基于GNSS技術(shù)的尾礦庫(kù)在線安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

張 琳 李英芹

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730020）

基于GNSS技術(shù)的尾礦庫(kù)在線安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

張 琳 李英芹

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730020）

基于 GNSS技術(shù)的尾礦庫(kù)在線安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、測(cè)控、地理信息等現(xiàn)代高新技術(shù)，通過采集尾礦庫(kù)與安全相關(guān)的動(dòng)態(tài)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控尾礦庫(kù)的運(yùn)行，從而形成一種信息化、自動(dòng)化的新型現(xiàn)代安全監(jiān)控系統(tǒng)和全方位的安全管理與控制自動(dòng)化決策平臺(tái)。

尾礦庫(kù)；變形測(cè)量；預(yù)警系統(tǒng)；GPS

1 引言

尾礦庫(kù)的安全關(guān)系到其影響區(qū)域內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)及環(huán)境的安全，長(zhǎng)期以來，由于尾礦庫(kù)管理監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)不完備、監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)落后、專業(yè)監(jiān)測(cè)人員缺乏等原因，許多尾礦庫(kù)處在無檢測(cè)監(jiān)控狀態(tài)，少數(shù)在檢的尾礦庫(kù)運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)誤差大，監(jiān)管部門難以及時(shí)掌握尾礦庫(kù)各項(xiàng)安全技術(shù)指標(biāo)，這些都極大影響尾礦庫(kù)的安全管理。中海達(dá)基于GNSS技術(shù)的尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于加強(qiáng)尾礦庫(kù)的安全監(jiān)管，掌握尾礦庫(kù)的安全現(xiàn)狀，減少尾礦庫(kù)的事故發(fā)生具有重要意義。該系統(tǒng)通過分布在尾礦壩的各種感應(yīng)器等設(shè)備進(jìn)行全自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，，實(shí)時(shí)在線掌握各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，一旦發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象將立即提出警示，評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性，為尾礦庫(kù)的管理與維護(hù)提供精確及時(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、分析預(yù)警、綜合管理等五個(gè)子系統(tǒng)組成，其主要功能有：

（1）綜合管理系統(tǒng)：可有效進(jìn)行用戶管理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)運(yùn)行管理，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全和數(shù)據(jù)安全，靈活方便的參數(shù)設(shè)置可實(shí)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)在本地或遠(yuǎn)程瀏覽、數(shù)據(jù)在本地或遠(yuǎn)程下載以及數(shù)據(jù)共享等。

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站以及包括野外電源和防雷裝置組成的保障支持系統(tǒng)組成。采用多星多頻高精度GNSS模塊，對(duì)變形體的實(shí)際性狀實(shí)施高精度、實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位兩種數(shù)據(jù)處理方法，為判斷變形體安全提供必要的信息，確保數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確。

（3）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：可采用 RS232、有線/無線Modem、TCP/IP、GPRS無線、CDMA無線、3G無線、UHF無線電臺(tái)、無線網(wǎng)橋或其他無線網(wǎng)絡(luò)等方式，組建方便靈活的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其不僅支持野外就地拖拽式下載，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸和文件包下載。

（4）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：系統(tǒng)可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)解算采用先進(jìn)的卡爾曼濾波集成單歷元整數(shù)解算法，定位精度達(dá)到毫米級(jí)，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定及數(shù)據(jù)的可靠性。

（5）分析預(yù)警系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力強(qiáng)大，分析角度多、手段豐富，能計(jì)算三維位移分量及各向變形速率，自動(dòng)生成變形歷時(shí)曲線、變形分布圖和多因素相關(guān)圖；能根據(jù)實(shí)地地形數(shù)據(jù)生成三維仿真圖形，并生成變形場(chǎng)等高圖和漸變色譜圖以及變形場(chǎng)實(shí)體任意剖面圖；能綜合其他相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步綜合分析與簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)；能根據(jù)預(yù)設(shè)警戒值進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判別并能實(shí)時(shí)以網(wǎng)頁(yè)、短信、語(yǔ)音電話、警報(bào)聲音、大屏幕顯示等形式進(jìn)行多渠道狀態(tài)信息和預(yù)警信息的發(fā)布。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高精度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)功能

（1）系統(tǒng)1.5小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)尾礦壩的水平精度優(yōu)于±3mm、垂直精度優(yōu)于±5mm，完全滿足尾礦壩監(jiān)測(cè)精度的要求。

（2）系統(tǒng)能夠進(jìn)行長(zhǎng)期、穩(wěn)定、不間斷運(yùn)行，真正做到無人值守，操作簡(jiǎn)便，勿需進(jìn)行手工重復(fù)勞動(dòng)，可以節(jié)省大量人力物力。

（3）能實(shí)現(xiàn)最高20Hz的高速數(shù)據(jù)采集，關(guān)鍵時(shí)候能完美監(jiān)控變化過程的細(xì)節(jié)。

（4）具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程狀態(tài)瀏覽、遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)置以及數(shù)據(jù)管理、用戶管理、安全管理等功能,網(wǎng)絡(luò)通訊方式靈活，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，可以方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載與共享。

（5）能根據(jù)實(shí)地地形數(shù)據(jù)生成三維仿真圖形，根據(jù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生成實(shí)體變形場(chǎng)等高圖、任意剖面圖，這是傳感器類、聲納類、光波類、影像類、頻譜類監(jiān)測(cè)手段不可比擬的。

