尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)通信可靠性的關(guān)鍵技術(shù)研究

王治宇，張 達(dá)，蘇 軍，韓志磊

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)通信可靠性的關(guān)鍵技術(shù)研究

王治宇1，2，張 達(dá)1，2，蘇 軍1，2，韓志磊1，2

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)要求監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)完整，對(duì)通信系統(tǒng)的可靠性要求較高，但系統(tǒng)所處的自然環(huán)境和工業(yè)環(huán)境復(fù)雜，如何提高通信系統(tǒng)的可靠性是業(yè)界一大難題。本文提出了多重冗余網(wǎng)絡(luò)通信、通信分布式智能供電、網(wǎng)絡(luò)故障自診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、系統(tǒng)防雷防浪涌、系統(tǒng)數(shù)據(jù)容錯(cuò)、通信QoS管理等多項(xiàng)保障技術(shù)。工業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)證明，使用本文提出的針對(duì)性技術(shù)可以有效提高通信系統(tǒng)的可靠性。

尾礦庫；在線監(jiān)測；通信系統(tǒng)

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)作為尾礦庫安全運(yùn)行的重要管理手段，廣泛應(yīng)用于礦山企業(yè)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)作為尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)行通道，其可靠性是系統(tǒng)穩(wěn)定性及監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性的重要指標(biāo)之一。

1 尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)通信過程中的問題及難點(diǎn)

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)要求各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠通過通信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行分析和處理［1］，要求通信系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性，能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)前端設(shè)備的通信需求。通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性以通信可靠性為保障，才能準(zhǔn)確無誤地快速完成數(shù)據(jù)的傳輸。尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備及通信設(shè)備通常都安裝在野外環(huán)境中，為適應(yīng)雷雨、極端低溫、極端高溫、大雪、風(fēng)沙［2］等野外極端天氣條件，就要求系統(tǒng)具有較高的防護(hù)水平，可靠的供電方式及防雷手段。尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信線路較長，會(huì)經(jīng)過山體、樹林、工業(yè)場地、礦山生活區(qū)等各種復(fù)雜多變的地形，不僅會(huì)遭受到各種電磁噪聲的干擾，還可能會(huì)遭受意外的機(jī)械損傷而導(dǎo)致線路中斷，這就需要通信系統(tǒng)本身具有多重的冗余線路來保證通信不受干擾，最惡劣的情況下系統(tǒng)本身還應(yīng)具備數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)的功能，等待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后可以把臨時(shí)數(shù)據(jù)回傳到管理中心站進(jìn)行處理。本文主要根據(jù)尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)中通信系統(tǒng)的上述特點(diǎn)及難點(diǎn)做出針對(duì)性研究，并提出應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵技術(shù)，使得整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性得到大幅度提升。

2 提高通信系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)

1）多重冗余網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備部署比較分散，多數(shù)安裝在野外環(huán)境中，而系統(tǒng)平臺(tái)則部署在廠區(qū)的辦公樓內(nèi)，這就導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分散，線纜路徑較長，線路途經(jīng)范圍內(nèi)的環(huán)境多樣，即使是環(huán)形光纜線路也難免受到極端天氣、意外機(jī)械損傷、突發(fā)事件的影響而導(dǎo)致多處斷路，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信中斷，而架設(shè)多路由的雙冗余環(huán)網(wǎng)又會(huì)受到線路路由以及建設(shè)投資等多方面的實(shí)際因素限制而導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這樣的情況，可以采用有線無線雙冗余路由環(huán)網(wǎng)來保證通信系統(tǒng)的連續(xù)性并顯著提高網(wǎng)絡(luò)殘存性，以達(dá)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸不間斷的要求。

該技術(shù)的核心思想是在雙回路光纖通信環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加基于2.4G＋5G無線Mesh網(wǎng)絡(luò)［3］設(shè)備形成有線無線互為冗余的多重網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，在不用重新規(guī)劃線路路由的情況下通過增加較少的投資來滿足網(wǎng)絡(luò)通信的不間斷要求。

2）通信系統(tǒng)分布式智能供電技術(shù)

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)傳統(tǒng)的供電解決方式是采用值班房或者泵房等位置取電，然后通過架設(shè)供電線路到用電設(shè)備端，如果供電節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或意外斷電，則整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)就會(huì)因斷電而產(chǎn)生通信中斷。針對(duì)這樣的情況，可以采用分布式智能供電的方式來保證通信系統(tǒng)供電的連續(xù)性。

