PLC采集单元用于获取传感器采集的数据，并将数据上传至工控机。具体的，传感器包括以下几种中的一种或多种：霍尔转速传感器、倾角传感器和压力传感器；霍尔转速传感器设置于钻机的加压机构的主轴上，用于获取加压机构的主轴链条的传动距离；倾角传感器设置于钻机的钻杆外架上，用于获取钻孔角度；压力传感器设置于钻机的加压机构液压马达入口一测的管路上，用于获取加压机构的加压力。传感器采集到的数据可以通过PLC采集单元上传至工控机。工控机可以是嵌入式工控机，还可以通过串口通讯方式和/或PLC通讯方式，获取回转机构的变频器的输出参数，输出参数至少包括：输出功率、电源频率、电机电压、电机电流、电机转速、电机扭矩等，进一步工控机还用于根据加压机构的主轴链条的传动距离和对应时间确定钻孔深度和钻杆钻速，根据加压力和钻机的回转机构的自重确定钻机的钻杆轴压。
此外，钻机终端监测模块还包括显示设备，显示设备可以是能够安装PC104接口采集卡的UNO-2170无风扇嵌入式工控机和FPM-3121G-R3AE 12寸宽温触摸屏的显示设备；也可以是VMC3000或VMC 1100或VMC2020一体机。
在一种实施方式中，工作参数还包括以下中的一种或多种：钻孔深度、钻杆转速、钻杆钻速、钻杆扭矩、钻杆轴压。为了便于理解，本发明实施例分别对钻孔深度、钻杆转速、钻杆钻速、钻杆扭矩、钻杆轴压等参数的实时监测进行了介绍，具体包括以下五种参数的监测：
（一）钻孔深度的监测
考虑到想要实现每个炮孔不同深度上的岩性实时判断，需要监测钻机钻孔过程的钻孔深度信息，基于此，本发明实施例中根据牙轮钻机的工作原理，通过监测加压链条的位移进而监测钻机钻孔深度。具体的，可以采用HAL16-2霍尔转速传感器监测加压机构的主轴链条的传动距离，工控机可以根据传动距离确定钻孔深度。
（二）钻杆转速的监测
钻机的钻杆转速是衡量岩性识别的一个重要参数，不同钻机的钻杆转速不一样，同一钻机在不同岩性时钻杆转速也是不一样的，以YZ-250钻机为例，最大转速是90r/min。钻机钻杆转速测量方法可以分为两类，一类是直接法，即直接观测钻机钻杆的回转运动，测量特定时间内钻杆旋转的圈数，从而测出钻杆运动的转速；另一类是间接法，即测量由于钻杆转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到钻杆转速，此外，根据测速仪是否与转轴接触又可分为接触式、非接触式。目前国内外常用的测速方法有光电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪光测速法和振动测速法。根据牙轮钻机工作环境的特殊性以及传感器耐恶劣限制，本发明实施例采用间接测试转速的方法来测试钻杆转速，即测试钻机回转机构变频器频率的变化来计算钻机钻杆的转速。由于钻机回转机构电机功率较大，因此采用交流电动机驱动钻杆工作。
具体的，可以按照以下公式计算钻杆转速：
n2=(60F/ pi)(1-s)
n =k*n2
其中，n2表示变频器的电机转速（r/min），n表示钻杆转速，k表示转换系数，可以通过电机转速和钻杆转速的线性比例关系求得；F表示电源频率（Hz）；p表示电机极对数；i表示减速比；s表示转差率。
（三）钻杆扭矩的监测
传统钻杆扭矩监测包括两种方法：一是在被测对象与驱动设备之间安装扭矩传感器；二是在被测对象的相关部位贴应变片进行检测。前者可以应用于连续旋转，但对安装过程要求较高。对于一些较小的工件，扭矩传感器的安装容易带来较大的误差，增加装夹的难度；另外，传感器自身的负载效应也可能影响检测效果。后者对被测对象的表面有较高的要求，而且不太适合对连续旋转对象的测量。因此对于检测精度要求不高的场合，可以采用一种无扭矩传感器的检测方法。
