尾礦庫(kù)災(zāi)害應(yīng)急指揮平臺(tái)研究

陳 凱，張 宣，張曉樸，郭利杰

（1．北京礦冶研究總院，北京102600；2．金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102600）

目前，我國(guó)尾礦庫(kù)災(zāi)害應(yīng)急指揮主要停留在人工方式，當(dāng)真正發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，往往需要通過層層匯報(bào)，將信息傳遞到尾礦庫(kù)相關(guān)監(jiān)管人員。監(jiān)管人員在接到報(bào)警信息后，通過電話或者層層指派等方式來協(xié)調(diào)相關(guān)單位針對(duì)災(zāi)害進(jìn)行響應(yīng)和處理，這些處理過程效率低，主觀性強(qiáng)，無法形成高效的、行之有效的災(zāi)害處理思路和途徑，從而錯(cuò)失最佳處理時(shí)間，釀成重大事故。因此，針對(duì)尾礦庫(kù)災(zāi)害的特征研發(fā)應(yīng)急指揮綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)勢(shì)在必行。

針對(duì)目前的這種現(xiàn)狀，本文主要開展了尾礦庫(kù)應(yīng)急指揮軟件平臺(tái)研究、尾礦庫(kù)報(bào)警聯(lián)動(dòng)機(jī)制研究、尾礦庫(kù)遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究、故障自診斷以及故障定位技術(shù)研究。通過對(duì)這些方面的研究及系統(tǒng)整合可以比較完善地應(yīng)對(duì)尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急突發(fā)事件，為礦方尾礦庫(kù)安全提供一個(gè)保障［1－2］。

1 尾礦庫(kù)應(yīng)急指揮軟件平臺(tái)

尾礦庫(kù)應(yīng)急指揮軟件平臺(tái)是根據(jù)尾礦庫(kù)實(shí)際情況還原其“真實(shí)場(chǎng)景”，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、管理、監(jiān)控以及分析的綜合性監(jiān)控平臺(tái)。軟件平臺(tái)通過融合多源地理空間數(shù)據(jù)以及各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與分析，從而為尾礦庫(kù)的安全管理及應(yīng)急救援提供技術(shù)支持和險(xiǎn)情決策依據(jù)［3－4］。

1．1 尾礦庫(kù)應(yīng)急指揮軟件體系

尾礦庫(kù)應(yīng)急指揮軟件以尾礦庫(kù)的三維場(chǎng)景為基礎(chǔ)，為此軟件平臺(tái)要具有創(chuàng)建和編輯三維場(chǎng)景的功能，其中三維場(chǎng)景要素包括基本自然要素（三維地形、建筑物、壩體、水面及干灘等）和相關(guān)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備，并且具有上述要素的渲染和建模功能；其次，該軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)格式，除了本平臺(tái)具有自己的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)該軟件數(shù)據(jù)接口要能兼容通用的三維軟件的數(shù)據(jù)格式，并且本軟件自有的數(shù)據(jù)格式可以轉(zhuǎn)換為通過的三維數(shù)據(jù)格式。方便與通用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；另外，該軟件平臺(tái)的要有高效的三維渲染和仿真性能，同時(shí)支持3D立體顯示，以便在讓用戶直觀地感受到尾礦庫(kù)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)；然后，尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)采集信息要在該軟件平臺(tái)的三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)地顯示和動(dòng)態(tài)更新，以反映當(dāng)前尾礦庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)；最后，該軟件平臺(tái)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、表達(dá)和分析功能，例如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能、浸潤(rùn)線的表達(dá)以及報(bào)表等功能。

尾礦庫(kù)應(yīng)急指揮軟件平臺(tái)主要分為三維建模模塊、三維場(chǎng)景展示模塊、預(yù)警模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊五大模塊。

1．2 三維場(chǎng)景建模

尾礦庫(kù)應(yīng)急指揮軟件平臺(tái)的整個(gè)基礎(chǔ)就是三維場(chǎng)景的展示，為此建立一個(gè)直觀、高效的三維場(chǎng)景顯得非常重要。三維場(chǎng)景建模主要包括尾礦庫(kù)地形建模、壩體建模、干灘、水位建模等。

1）尾礦庫(kù)地形建模。根據(jù)尾礦庫(kù)區(qū)域?qū)嶋H的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)（等高線等）構(gòu)建地形模型，采用三維模型的方式還原尾礦庫(kù)周圍的地形地貌（圖1）。

2）壩體建模。逼真的三維壩體建模（圖2）是進(jìn)行準(zhǔn)確壩體分析的基礎(chǔ)，高精度壩體建模是根據(jù)壩體施工圖和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量成果等資料構(gòu)建形成的，結(jié)合尾礦庫(kù)壩體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如浸潤(rùn)線、位移等數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步壩體穩(wěn)定性分析奠定基礎(chǔ)。

圖1 尾礦庫(kù)地形建模

圖2 三維壩體建模

3）干灘、水位建模。軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了在三維場(chǎng)景中根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（庫(kù)水位高程、干灘長(zhǎng)度等）動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新，干灘、水位建模是基礎(chǔ)，水位建模見圖3。

