基于物聯(lián)網(wǎng)的尾礦安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

張元順

（中國有色金屬建設(shè)股份有限公司，北京100029）

尾礦庫是金屬或非金屬礦山用于堆積礦石選別后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所，是礦山選礦廠生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)施，可防止礦業(yè)生產(chǎn)中的尾礦因任意排放而危害自然生態(tài)環(huán)境。然而作為一個具有高勢能的人造泥石流危險源，尾礦庫存在潰壩危險，且一旦失事，容易造成重特大事故。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過各種信息傳感器和射頻識別技術(shù)，實時采集礦山生產(chǎn)過程中可能造成安全隱患的信息，通過網(wǎng)絡(luò)的接入實現(xiàn)礦山安全監(jiān)測的智能化感知、識別和管理，為解決尾礦庫安全提供了全新的途徑[1-5]。本文研究的尾礦安全監(jiān)測系統(tǒng)即是采用物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以云服務(wù)、智能傳感器及傳感終端為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對尾礦庫的微振監(jiān)測、溫度濕度監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)化[6]，并通過云平臺在線診斷與分析、結(jié)合實時的氣象預(yù)報，對尾礦庫的安全狀態(tài)進行分析及預(yù)測報警。該系統(tǒng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要分為基于傳感器的信息采集系統(tǒng)和基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)。

1 基于傳感器的信息采集系統(tǒng)

本文研究設(shè)計的尾礦安全監(jiān)測信息采集系統(tǒng)可實現(xiàn)多種環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測，并通過采集裝置實時采集尾礦庫的庫水位、滲流量、壩體穩(wěn)定性及當?shù)亟涤炅康男畔ⅰ?/p>

1.1 水位監(jiān)測

尾礦庫內(nèi)通常存積著大量的尾礦漿沉淀水，通過對庫內(nèi)水位高低的監(jiān)測可有效防范洪水的發(fā)生。本系統(tǒng)采用超聲波液位計測量液位計距離水面的高度，并以此計算庫水位的高度，然后通過自動化集錄系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)上傳到云平臺。當水位高度或者水位漲幅超過預(yù)警值時，將對尾礦庫監(jiān)管人員發(fā)出預(yù)警信號。

1.2 視頻監(jiān)測

為了實時掌控尾礦庫庫區(qū)的情況和運行狀況，在尾礦庫重要位置安裝網(wǎng)絡(luò)攝像頭，實時傳輸給云平臺，由云平臺進行數(shù)據(jù)計算分析與評價預(yù)報。當出現(xiàn)不安全因素時，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號，由監(jiān)管人員采取相應(yīng)措施。

1.3 壩體穩(wěn)定性監(jiān)測

當尾礦庫要發(fā)生潰堤時，其最直觀的表現(xiàn)為壩體出現(xiàn)位移和變形現(xiàn)象，因此及時收集尾礦庫壩體位移和變形信息是壩體穩(wěn)定性監(jiān)測的關(guān)鍵。

使用高精度GPS對尾礦庫的表面位移實施監(jiān)測：各GPS監(jiān)測點與參考點接收機實時接收GPS信號，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到控制中心，通過服務(wù)器GPS解算軟件解算出各監(jiān)測點三維坐標，并與初始坐標進行對比，從而獲得該監(jiān)測點位移變化量。同時，分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的閾值判斷是否進行報警。對壩體深部位變形監(jiān)測，則采用固定式測斜傳感器，通過在邊坡打孔將傳感器安裝到指定位置，測量角度的變化換算出位移變化量，并將變化數(shù)據(jù)錄入自動化集錄系統(tǒng)上傳到云平臺。當壩體形變數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時發(fā)出預(yù)警信號。

