基于RTK 手簿的露天礦爆破設計系統實現

姚紀明 張云鵬 王 森 張偉華 張麗春

(河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山063009)

爆破作業是露天開采的重要環節，為后續的采礦工作提供了基礎。爆破設計是爆破作業的關鍵，直接影響到爆破作業的質量，以及后續采裝環節的效果、效率、成本［1］。傳統的爆破作業方式基本上全都采用傳統的測量方式來得到爆區參數，然后靠經驗來進行炮孔位置標定以及裝藥量的計算，這往往導致定位精度低、布孔方案不合理，且破碎效果不好。如果采用精確的數據采集方法、定位技術等現代化的技術，加上技術人員長期以來的工作經驗，實現爆破設計的自動化對于爆破工程來講是一個很大的進步，很多研究中利用現有的國內外的軟件技術［2-4］或者是對現有軟件進行二次開發［5-8］實現爆破設計功能，對傳統的方法有了很大的改進，但是在炮孔定位精度上還有待于改進，RTK 技術提供現場實時定位的優點能夠提高爆破設計精度［9］，根據準確的地理信息確定炮孔網的參數，確定合理的破碎塊度和爆堆形狀，提高破碎效果，極大地提高作業效率。

1 系統的需求分析

1.1 系統功能需求分析

基于RTK 手簿的露天礦爆破設計系統主要用于煤礦深孔爆破的各種參數計算、炮孔排布、爆破過程設計及爆破記錄生成。因此，將系統功能分為項目管理、參數操作、繪圖放樣和記錄生成等4 大模塊。系統主要實現的功能有:①爆破作業相關信息記錄，包括項目名稱、作業公司、負責人、起始時間等;②各種爆破參數的自動計算，包括底盤抵抗線、孔深、孔距、行距、裝藥量等;③爆破示意圖的生成，炮孔位置的調整，最終布孔圖的導出;④爆破記錄的生成，包括爆破設計書、炮孔布置圖、穿孔任務書、起爆順序圖、藥量計算表等。

1.2 系統可行性分析

(1)數據源的獲取。本系統運行所需輸入數據即為礦山測量數據的電子版，即RTK 數據或全站儀數據，由于在日常的礦山生產過程中，對于礦產的分布依賴于測量技術的使用，所以，對于礦山臺階的數據獲取是較為容易的。在參數設計階段，各項參數要根據爆破的巖石類型等客觀條件及經驗值來設置，這是傳統爆破所必不可少的，礦山通常會配備專業人員來進行具體操作。所以，參數設置的準確性可以得到保障。

(2)技術可行性分析。對于硬件條件的要求，一般的RTK 手簿都可滿足，基本上每一個露天煤礦都具有配備RTK 儀器的條件。礦山的日常生產離不開測繪儀器的使用，所以，每個煤礦都會配備測繪工程的專業人才，這樣就為系統運行提供了條件。不僅具有硬件支持，而且，測繪專業人員對RTK 手簿的了解，為系統的成功使用打下了基本條件。根據RTK手簿生產商(本系統采用中海達手簿調試)提供的二次開發幫助文件，可判斷出系統所需功能基本可以實現。

(3)經濟和社會效益。傳統的爆破存在很多安全隱患，很多的布孔位置都是靠皮尺甚至步量來確定，精確性低。而本系統所運用的算法，嚴格按照爆破原理，并且可以進行修改，所以系統的可靠性和準確性較高，產生的布孔位置也較為合理，有利于提高爆破過程的安全性，從而減少事故的發生。RTK 手簿更加輕便、快捷，有利于提高勞動效率，提高經濟效益。

2 系統設計思路

系統設計可以分為以下幾步:①前期地形測量;②設定經驗參數，計算底盤抵抗線和孔距、排距;③根據孔距、排距進行炮孔位置與起爆順序的設計;④提取炮孔坐標并按內插的方法計算每個炮孔的高程值;⑤計算孔深，進行炮孔的放樣和鉆定工作;⑥對鉆定的炮孔進行實測;⑦根據實測調整有關參數并計算裝藥量;⑧輸出成果。