4）巡檢路線動(dòng)態(tài)模擬。軟件平臺(tái)根據(jù)實(shí)時(shí)位置信息，對(duì)巡檢員的巡檢路線進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬（圖4），三維場(chǎng)景中的漫游采用行走的方式，讓操作者獲得更真實(shí)的沉浸感。

圖3 干灘、水位建模

圖4 巡檢路線

2 尾礦庫(kù)報(bào)警聯(lián)動(dòng)機(jī)制

尾礦庫(kù)報(bào)警聯(lián)動(dòng)機(jī)制目的是優(yōu)化報(bào)警觸發(fā)機(jī)制，根據(jù)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等級(jí)，及時(shí)向不同級(jí)別管理人員匯報(bào)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常情況，引起不同管理級(jí)別人員的重視，使尾礦庫(kù)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的險(xiǎn)情及時(shí)得到控制。

首先，根據(jù)尾礦庫(kù)不同時(shí)期的各種安全運(yùn)行指標(biāo)的閾值，運(yùn)用尾礦庫(kù)災(zāi)害報(bào)警聯(lián)動(dòng)平臺(tái)中的報(bào)警閾值動(dòng)態(tài)交互功能，設(shè)置各個(gè)安全運(yùn)行指標(biāo)的閾值，判斷尾礦庫(kù)安全運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)是否超過安全閾值［5－6］。

其次，尾礦庫(kù)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集各種運(yùn)行指標(biāo)，當(dāng)其超過設(shè)置的安全閾值，就會(huì)觸發(fā)聲光和短信報(bào)警模塊（圖5、圖6）。另外，當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集獲取到異常數(shù)據(jù)，例如傳感器損毀造成的數(shù)據(jù)異常、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊運(yùn)行不正常造成的數(shù)據(jù)異常、通信線路或供電線路不正常造成的不能獲取實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)將根據(jù)對(duì)應(yīng)的不同情況，觸發(fā)不同類別的報(bào)警信息，使現(xiàn)場(chǎng)管理或尾礦庫(kù)安全負(fù)責(zé)人員及時(shí)獲取準(zhǔn)確的報(bào)警。

當(dāng)上述不同級(jí)別、不同類型的報(bào)警被觸發(fā)后，在尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)值班室的聲光報(bào)警模塊立即被觸發(fā)，提醒尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)值班人員；另外根據(jù)觸發(fā)報(bào)警的類別向預(yù)先設(shè)定的尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)管理人員和尾礦庫(kù)安全負(fù)責(zé)人員的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。同時(shí)根據(jù)被報(bào)警的信息是否得到現(xiàn)場(chǎng)管理人員的處理或報(bào)警原因是否有效的解決，按照一定的報(bào)警觸發(fā)規(guī)則，提醒現(xiàn)場(chǎng)管理人員及時(shí)解決問題。

圖5 聲光報(bào)警模塊

圖6 短信報(bào)警模塊

3 尾礦庫(kù)遠(yuǎn)程控制

當(dāng)尾礦庫(kù)發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，最重要的是能夠在第一時(shí)間控制尾礦庫(kù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急控制，執(zhí)行諸如泄洪、停止尾砂輸送等。本文應(yīng)用開發(fā)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，通過Web網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速可靠控制。

隨著互聯(lián)網(wǎng)被人們廣泛的使用，許多遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)都采用了以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制方式。但是針對(duì)尾礦庫(kù)遠(yuǎn)程控制的特點(diǎn)，本文在采用以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的同時(shí)增加了利用GSM網(wǎng)絡(luò)通過短消息（SMS）去對(duì)尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。鑒于此，用戶可以通過PC機(jī)或手機(jī)短信了解現(xiàn)場(chǎng)情況，如果現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生緊急情況時(shí)，通過PC機(jī)或手機(jī)短信控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)，用于泄洪或者停止尾砂輸送。同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，位于尾礦庫(kù)內(nèi)部的控制器可以第一時(shí)間向戶主發(fā)送報(bào)警短信，進(jìn)而可以快速的通知安全職能部門，從而使警情得到及時(shí)的處理。該系統(tǒng)主要面向礦山尾礦庫(kù)，其功能是能夠讓用戶通過該系統(tǒng)進(jìn)行尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，見圖7。系統(tǒng)通過各類傳感器監(jiān)測(cè)尾礦庫(kù)情況，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)并通過GSM網(wǎng)絡(luò)給用戶發(fā)送報(bào)警信息。同時(shí)，用戶也可以通過以太網(wǎng)或GSM網(wǎng)絡(luò)控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)。

