基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的尾礦庫監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

雷 霆 譚卓英

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 ；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.基康儀器(北京)有限公司，北京 100080)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的尾礦庫監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

雷 霆1,2,3譚卓英1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 ；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.基康儀器(北京)有限公司，北京 100080)

針對尾礦庫破壞特點，以降雨量、滲流為主監(jiān)測對象，基于無線通訊技術(shù)，集成雨量計、滲壓計、數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，構(gòu)建了尾礦庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過預(yù)警號、預(yù)警燈、無線預(yù)警模塊組建了無線聲光報警裝置，形成了尾礦庫無線預(yù)警系統(tǒng)；采用網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，以SQL Server2005為數(shù)據(jù)庫平臺，開發(fā)了集“感、傳、知、用”于一體的尾礦庫監(jiān)測信息數(shù)據(jù)管理及分析預(yù)警軟件，實現(xiàn)了監(jiān)測信息及數(shù)據(jù)的遠程管理、可視化操作、數(shù)據(jù)分析和遠程預(yù)警。通過實際工程應(yīng)用表明，系統(tǒng)能夠快速獲取并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時準(zhǔn)確地作出預(yù)警判斷，系統(tǒng)對尾礦庫工程安全運行具有重要指導(dǎo)意義。

尾礦庫 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 實時監(jiān)測 遠程預(yù)警

我國尾礦庫規(guī)模小、數(shù)量多、安全度水平低，且較多小、中型尾礦庫未經(jīng)正規(guī)設(shè)計，存在較大的安全隱患。為了加強尾礦庫大壩安全風(fēng)險管理，預(yù)防尾礦庫安全事故的發(fā)生，保障尾礦庫及庫區(qū)下游企業(yè)及人民群眾的生命財產(chǎn)安全，建立尾礦庫安全監(jiān)測信息管理及預(yù)警系統(tǒng)是十分必要的。

尾礦庫災(zāi)害的發(fā)生一般都是從漸變到突變的發(fā)展過程。因此，分析與災(zāi)害發(fā)生相關(guān)的物理量，采取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測方式，通過獲取影響災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)物理量的數(shù)據(jù)變化過程，捕捉災(zāi)害前兆監(jiān)測物理量的特征信息，就能有效判斷尾礦庫大壩失穩(wěn)及災(zāi)害險情的發(fā)生，并合理決策及時預(yù)警，促進國家經(jīng)濟建設(shè)和保護人民生命財產(chǎn)安全。

傳統(tǒng)的有線安全監(jiān)測系統(tǒng)需要布置傳感器、供電及通訊電纜，但尾礦庫工程多處于偏遠山區(qū)，周邊環(huán)境惡劣，電纜溝開挖難度較大導(dǎo)致監(jiān)測范圍受限。而無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)不需開挖電纜溝及敷設(shè)電纜，通過太陽能供電系統(tǒng)及無線通訊模塊進行信號傳輸，其具有測點布置范圍廣，低功耗環(huán)保等優(yōu)點，比較適用于尾礦庫工程的安全監(jiān)測。史學(xué)濤、趙鳴等[1-2]將無線傳輸應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，建立了結(jié)構(gòu)健康遠程監(jiān)測系統(tǒng)。鄔凱等[3-6]利用ZIGBEE和GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高了數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)目煽砍潭?，并基于網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)和數(shù)據(jù)庫平臺，建立了邊坡安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了監(jiān)測信息及數(shù)據(jù)的可視化和信息化。以上的研究及工程實例對尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究有重要的借鑒意義，但均未對預(yù)警系統(tǒng)、預(yù)警裝置、預(yù)警流程做深入研究，本研究結(jié)合尾礦庫工程的特點，集成各類數(shù)據(jù)采集終端，基于數(shù)據(jù)庫平臺和網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，重點研究了預(yù)警裝置及預(yù)警流程，開發(fā)了集“感、傳、知、用”于一體的尾礦庫監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了尾礦庫工程的遠程預(yù)警。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

