基于無(wú)人機(jī)智能巡航的露天礦山安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)

廖文景，朱遠(yuǎn)樂(lè)，王淇萱

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

我國(guó)露天礦大型設(shè)備種類、數(shù)量較多，設(shè)備能否正常作業(yè)直接決定了露天礦的產(chǎn)量，所以為了保障大型設(shè)備正常工作，對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期的安全巡檢是露天開(kāi)采的重要任務(wù)[1-5]。目前我國(guó)露天礦山日常安全生產(chǎn)管理主要依靠監(jiān)管人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地檢查。由于礦區(qū)安全管理范圍大，山地環(huán)境特殊，致使現(xiàn)場(chǎng)安全管理受到一定程度的制約和不便。因此如何充分利用高科技和信息化技術(shù)，提質(zhì)提升安全管理效率，已成為我國(guó)礦山安全技術(shù)與裝備研發(fā)的重點(diǎn)。近幾年來(lái)得益于低空、低速小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的推廣使用和相關(guān)商業(yè)軟件的研發(fā)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)以其效率高、成本低、機(jī)動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛使用于露天礦山各個(gè)領(lǐng)域[6-9]，不少學(xué)者也對(duì)其在露天礦山中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。朱正華[10]以龍山建筑石料用灰?guī)r礦為例，介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)施運(yùn)用過(guò)程，并與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比；邱亞輝等[11]研究采用固定翼無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取大型露天采坑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)點(diǎn)云去噪、剔除植被等預(yù)處理，生成露天采坑DEM 數(shù)據(jù)，分析采坑的開(kāi)采范圍；郭寶宇等[12]研究了基于低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影的礦區(qū)三維場(chǎng)景建模及可視化的方法，所提方法可大幅提高礦區(qū)地面監(jiān)測(cè)的工作效率和精準(zhǔn)度并可為智慧礦山應(yīng)用提供較好的數(shù)據(jù)和平臺(tái)基礎(chǔ)。但是在建立完整的露天礦山可視化安全風(fēng)險(xiǎn)管理預(yù)警系統(tǒng)方面研究甚少。因此，針對(duì)露天礦山的安全管理對(duì)時(shí)效的需求，基于無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，提出1套集“便捷、快速、專業(yè)和全覆蓋”的智能巡航系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)智能巡航系統(tǒng)的應(yīng)用將大大提高露天礦山的安全管理效能。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)用途

通過(guò)無(wú)人機(jī)智能安全巡航采集露天礦山的地表數(shù)據(jù)，包括傾斜攝影數(shù)據(jù)、視頻記錄、航拍照片等，并結(jié)合三維建模技術(shù)生成露天礦山的三維傾斜攝影模型。利用三維GIS 技術(shù)構(gòu)建三維地球環(huán)境，通過(guò)載入傾斜攝影模型構(gòu)建出與GIS 環(huán)境相融合的虛擬露天礦山場(chǎng)景，可整體查看露天礦山的地貌特征，巡查露天礦山的重要安全設(shè)施運(yùn)行情況，代替人工對(duì)礦區(qū)進(jìn)行安全巡檢，軟件系統(tǒng)通過(guò)空間幾何計(jì)算封裝多種安全風(fēng)險(xiǎn)分析工具，為露天礦山安全風(fēng)險(xiǎn)分析提供便利支撐。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架

系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架圖

系統(tǒng)采用Java＋MySQL＋web 的B／S 架構(gòu)技術(shù)。服務(wù)器使用Java 語(yǔ)言、Swagger 開(kāi)發(fā)包開(kāi)發(fā)功能接口，使用Nginx 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)文件資源的管理與分發(fā)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)層方面采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以靜態(tài)資源的方式維護(hù)GIS 資源、傾斜模型、視頻、照片等文件類數(shù)據(jù)。系統(tǒng)瀏覽器層采用熱門(mén)主流的Vue＋Element－ui 基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)，通過(guò)widget 組件封裝業(yè)務(wù)功能，采用Cesium 三維引擎構(gòu)建虛擬露天礦山，采用Echarts 圖標(biāo)庫(kù)渲染數(shù)據(jù)圖表，Turf 配合三維引擎實(shí)現(xiàn)空間幾何計(jì)算。

1.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)構(gòu)架

系統(tǒng)業(yè)務(wù)構(gòu)架圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)構(gòu)架圖