无扭矩传感器的扭矩检测方法是采用具有扭矩输出功能的驱动装置，如变频器等作为驱动设备，由于变频器的矢量控制是以基于电机电压、电流、转角、转速等关系的严格的数学模型为基础，因此可以利用电机的输出扭矩与电机输出电流成正比的原理，通过驱动设备内置的电流传感器直接检测电机输出电流，经驱动装置内部CPU的运算，转换成电机的输出扭矩，并以数字或模拟方式输出。
进一步，考虑到钻机钻杆工作时的扭矩比较大，直径约为250mm~310mm，采用传统扭矩检测方法：在驱动装置与工件间加接扭矩传感器，工装复杂，装夹不方便，同时会带来附加的检测误差，长期工作，对传感器也会带来疲劳损伤；若在钻杆工件表面贴应变片进行检测，由于工作环境恶劣，不便于安装。基于此，本发明实施例提供的炮孔岩性识别系统可以采用无扭矩传感器的扭矩检测方法，具体可以通过工控机实现，工控机可以直接读取钻机回转机构变频器的输出参数，诸如：输出功率、电源频率、回转电压、电流等参数，进而计算钻杆扭矩。
由于变频器本身具有电压传感器、电流传感器，变频器所采用的矢量控制模式就是以电流与电机转角的严密数学关系为基础，因此无需额外的增加传感器和A/D模块，只需要把变频器通过专用通信线（诸如串口或者PLC控制器）与PC机连接，设置好相应的参数，即可直接将钻机回转机构变频器的电机扭矩、电机转速、转角等相关的数据传给工控机保存。但由于变频器输出的数据是以变频器的额定数据作为100%进行输出的，因此，在试验前或试验后，需要对电机的输出扭矩进行标定。
具体的，可以按照以下公式计算钻杆扭矩：
其中，M表示钻杆扭矩；N表示有功功率（单位kW），N=P 1*Q，P 1表示变频器的输出功率，Q表示功率因数，可以通过电机铭牌查询；n表示钻杆转速，η表示传递效率。
（四）钻杆钻速的监测
钻机穿孔的速度是衡量岩性非常重要的一个参数，在轴压、转速等一定的情况下，一般岩性变硬，穿孔速度变小，岩性变软，穿孔速度变大。因此，可依据识别钻机钻杆穿孔速度（即钻杆钻速）来得到识别岩性参数的重要指标。本发明实施例中可以根据牙轮钻机回转机构的特点，监测加压机构主轴链条的位移，然后用该位移除以对应时间得到钻杆钻速。
具体的，可以采用霍尔转速传感器监测加压机构的主轴链条传动距离，再配合GPS高程位置坐标和基于虚拟仪器的算法软件，计算出钻杆钻速。
（五）钻杆轴压的监测
钻杆轴压P由两部分组成，一部分是加压马达产生的加压力N 1，另一部分是回转机构上下移动的各部分自重C，即：P=N 1+C；其中，加压力N 1是变化的，自重C是恒力，但加压力N 1是主要变量。
加压力的测量可以将液压传感器连接在油马达入口一侧的管路上，液压传感器（压力传感器）的额定输入压力为17.5MPa，额定输出信号为电流4~20mA，具体可以选用ZS11F通用型工业压力变送器监测加压马达进口压力，进而得到加压机构的轴压值（即钻杆轴压）。
在一种实施方式中，PLC采集单元需要实现传感器与工控机、变频器与工控机之间的通信，考虑到双向霍尔转速传感器输出开漏信号，以及监测岩性参数，需要监测钻机轴压、扭矩、钻速、转速等信号，同时与钻机回转机构变频器实现双向通信等功能要求，本发明实施例提供的PLC采集单元可以采用FX3U-16-M、FX3U-4AD-ADP系列PLC控制器进行信号的采集，FX3U-4AD-ADP具有分辨率为12位二进制（电压）、11位二进制（电流）的高精度模拟量输入适配器功能模块，参见图5所示的一种PLC控制器的监测原理图，示意出回转变频器、倾角传感器、霍尔转速传感器以及压力传感器均可以通过PLC控制器将工作参数上传至工控机。
