基于GIS的礦產(chǎn)資源遠程監(jiān)管系統(tǒng)研究

李 凌, 李一平

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機科學(xué)技術(shù)系,安徽 淮北 235000)

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基于GIS的礦產(chǎn)資源遠程監(jiān)管系統(tǒng)研究

李 凌, 李一平

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機科學(xué)技術(shù)系,安徽 淮北 235000)

融合計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸、定位等技術(shù)并引入礦井空間位置信息研發(fā)了礦產(chǎn)資源遠程監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)為井下的開采人員及開采設(shè)備等安裝RFID標(biāo)簽，在巷道的關(guān)鍵和邊界位置安裝讀卡分站；在露天礦山開采設(shè)備上安裝GPS監(jiān)控模塊；運用GIS拓撲分析技術(shù)生成礦山巷道的要素，運用GIS可視化技術(shù)，以圖形的方式直觀、實時顯示井下情況，實時監(jiān)控井下設(shè)備、工作人員的地理位置以及礦產(chǎn)采掘情況。

礦產(chǎn)資源管理；礦產(chǎn)開采；RFID；遠程監(jiān)管；實時監(jiān)控；GIS；GPS；GPRS

國家近年出臺的礦產(chǎn)資源管理的法律、法規(guī)，促進了礦政管理水平的提高，推動了礦業(yè)生產(chǎn)的健康發(fā)展，[1]然而在礦產(chǎn)資源的開發(fā)中越界開采、超層開采、爭搶資源等違法、違規(guī)現(xiàn)象仍時有發(fā)生。本文利用計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸、定位系統(tǒng)等技術(shù)開發(fā)出的礦產(chǎn)資源遠程監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)基于電子地圖的礦產(chǎn)開采實時監(jiān)控，準(zhǔn)確的人員和設(shè)備定位，可遠程監(jiān)管礦產(chǎn)開采行為，在技術(shù)上保證了執(zhí)法和管理的客觀公正，降低了管理成本。

一、應(yīng)用技術(shù)研究

(一)RFID射頻識別技術(shù)

RFID(Radio Frequency IDentification)技術(shù)利用射頻信號，通過空間耦合(交變磁場或電磁場)，實現(xiàn)非接觸雙向通信，識別目標(biāo)并獲取目標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)，具有較強的抗干擾性、良好的適應(yīng)性，識別精度高，操作方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動化、交通運輸控制、商業(yè)自動化等領(lǐng)域。[2]

RFID由識別標(biāo)簽、讀卡器和天線組成，當(dāng)裝有標(biāo)簽的目標(biāo)在有效范圍內(nèi)接近讀卡器時，讀卡器會發(fā)出無線信號，該無線信號由識別標(biāo)簽接收，與識別標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息合成，然后將合成后的信息反射給讀卡器，讀卡器接收信息后，處理合成信息，分離并讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息。

礦產(chǎn)資源遠程監(jiān)管系統(tǒng)為礦產(chǎn)采人員、礦車、采掘設(shè)備等移動目標(biāo)上安裝RFID標(biāo)簽，在各個巷道的關(guān)鍵和邊界位置安裝讀卡分站，每個讀卡分站擁有多個讀卡器，地面主機按照RS485協(xié)議與各個讀卡分站相連接；同時把車輛傳感器安裝在井下的運輸軌道上，把紅外感應(yīng)器安裝在生產(chǎn)區(qū)，實時監(jiān)控設(shè)備的位置、路由等信息，再現(xiàn)設(shè)備的歷史運行軌跡，全方位監(jiān)控礦業(yè)現(xiàn)狀。

(二)GPS定位技術(shù)

GPS(Global Positioning System)定位技術(shù)通過地面接收機，接收衛(wèi)星信號觀測地球，確定物體的經(jīng)、緯度位置，具有精度高、功能多、保密性好、抗干擾性強的特點，廣泛應(yīng)用在測繪、運動物體定位、導(dǎo)航等眾多領(lǐng)域。在露天礦山開采設(shè)備上安裝GPS監(jiān)控模塊，接收GPS衛(wèi)星信號，對信號進行處理，獲取設(shè)備的經(jīng)度、緯度、速度等信息，并通過GPRS模塊傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)中心，比較電子礦界，判斷是否越界開采。

(三)GPRS技術(shù)

GPRS一種新的基于GSM的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，提供端到端、廣域的無線IP連接，具有成本低、覆蓋范圍廣、傳輸速度快、接入時間短、組網(wǎng)方便靈活、實時在線等諸多優(yōu)點，適合傳輸少量的、頻繁的、間斷的、突發(fā)性的數(shù)據(jù)，一般用于遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫?。GPRS作為GPS的一個部件，在其技術(shù)應(yīng)用中起到傳輸數(shù)據(jù)的功能，用于把礦山設(shè)備的位置信息傳輸?shù)降V山監(jiān)控中心。

