遼寧省尾礦庫在線安全監(jiān)測管理平臺設(shè)計(jì)

郝 喆 張 亮

(1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院；2.遼寧有色勘察研究院)

近年來，我國尾礦庫重大事故時(shí)有發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了極大損害[1]。2008年9月，山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業(yè)公司尾礦庫潰壩事故，造成276人死亡[2]。2007年11月，海城市鼎洋礦業(yè)公司尾礦庫潰壩事故，造成17人死亡、3人失蹤、39人受傷。可見，提高尾礦庫安全監(jiān)測管理水平，確保尾礦庫安全運(yùn)行十分必要。《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51108—2015)[3]對尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)提出了具體要求。通過建立在線監(jiān)測系統(tǒng)，科學(xué)研判尾礦庫在一定時(shí)間段內(nèi)的安全狀態(tài)，有助于進(jìn)一步增強(qiáng)企業(yè)、社會、政府對于尾礦庫災(zāi)害的預(yù)警響應(yīng)能力[4]。但由于該規(guī)范實(shí)施時(shí)間較短，眾多省份的尾礦庫在線監(jiān)測工作尚未得到有效開展，相關(guān)技術(shù)、架構(gòu)、軟件組成、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)部署、硬件配置等方面仍處于探索過程中，存在諸多需要解決的問題。對此，本研究設(shè)計(jì)了遼寧省尾礦庫在線安全監(jiān)測管理系統(tǒng)平臺，該平臺綜合運(yùn)用智能傳感器、無線通訊、3S、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了尾礦庫安全狀況進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理[5]，是開展尾礦庫在線監(jiān)測的有益嘗試，對現(xiàn)場在線監(jiān)測工程具有一定的指導(dǎo)意義。

1 設(shè)計(jì)路線及總體架構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)路線

平臺采用B/S體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)的零安裝(僅視頻監(jiān)控需安裝相應(yīng)的插件)，可有效減少系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本[6-7]。系統(tǒng)開發(fā)采用J2EE 3層體系架構(gòu)[5]，J2EE(Java 2 Platform，Enterprise Edition)是一種利用Java 2平臺來簡化企業(yè)解決方案的開發(fā)、部署和管理復(fù)雜問題的體系結(jié)構(gòu)[6]。

1.1.1 技術(shù)框架圖

平臺采用多層結(jié)構(gòu)體系，包括表現(xiàn)層、控制層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。每一層采用的技術(shù)和實(shí)物載體如圖1所示。

圖1 技術(shù)框架

1.1.2 主要技術(shù)

平臺采用的主要相關(guān)技術(shù)包括Spring框架、Struts2框架、JSTL標(biāo)簽庫、JS框架和Flex框架等。主要技術(shù)的原理及特點(diǎn)如下：

利用Spring的容器管理優(yōu)勢，管理所有接口服務(wù)以及系統(tǒng)的配置。Spring屬開源框架技術(shù)，采用JavaBean來完成以往由EJB完成的工作[8]，具有簡單性、可測試性和松耦合等特點(diǎn)，是J2EE目前的最佳選擇。

利用Struts2框架實(shí)現(xiàn)MVC的Control層，并封裝MVC的Model。Struts2通過對J2EE的servlet封裝優(yōu)化，接收用戶請求并按照開發(fā)者意愿封裝轉(zhuǎn)化請求數(shù)據(jù)，可提供很多開源的數(shù)據(jù)過濾和驗(yàn)證接口，對MVC結(jié)構(gòu)控制層的實(shí)現(xiàn)十分有效。

利用JSTL標(biāo)簽庫，結(jié)合Struts 2處理后的請求數(shù)據(jù)，規(guī)范快捷地展示在JSP上。JSTL作為J2EE提供的通用標(biāo)簽庫，可結(jié)合JSP表達(dá)式語言和MVC控制層處理后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種不同類型數(shù)據(jù)展示，為開發(fā)平臺工作時(shí)間，也優(yōu)化了JSP文件，增加了JSP文件的可讀性。

利用Jquery處理客戶端事件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)異步請求。Jquery兼容CSS3和各種瀏覽器(IE 6.0+，F(xiàn)F 1.5+，Safari 2.0+，Opera 9.0+)，且壓縮后僅需21 k，能更方便處置HTML documents、events，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果，提供AJAX交互。

利用Flex應(yīng)用程序框架，使開發(fā)人員快速構(gòu)建豐富數(shù)據(jù)演示、強(qiáng)大客戶端邏輯和集成多媒體的應(yīng)用程序[9]。Flex框架產(chǎn)品包含編譯工具和IDE，經(jīng)編寫MXML和ActionScript代碼，編譯生成SWF文件，實(shí)現(xiàn)Flash Player觀看。