考虑到钻机终端监测模块监测传感器信号主要分为两大类，一类是直接通过传感器监测的信号（轴压、钻速），另一类是通过监测钻机回转机构变频器参数得到的信号（如转速、功率、扭矩），因此本发明实施例还提供了钻机钻进工作参数监测软件，该监测软件可以安装在工控机上，以Labview2010软件作为主要开发平台软件，主要功能模块包括：串口与PLC控制器的通信模块；PLC读取传感器信号分析模块、GPRS DTU无线接收/发送模块；分布式传感器数据采集模块；同时，该监测软件还包括实时显示穿孔过程中各项参数信息、岩性信息显示和运行管理等多种功能模块。
同时，为了实现GPS对钻机钻孔位置的精准定位，上述监测软件还包括以下功能模块：串口与GPS设备通信读取模块；GPGGA、GPRMC等信息转化为经纬度识别模块；WGS-84坐标到北京54坐标转换模块，可以实现以下功能：
（1）GPS NMEA-0183数据的解析；
（2）WGS-84坐标到矿区北京54坐标转换；
（3）钻孔深度监测；
（4）钻机穿孔任务接收与穿孔坐标上传；
（5）LabVIEW与PLC控制器程序通信；
（6）三菱Fx3u PLC与G7变频器通讯，G7变频器与FX系列PLC可以通过RS-485连接线相连，按照G7变频器规定的MEMOBUS通讯格式进行传输，G7从站一直处于通讯等待状态，接收到主站发送的数据后，对相应的数据进行响应。
综上所述，参见图6所示的一种钻机终端监测模块的结构示意图，本发明实施例提供的上述钻机终端监测模块包括系统硬件和系统软件两部分，其中，系统硬件包括GPS RTK定位接收单元、GPRS DTU单元、PLC采集单元以及工控机；系统软件包括串口程序、WGS84-BJ54坐标转换程序、数据采集程序、PLC采集程序以及钻机定位显示程序。
为了便于理解，本发明实施例还对客户端进行了详细介绍，客户端用于根据每个炮孔的钻杆转速、钻机钻速、钻杆轴压和钻孔直径确定每个炮孔的岩石普氏系数，并根据岩石普氏系数判断岩性硬度和岩石可爆性；还用于根据每个炮孔的坐标信息和岩石普氏系数，采用双线性差值算法绘制爆区岩性示意图。
岩性参数是通过钻机穿孔过程中的各项参数计算获取得到，具体的实现流程为：牙轮钻机穿孔过程中，钻机终端监控模块通过现场传感器采集穿孔相关参数，如GPS定位坐标、穿孔深度、穿孔时间、霍尔计数、回转电压/电流、电机输出功率/转速、轴压等；然后将上述参数上传到云服务器的数据库服务器中，岩性识别软件首先通过与云服务器相连，登陆数据库，查询到DrillingPara的表，并将其数据读到本地文本中；当进行岩性信息显示时，软件后台通过岩性识别算法计算出岩性信息，并显示出来。
在一种实施方式中，客户端上可以安装岩性识别软件，基于岩性识别软件可以得到每个炮孔的岩石普氏系数，具体可以根据牙轮钻机工作原理，每个炮孔的钻杆转速、钻杆钻速、钻杆轴压和钻孔直径确定每个炮孔的岩石普氏系数，计算公式如下：
其中，v表示钻机钻速（单位cm/min）；P表示钻杆轴压（单位N）；n表示钻杆转速（单位r/min）；D表示钻孔直径（单位cm）；f表示岩石普氏系数（岩石坚固性系数）。
根据上述公式可知，当钻机的性能指标固定，钻孔直径固定，通过现场监测得到钻机钻速v，就可以相应地得出岩石普氏系数f，因此，根据钻机终端监测模块检测到的参数可以计算出炮孔所在位置的岩石普氏系数，进而可以根据岩石普适性系数以及每个炮孔的坐标信息，采用双线性差值算法绘制爆区岩性示意图。具体的，岩性显示包括以下步骤1至步骤3：