(四)GIS技術(shù)

GIS(Geographic Information System)地理信息系統(tǒng)，是一種在計算機軟硬件支持下實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)存儲、處理、檢索和分析的系統(tǒng)，它改變了以往圖形和數(shù)據(jù)的管理方式。GIS技術(shù)的發(fā)展與計算機軟硬件、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)挖掘、網(wǎng)絡(luò)、遙感以及數(shù)字?jǐn)z影等技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)。[3-4]將GIS技術(shù)應(yīng)用于礦山監(jiān)控，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化管理，運用G IS拓撲分析技術(shù)生成礦山巷道的各個要素，運用GIS 可視化技術(shù)，以圖形的方式直觀、實時顯示井下情況，并將井下人員的情況準(zhǔn)確、及時地反映到地面系統(tǒng)，以進行更加合理的調(diào)度管理。

目前國內(nèi)應(yīng)用型GIS系統(tǒng)的開發(fā)主要有獨立開發(fā)、純二次開發(fā)、集成二次開發(fā)三種方式，集成二次開發(fā)具有開發(fā)快捷和功能擴展性都能得到保障的特點。本系統(tǒng)采用該種方式，選用ArcGIS 開發(fā)平臺。ArcGIS組件對象豐富，有可伸縮擴展的體系結(jié)構(gòu)，功能強大，技術(shù)先進成熟，具有良好的延續(xù)性。平臺采用ArcEditor +MapObjects+ ArcSDE+ .Net的配置模式，該模式基于商用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可支持多個桌面端和無限量瀏覽器端。

二、礦產(chǎn)資源遠程監(jiān)管系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成，其中軟件部分主要完成基礎(chǔ)信息維護、井下信息統(tǒng)計分析、井下信息動態(tài)定位顯示等功能。硬件由射頻卡、定位分站、通訊分站及總站、GPS定位設(shè)備等組成。井下以及露天礦遠程監(jiān)管系統(tǒng)組成圖如圖1 和圖2所示：

(一)硬件部分

1.射頻卡

每個射頻卡具有唯一的電子編碼，其內(nèi)部儲存著目標(biāo)對象信息，安裝在礦車、人員、罐籠、鏟車、機車等移動設(shè)備上，平時處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)進入工作區(qū)后被激活，具有功耗小、識別率高、抗干擾性強，便于攜帶和安裝的特點。主要性能參數(shù)如下： DC3.7V的工作電壓;啟動時小于5mA的電流，發(fā)射時小于50mA的電流，休眠時小于350uA的電流。 2．405±0．03 GHz的發(fā)射頻率;-30～0dBm的發(fā)射功率;與定位分站通信距離大于30m；

2.定位分站(射頻識別設(shè)備)

定位分站可以讀取射頻卡的卡號、位置和時間等信息，并具有功率小、識別率高、抗干擾性強、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。主要性能參數(shù)如下：可同時識別200張以內(nèi)無線標(biāo)簽卡，10-60m可調(diào)識別距離，-90dBm接收靈敏度，200公里/小時以內(nèi)的識別速度，2.4GHz～2.5GHz ISM微波段的工作頻率。定位分站采用加密計算與認證技術(shù)，防止數(shù)據(jù)破解與鏈路竊聽，以保證數(shù)據(jù)安全；使用頻道隔離技術(shù)實現(xiàn)同時快速識別多個移動標(biāo)識卡，且相互不干擾；使用的防碰撞技術(shù)，支持多標(biāo)簽讀寫。

圖1 井下遠程監(jiān)管系統(tǒng)

圖2 露天礦遠程監(jiān)管系統(tǒng)

3.通信分站及總站

通信分站起到通訊網(wǎng)關(guān)的作用，它采用單板機采集各個定位分站的信息，把采集的信息按照通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)封裝、匯總，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。每個通信分站可以下接多個定位分站。通信總站把數(shù)據(jù)中心采集到的信息進行封裝，通過 GPRS或者光纖傳輸至監(jiān)控中心。

4.移動目標(biāo)搜索定位分站

井下生產(chǎn)礦車定期更換，易導(dǎo)致射頻卡丟失。引入紅外探測技術(shù)和地感線圈作為輔助定位系統(tǒng)，降低了維護成本。紅外探測器有主動式和被動式兩種，能夠探測有效范圍內(nèi)的工作人員以及其他熱源目標(biāo)。在車輛的軌道上鋪設(shè)線圈，車輛通過時地感線圈的振蕩頻率發(fā)生改變，從而感知有礦車經(jīng)過，并進一步識別、定位礦車。