尾礦庫工程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括傳感器、無線采集終端、通訊網(wǎng)關(guān)、預(yù)警裝置、采集計算機及服務(wù)器、短信模塊，如圖1所示。硬件系統(tǒng)主要負責(zé)“感、傳”，即感知物理量的變化，并將變化數(shù)據(jù)傳輸。軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集及接收軟件、數(shù)據(jù)分析及預(yù)警分析軟件、數(shù)據(jù)庫軟件。軟件系統(tǒng)主要負責(zé)“知、用”，即圖形化展示物理量的數(shù)據(jù)變化，并將分析物理量的變化結(jié)果、結(jié)論應(yīng)用于監(jiān)測預(yù)警。

圖1 尾礦庫監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Monitoring and prewarning system structure for tailings

1.1 硬件系統(tǒng)

1.1.1 傳感器

尾礦庫破壞發(fā)生時往往伴隨著壩體滲流的的增大，而降雨往往是發(fā)生滲流的誘因。在地形、地質(zhì)等內(nèi)部條件既定的條件下，諸多外部因素中降雨，尤其是大量的降雨或暴雨無疑就成了激發(fā)工程破壞的最主要外部因素之一。國內(nèi)外已有許多研究者在充分考慮地形地貌、地質(zhì)條件和力學(xué)性質(zhì)等內(nèi)在因素條件下研究降雨量、降雨強度和降雨過程與壩體失穩(wěn)在時空分布上的對應(yīng)關(guān)系，進而開展區(qū)域災(zāi)害預(yù)警預(yù)報研究，已取得了顯著成效[7-8]。

因此，本系統(tǒng)確定了區(qū)域降雨量、壩體滲流為主監(jiān)測量，雨量計、位移計作為主監(jiān)測傳感器。雨量計安裝在壩頂，以便能夠準(zhǔn)確地采集現(xiàn)場降雨數(shù)據(jù)，滲壓計安裝在尾礦庫壩體典型監(jiān)測斷面監(jiān)測壩體滲流。

1.1.2 采集終端

由于尾礦庫工程所處環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)的有線采集終端因布線量大，布線施工難度高，且監(jiān)測范圍有限，因此，選擇具備無線短距離組網(wǎng)傳輸功能的小體積無線采集終端來測量傳感器數(shù)據(jù)。

無線采集終端基于IEEE Std 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來實現(xiàn)無線短距離通訊[9]，低功耗設(shè)計適用于野外無供電環(huán)境，采用單晶硅太陽能電池板供電，確保設(shè)備連續(xù)工作，無需維護。無線采集終端包括測量模塊、無線通訊模塊、電源模塊。測量模塊主要功能是測量所接入傳感器數(shù)據(jù)；無線通訊模塊主要功能是將數(shù)據(jù)發(fā)送至通訊網(wǎng)關(guān)，并經(jīng)通訊網(wǎng)關(guān)傳輸至數(shù)據(jù)采集與接收軟件；電源模塊包括太陽能電池板、電池、充電電路，主要功能是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，使無線采集終端能夠持續(xù)工作。

設(shè)備大多安裝在環(huán)境惡劣，維護難度較大處，因此，為了節(jié)省設(shè)備功耗，無線采集終端采用超閾值自報數(shù)據(jù)的方式，即當(dāng)測量的數(shù)據(jù)超過某個設(shè)置的值時才發(fā)送數(shù)據(jù)，但1 d之內(nèi)至少發(fā)送1條數(shù)據(jù)以便判斷設(shè)備是否正常運行。

1.1.3 通訊網(wǎng)關(guān)