通信系統(tǒng)分布式智能供電技術(shù)是一種采用多重供電結(jié)合供電實(shí)時(shí)監(jiān)控的安保供電系統(tǒng)，在重點(diǎn)通信節(jié)點(diǎn)采用風(fēng)力或者光伏供電自動(dòng)切換裝置并配備相應(yīng)數(shù)量的高能鋰電池作為后備電源，同時(shí)配置狀態(tài)監(jiān)測模塊，可以實(shí)時(shí)把供電參數(shù)發(fā)送到上位系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以監(jiān)控各個(gè)供電點(diǎn)的供電狀態(tài)參數(shù)，以便出現(xiàn)故障或意外時(shí)及時(shí)采取措施，保證系統(tǒng)供電。

3）網(wǎng)絡(luò)故障自診斷技術(shù)

通信系統(tǒng)在配置了多重線路的冗余后，出現(xiàn)單一線路的通信故障后可以自動(dòng)切換到其他線路進(jìn)行通信，直到所有線路都出現(xiàn)通信故障而導(dǎo)致某個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信徹底中斷后，上位管理系統(tǒng)中才會(huì)顯示通信中斷，這個(gè)時(shí)候再開始維修就會(huì)造成一定時(shí)間的通信中斷從而影響到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。針對(duì)這種情況，可以采用網(wǎng)絡(luò)故障自診斷技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，一旦通信系統(tǒng)中出現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)，即使整體通信沒有間斷也可以準(zhǔn)確地確定通信故障節(jié)點(diǎn)而及時(shí)維修。

網(wǎng)絡(luò)故障自診斷技術(shù)是基于SNMP（Simple Network Management Information）協(xié)議的一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理技術(shù)，SNMP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中的通用子協(xié)議，該協(xié)議基于MIB（Management Information Base）［4］及其相關(guān)的結(jié)構(gòu)及符號(hào)以及相關(guān)的進(jìn)程管理技術(shù)形成一套管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的技術(shù)手段，可以方便直觀的對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)的管理。

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

作為一個(gè)信息系統(tǒng)，不可能有絕對(duì)的技術(shù)手段來保證系統(tǒng)通信永不中斷，特別是尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)，需要面對(duì)惡劣的野外環(huán)境、極端的天氣、工業(yè)場地生產(chǎn)等多種不利條件的影響，為了最大程度的保證數(shù)據(jù)的完整性以及連續(xù)性，在數(shù)據(jù)源頭采用對(duì)原始數(shù)據(jù)的本地化存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)在數(shù)據(jù)源本地增加臨時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備，并建立網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽機(jī)制，當(dāng)通信中斷時(shí)，傳感器采集的原始數(shù)據(jù)可以暫時(shí)存儲(chǔ)在本地，等到網(wǎng)絡(luò)通信恢復(fù)正常時(shí)，再通過網(wǎng)絡(luò)把本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸至管理系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)的完整連續(xù)。

5）系統(tǒng)防雷防浪涌技術(shù)

尾礦庫通常坐落在野外無人的山谷地區(qū)，這樣的地形容易受到雷電的攻擊，而尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)由于是電子信息系統(tǒng)，更容易遭受雷電的攻擊［5］。目前很多尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)就是因?yàn)榉览追览擞肯到y(tǒng)設(shè)計(jì)上達(dá)不到規(guī)范要求，而導(dǎo)致系統(tǒng)在雷雨季節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)癱瘓的問題。針對(duì)這一情況，一方面需要完善防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一面還需要采取隔離技術(shù)來阻斷雷電對(duì)設(shè)備的侵襲。

6）系統(tǒng)數(shù)據(jù)容錯(cuò)技術(shù)

尾礦庫的野外環(huán)境惡劣，在系統(tǒng)防護(hù)上除了基本的工業(yè)寬溫設(shè)計(jì)、高IP防護(hù)處理［5－6］等通用手段外，還需要充分考慮工業(yè)場地上高壓用電設(shè)備、大型工程電機(jī)、高功率照明設(shè)備等用電器產(chǎn)生的電磁干擾。針對(duì)這種類型的電磁干擾具有地點(diǎn)不固定、干擾強(qiáng)度不固定的情況，可以采用全系統(tǒng)電磁屏蔽技術(shù)以及數(shù)據(jù)容錯(cuò)技術(shù)來提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力及干擾耐受能力。

整個(gè)防護(hù)體系在對(duì)設(shè)備和線纜增加屏蔽隔離層的物理措施上，采用ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet控制報(bào)文協(xié)議［7］來對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行差錯(cuò)控制，通過對(duì)數(shù)據(jù)包以及分組的識(shí)別來確認(rèn)路由是否可達(dá)以及數(shù)據(jù)是否完整，如果出現(xiàn)不可達(dá)則要求更改路由或者監(jiān)聽線路直到可達(dá)，如果數(shù)據(jù)不完整則要求數(shù)據(jù)源重傳。

7）通信QoS管理技術(shù)