5.GPS定位設(shè)備

GPS定位設(shè)備安裝在目標(biāo)設(shè)備隱蔽處，外露天線。為保證信號無屏蔽、不被無意損壞，啟動目標(biāo)設(shè)備時啟動定位設(shè)備，電源與目標(biāo)設(shè)備發(fā)動機同線路。

6.數(shù)據(jù)接收中心

數(shù)據(jù)中心采用TCP/IP編程，24小時運行在服務(wù)器端，實時接收各監(jiān)控點通過GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。其按照設(shè)計協(xié)議解析接收數(shù)據(jù)，并將接收數(shù)據(jù)按照定位存儲算法存入數(shù)據(jù)庫；根據(jù)設(shè)定參數(shù)，運行告警算法，運算結(jié)果實時存入告警表，以便前臺查詢、系統(tǒng)調(diào)用等。

7.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信采用485工業(yè)總線方式，當(dāng)信號衰減嚴(yán)重或距離過長時，采取加裝485中繼器的方式增加通訊距離；采用TCP/IP傳輸方案、無線GPRS傳輸線路將數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。GPRS集成的無線DTU傳輸模塊實現(xiàn)了監(jiān)管系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)的采集功能，[5]為無法進行有線傳輸?shù)牡V產(chǎn)企業(yè)，提供了低成本、高效率的數(shù)據(jù)傳輸方式。

(二)軟件部分

礦產(chǎn)資源遠程監(jiān)管系統(tǒng)提供實時監(jiān)控、GIS地圖、基礎(chǔ)信息管理、短信報警等功能。數(shù)據(jù)由兩部分組成：GIS數(shù)據(jù)庫和用戶屬性數(shù)據(jù)庫。用戶屬性數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息、定位數(shù)據(jù)信息和實時數(shù)據(jù)信息。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息存儲企業(yè)信息、設(shè)備信息、定位卡映射信息；實時數(shù)據(jù)信息存儲設(shè)備實時狀態(tài)和告警實時信息。

1.實時監(jiān)控

實現(xiàn)井下設(shè)備屬性數(shù)據(jù)監(jiān)控及查詢功能，實時監(jiān)控井下設(shè)備實時位置、數(shù)量、運行軌跡, 監(jiān)視定位分站的報警信息；按照設(shè)定的時間段顯示設(shè)備的歷史運行軌跡；顯示需要前移的迎頭定位分站、發(fā)生故障的定位分站；顯示設(shè)備經(jīng)由定位分站的路由信息以及越界開采的礦井及越界的信息。

2.GIS地圖

電子地圖表現(xiàn)的數(shù)據(jù)分為屬性數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)兩大類，屬性數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)接收中心從生產(chǎn)現(xiàn)場獲得，地圖數(shù)據(jù)又分為行政區(qū)域地圖數(shù)據(jù)和各礦井上、井下對照圖數(shù)據(jù)。GIS地圖功能包括“CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換入庫”“電子地圖后臺管理”“電子地圖顯示管理”三部分，其核心部分是“電子地圖顯示管理單元”，實現(xiàn)功能需要AutoCAD 2008、SQL Server 2005、Visual Studio 2008、ArcGIS Server 10、ArcGIS Desktop 10、ArcSDE 10 for SQL server 2008、ArcGIS Engine 10等軟件，開發(fā)語言使用C#。

3.基礎(chǔ)信息管理

按照圖層標(biāo)準(zhǔn)解讀CAD圖，并寫入相應(yīng)監(jiān)控點的GIS數(shù)據(jù)庫中，以便對電子地圖進行動態(tài)管理；初始化定位分站，設(shè)置定位分站的位置和屬性，在電子地圖界面為每一個監(jiān)控點添加定位分站；增加、修改、刪除監(jiān)控點。

4.短信報警

短信報警設(shè)備通過串口安裝在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，采用短信Modem實現(xiàn)，短信報警功能使用VB6.0開發(fā)，底層動態(tài)數(shù)據(jù)庫采用VC++編寫，集成在數(shù)據(jù)中心。

三、核心算法實現(xiàn)

(一)設(shè)備定位

當(dāng)攜帶射頻卡的開采設(shè)備進入定位分站的有效捕獲范圍時，定位分站不間斷的發(fā)出信息，此時稱為進站時間；當(dāng)開采設(shè)備不在定位分站的捕獲范圍時，不能被檢測到時，定位分站停止發(fā)送信息，此時稱為離站時間。進站時間至離站時間這一段時間間隔稱為設(shè)備停留時間。其采用定位存儲算法計算出設(shè)備的停留時間并記錄整個過程。包含定位分站號和射頻卡號的定位信息由定位分站發(fā)送；經(jīng)過通信總站附加上時間信息，形成一個包含定位分站號和射頻卡號以及捕獲時間的信息記錄。采用定位存儲算法判斷數(shù)據(jù)匹配的情況，進而計算設(shè)備的停留和離開時間，形成了包含該設(shè)備進入定位分站時間、停留時間以及離站時間的完整路由信息。設(shè)備定位存儲算法是整個系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的核心，是數(shù)據(jù)的源頭，直接影響數(shù)據(jù)的存儲效率和程序運行的效率。