（6）能對(duì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析與簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)程度采用短信、網(wǎng)頁(yè)、郵件、聲音、大屏幕等方式和渠道進(jìn)行分級(jí)發(fā)布，預(yù)警信息的發(fā)布方便靈活。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

高精度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具有監(jiān)控目標(biāo)明確、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)流程清晰、服務(wù)功能完備等特點(diǎn)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，既能準(zhǔn)確表達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工作狀態(tài)，也能對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并提出初步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，還能多渠道多形式適時(shí)分級(jí)發(fā)布預(yù)警信息，為運(yùn)行單位隨時(shí)隨地掌握工程結(jié)構(gòu)安全和決策部門在關(guān)鍵時(shí)刻的決策分析提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持與信息參考，具體特點(diǎn)有：

（1）數(shù)據(jù)采集快：輕松實(shí)現(xiàn)高達(dá)20Hz連續(xù)高速實(shí)時(shí)的精密數(shù)據(jù)采集。

（2）監(jiān)測(cè)精度高：算法先進(jìn)，能運(yùn)用小波精密分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)單歷元毫米級(jí)高精度連續(xù)解算。

（3）硬件層次少：系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便。

（4）分析手段多：能計(jì)算三維位移分量及各向變形速率，能自動(dòng)生成變形歷時(shí)曲線圖、變形空間分布圖、多變量相關(guān)圖，能根據(jù)實(shí)地地形數(shù)據(jù)生成三維仿真圖，并能生成實(shí)體變形場(chǎng)等高圖或漸變色譜圖及其任意剖面圖。

（5）信息發(fā)布快：能對(duì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析與簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)，并能根據(jù)預(yù)設(shè)警界值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比判別，及時(shí)進(jìn)行多渠道多形式預(yù)警信息或狀態(tài)信息的發(fā)布，隨時(shí)隨地掌握運(yùn)行狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值守。

（6）應(yīng)用范圍廣：本監(jiān)控系統(tǒng)不僅能應(yīng)用于各類尾礦庫(kù)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控,還可以在滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、高邊坡、高剪力墻、港口、船塢、礦山、水庫(kù)大壩以及江河堤壩監(jiān)測(cè)、大型橋梁場(chǎng)館和高層建筑健康監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用。

4 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)終端、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心、預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)四部分組成，如圖2所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的典型配置方案有定期經(jīng)濟(jì)型、永久基站型、分體網(wǎng)絡(luò)Ⅰ型、分體網(wǎng)絡(luò)Ⅱ型、一機(jī)多天線系統(tǒng)等五種形式，以滿足不同現(xiàn)場(chǎng)的需要。

該系統(tǒng)是全天候、全方位的，可以不受時(shí)間、氣候的影響，建立尾礦庫(kù)安全監(jiān)控、安全分析評(píng)價(jià)，安全預(yù)警，安全指揮管理系統(tǒng)，對(duì)尾礦庫(kù)的安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、分析與預(yù)報(bào)，能確保尾礦庫(kù)的安全管理，同時(shí)，提高安全監(jiān)管部門對(duì)尾礦庫(kù)安全管理這方面的能力，有效避免尾礦庫(kù)事故的發(fā)生。

圖2 基于GNSS技術(shù)的尾礦庫(kù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)組成

5 結(jié)論

通過進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、管理等操作，對(duì)尾礦庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行安全評(píng)估和預(yù)警，是實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效途徑，建立便于尾礦庫(kù)運(yùn)行期安全管理和潰壩風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)判方法為全面提升尾礦庫(kù)安全監(jiān)管和日常管理水平，增強(qiáng)企業(yè)、社會(huì)、政府對(duì)于尾礦庫(kù)災(zāi)害的預(yù)警響應(yīng)能力奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，。實(shí)踐證明，基于GNSS技術(shù)的尾礦庫(kù)在線安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、投資經(jīng)濟(jì)，目前已成功應(yīng)用于尾礦壩變形監(jiān)測(cè)，在滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、礦山邊坡變形監(jiān)測(cè)、礦山采空區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)、海涂吹填區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)、水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)、堤防渠道變形監(jiān)測(cè)、深基坑及周邊影響區(qū)變形監(jiān)測(cè)、大型橋梁健康監(jiān)測(cè)、高層建筑及大型場(chǎng)館健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

[1] 尾礦庫(kù)安全監(jiān)督管理規(guī)定.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第6號(hào).2006.4.21.

[2] 王峰.淺談尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2010(30).

[3] 尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程(AQ 2006-2005). 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 2005.12.7.

[4] 李忠奎.尾礦庫(kù)潰壩監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].有色金屬,2008(11).

The Research about the Monitoring and Warning System of Online Security which was Based on GNSS Tailing Pond Technology

Zhang Lin Li Yingqin
(Lanzhou Resources and Environment Voc-Tech College, Lanzhou 730020)

A variety of modern High－Tech is Using the monitoring and warning system of online security, which was based on GNSS tailing pond technology.Through the collected dynamic information and related to security of tailing pond bases, the operation of tailing pond bases is real-time monitoring ,thus forming a kind of information, automation of the new modern Safety monitoring system and a full range of security management and control of automated decision-making platform.

tailing pond；deformation survey；Pre-Alarm System；geographical positioning system

張 琳（1964-），甘肅蘭州人，蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院采礦工程系主任、教授，研究方向：礦山安全。