1.1.3 處理時(shí)序

平臺處理時(shí)序包括JS數(shù)據(jù)校驗(yàn)、JS數(shù)據(jù)封裝、ajax封裝、action請求控制器、XML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、Service業(yè)務(wù)處理、應(yīng)用服務(wù)平臺等處理[10]，系統(tǒng)平臺建立的處理及調(diào)用關(guān)系見圖2。

1.2 總體架構(gòu)

平臺按照分層思想進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，總體采用5層框架結(jié)構(gòu)，自下而上依次為信息采集傳輸層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層和用戶應(yīng)用層，各個(gè)層次之間由標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議與接口[11]結(jié)合為一個(gè)有機(jī)的整體。利用分層結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢，既充分滿足當(dāng)前尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警工作，又可為將來尾礦庫安全監(jiān)管工作的拓展提供信息服務(wù)接口。平臺總體框架結(jié)構(gòu)見圖3。

2 軟件組成及數(shù)據(jù)同步

2.1 軟件組成

尾礦庫在線監(jiān)測管理平臺功能可同時(shí)滿足政府用戶和企業(yè)用戶的不同工作需求[5]，將平臺建設(shè)成中心版和企業(yè)版2個(gè)子系統(tǒng)。模塊設(shè)置分別如圖4、圖5所示。

中心版系統(tǒng)集地理信息、基礎(chǔ)信息、監(jiān)測預(yù)警、預(yù)案管理、安全監(jiān)管、檔案管理、仿真分析等功能于一體，實(shí)現(xiàn)對全省各尾礦庫的綜合管理和監(jiān)測預(yù)警。企業(yè)版系統(tǒng)集基礎(chǔ)信息、安全監(jiān)測、查詢統(tǒng)計(jì)、預(yù)警發(fā)布、預(yù)案管理、安全管理、檔案管理和設(shè)備管理功能于一體，可實(shí)現(xiàn)對所在企業(yè)尾礦庫的監(jiān)測和預(yù)警，將尾礦庫的各類信息數(shù)據(jù)通過同步數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)與中心系統(tǒng)的同步遷移。通過搭建統(tǒng)一的尾礦庫監(jiān)測平臺和提供多樣化的綜合信息服務(wù)，滿足不同用戶的需求，為尾礦庫安全運(yùn)行和應(yīng)急決策提供信息支持。

圖2 處理時(shí)序

圖3 平臺的總體框架結(jié)構(gòu)

圖4 中心版功能結(jié)構(gòu)

圖5 企業(yè)版功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)同步

平臺數(shù)據(jù)同步方法為：①在尾礦庫安裝部署監(jiān)測數(shù)據(jù)同步客戶端，以Webservice方式存在，該客戶端可以訪問尾礦庫數(shù)據(jù)庫，并提供讀取各監(jiān)測站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法，數(shù)據(jù)以XML標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[12]來組織； ②在中心數(shù)據(jù)庫中安裝部署中心監(jiān)測數(shù)據(jù)同步服務(wù)端，該服務(wù)端以Windows服務(wù)的形式存在，以多線程方式調(diào)用各尾礦庫數(shù)據(jù)同步客戶端；③將監(jiān)測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步遷移至中心數(shù)據(jù)庫中(圖6)。

圖6 數(shù)據(jù)同步示意

3 系統(tǒng)部署與用戶訪問

3.1 系統(tǒng)部署

系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)

3.2 用戶訪問設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用戶訪問設(shè)計(jì)方法如圖8所示。

圖8 用戶訪問設(shè)計(jì)

3.3 運(yùn)行環(huán)境

3.3.1 服務(wù)器端運(yùn)行環(huán)境

服務(wù)器端的軟、硬件需求分別見表1和表2。

表1 服務(wù)器軟件需求

表2 服務(wù)器硬件需求

3.3.2 客戶端運(yùn)行環(huán)境

系統(tǒng)客戶端的軟、硬件需求分別見表3、表4。

表3 客戶端軟件需求

表4 客戶端硬件需求

4 顯示硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)大屏幕顯示硬件系統(tǒng)包含LFP拼接單元、網(wǎng)絡(luò)多屏幕處理器、LANBO專用線纜、服務(wù)器與控制軟件，其中對系統(tǒng)功能影響最大的是拼接單元及網(wǎng)絡(luò)多屏幕處理器(圖9)。