系統技術路線如圖1 所示。

圖1 系統技術路線圖Fig.1 Technical roadmap of the system

系統調試所用的RTK 手簿為中海達GIS+，該手簿系統所用處理器為530 MHz 高速ARM920T，存儲器為128M SDRAM 內存+512M Flash 閃存+SD 卡槽(可無限擴展)，操作系統為Microsoft Windows CE 5.0，整個配置滿足系統開發要求。開發語言采用基于.NET 平臺的Visual C#，作為應用層的嵌入式開發，C#在很好地實現系統功能的同時，相對Visual C + +來說具有更高的開發效率、易操作、易維護等優勢。

3 系統功能模塊設計

根據爆破原理和RTK 基礎理論，重點工作是根據孔網參數完成炮孔的自動定位，并繪制炮孔平面位置圖;提取設計坐標，用RTK 直接在采場進行炮孔的精確放樣工作，對炮孔進行實測，完成對炮孔裝藥量的計算和調整任務。最后對完成的設計成果進行圖件輸出。系統功能模塊劃分見圖2。

圖2 系統功能模塊圖Fig.2 Functional block diagram of the system

4 系統數據庫詳細設計

4.1 數據庫表的設計

本系統采用SQL Server CE 即Microsoft SQL Server Compact 來存儲所需數據。數據庫關系見圖3。

圖3 數據庫表關系圖Fig.3 The database diagram

(1)項目表:Project，用于爆破項目的信息存儲，由項目管理模塊調用。

(2)鉆孔參數表:DrillTable，由參數操作模塊中的參數設置調用，包括鉆孔的名稱、直徑、編號。

(3)地形參數:Terrain Data，用于讀取地形參數文件中的坐標，由參數操作的導入數據調用。

(4)參數表:Parameter，用于參數設置及計算結果的存儲，由參數操作模塊調用。

(5)預計鉆孔參數表:ConceptualHole，當參數計算完成后，生成預計鉆孔的位置及編號等，該表與調整后鉆孔參數表區別，由參數設計模塊調用、存儲，由繪圖放樣模塊調用、使用并形成新表。

(6)調整后鉆孔參數表:PracticalHole，當參數計算完成后，生成預計鉆孔，經繪圖放樣模塊調用后調整鉆孔參數，得到該表各行。

(7)炸藥類型表:ExplosiveType，通過選擇炸藥來確定裝藥密度，更具專業性和說服力，由參數設置模塊調用。

(8)巖石類型表:PenaType，通過選擇巖石類型，通過其單軸抗壓強度及炸藥類型來決定單藥耗。

(9)單藥耗表:q，通過選擇巖石類型及炸藥類型來決定單藥耗，即單位炸藥消耗量。

4.2 數據庫模塊的開發

系統中的數據管理主要包括數據存儲、數據映射和數據的操作。系統通過封裝數據訪問層的操作，實現數據的存儲;通過為每一個表定義實體對象，實現數據映射;通過定義每個表的操作代理，實現數據的操作。

(1)數據存儲。系統通過數據DBHelper 類來實現數據存儲。DBHelper 類通過抽象功能，實現了通用的增、刪、查、改等功能，見表1。

表1 數據存儲對應的方法及說明Table 1 The corresponding method and illustration for data storage

(2)數據映射。數據映射是將數據庫中的數據表映射為數據實體類，見表2。

表2 數據映射對應的類及說明Table 2 The corresponding category and illustration for data mapping

(3)數據操作。數據操作主要是實現對單個對象的增、刪、改、查的數據庫操作。它與實體類一一對應，見表3。

4.3 數據導入與導出

(1)數據導入。數據導入是導入地形數據，它以文本的形式進行存儲，存儲格式為:坐標名稱、投影X、投影Y、投影Z，經度x、緯度y、高度z。導入數據主要是提取地形數據中的投影坐標，并將其存儲在數據庫中。提取投影坐標的步驟:①用戶指定地形數據文件;②讀取地形數據文件的每行;③根據分割符分割每行數據;④查找每行中的投影X 坐標;⑤提取該行的投影坐標;⑥存入數據庫。