步骤1：连接服务器。打开设计软件，点击通讯连接->通讯测试，输入服务器IP地址、端口号、数据库名称和用户名、密码后，点击测试连接，弹出连接成功的对话框后，说明客户端可以成功连接到云服务器的数据库，并可对其进行下载上传文件等操作。
步骤2：下载已布孔数据。点击通讯连接->下载已布孔数据，软件弹出成功将已布孔文件保存到指定位置的对话框，说明此时已布孔数据从服务器数据库中被下载到安装目录的已布孔数据文件夹下。其中，已布孔数据主要包括钻机号、孔位坐标、定位模式、行走速度、穿孔深度、穿孔时间、霍尔计数、穿孔速度、回转电流/电压、输出功率、电机转速、轴压和时间。其中，这些参数也可以通过一体化综合管理平台网页进行实时的查看。
步骤3：岩性显示。点击岩性参数->岩石坚固性系数，选择所要显示的文件，即可将该爆区的炮孔岩石坚固性系数信息二维图形的形式显示出来，参见图7所示的一种爆区岩性示意图，图7中X轴和Y轴表示炮孔的坐标，黑点表示炮孔位置，不同的连通域表示不同的岩性分区（根据岩石普氏系数划分的）；右侧为岩性分级指示图，可以用不同的颜色对应不同的岩性参数，从而更加直观的显示各个区域的岩性信息。
此外，本发明实施例还提供了一种岩性参数识别的技术路线图，参见图8所示，具体可以根据钻杆转速、钻杆轴压、钻杆扭矩、钻杆钻进速度（钻杆钻速）以及电机功率，通过预选定义的岩性预测模型，得到岩性硬度、岩性可爆性、断层节理等信息。
为了便于理解，本发明实施例还提供了一种岩性识别软件的设计方法，该软件可以在Windows 8操作系统，Microsoft Visual Studio 10的.NET开发平台下，采用C#语言编程实现，利用C#良好的可视化操作和高效的运行进行开发。系统的架构为C/S（Client/Server，客户机/服务器）模式，应用时可将本软件安装在任何设计人员的计算机上，设计、计算及输入输出过程不需要依赖网络，保障了设计过程的可靠性。
上述岩性识别软件可以依托SQL Server 2008作为数据库管理软件进行穿孔数据的存储，通过ADO. NET模式访问数据库，ADO.NET是一组用于和数据源进行交互的面向对象类库，通过这些类库中的类访问数据源中的数据，并对数据进行操作。
编写图形程序时可以使用GDI+（Graphice Device Interface Plus图形设备接口），GDI+是微软在操作系统中提供的新的图形设备接口，其通过一套部署为托管代码的类来展现，这套类被称为GDI+的“托管类接口”，GDI+主要提供了以下三类服务：（1）二维矢量图形：GDI+提供了存储图形基元自身信息的类(或结构体)、存储图形基元绘制方式信息的类以及实际进行绘制的类。（2）图像处理：大多数图片都难以划定为直线和曲线的集合，无法使用二维矢量图形方式进行处理。因此，GDI+为我们提供了Bitmap、Image等类，它们可用于显示、操作和保存BMP、JPG、GIF等图像格式。（3）文字显示：GDI+支持使用各种字体、字号和样式来显示文本。
软件窗体的风格与Windows系统的风格基本一致，方便用户使用。在实现岩性识别的过程中，主要有以下几个功能模块来实现图像的绘制和修饰：
ChartSytle1.cs：处理绘图区域各种属性：
A坐标轴，在二维屏幕上显示三维图形，需要创建长方体坐标轴体系，coordinates ofchartBox/AddAxes/AddTicks方法用于构建长方体坐标轴体系，其中AddTicks方法定义了坐标轴刻度；CoordinatesOfChartBox方法用于创建x,y,z轴坐标。
B网格线，三维图形中的网格线能够帮助在视图上较为精确地定义数据范围，三维图形的网格线必须出现在三个面上，AddGrids方法用于创建网格线。