圖9 大屏幕控制系統(tǒng)框圖

圖10 wangluo多屏幕處理器架構(gòu)

5 現(xiàn)場應(yīng)用

基于以上在線監(jiān)測平臺的總體架構(gòu)、軟件組成、程序框圖、數(shù)據(jù)同步方法、系統(tǒng)部署、用戶訪問方法，完成了在線監(jiān)測平臺系統(tǒng)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了30余座省管大型尾礦庫的在線安全監(jiān)測和管理。圖11為遼寧省尾礦庫在線安全監(jiān)測管理系統(tǒng)的啟動(dòng)界面。

圖11 系統(tǒng)啟動(dòng)界面

本鋼集團(tuán)歪頭山鐵礦小西溝尾礦庫建于1970年，于1972年正式投產(chǎn)使用。該尾礦庫占地面積為1.62 km2，現(xiàn)庫容為7 423×104m3。尾礦壩總高100 m，壩頂長1 600 m ，屬省管二等山谷型尾礦庫。初期壩為透水堆石壩，堆積壩為尾礦堆積壩，采用水力沖積上游法筑壩。2013年，該尾礦庫安裝了在線安全監(jiān)測管理系統(tǒng)，分為2個(gè)部分：一部分為礦方企業(yè)在線監(jiān)測系統(tǒng)，另一部分為省管尾礦庫監(jiān)控中心平臺系統(tǒng)，集團(tuán)公司可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。礦方現(xiàn)場在線監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集監(jiān)測裝置(含供電、避雷設(shè)備)、信號傳輸設(shè)備、信號接收及處理裝置、計(jì)算機(jī)終端及管理系統(tǒng)、中心(庫區(qū))機(jī)房5個(gè)部分組成[14]；省管尾礦庫監(jiān)控中心平臺由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及接收裝置、中心大屏顯示裝置、中心計(jì)算機(jī)管理平臺及機(jī)房輔助系統(tǒng)組成。尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目包括浸潤線、庫水位、表面位移、視頻、內(nèi)部位移、降水量。圖12為依據(jù)該平臺的表面位移在線監(jiān)測結(jié)果。

6 結(jié) 論

(1)遼寧省尾礦庫在線監(jiān)測平臺的設(shè)計(jì)遵循J2EE 3層體系，可以實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)的零安裝,有效減少系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本；具有支持異構(gòu)環(huán)境、穩(wěn)定可用等優(yōu)點(diǎn)；通過將一些通用的、繁瑣的服務(wù)端任務(wù)交給中間供應(yīng)商去完成，縮短了開發(fā)時(shí)間。

圖12 平臺做出的預(yù)警發(fā)布

(2)平臺是一個(gè)集各類站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸、尾礦庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯總和動(dòng)態(tài)監(jiān)管、在線監(jiān)測預(yù)警和管理為一體的綜合信息平臺。平臺架構(gòu)的分層體系結(jié)構(gòu)較好的實(shí)現(xiàn)了建設(shè)任務(wù)的分解，以便整個(gè)平臺能夠在明確接口定義的基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)，便于系統(tǒng)整合和資源共享。

(3)平臺分別建設(shè)中心版和企業(yè)版2個(gè)系統(tǒng)，滿足了政府用戶和企業(yè)用戶的不同工作需求。中心版系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)政府對全省各尾礦庫的綜合管理和監(jiān)測預(yù)警；企業(yè)版系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)所在企業(yè)對尾礦庫的監(jiān)測和預(yù)警，并將各類信息數(shù)據(jù)通過同步數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)企業(yè)與中心系統(tǒng)的同步遷移。

(4)系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)和用戶訪問設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，以B/S模式為主、部分采用C/S模式平衡安裝維護(hù)工作量及客戶端設(shè)備和系統(tǒng)性能的關(guān)系，可減少總體工作量，保障信息網(wǎng)絡(luò)安全可靠，易于升級維護(hù)，系統(tǒng)對軟、硬件配置及運(yùn)行環(huán)境要求低，適用性強(qiáng)。

(5)LFD拼接單元采用DID液晶面板技術(shù)，可視面積大、畫面分辨率高、采用VII第二代數(shù)字引擎及專業(yè)的技術(shù)，具有動(dòng)態(tài)圖象無拖影、數(shù)字式接口、安裝便捷，功率消耗小等優(yōu)點(diǎn)。大規(guī)模FPGA陣列式組合處理，無需Windows系統(tǒng)，不死機(jī)、無花屏和黑屏，具有強(qiáng)大的處理能力。