系統(tǒng)涉及大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為保證系統(tǒng)功能之間數(shù)據(jù)的交換通暢，系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)劃分成采集層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。其中采集層為無(wú)人機(jī)智能安全巡航；數(shù)據(jù)層管理傾斜模型、視頻記錄、航拍照片、GIS 資源及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)；服務(wù)層包含虛擬巡視、媒體播放、綜合分析、虛擬露天礦山構(gòu)建等服務(wù)功能；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)安全隱患管理、安全生產(chǎn)輔助、應(yīng)急決策參考等應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)功能

無(wú)人機(jī)智能巡航系統(tǒng)功能主要包括數(shù)據(jù)管理、綜合分析和安全隱患3 大模塊。數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)智能安全巡航所采集數(shù)據(jù)的管理；綜合分析模塊主要以無(wú)人機(jī)智能安全巡航所生成的三維傾斜攝影模型為基礎(chǔ)完成多種露天礦山安全風(fēng)險(xiǎn)分析的工具構(gòu)建及相應(yīng)數(shù)據(jù)的維護(hù)；安全隱患分析模塊主要是通過(guò)無(wú)人機(jī)智能安全巡航建立動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)露天礦山安全狀況分析模塊，根據(jù)定期的全覆蓋巡航遙感掃描和大數(shù)據(jù)分析，評(píng)價(jià)研究對(duì)象的安全狀況，給出研究對(duì)象存在的安全隱患，分析造成安全隱患的影響因素，下達(dá)合理的整改指令，輔助露天礦山安全生產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理。

2.1 露天礦山數(shù)據(jù)管理模塊

無(wú)人機(jī)智能巡航露天礦山數(shù)據(jù)管理模塊包含如下功能：①礦業(yè)工程管理：維護(hù)所有關(guān)聯(lián)露天礦山的基本信息；②傾斜模型管理：維護(hù)所有無(wú)人機(jī)巡航項(xiàng)目的基本信息，無(wú)人機(jī)生成的傾斜攝影模型；③視頻記錄管理：維護(hù)所有無(wú)人機(jī)巡航項(xiàng)目的過(guò)程視頻記錄；④航拍照片管理：維護(hù)所有無(wú)人機(jī)巡航項(xiàng)目的航拍照片；⑤用戶管理：維護(hù)系統(tǒng)登錄所需的用戶信息。

2.2 露天礦山綜合分析模塊

1）虛擬巡視。系統(tǒng)構(gòu)建三維場(chǎng)景后，通過(guò)自動(dòng)巡視路線編輯、巡視參數(shù)設(shè)置可以進(jìn)行自由巡視。安全管理人員也可通過(guò)鼠標(biāo)操作控制三維場(chǎng)景的平移、旋轉(zhuǎn)、遠(yuǎn)近，從不同視角查看指定露天礦山的整體情況或局部細(xì)節(jié)情況，快速發(fā)現(xiàn)礦區(qū)存在的安全隱患。

2）圖上標(biāo)注。在傾斜攝影模型的基礎(chǔ)上通過(guò)繪制文字、點(diǎn)、線、面等元素形成圖上標(biāo)注，支持文字、點(diǎn)、折線、曲線、矩形、多邊形等多種標(biāo)注類型。通過(guò)圖上標(biāo)注可以在系統(tǒng)內(nèi)清晰、直觀的觀察到礦區(qū)構(gòu)筑物、工作臺(tái)階、進(jìn)庫(kù)道路等的分布情況。

3）基本量算。系統(tǒng)可提供多種類型的基本量計(jì)算功能，因分析系統(tǒng)內(nèi)的傾斜模型上的任意一點(diǎn)都是具有矢量信息（位置坐標(biāo)），因此可以通過(guò)幾何換算得到較多測(cè)量信息，可在分析系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行角度、面積、高度和距離等基本量計(jì)算。利用三維模型的矢量信息數(shù)據(jù)，通過(guò)基本量計(jì)算功能可以快速得到露天礦山境界參數(shù)臺(tái)階高度、臺(tái)階寬度、臺(tái)階坡面角等數(shù)值。為了驗(yàn)證本無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影模型的精度，選取湖南省某露天礦山某處的平臺(tái)和坡面進(jìn)行精度評(píng)價(jià)和分析，與傳統(tǒng)測(cè)量手段對(duì)比分析結(jié)果測(cè)量參數(shù)對(duì)照表見(jiàn)表1。由表1 得出測(cè)量參數(shù)的最大誤差為0.10 m，最小誤差為0.01 m，中誤差為0.05 m，模型的幾何精度控制在厘米級(jí)范圍內(nèi)；同時(shí)由于其數(shù)據(jù)處理的便捷和快速，提高了對(duì)露天礦山境界參數(shù)的量算效率。