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型較多，其中各個(gè)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)最為重要，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)次之，而視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在規(guī)范中并沒有強(qiáng)制性要求。針對(duì)這一情況就需要對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)進(jìn)行區(qū)分，可以基于IEEE 802.1P標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行QoS上的區(qū)分。

IEEE 802.1P標(biāo)準(zhǔn)定義了從0至7的優(yōu)先值，可以為第二層服務(wù)品質(zhì)（QoS）或服務(wù)類（CoS）區(qū)分流量。此外，IEEE 802.1P標(biāo)準(zhǔn)也提供了多播流量過濾功能，以確保該流量不超出第二層交換網(wǎng)絡(luò)范圍。

3 工業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)

1）系統(tǒng)簡述

以某尾礦庫為例，該尾礦庫為Ⅱ等庫，庫區(qū)占地面積大約4km2，主壩為堆積壩，壩高74m，圍繞庫區(qū)還有三個(gè)漿砌石副壩。尾礦庫安全在線監(jiān)測主要監(jiān)測壩體的表面和內(nèi)部位移、浸潤線、干灘、庫水位、漿砌石副壩的壩體應(yīng)力、壩體滲流以及庫區(qū)視頻監(jiān)控。

2）系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)硬件系統(tǒng)的布置情況，為了保障系統(tǒng)通信的可靠性，在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面應(yīng)用多重冗余通信、分布式智能供電技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)來保證硬件系統(tǒng)的通信可靠性，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方面引用通信QoS管理技術(shù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)容錯(cuò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)故障自診斷技術(shù)來保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性，同時(shí)還嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行了防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使之滿足規(guī)范要求，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)及效果

該尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)建成運(yùn)行一年以來，經(jīng)歷了極端天氣、工業(yè)生產(chǎn)意外斷電、通信光纜因企業(yè)生產(chǎn)需要而更改線路等諸多情況的考驗(yàn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)依然連續(xù)穩(wěn)定，滿足了監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測要求。表1和表2是通信系統(tǒng)供電情況和網(wǎng)絡(luò)故障情況的臺(tái)賬統(tǒng)計(jì)情況，通過這些數(shù)據(jù)可以證明，在系統(tǒng)采用了前述針對(duì)性的技術(shù)措施之后，系統(tǒng)通信的可靠性得到了有效的保證。

表1 通信系統(tǒng)供電統(tǒng)計(jì)表Table 1 Communication system power supply statistics

表2 網(wǎng)絡(luò)通信情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Network communication statistics

4 結(jié)論

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)作為尾礦庫安全管理的重要手段，監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)完整是衡量系統(tǒng)運(yùn)行是否正常的重要指標(biāo)。

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備安裝使用環(huán)境惡劣，通信系統(tǒng)的可靠性必須通過多種關(guān)鍵技術(shù)綜合使用才能保障。

實(shí)踐證明，多重冗余網(wǎng)絡(luò)通信、分布式智能供電、網(wǎng)絡(luò)故障自診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、系統(tǒng)防雷防浪涌、系統(tǒng)數(shù)據(jù)容錯(cuò)、通信QoS管理等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的綜合使用能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

［1］國家安全監(jiān)督管理總局 .尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范AQ 2030—2010［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

［2］蘇軍，張達(dá) .應(yīng)對(duì)極端天氣條件的尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)研究［J］.中國礦業(yè)，2014（23）：190－194.

［3］楊陽，章平，歐陽偉 .極端氣象下尾礦庫監(jiān)測通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2014（10）：99－103.

［4］Richard W Stevens，TCP/IP詳解卷1：協(xié)議［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［5］蘇 軍，張 達(dá)，韓志磊，等 .尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)［J］.金屬礦山，2013（11）：126－129.

［6］張達(dá)，張曉樸，楊小聰.尾礦庫在線監(jiān)測及應(yīng)急指揮系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用［J］.礦冶，2011，20（2）：20－25.

［7］謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程［M］.北京：人民郵電出版社，2002.

Study on key technologies of communication reliability of tailings pond online monitoring system

WANG Zhiyu1，2，ZHANG Da1，2，SU Jun1，2，HAN Zhilei1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

Tailings pond safety online monitoring system demands real－time communication and continuous acquisition of monitoring data.However，the natural and industrial environment of the system is complex，so how to improve communication reliability of the system has become a big problem.A series of security technologies are proposed，such as multi－redundant network communication，distributed intelligent power supply，self diagnosis of network fault，data stored and retransmission，system lightning and surge protection，system data fault tolerance，communication of QoS management and so on.The industrial field test shows that the specific technologies proposed in this paper can effectively improve the reliability of communication.

tailings pond；online monitoring；communication system

TD76

A

1671－4172（2015）05－0092－03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2011AA060406）

王治宇（1978－），男，助理工程師，電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，主要研究方向?yàn)榈V山案例監(jiān)測技術(shù)。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.019