C标签，标签包括标题、刻度标识和坐标轴标识，AddLabels方法创建三维图形的标签。
ChartStyle2D1.cs：将三维图形映射到二维的X-Y平面上，例如轮廓图和颜色映射图等。
DataSeries1.cs：包括了一个ArrayList数组PointList，它持有用于三维直线图的数据点集，一个Point3[,]二维数组PointArray保存用于标准三维网格图和曲面图的数据和一个Point4[,,]三维点数组Point4Array，持有用于切片图的量数据，此外，还添加了几个方法用于计算数据序列的最大和最小值。
DrawChart1.cs：实现所有图形绘制，包括炮孔的显示、轮廓线的绘制、图像颜色与岩性的映射显示和颜色标识条的显示。
Point31.cs：通用类，定义了一个三维点对象，并应用公有方法Transform完成点对象的基本变换。
Form7.cs：主函数，主要进行岩性图形的显示。可进行添加标题、背景颜色、修改刻度、添加显示点灯功能。具体画线在DrawChart类函数中实现。
岩性信息是通过钻机钻孔过程中采集的工作参数计算得出，即每个炮孔有其对应的岩性信息。但是在显示爆区的岩性信息时，只有与炮孔对应的岩性参数是不够的，还需要得到整个孔网区域内的岩性信息。软件在设计过程中，可以自定义爆区岩性-颜色映射表来满足预期的显示效果，采用双线性插值（Bilinear Interpolation）算法对其进行插值处理，实现岩性映射，进而进行岩性显示，这种算法具有良好可视效果和不失真性，能够为爆破设计人员提供清晰直观的展示，为后续的装药设计提供有力的参考依据。
双线性插值作为一种滤波器，广泛应用在信号处理，图像和视频处理等应用中。双线性插值又称为双线性内插，在数学上，双线性插值是有两个变量的插值函数的线性插值扩展，其核心思想是在两个方向分别进行一次线性插值。具体的思想参见图9所示的一种双线性插值示意图，其中Q 11、Q 12、Q 22、Q 21为数据点，p为待插值点。
若要得到未知函数f在点p=(x,y)值，假设已知函数f在Q 11=(x 1,y 1)，Q 12=(x 1,y 2)，Q 21=(x 2,y 1)及Q 22=(x 2,y 2)四个点的值，首先在X方向进行线性插值，得到：
然后在Y方向进行线性插值，得到:
这样就可以得到函数f在点p=(x,y)值：
如果选择一个坐标系统使得f的四个已知点坐标分别为(0,0)、(0,1)、(1,0)和(1,1)，那么插值公式就可以化简为：
或者用矩阵运算表示为：
与这种插值方法名称不同的是，插值方法的结果通常不是线性的，它的形式是：b 1+b 2 x+b 3 y+b 4 xy，其中，常数的数目都对应于给定的f的数据点数目，即：
线性插值的结果与插值的顺序无关，首先进行Y方向的插值，然后进行X方向的插值，所得到的结果一样。图像的双线性插值算法中，目标图像中新创造的像素值，是由源图像位置在它附近的2*2区域4个邻近像素的值通过加权平均计算得出的。双线性内插值算法插值放大后的图像质量较高，不会出现像素值不连续的情况，然而此算法具有低通滤波器的性质，使高频分量受损，所以可能会使图像轮廓在一定程度上变得模糊，双线性插值的一个显然的三维空间延伸是三线性插值。
进行插值处理，使岩性图像具有较高的质量，但同时也会产生图片闪烁、不连续等问题，所以软件设计时采用双缓存算法，当改变窗口尺寸或旋转图形时，解决图形不停地闪烁，可以看到图形连续变化的中间过程。在C# 中应用双缓存技术是编制高质量图形应用程序的关键技术之一，它的两个通用步骤：首先，在绘制图形的主界面Form类中的构造函数中定义应用双缓存；然后，在缓存中定义与绘图区域大小相同的位图，并在为图上绘制图形；最后，将位图上的图形拷贝到绘图区域。