通訊網(wǎng)關(guān)包含GPRS模塊、北斗衛(wèi)星模塊、電源模塊。其主要作用是將采集終端上報的數(shù)據(jù)，通過GPRS遠程傳輸至服務(wù)器。由于尾礦庫工程往往在偏遠山區(qū)，GPRS信號較弱，因此，當(dāng)GPRS信號傳輸失敗時，通訊網(wǎng)關(guān)能夠自動采用北斗衛(wèi)星模塊上傳數(shù)據(jù)。

1.1.4 預(yù)警裝置

預(yù)警裝置包括：遠程短信接收控制模塊、預(yù)警號、電源模塊。遠程短信控制模塊是預(yù)警裝置的核心，其能夠接受遠程授權(quán)號碼的短信指令，控制接入的預(yù)警號的供電，達到預(yù)警人員不用抵達現(xiàn)場而直接預(yù)警的效果，確保將預(yù)警信息及時傳遞給受預(yù)警的區(qū)域，防止意外發(fā)生。

1.1.5 采集計算機、服務(wù)器及短信模塊

采集計算機安裝數(shù)據(jù)采集接收軟件，負責(zé)采集現(xiàn)場終端傳感器的數(shù)據(jù)，并將其檢驗、入庫；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負責(zé)保存數(shù)據(jù)及相關(guān)信息；WEB服務(wù)器安裝信息發(fā)布及預(yù)警分析軟件，負責(zé)將數(shù)據(jù)及相關(guān)信息圖形化展示、分析數(shù)據(jù)得出預(yù)警結(jié)論；短信模塊與WEB服務(wù)器連接，負責(zé)發(fā)出預(yù)警短信給預(yù)警裝置及相關(guān)管理人員。

1.2 預(yù)警流程

(1)無線采集終端及滲壓計定時測量數(shù)據(jù)。

(2)當(dāng)無線采集終端測量的數(shù)據(jù)超過設(shè)置在終端儲存器中的閾值時，無線采集終端通過無線短距離信號將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至通訊網(wǎng)關(guān)。

(3)通訊網(wǎng)關(guān)通過GPRS或者北斗衛(wèi)星將無線采集終端的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器的數(shù)據(jù)接收軟件。

(4)數(shù)據(jù)接收軟件將數(shù)據(jù)入庫，同時預(yù)警分析軟件分析該測值是否達到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。

(5)如果數(shù)據(jù)超警戒值，則預(yù)警分析軟件通過與服務(wù)器串口相連的短信模塊向預(yù)警裝置發(fā)送預(yù)警短信，預(yù)警號響，警告附近區(qū)域人員撤離，同時發(fā)送短信給相關(guān)管理部門及人員；如果數(shù)據(jù)未超警戒值，則不發(fā)出預(yù)警信號。

圖2為預(yù)警流程圖。

圖2 預(yù)警流程Fig.2 Early warning flowchart

2 系統(tǒng)軟件功能

尾礦庫工程監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要包括：數(shù)據(jù)接收軟件、監(jiān)測信息發(fā)布及預(yù)警分析軟件。數(shù)據(jù)接收軟件采用C/S結(jié)構(gòu)，主要對現(xiàn)場上傳的測量數(shù)據(jù)檢驗、入庫；監(jiān)測信息發(fā)布及預(yù)警分析軟件采用B/S結(jié)構(gòu)，主要負責(zé)將現(xiàn)場監(jiān)測信息及數(shù)據(jù)進行圖形化展示、預(yù)警數(shù)據(jù)的分析及查詢。

2.1 監(jiān)測信息及數(shù)據(jù)圖形化展示

系統(tǒng)提供所有測點的監(jiān)測信息的圖形化展示功能，可在測點平面布置圖及斷面圖上體現(xiàn)測點監(jiān)測信息；系統(tǒng)提供多測點的單曲線及多曲線繪制功能，可根據(jù)傳感器編號和自定義時間來查詢選擇物理量的測值。圖3為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及曲線查詢界面。

圖3 數(shù)據(jù)查詢界面(P5水位過程曲線)Fig.3 Inquiring of monitor data (P5 Water lever process curve)

