基于無線通信的尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉 俊，張警行，郭 琳，袁訓(xùn)鋒

(商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

尾礦庫是礦山選礦后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的堆放場所，也是礦山的重大危險源。因此，利用高新技術(shù)和前沿科技，不斷提高尾礦庫的安全管理水平，保障尾礦庫生命周期各階段的安全運行具有重要的意義。自2008年襄汾尾礦庫潰壩事故發(fā)生后，全國加快了尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)進度。與此同時，圍繞尾礦庫開展監(jiān)測安全指標(biāo)的理論研究和在線監(jiān)測系統(tǒng)與先進技術(shù)融合的實踐探索也不斷推進。余萬一等[1]利用互聯(lián)網(wǎng)思維構(gòu)建了基于SaaS的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)，以降低監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)成本。鄭鵬等[2]將4G通信技術(shù)應(yīng)用于尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)中，能夠提高數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾性。高小盼等[3]將遙感衛(wèi)星和無人機航拍的數(shù)據(jù)整合得到宏觀的尾礦庫三維模型，再利用傳感器技術(shù)實現(xiàn)各項安全監(jiān)測指標(biāo)的測量。

本文針對晉銀尾礦庫，開展尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)方案的設(shè)計，利用無線數(shù)傳電臺和無線網(wǎng)橋進行數(shù)據(jù)傳輸，不僅避免了傳統(tǒng)有線通信的布線復(fù)雜、維護困難等弊端，也改善了傳統(tǒng)的無線通信在尾礦庫監(jiān)測應(yīng)用中所具有的缺點，比如ZigBee通信[4]，具有數(shù)據(jù)傳輸速率低、信號覆蓋范圍小等缺點；比如GPRS通信[5]，受運營商基站建設(shè)位置的制約，后期運行通信費用高等缺點。

1 設(shè)計要求及系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 項目概況

山西晉銀礦業(yè)有限公司尾礦庫屬于山谷型尾礦庫，設(shè)計總壩高88 m，有效庫容215萬m3，為三等尾礦庫。初期壩壩高21 m，壩頂寬60 m，屬于堆石透水壩。堆壩采用上游式筑壩方式，總外坡比1∶4，匯水面積0.65 km2。

1.2 設(shè)計要求

根據(jù)《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51108—2015)的相關(guān)規(guī)定[6]和尾礦庫的實際情況，在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目包括庫水位監(jiān)測、干灘監(jiān)測、降雨量監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測、壩體表面位移監(jiān)測、壩體內(nèi)部位移監(jiān)測、視頻監(jiān)測等7項。

1)庫水位采用雷達物位計測距法實現(xiàn)庫水位高程的計算。在溢水塔上方距離庫水面20～25 m的水泥柱上安裝1套庫水位監(jiān)測裝置。

2)采用坡度推算法實現(xiàn)干灘長度、坡度、安全超高的測量和計算。在干灘灘頂和距離灘頂庫水區(qū)方向水平距離70 m的兩個干灘橫剖面上分別安裝3套干灘監(jiān)測裝置，選擇在干灘平整(遠離尾礦漿排放處)、有坡度的區(qū)域。

3)采用容柵式雨量計實現(xiàn)雨量實時測量。在庫區(qū)機房的房頂上安裝1套。

4)采用振弦式滲壓傳感器等裝置實現(xiàn)監(jiān)測點處浸潤線高程的測量和計算。在高程1 200、1 220、1 243 m的三個剖面分別各安裝3套滲壓監(jiān)測裝置。

5)對壩體表面位移監(jiān)測采用GPS定位法。在高程1 200、1 220、1 243 m的三個剖面分別安裝1套、2套、3套GPS表面位移監(jiān)測裝置，GPS基站安裝在庫區(qū)機房附近穩(wěn)固可靠的山坡上。壩體內(nèi)部位移監(jiān)測采用固定式測斜儀實現(xiàn)。在高程1 200、1 220、1 243 m的三個剖面上分別安裝1套、2套、3套內(nèi)部位移監(jiān)測裝置。

6)在上壩路口、庫區(qū)機房、堆積壩壩頂左側(cè)、初期壩壩頂、堆積壩半坡、堆積壩壩頂右側(cè)、溢水塔等視野開闊、地質(zhì)穩(wěn)定的地方安裝7套視頻監(jiān)控設(shè)備。

監(jiān)測點布置圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測點布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of monitoring points(Unit：m)

1.3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)計算處理存儲、信息管理和分析等四大模塊。首先由現(xiàn)場采集模塊采集尾礦庫監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后通過有線或無線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綆靺^(qū)機房的應(yīng)用服務(wù)器中，再由相關(guān)采集軟件、解算軟件等進行數(shù)據(jù)整理、優(yōu)化、計算等處理，并將結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，最后通過信息管理和分析軟件以可視化的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示到監(jiān)控顯示器或屏幕上。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖Fig.2 Overall hardware structure topology of the system

無線數(shù)傳電臺是一種無線數(shù)據(jù)通訊媒介，已在自動化系統(tǒng)中廣泛使用[7-8]。本方案將其應(yīng)用到尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的庫水位、干灘、降雨量、浸潤線、壩體位移等數(shù)據(jù)的實時傳輸中。