4 故障自診斷以及故障定位技術(shù)研究

在尾礦庫(kù)在線監(jiān)控系統(tǒng)中，故障往往是發(fā)生相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后，才依靠人工判斷數(shù)據(jù)異常等方式被發(fā)現(xiàn)。這種故障發(fā)生的不確定性和維護(hù)的滯后性為尾礦庫(kù)災(zāi)害應(yīng)急處理埋下了隱患。建立系統(tǒng)故障自診斷及故障點(diǎn)智能定位，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量、收發(fā)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)等信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中斷、流量異常、意外斷電等故障進(jìn)行在線診斷，并對(duì)故障點(diǎn)及時(shí)定位，給出解決方案或處理意見，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化故障診斷與處理功能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和健壯性。

4．1 EPS（UPS）供電故障自診斷及定位技術(shù)

EPS應(yīng)急電源主要應(yīng)用在各類惡劣工況環(huán)境，為各種不能斷電的負(fù)載設(shè)備提供純凈正弦波的高質(zhì)量供電電源，在尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多處采用，其供電狀態(tài)的在線監(jiān)控和故障及時(shí)診斷和定位是保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

圖8是單相EPS電源電路原理圖，在系統(tǒng)控制器中開發(fā)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，并配置標(biāo)準(zhǔn)RS232／RS485通訊接口，保證系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)獲取。配置串口服務(wù)器可直接將狀態(tài)數(shù)據(jù)接入通信網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證EPS電源分布配置，不受物理位置限制。同時(shí)，通過串口服務(wù)器的IP，可以定位EPS的位置，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置及時(shí)處理。

4．2 數(shù)據(jù)流量監(jiān)控及故障診斷技術(shù)

1）路由器數(shù)量流量監(jiān)控。路由器提供端口鏡像功能，可將LAN口的其他端口的流量自動(dòng)復(fù)制到鏡像端口（LAN1端口），實(shí)時(shí)提供各端口的傳輸狀況的詳細(xì)資料，以便網(wǎng)絡(luò)管理人員進(jìn)行流量監(jiān)控、性能分析和故障診斷。根據(jù)路由器流量監(jiān)控功能，二次開發(fā)，獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量，通過數(shù)據(jù)流量分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)是否異常，再結(jié)合該點(diǎn)的供電狀態(tài)分析該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的故障原因。

2）環(huán)網(wǎng)交換機(jī)故障信號(hào)監(jiān)控。有線無線無縫接入的環(huán)網(wǎng)通信中，使用具有網(wǎng)管功能的交換機(jī)作為環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接入點(diǎn)。具有網(wǎng)管功能的交換機(jī)具有異常報(bào)警功能，將數(shù)據(jù)異常通過繼電器信號(hào)輸出，通過監(jiān)控該交換機(jī)的故障信號(hào)可以分析線路的運(yùn)行狀態(tài)，供系統(tǒng)故障診斷使用。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 單相EPS電源電路原理圖

3）監(jiān)測(cè)設(shè)備輸出的采集信號(hào)為固定區(qū)間，可以通過采集數(shù)據(jù)分析監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷。例如，采集設(shè)備數(shù)據(jù)輸出信號(hào)為電流信號(hào)時(shí)，電流范圍為一般在4～20mA，采集的電流信號(hào)超出該范圍的原因可能是設(shè)備安裝問題和設(shè)備本身性能問題，沒有信號(hào)可能是供電問題，結(jié)合該設(shè)備的供電狀態(tài)信息可以分析出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障原因。

5 總 結(jié)

尾礦庫(kù)在災(zāi)害發(fā)生時(shí)將極大的影響礦方的生產(chǎn)及人員安全，而已有的人工監(jiān)測(cè)方式存在很多問題，如果現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)應(yīng)急突發(fā)事件將很難得到及時(shí)有效的解決。本文通過開發(fā)了一套尾礦庫(kù)應(yīng)急指揮軟件平臺(tái)，可以有效的還原現(xiàn)場(chǎng)的三維形態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)度，如果現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常情況將通過聲光報(bào)警及短信的方式及時(shí)通知業(yè)主，并且讓業(yè)主通過遠(yuǎn)程控制的方式來執(zhí)行泄洪、停止尾砂輸送等操作，用于保障尾礦庫(kù)的現(xiàn)場(chǎng)安全；同時(shí)還研究了故障自診斷以及故障定位技術(shù)，可以盡早預(yù)防尾礦庫(kù)災(zāi)害的發(fā)生。

［1］ 雷宇斌，肖祥紅，王樂洋．多種變形觀測(cè)在尾礦庫(kù)壩運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2008（7）：214－216．

［2］ 張曉樸，張達(dá)，蘇軍．基于固定式探測(cè)儀的尾礦壩體變形監(jiān)測(cè)［J］．有色金屬：礦山部分，2012，64（5）：41－43．

［3］ 陳凱等．極端氣象條件下金屬礦山尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］．礦冶，2014（1）：1－6．

［4］ 陳善剛，蘇軍，袁子清，等．尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)技術(shù)探討［J］．有色金屬：選礦部分，2011（3）：64－67．

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［6］ 蘇軍，邢寶盈，張曉樸，等．某赤泥尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］．有色金屬：礦山部分，2013，65（3）：64－67．