2.2 預(yù)警值分析

2.2.1 雨量預(yù)警分析

尾礦庫工程失穩(wěn)災(zāi)害的發(fā)生與當(dāng)天降雨及前期降雨特征密切相關(guān)，采用相關(guān)性分析及統(tǒng)計模型分析方法，分析降雨與失穩(wěn)的耦合關(guān)系，建立雨量統(tǒng)計模型，確定尾礦庫預(yù)警的降雨閾值，根據(jù)實時的降雨查詢結(jié)果和統(tǒng)計圖進行災(zāi)害預(yù)警。

同時，本系統(tǒng)可人工錄入氣象系統(tǒng)的降雨預(yù)報值，通過降雨量統(tǒng)計預(yù)警模塊，達到提前預(yù)警效果。

2.2.2 滲流預(yù)警分析

尾礦庫地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往伴隨著壩體的滲漏，將設(shè)計浸潤線的滲壓計水位測值設(shè)置進預(yù)警分析軟件中，作為滲流預(yù)警的水位閾值。

3 工程實例

遼寧某尾礦壩工程安裝了一套無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)進行滲流監(jiān)測。該工程監(jiān)測管理中心站設(shè)在運行管理單位，現(xiàn)場設(shè)備有無線數(shù)據(jù)中心1套，無線終端10臺，滲壓計10支。圖4為該工程現(xiàn)場設(shè)備平面布置圖。該工程無線數(shù)據(jù)中心放置在壩頂JP2-3測壓管附近，安裝示意圖如圖5所示，該測點位置高程最高，與最遠測點無線終端間可視距離約200 m，能滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)通訊距離的要求。同時，現(xiàn)場采用5瓦太陽能電池板對無線數(shù)據(jù)中心和無線終端進行太陽能供電，保證了無線傳感系統(tǒng)的持續(xù)工作。

目前該工程通訊狀況良好，采集的數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定，節(jié)省了大量的電纜土方開挖工作、安裝調(diào)試工期及工程預(yù)算。

圖4 遼寧某尾礦庫工程平面布置Fig.4 Plan layout of monitoring devices in a tailing

圖5 某尾礦庫工程無線數(shù)據(jù)中心安裝示意Fig.5 A case of Communication Gateway Device Installation in a tailing

4 結(jié) 論

(1)針對尾礦庫失穩(wěn)破壞機理選擇了以雨量計和滲壓作為主監(jiān)測傳感器；針對尾礦庫施工成本高選擇了以無線采集終端作為主要監(jiān)測終端，以GPRS方式作為通訊網(wǎng)關(guān)遠程通訊方式；針對尾礦庫預(yù)警的高效性選擇了以預(yù)警號及短信控制器作為預(yù)警裝置；針對尾礦庫設(shè)備維護難度大選擇了以太陽能供電系統(tǒng)作為采集設(shè)備的電源，組成了穩(wěn)定有效的尾礦庫遠程安全監(jiān)測硬件系統(tǒng)。

(2)開發(fā)了尾礦庫安全監(jiān)測信息管理及預(yù)警發(fā)布軟件，實現(xiàn)了對監(jiān)測信息及數(shù)據(jù)的可視化、信息化管理、遠程采集、數(shù)據(jù)分析及預(yù)警發(fā)布，為運行管理單位及時了解工程運行狀態(tài)、快速決策及預(yù)警發(fā)布提供了強有力的平臺支持。

(3)通過在遼寧某尾礦庫監(jiān)控中的應(yīng)用，表明系統(tǒng)具有實時性、穩(wěn)定性、高效性、低成本等特點。根據(jù)滲透壓力和降雨的監(jiān)測數(shù)據(jù)，能綜合判斷尾礦庫的實時安全狀況，為尾礦庫的工程防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

[1] 史學(xué)濤,趙 鳴.大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感器系統(tǒng)[J].結(jié)構(gòu)工程師，2005，21(4):85-89. Shi Xuetao，Zhao Ming.Wireless sensing system for health monitoring of key structures[J].Structural Engineers，2005，21(4)：85-89.