表3 數據操作對應的方法及說明Table 3 The corresponding method and illustration for data manipulation

(2)數據導出。數據導出是將存儲在數據庫中的所有數據導出到指定的文件中，導出的格式為:順序編號、工程名稱、投影X，投影Y、投影Z。數據導出的步驟為:①用戶指定導出文件;②從數據庫中讀取地形坐標數據;③將地形數據寫入導出文件;④關閉導出文件。

4.4 參數設置與計算

參數設置和計算的步驟為:①設置項目中所有炮孔點的缺省參數;②計算項目炮孔點的底盤抵抗線，同時得到合理的抵徑比;③計算炮孔點的孔距和排距;④根據孔距和排距在繪圖模塊中進行布孔;⑤繪圖完畢后，得到炮孔理論位置，然后計算每個炮孔的孔深;⑥調整炮孔參數，計算炮孔裝藥量。

5 系統主要功能實現

5.1 參數操作模塊實現

參數操作模塊包括設置參數、地形數據的導入導出、爆破參數自動計算、底盤抵抗線、孔深、孔距、行距以及裝藥量的計算等。如圖4 所示。

圖4 參數操作主界面Fig.4 The main interface for parameters operate

5.2 繪圖功能模塊的實現

圖形繪制功能主要由圖形類、圖形繪制類、地圖類和圖層類構成。圖層類中包含多圖層，每個圖層都是由若干圖形組成，圖層類中的元素通過地圖類來實現對圖形元素的坐標轉換、平移、縮放等與地圖相關的操作，并通過圖層類實現地圖元素的繪制。

系統繪制要經過地形點的繪制、選取邊界點、點取布孔點起始位置、布孔、繪制炮孔編號等組成。具體的步驟為:

(1)繪制地形點。讀取當前打開工程的地形點數據，并通過地形點的空間范圍構建地圖類的空間范圍、中心點和比例尺。然后將地形點經過轉換繪制到畫圖面板上。

(2)選取邊界點。點擊開始，選取邊界，然后在畫布上點取邊界，選點結束后選取邊界按鈕，完成邊界的獲取。

(3)點取布孔起始位置。通過在邊界點圍成的多邊形的內部點取點來獲取布孔點的起始位置。

(4)布孔。布孔的方式有2 種，平行布孔和交叉布孔，通過選取下拉菜單來實現不同的布孔方式。

(5)繪制炮孔點。按爆破順序點擊炮孔點，實現炮孔點順序的繪制。

(6)保存炮孔點和起爆順序。

5.3 放樣模塊實現

孔網參數計算完成后，在繪圖模塊進行炮孔平面位置圖的繪制并設計起爆順序，如圖5、圖6 所示。自動布孔之后，要根據實際情況對個別炮孔進行調整。尤其靠近區域邊界位置的，一般到邊界距離小于半個孔距的炮孔都要刪除掉，同時調整其周邊炮孔位置，控制孔距和排距的大小，以達到炮孔的均勻排列，避免根底與大塊。這里采用排間順序起爆方式，該方式布孔簡單，施工方便。

繪圖完成，接著是要在爆區臺階上對設計的炮孔進行放樣和標定工作，這里利用RTK 系統自身的放樣功能完成。

圖5 炮孔平面位置圖繪制Fig.5 Outline draught of blasthole location

6 結 論

通過對RTK 理論和露天深孔爆破理論的深入分析，并對Windows CE 環境下圖形的坐標轉換、比例尺確定、平移拖動、坐標內插等編程算法進行研究，設計開發出基于RTK 技術的露天礦爆破設計系統。將RTK 精確定位的優勢與爆破理論相結合，在已有的爆破計算機輔助設計系統的研究基礎上實現了系統的開發，完成對現場地形參數及實際炮孔參數的動態采集，并實時調整和優化，實現精確定位與爆破設計一體化，為精確爆破提供了先進的設計平臺。

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