在岩性信息显示的基础上，软件增加了轮廓图的显示，一方面是为了使二维平面区域图具有三维的立体效果，更重要的是为了使爆破设计人员准确的了解到该爆区的岩性分级划分。其中轮廓图的算法思想是，假设三维曲面数据存储在一个二维数组并在X-Y平面上形成一个矩形的网络，同时在网络上标定四个网格点并由此组成一个长方形网格单元。假定该长方形网格单元的四个顶点分别为(i,j)、(i+1,j)、(i,j+1)和(i+1,j+1)，该长方形网格单元再分为两个三角形网格单元，参见图10所示的一种XY平面矩形网格单元划分以及三角网格单元等高线绘制示意图。如果三角形网格单元的每相邻两边之间存在一些交叉点，则通过插值法即可计算出等高线点，那么可绘制出多个三角形网格单元中的对应等高点之间的等高线段。从图10中能够看出每个三角形网格单元依据组成三角形的各网格点的数据值而展现出三种等高线段绘制的情形。因此，通过对所有的左、右三角形网格单元进行分析，并将所有的可能的等值线段添加在一起，可以得到位于X-Y平面矩形网格单元中的轮廓图。
综上所述，本发明实施例提供的上述炮孔岩性识别系统，与传统直接获取炮孔岩性参数的直接手段（坑探、钻探、原位测试与室内试验）相比，不需要动用额外的机械和动力设备，不需要耗费人力、物力；其次，传统勘探工程施工周期长，而且受到许多条件的限制；原位测试试样不脱离原来的环境，试验时的应力路径难以控制；边界条件也较复杂；有些试验耗费人力、物力较多，不可能大量进行；物探成果往往具多解性，方法的使用又受地形条件等的限制，其成果需用勘探工程来验证，而本实施例中只是在现有钻机上安装监控设备，只监测钻机工作的关键参数，不影响钻机正常工作，能够实时监测每一个炮孔不同高度的岩性参数；最后本发明实施例能够实时监测每个炮孔岩性参数，进而指导优化爆破设计以及后续装药车或人工装药按照炮孔岩性参数装填相匹配的炸药品种和装药量；提高露天矿山凿岩爆破水平，降低矿山开采成本、改善爆破效果，进而矿山实现精准爆破、智能化爆破。
对于前述炮孔岩性识别系统，本发明实施例还提供了一种炮孔岩性识别方法，该方法应用于上述炮孔岩性识别系统，参见图11所示的一种炮孔岩性识别方法的流程图，主要包括以下步骤S1102至步骤S1104：
步骤S1102：获取钻机钻每个炮孔时对应的钻机的工作参数，并将工作参数上传至云服务器；
步骤S1104：从云服务器获取工作参数，并根据工作参数确定每个炮孔的岩性参数。
本发明实施例提供的上述炮孔岩性识别方法，能够通过钻机终端监测模块实时监测钻机钻孔过程中的工作参数，并将工作参数上传至云服务器；客户端可以访问云服务器获取工作参数，并根据工作参数得到每个炮孔的岩性参数，从而能够改善现有技术中炮孔岩性参数测试方法存在的问题，提高炮孔岩性参数测试结果的准确度，为爆破设计提供更准确的参考信息。
本发明实施例所提供的方法，其实现原理及产生的技术效果和前述系统实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种炮孔岩性识别系统，其特征在于，包括：钻机终端监测模块、云服务器和客户端；
所述钻机终端监测模块设置于钻机上，用于实时获取所述钻机钻每个炮孔时对应的钻机的工作参数，并将所述工作参数上传至所述云服务器；
所述客户端用于从所述云服务器获取所述工作参数，并根据所述工作参数确定每个所述炮孔的岩性参数；