[2] Lynch，Law .Validation of a wireless modular monitoring system for structures[C]∥Proceedings of SPIE 9th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials.San Diego:[s.n],2002:202-208.

[3] 鄔 凱，盛 謙，張勇慧.山區(qū)公路路基邊坡地質(zhì)災(zāi)害遠程監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2010，31(11):3683-3687. Wu Kai，Sheng Qian，Zhang Yonghui.Development of real-time remote monitoring and forecasting system for geological disasters at subgrade slopes of mountainous highways and its application[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31(11):3683-3687.

[4] 何滿潮.滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠程監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(6)：1081-1090. He Manchao.Real-time remote monitoring and forecasting system for geological disasters of landsides and its engineering application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(6)：1081-1090.

[5] 梁桂蘭，徐衛(wèi)亞，何育智，等.邊坡工程監(jiān)測信息可視化分析系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2008,29(3)：849-853. Liang Guilan，Xu Weiya，He Yuzhi，et al.Visualsystem development and application of data analysis for slope engineering[J].Rock and Soil Mechanics，2008,29(3):849-853.

[6] 賈明濤，王李管，潘長良.基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的邊坡位移可視化分析系統(tǒng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003,22(8):1324-1328. Jia Mingtao，Wang Liguan，Pan Changliang.Visual analysis system for slope displacement based on monitored data[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(8)：1324-1328.

[7] 丁繼新，尚彥軍，楊志法，等.降雨型滑坡預(yù)報新方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(21)：3738-3743. Ding Jixin，Shang Yanjun，Yang Zhifa，et al.New method of predicting rainfall-induced landslides[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004，23(21)：3738-3743.

[8] 許利凱，李世海，劉曉宇，等.三峽庫區(qū)奉節(jié)天池滑坡實時遙測技術(shù)應(yīng)用實例[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007,26(增2)：4477-4483. Xu Likai，Li Shihai，Liu Xiaoyu，et al.Application of real-time telemetry technology to landslide in tianchi fengjie of three gorges reservoir region[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(S2):4477-4483.

[9] 孫茂一，陳利學(xué).ZigBee 技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(2)：192-194. Sun Maoyi，Chen Lixue.Application of ZigBee in wireless sensor network[J].Modern Electronic Technique，2008(2)：192-194.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

School Civil and Enviromnental Engineering System of Tailing Pond bases on Wireless Sensor Networks

Lei Ting1,2,3Tan Zhuoying1,2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeijing，Beijing100083，China; 2.StateKeyLaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMinesofMinistryofEducation，Beijing100083，China; 3.GeokonInstruments(Beijing)Co.，Ltd.，Beijing100080，China)

According to the destruction of tailings，mainly in order to monitor rainfall and seepage，based on wireless communication technique，and integrated with pluviometer，piezometer，data acquisition and transmission unit，a data acquisition system for tailings pond is established.By warning alarm，warning lights and warning SMS module，a wireless sound and light alarm device is set up，forming a pre-warning device system for tailings ponds.Based on network programming techniques and SQL Server 2005 database，the pre-warming software system for management and analysis of tailings monitoring information and data with the integration of “remote monitoring，communication，forecasting and application” was developed，which realized the remote management，visualization，data analysis and remote pre-warning” of monitored information and data.According to the field application，this system can quickly acquire and analyze the monitored data and precisely forecast the situations.It has important guiding meaning for the safe operation of the tailings.

Tailings pond，Wireless sensor networks，Real-time monitoring，Remote pre-warning system

2013-10-26

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51174013)，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(編號：2010CB731501)，長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(編號：IRT0950)。

雷 霆(1986—)，男，博士研究生。通訊作者：譚卓英(1965—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD76

A

1001-1250(2014)-01-125-04