無線網(wǎng)橋可將兩個或多個網(wǎng)絡(luò)進行連接，傳輸寬帶可達1 Gbps，已廣泛用于高速公路視頻監(jiān)控[9]、輸電線路視頻巡視[10]等環(huán)境。本方案將無線網(wǎng)橋引入到尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)中。

2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 庫水位監(jiān)測子系統(tǒng)

庫水位監(jiān)測硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)定采集頻率和時間，開始采集時，服務(wù)器向采集器發(fā)送命令，喚起無線數(shù)傳電臺和雷達物位計，使其進入工作模式；當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，則進入休眠模式。

圖3 庫水位監(jiān)測硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖Fig.3 Hardware structure topology diagram of reservoir water level monitoring

降雨量監(jiān)測的硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖與圖3類似，需要將雷達物位計更換為雨量計。

2.2 干灘監(jiān)測子系統(tǒng)

干灘監(jiān)測硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖4所示。無線數(shù)傳電臺采用一點對多點架構(gòu)模式，數(shù)據(jù)通信采用時分多址方式，即主站輪詢，按時間先后排序傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)六組數(shù)據(jù)采集完成后，超聲波物位計和無線數(shù)傳電臺進入休眠模式。

圖4 干灘監(jiān)測硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖Fig.4 Hardware structure topology of dry beach monitoring

浸潤線監(jiān)測和壩體內(nèi)部位移監(jiān)測的硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖與圖4相似，需要將超聲波物位計更換為振弦式滲壓計和固定傾斜儀。由于固定傾斜儀的通訊方式為RS485，故在壩體內(nèi)部位移監(jiān)測的硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖中還需將圖4中的模擬量采集器去除。

2.3 壩體表面位移監(jiān)測

尾礦壩上各GPS監(jiān)測點和GPS參考點將位置信息傳輸?shù)綉?yīng)用服務(wù)器中，并利用GPS解算軟件解算出各監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，結(jié)合參考點觀測數(shù)據(jù)和監(jiān)測點起算坐標(biāo)進行對比，從而獲得各監(jiān)測點的水平位移和垂直位移變化量[11]。由于GPS接收機的價格普遍較貴，本方案提出尾礦壩表面位移監(jiān)測采用一機多天線方式，監(jiān)測點分為兩組，每組中包含1個接收機和3個天線。每組的3個天線按時間輪流接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)浇邮諜C和上位機。GPS基站連續(xù)24 h工作。

GPS采集器可由內(nèi)部單片機控制電源電路中晶閘管的引腳，實現(xiàn)天線信號傳輸?shù)那袚Q。壩體表面位移監(jiān)測硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖5所示。

圖5 壩體表面位移監(jiān)測硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖Fig.5 Hardware structure topology of dam surface displacement monitoring

2.4 視頻監(jiān)測子系統(tǒng)

在尾礦庫重要位置安裝視頻監(jiān)控，用于監(jiān)控尾礦庫相關(guān)設(shè)施、壩體、尾礦排放等運行狀態(tài)。視頻監(jiān)測子系統(tǒng)利用無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)信息傳輸，可采用點對點、點對多點的設(shè)計方案。視頻監(jiān)測硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖6所示。

圖6 視頻監(jiān)測硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖Fig.6 Hardware structure topology of video monitoring

3 采集器硬件設(shè)計

采集器主要由單片機最小系統(tǒng)、通信模塊和電源模塊等組成。采集器通過通斷外部設(shè)備的運行電源或調(diào)節(jié)外部設(shè)備運行模式控制端的高低電平實現(xiàn)對被控設(shè)備工作或休眠狀態(tài)的切換。

3.1 通信電路

采集器的通信電路主要由MAX3232芯片及外圍電子元件組成，采用RS-232串行通信方式實現(xiàn)與無線數(shù)傳模塊的信息交互。通信接口電路原理圖如圖7所示。

圖7 通信電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of communication interface circuit

3.2 供電電路

雷達物位計供電電壓為24 V，超聲波物位計和滲壓計供電電壓為12 V，所以利用LDO升壓芯片U2、場效應(yīng)晶體管T1、三極管T2等元件進行供電電路的設(shè)計。圖8為供電電路原理圖，12 V電壓輸出由單片機引腳1控制；24 V電壓輸出由單片機引腳2控制。

圖8 供電電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of power supply circuit

4 數(shù)據(jù)采集流程

浸潤線、干灘、庫水位、壩體內(nèi)部位移等數(shù)據(jù)的采集時間和頻率由上位機采集軟件設(shè)置完成，通過無線通信模塊發(fā)送命令給采集器，由采集器負責(zé)啟動或關(guān)閉數(shù)據(jù)采集任務(wù)。某個監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.9 Data acquisition flow chart

5 結(jié)論

根據(jù)《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求和晉銀尾礦庫實際情況，提出了基于無線通信的尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，確定了監(jiān)測指標(biāo)和監(jiān)測點布置圖，設(shè)計了系統(tǒng)整體和各監(jiān)測子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖，給出了采集器設(shè)備中主要電路的設(shè)計原理圖，描述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的工作流程。該設(shè)計方案原理簡單，監(jiān)測點布局靈活，對尾礦庫的高效管理有一定的借鑒意義。