所述钻机终端监测模块包括定位接收单元，所述工作参数包括炮孔的坐标信息；所述定位接收单元用于获取每个所述炮孔的坐标信息，并将所述坐标信息通过串口上传至工控机。
2.根据权利要求1所述的炮孔岩性识别系统，其特征在于，所述钻机终端监测模块还包括：数据传输单元、PLC采集单元以及工控机；
所述工控机与所述数据传输单元相连接，用于将所述工作参数实时上传至所述云服务器的数据库。
3.根据权利要求2所述的炮孔岩性识别系统，其特征在于，所述工控机用于对获取的所述坐标信息进行解析，将所述坐标信息由WGS-84坐标转换为北京54坐标。
4.根据权利要求3所述的炮孔岩性识别系统，其特征在于，所述钻机终端监测模块还包括多个传感器，所述PLC采集单元用于获取所述传感器采集的数据，并将所述数据上传至所述工控机。
5.根据权利要求4所述的炮孔岩性识别系统，其特征在于，所述传感器包括以下中的一种或多种：霍尔转速传感器、倾角传感器和压力传感器；
所述霍尔转速传感器设置于所述钻机的加压机构的主轴上，用于获取所述加压机构的主轴链条的传动距离；
所述倾角传感器设置于所述钻机的钻杆外架上，用于获取钻孔角度；
所述压力传感器设置于所述钻机的加压机构液压马达入口一测的管路上，用于获取所述加压机构的加压力。
6.根据权利要求5所述的炮孔岩性识别系统，其特征在于，所述工作参数还包括以下几种中的一种或多种：钻孔深度、钻杆转速、钻杆钻速、钻杆扭矩、钻杆轴压；
所述工控机还用于根据所述加压机构的主轴链条的传动距离和对应时间确定所述钻孔深度和所述钻杆钻速；
所述工控机还用于根据所述加压力和所述钻机的回转机构的自重确定所述钻机的钻杆轴压。
7.根据权利要求6所述的炮孔岩性识别系统，其特征在于，所述工控机还用于通过串口通讯方式和/或PLC通讯方式，获取所述钻机的回转机构的变频器的输出参数，并根据所述输出参数确定所述钻杆转速和所述钻杆扭矩；所述输出参数至少包括：输出功率、电机转速和电源频率；
其中，按照以下公式计算所述钻杆转速：
n2=(60F/ pi)(1-s)
n =k*n2
其中，n2表示变频器的电机转速（r/min），n表示钻杆转速，k表示转换系数；F表示电源频率（Hz）；p表示电机极对数；i表示减速比；s表示转差率；
按照以下公式计算所述钻杆扭矩：
其中，M表示钻杆扭矩；N表示有功功率，N =P*Q，P表示变频器的输出功率，Q表示功率因数；n表示钻杆转速，η表示传递效率。
8.根据权利要求7所述的炮孔岩性识别系统，其特征在于，所述客户端用于根据每个所述炮孔的所述钻杆转速、所述钻杆钻速、所述钻杆轴压和钻孔直径确定每个所述炮孔的岩石普氏系数，并根据所述岩石普氏系数判断岩性硬度和所述岩石可爆性。
9.根据权利要求8所述的炮孔岩性识别系统，其特征在于，所述客户端还用于根据每个所述炮孔的所述坐标信息和所述岩石普氏系数，采用双线性差值算法绘制爆区岩性示意图。
10.一种炮孔岩性识别方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1至9任一项所述的炮孔岩性识别系统，包括：
获取钻机钻每个炮孔时对应的钻机的工作参数，并将所述工作参数上传至云服务器；
从所述云服务器获取所述工作参数，并根据所述工作参数确定每个所述炮孔的岩性参数；
所述方法还包括：通过定位接收单元获取每个所述炮孔的坐标信息，并将所述坐标信息通过串口上传至工控机。
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| PB01 | Publication | ||
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