1.4 降雨量監(jiān)測

使用雨量筒監(jiān)測汛期降水情況，通過雨量計內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器對雨量數(shù)據(jù)進行處理、存儲，并由通信接口將雨量數(shù)據(jù)輸出給云平臺，其具體功能如下:1）數(shù)據(jù)采集。主要采集監(jiān)測點水位、降雨量等水文數(shù)據(jù)。2）報警功能。當水位、降雨量等數(shù)據(jù)超過報警上限時，監(jiān)測點主動向中心報警。3）查詢功能。通過監(jiān)測系統(tǒng)軟件可以查詢各種歷史記錄。4）存儲功能。前端監(jiān)測設(shè)備具備大容量數(shù)據(jù)存數(shù)功能，監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫可以記錄所有歷史數(shù)據(jù)。5）遠程召測。通過平臺召測站點實時數(shù)據(jù)，方便相關(guān)部門及時把控監(jiān)測站點狀況。6）傳輸方式?？赏ㄟ^包括2G、3G、4G、NBloT、LoRa、北斗、有線等多種方式進行數(shù)據(jù)傳輸。降雨量檢測拓撲圖見圖1。

圖1 降雨量檢測拓撲圖

1.5 浸潤線監(jiān)測

浸潤線監(jiān)測是在尾礦庫大壩上選擇橫剖面，在壩體上進行梯度鉆孔，或利用浸潤線觀測孔（測壓孔），在孔內(nèi)安裝孔隙水壓力計（滲壓計），從而監(jiān)測大壩該剖面浸潤線。在埋設(shè)滲壓計時，需要結(jié)合尾礦庫壩體實際大小、壩體類型、所處地區(qū)等因素沿著壩體設(shè)置若干個浸潤線監(jiān)測點，每隔一定時間采集數(shù)據(jù)，并上傳到云平臺。浸潤線監(jiān)測剖面如圖2所示。

圖2 浸潤線監(jiān)測剖面

1.6 干灘監(jiān)測

干灘監(jiān)測內(nèi)容包括灘頂高程、干灘長度、干灘坡度。灘頂標高指沉積灘面與堆積壩外坡的交線,為沉積灘的最高點；干灘長度指由灘頂至庫內(nèi)水邊長的水平距離；設(shè)計最高洪水位時的灘長稱作最小灘長。目前，采用固定坡比法、無接觸影像法、標識識別法等技術(shù)進行干灘監(jiān)測，能有效對干灘長度進行監(jiān)測。

安全干灘長度如圖3所示。設(shè)現(xiàn)狀庫水位為Hs，通過設(shè)計沉積灘長[Lg]確定a點，測得a點標高Ha。當Ht=Ha-Hs≥[ht]時，即認為安全灘長（Ht）滿足安全要求；否則，不滿足。本文選擇采用威海晶合紅外熱像技術(shù)、多目視覺技術(shù)、攝影測量技術(shù)等進行全自動非接觸式監(jiān)測。在壩體合適位置安裝雙目視覺儀，通過對最初壩體和干灘像素特性的預(yù)設(shè)置，定期獲取視頻圖像，并通過軟件內(nèi)包含的雙目視覺技術(shù)、攝影測量技術(shù)自動解算像素，同時結(jié)合紅外熱像技術(shù)得到灘頂高程和干灘長度，進而計算出干灘坡度。

圖3 安全干灘長度示意

2 基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)

微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計是近年來出現(xiàn)的一種新的軟件架構(gòu)設(shè)計模式，它是將一些復(fù)雜的、大型的應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)業(yè)務(wù)功能劃分原則，拆分成多個功能單一與獨立的應(yīng)用系統(tǒng)，由此實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)組件化、服務(wù)化分離。微服務(wù)架構(gòu)的一個重要特點是根據(jù)組件化、服務(wù)化原則劃分的微應(yīng)用系統(tǒng)之間，通過與平臺無關(guān)的通信協(xié)議，實現(xiàn)彼此之間的通信與調(diào)用配合，從而實現(xiàn)整體復(fù)雜功能[7]。