(二)設(shè)備運動軌跡描述

比對設(shè)備路由定位分站的順序，獲得設(shè)備的路由序列，按照設(shè)備進站時間排序路由序列，獲取設(shè)備路由信息數(shù)據(jù)，并用圖形描述路由數(shù)據(jù)信息。

(三)告警算法

告警算法采用設(shè)備的停留時間進行設(shè)計，通過開采設(shè)備的停留時間來衡量該生產(chǎn)區(qū)的活躍程度。根據(jù)生產(chǎn)邊界和迎頭跟進的生產(chǎn)特點，設(shè)定停留時間報警閥值，當(dāng)設(shè)備的停留時間超出此閥值時，認定開采越界，發(fā)出告警信息。

(四)移動目標(biāo)定位

移動目標(biāo)通過地感線圈和紅外探測器進行捕獲，不同于RFID射頻卡定位，該定位信息目標(biāo)無唯一標(biāo)識、無站點滯留時間，只記錄探測到目標(biāo)的時間，無法具體到某一個目標(biāo)，無法記錄站點滯留時間，只能記錄某定位分站捕獲目標(biāo)時間。幾個探測器連接到移動目標(biāo)定位分站(稱為探測分站)，每個探測分站設(shè)置子地址，定位分站地址和探測器地址組合后形成二級編號，通過后臺管理程序和井下某一位置關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)移動目標(biāo)的定位。

四、結(jié)束語

融合計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸、定位系統(tǒng)等技術(shù)并引入礦井空間位置信息研發(fā)的礦產(chǎn)資源遠程監(jiān)管系統(tǒng)，通過定位礦車和礦工等對象，比對礦界，確定采礦位置是否合法，為管理人員及時發(fā)現(xiàn)并制止越界開采、違規(guī)開采等違法違規(guī)行為創(chuàng)造了條件，同時該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確計量礦山采量，實現(xiàn)礦山儲量的動態(tài)管理、礦產(chǎn)資源的科學(xué)規(guī)劃；以利于礦山科學(xué)、合理地利用資源。另外，該系統(tǒng)提供的礦山監(jiān)控信息，可以供政府及稅務(wù)、國土、安監(jiān)、環(huán)保、公安等部門共享，從而實現(xiàn)應(yīng)急聯(lián)動、合力監(jiān)管?；贕IS的礦產(chǎn)資源遠程監(jiān)管系統(tǒng)集井下人員以及設(shè)備的實時監(jiān)控、定位、越界告警、開采歷史軌跡重現(xiàn)等功能于一體，對礦山的科學(xué)規(guī)范監(jiān)管發(fā)揮著重要作用。

[1] 丁全利,袁可林.整頓促規(guī)范規(guī)范促發(fā)展[J].國土資源通訊,2008(13):30-33.

[2] 劉元法,康淑霞.基于RFID技術(shù)在礦山井下人員跟蹤定位系統(tǒng)的研究[J].礦山機械,2007(3):24-25.

[3] 王疆霞.GIS技術(shù)及其在水溫和水資源方面的應(yīng)用[J].西北地質(zhì),2003,36(1)：109-113.

[4] 時鑫,時森,何長征.基于GIS的井下人員實時定位監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤炭技術(shù),2010(10):92-93.

[5] 宋韋劍,李淑貞,閔 濤,等.礦產(chǎn)資源開采遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J],國土資源科技管理, 2013(3):93-97.

[責(zé)任編輯 李潛生]

ResearchonRemoteMineralResourcesMonitoringandManagementSystemBasedonGIS

LI Ling, LI Yi-ping

(Department of Computer Science and Technology,Huaibei Vocational and Technical College,Huaibei Anhui 235000, China)

Using computer network, data transmission, positioning technologies and introducing mine spatial information, the paper researches remote mineral resources monitoring and management system, which installs RFID tags for the underground miners and mining equipment, and fixes card reading station in the key and boundary position of roadway; GPS control module is installed on the open pit mining equipment; GIS topology analysis technique is used to generate the factors of the mine tunnel. Taking advantage of GIS visualization technology, the real-time underground mining conditions is displayed graphically, the equipment and the location of the miners can also be obtained.

RFID; remote monitoring and management；real-time monitoring；GIS；GPS；GPRS

2014-04-20

安徽高校省級自然科學(xué)研究項目(KJ2013Z290)。

李 凌(1971-)，女，安徽蕭縣人，副教授，碩士。研究方向：圖像處理、信息處理。

TP277

：A

：1008-6021(2014)03-0125-04