表1 測(cè)量參數(shù)對(duì)照表

4）剖面分析。利用web3D 領(lǐng)域的Cesium.js 三維引擎渲染B3DM 格式的傾斜攝影模型，通過(guò)獲得剖面線兩端的坐標(biāo)參數(shù)，采用空間計(jì)算把2 個(gè)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成1 條直線上均勻分布的n 個(gè)連續(xù)坐標(biāo)值，再獲取所有坐標(biāo)值的高程值與水平距離值，形成2 點(diǎn)連線的剖面數(shù)據(jù)。獲取瀏覽器窗口中圖表顯示區(qū)域的長(zhǎng)寬像素大小，并結(jié)合高程值和水平距離值計(jì)算x 軸與y 軸的值域，利用Echarts.js 圖表插件渲染水平距離值與高程值的分布圖表，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)高比例與真實(shí)環(huán)境一致的剖面圖，大大降低了人工操作時(shí)出現(xiàn)“偽剖面”的誤差瓶頸，真實(shí)反映了露天礦山邊坡剖面形狀，剖面線的選擇不受限制，即在礦區(qū)范圍內(nèi)可以進(jìn)行任意選擇。真實(shí)地形剖面圖也可以通過(guò)轉(zhuǎn)換直接導(dǎo)入系統(tǒng)封裝的數(shù)值模擬軟件上進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，也可以調(diào)取不同時(shí)期的三維模型同一位置的剖面圖進(jìn)行對(duì)比分析，可以快速發(fā)現(xiàn)地形、高度等的變化，相鄰點(diǎn)間三角計(jì)算關(guān)系如圖3。

圖3 相鄰點(diǎn)間三角計(jì)算關(guān)系

5）爆破警戒范圍。當(dāng)露天礦山爆破時(shí)，隨機(jī)會(huì)產(chǎn)生爆破有害效應(yīng)包括爆破震動(dòng)、爆破作業(yè)沖擊波、爆破飛石、早爆、拒爆、炮煙中毒等。這些效應(yīng)都隨距爆源距離的增加而有規(guī)律地減弱，所以在露天礦山爆破時(shí)需要規(guī)定爆破的警戒范圍。由于系統(tǒng)內(nèi)的傾斜模型上的任意一點(diǎn)都是具有三維矢量信息的，因此可以在分析系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行礦區(qū)中心和拐點(diǎn)范圍進(jìn)行爆破警戒范圍的劃定，進(jìn)而可以在礦區(qū)爆破時(shí)發(fā)出指令，引導(dǎo)爆破警戒范圍內(nèi)的所有無(wú)關(guān)人員及時(shí)撤離。

2.3 露天礦山安全隱患模塊

在綜合分析模塊中露天礦山各種重要參數(shù)（如臺(tái)階高度、寬度、臺(tái)階坡面角等）分析時(shí)如不滿足規(guī)程規(guī)范、設(shè)計(jì)要求自動(dòng)列入安全隱患表中供安全管理人員備查以及提出相應(yīng)的整改意見(jiàn)。利用系統(tǒng)進(jìn)行隱患排查的同時(shí)還可對(duì)查出的隱患在下次無(wú)人機(jī)巡航檢查時(shí)是否進(jìn)行治理進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)到隱患排查與治理的閉環(huán)管理目的。同時(shí)新巡航所排查出的安全隱患又在分析系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行了記錄，并將隱患描述與隱患定位一一對(duì)應(yīng)，并提出相應(yīng)的整改措施，下次無(wú)人機(jī)巡航時(shí)重點(diǎn)關(guān)注隱患的整改情況。

3 結(jié)語(yǔ)

基于MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和Cesium 三維引擎，利用WebGIS 技術(shù)構(gòu)建的基于無(wú)人機(jī)智能巡航的露天礦山安全風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)能夠快速、快捷、全覆蓋的發(fā)現(xiàn)露天礦山存在的安全隱患，能大大降低現(xiàn)場(chǎng)安全管理作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，快速專業(yè)的獲取真實(shí)信息。系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程可訪問(wèn)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，滿足不同人員角色的多用途使用，如專業(yè)人員的量算分析、巡視人員的細(xì)節(jié)排查、管理決策人員的整體查看等。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、綜合分析和安全隱患分析3 大模塊可以快速實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的三維可視化信息管理、剖面分析、爆破警戒范圍劃定、安全隱患管理等功能。