Spring Cloud是一套基于Spring Boot進行分布式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的微服務(wù)架構(gòu)框架系統(tǒng)，它具有完善的服務(wù)發(fā)現(xiàn)注冊、配置中心、消息總線、負載均衡、斷路器、數(shù)據(jù)監(jiān)控等機制，這些功能都可以用Spring Boot做到一鍵啟動和部署。本項目設(shè)計即基于Spring Cloud微服務(wù)框架進行設(shè)計，實現(xiàn)了尾礦安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)告警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)展示等各方面微服務(wù)應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

圖4 尾礦監(jiān)測微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集微服務(wù)

數(shù)據(jù)采集微服務(wù)系統(tǒng)是指本項目采用的各種PLC、RTU、視頻監(jiān)控及其他專用設(shè)備將監(jiān)測實時數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等各種數(shù)據(jù)接入尾礦監(jiān)控平臺系統(tǒng)中。其中，維保運行狀況PLC數(shù)據(jù)采集采用Kep Sever作為OPC服務(wù)器與各種型號PLC設(shè)備相連，微服務(wù)采用OPC UA方式讀取Kep Sever應(yīng)用開發(fā)接口采集數(shù)據(jù)。RTU則是主要通過4G、NBLoT方式進行數(shù)據(jù)傳輸，在服務(wù)端采用Netty NIO多線程技術(shù)與異步傳輸模式，負責(zé)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)的采集、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)上報等功能，并提供Restful服務(wù)接口供其他微服務(wù)調(diào)用。

此外，由于國內(nèi)各地的尾礦庫呈現(xiàn)出數(shù)量多、規(guī)模小、筑壩環(huán)境復(fù)雜的特點，許多尾礦庫建設(shè)觀測點不易于架設(shè)光纖和無線點對點回傳，因此，本文所述的尾礦庫數(shù)據(jù)傳輸采用多種通信方式結(jié)合回傳：1）在傳輸數(shù)據(jù)量較大的監(jiān)測點采用尾礦庫間鋪設(shè)光纖進行數(shù)據(jù)傳輸。2）在傳輸視頻監(jiān)控圖像時，由于對實時畫面質(zhì)量的要求較高、視頻監(jiān)控點分布比較分散、變動位置的情況較多，但視頻點的安裝位置又大多較為開闊，因此采用點對點無線回傳信息。3）在傳輸數(shù)據(jù)量不大且通信效果較好時，通過互聯(lián)網(wǎng)互傳。另外，增加1個4G/GSM，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4G/GSM信號進入移動通信網(wǎng)，再接入互聯(lián)網(wǎng)上傳至云服務(wù)平臺。

綜上，數(shù)據(jù)采集微服務(wù)是在獲取到各個監(jiān)測點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，及時判斷是否產(chǎn)生數(shù)據(jù)超閾值告警和設(shè)備運行告警。用戶可以使用智能手機、平板電腦和PC機等客戶端實時對尾礦庫的安全進行查看，有效地提高了工作效率。具體流程圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集微服務(wù)數(shù)據(jù)告警處理流程

2.2 數(shù)據(jù)存儲微服務(wù)

數(shù)據(jù)存儲微服務(wù)主要解決時序數(shù)據(jù)存儲、視頻文件存儲、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲等。由于存儲數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)差異較大，本項目針對不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分別采用了不同技術(shù)進行存儲。

單個監(jiān)測點每個傳感器每分鐘產(chǎn)生1條數(shù)據(jù)，對于大規(guī)模應(yīng)用的尾礦實時監(jiān)測項目而言，每天會產(chǎn)生上千萬條數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)量如果采用普通的關(guān)系型應(yīng)用數(shù)據(jù)庫（Oracle、MS SQL）處理會產(chǎn)生大量的維護成本。針對此問題，本項目應(yīng)用基于時間序列的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫Open STDB進行存儲。Open STDB是基于HBase的分布式、可伸縮的時間序列數(shù)據(jù)庫，可以完整地收集和存儲上億數(shù)據(jù)點并支持秒級數(shù)據(jù)監(jiān)控，其主要應(yīng)用于大規(guī)模監(jiān)測實時數(shù)據(jù)存儲與查詢，支持秒級數(shù)據(jù)序列存儲。Open STDB提供并行數(shù)據(jù)采集TCollector組件，其主要功能是運行所有的采集者并收集數(shù)據(jù)，完成所有發(fā)送數(shù)據(jù)到TSD的連接管理任務(wù)，并提供簡單高效的開發(fā)接口，包括Java、Python、C等。在Tcollector下，可以使用任何語言編寫采集者，只需要采集者有可執(zhí)行權(quán)限，并把數(shù)據(jù)以標準輸出即可。采集者位于采集器目錄下，Tcollector會遍歷每個數(shù)字目錄并執(zhí)行這些目錄下的采集者。

視頻圖像存儲采用文件存儲模式，根據(jù)視頻產(chǎn)生的位置、時間進行路徑命名，存儲時間長度按10 min進行分割。這樣避免了文件過大帶來的讀取過慢與寫入爆倉災(zāi)難，用戶可以根據(jù)攝像頭編號、視頻采集時間等快速讀取。維保服務(wù)數(shù)據(jù)存儲采用一般關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，本項目采用的是免費的MySQL數(shù)據(jù)庫。

2.3 平臺應(yīng)用微服務(wù)

平臺應(yīng)用微服務(wù)主要為用戶的數(shù)據(jù)查詢、告警處理、設(shè)備維保等需求提供服務(wù)平臺：1）監(jiān)測點狀態(tài)監(jiān)測提供監(jiān)測點選擇、監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)、監(jiān)測點歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測點設(shè)備運行狀態(tài)等多種方式查詢；2）尾礦告警管理針對各種級別的數(shù)據(jù)超過閾值、設(shè)備運行故障、人員闖入等提供告警界面管理；3）維保服務(wù)管理為用戶提供維保人員、維保時間、維保內(nèi)容等方面記錄。本項目尾礦監(jiān)測點數(shù)據(jù)運行維護系統(tǒng)截圖如圖6所示。

圖6 尾礦監(jiān)測點數(shù)據(jù)運行維護系統(tǒng)截圖

2.4 數(shù)據(jù)展示微服務(wù)

數(shù)據(jù)展示微服務(wù)提供了一個云端的數(shù)據(jù)展示服務(wù)，可對數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、分析、報警、分享至客戶端等。用戶可通過個人終端如手機、平板電腦、PC機等實時查看各個監(jiān)測點的情況，并通過數(shù)據(jù)變化的曲線圖、柱狀圖等對數(shù)據(jù)進行基本分析；當監(jiān)測點的設(shè)備上傳的數(shù)值超過一定的閾值或設(shè)備掉線時，可通過短信或郵件的方式實時提醒管理人員，讓管理人員在最短的時間內(nèi)獲取尾礦庫的安全情況。本項目尾礦監(jiān)測大數(shù)據(jù)面板展示系統(tǒng)截圖如圖7所示。

圖7 大數(shù)據(jù)面板展示尾礦系統(tǒng)截圖

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)通常采用數(shù)據(jù)采集基站和服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行接收和處理，但是對于國內(nèi)大部分中小型尾礦庫來說，這種模式存在維護成本高、建設(shè)投入大的問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合云計算方式能將尾礦庫的檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺對數(shù)據(jù)進行存儲并分析。用戶可使用手機、平板電腦、PC機等個人終端進行訪問獲取云服務(wù)器的信息。將該系統(tǒng)投入尾礦安全監(jiān)測的實際使用中不僅可有效降低尾礦庫監(jiān)測的建設(shè)投入，還可以很好地提高尾礦庫監(jiān)測的工作效率，大大提高尾礦庫的安全性和穩(wěn)定性。