極端環(huán)境下尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)研究

張達(dá)，余樂文，楊小聰

（1．北京礦冶研究總院，北京100160；2．金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京102628）

極端環(huán)境下尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)研究

張達(dá)1，2，余樂文1，2，楊小聰1，2

（1．北京礦冶研究總院，北京100160；2．金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京102628）

尾礦庫是金屬礦山的重要高勢能危險源，一旦發(fā)生事故，將對礦山乃至下游人民群眾的生命財產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。由于尾礦庫地處偏遠(yuǎn)，自然環(huán)境惡劣，常處于暴雨、雷電、大風(fēng)等極端氣象條件下，尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的安全性和可靠性受到了嚴(yán)重威脅。為此，針對極端氣象條件下的尾礦庫安全在線監(jiān)測需求，重點研發(fā)了高可靠性泛在信息采集裝置、智能分布式供電技術(shù)與裝置、混合式自愈Mesh網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與裝備、尾礦庫應(yīng)急指揮手持終端等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，大幅提升了尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的工業(yè)適應(yīng)性。

尾礦庫；采集基站；分布式供電；Mesh網(wǎng)絡(luò)

尾礦庫是金屬礦山的重要高勢能危險源，對其進(jìn)行實時的安全監(jiān)測是關(guān)系到礦山能否安全、高效、健康生產(chǎn)的前提。然而，由于尾礦庫地處偏遠(yuǎn)，自然環(huán)境惡劣，常處于暴雨、雷電、大風(fēng)等極端氣象條件下，尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的安全性和可靠性受到了嚴(yán)重威脅［1－2］。另外，越是在極端氣象條件下，尾礦庫的安全風(fēng)險越大，對其進(jìn)行在線監(jiān)測的必要性和緊迫性也越強，研發(fā)一套能夠適應(yīng)極端氣象條件的、高可靠性的尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的需求十分迫切［3－5］。

針對極端氣象條件下金屬礦山尾礦庫監(jiān)測實施難度大，容易因氣象災(zāi)害及其次生災(zāi)害導(dǎo)致癱瘓等難題，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的金屬礦山尾礦庫高可靠性在線監(jiān)測技術(shù)，重點攻克高可靠性泛在信息采集技術(shù)與裝置、分布式智能供電技術(shù)與裝置、混合式自愈Mesh網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與裝備、三維展示等核心技術(shù)，為我國極端氣象條件下的尾礦庫安全在線監(jiān)測提供有效技術(shù)手段，進(jìn)而有效提升我國礦山的安全生產(chǎn)水平。

1 泛在信息采集裝置研制

尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是實現(xiàn)尾礦庫安全運行參數(shù)（庫水位、位移、浸潤線、干灘、滲流量、降雨量等）的實時采集，通過這些具體參數(shù)可以反映尾礦庫當(dāng)前的運行狀態(tài)。但是，在惡劣的環(huán)境下，穩(wěn)定可靠的采集到這些參數(shù)就顯得非常重要，因此本文開展了高可靠性泛在信息采集裝置的研究。

高可靠性泛在信息采集裝置主要模塊包括電源模塊、可充電鋰電池、采集主機三部分，輔助裝備包括防雷防浪涌模塊、高防護(hù)封裝裝備等。其中，采集主機為主要功能模塊，包含數(shù)據(jù)采集模塊（含熱插拔接口模塊）、電池控制模塊、通信傳輸模塊（含熱插拔接口模塊）等子模塊，如圖1所示。

圖1 泛在信息采集裝置Fig．1 The ubiquitous information collection device

泛在信息采集裝置的通信、供電方式適用范圍廣，可擴(kuò)展性強；硬件上選用高可靠性的工業(yè)級寬溫寬壓元器件，電路上有過壓過流保護(hù)、光耦隔離保護(hù)以及高防護(hù)等級等設(shè)計，可靠性高；裝置可連接的傳感器種類多，涵蓋礦山監(jiān)測的大部分常規(guī)傳感器類型，可降低監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

2 自愈Mesh網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究

在尾礦庫監(jiān)控系統(tǒng)中，一旦真正發(fā)生險情，傳統(tǒng)通信技術(shù)搭建的通信線路及設(shè)備常常被破壞（如塌方、斷電等），造成整個通信網(wǎng)絡(luò)中斷，導(dǎo)致險情數(shù)據(jù)無法采集，給應(yīng)急指揮帶來不便，因此迫切需要一種可靠的通信技術(shù)，能夠在部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點出現(xiàn)故障時，仍能夠保障其他通信網(wǎng)絡(luò)的正常運行，給后續(xù)搶險救災(zāi)指揮調(diào)度工作提供參考數(shù)據(jù)，最大限度地減少災(zāi)害損失［6－12］。

為解決尾礦庫防災(zāi)過程中易出現(xiàn)的通信系統(tǒng)線路中斷及通信設(shè)備受到破壞等問題，本文基于IEEE 802．11n技術(shù)設(shè)計了一種具有快速自愈功能的冗余式Mesh網(wǎng)絡(luò)基站。

Mesh網(wǎng)絡(luò)基站如圖2所示，該基站已實現(xiàn)了在2．4GHz ISM頻段內(nèi)300Mbps和在5．0GHz ISM頻段內(nèi)450Mbps通信速率，并實現(xiàn)了5路千兆以太網(wǎng)及STP冗余環(huán)網(wǎng)等主體功能。

圖2 智能無線通信基站Fig．2 Intelligent wireless communication base station

當(dāng)故障發(fā)生在通信系統(tǒng)有線側(cè)，能夠在20ms之內(nèi)完成備份通信鏈路的切換，迅速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機，確保各種工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)持續(xù)不間斷的運作；若有線側(cè)故障為多點并發(fā)，依靠傳統(tǒng)的主備鏈路切換不能恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)時，自動在100ms內(nèi)啟動無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，通過冗余無線鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼，保障可靠通信。

3 分布式智能供電技術(shù)與裝置

尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)所有的監(jiān)測單元都涉及到系統(tǒng)供電，供電的可靠性決定了系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。本文研制了分布式智能供電技術(shù)與裝置，可實現(xiàn)供電裝置無縫切換和網(wǎng)絡(luò)化管理，如圖3所示。

圖3 分布式智能供電裝置Fig．3 Distributed intelligent power supply device

當(dāng)外部供電存在的情況下充電線路既給電池充電又給后級DC－DC模塊供電，電池完全處于熱備份的狀態(tài)，能量消耗很小。電池充電線路輸出電流檢測電阻的前端，及高壓端直接連接到DC－DC模塊的輸入，電流檢測電阻的另一端即低電壓端連接到電池正端，電池正端通過一個二極管與DC－DC模塊的輸入連接，電池充電線路、電池及DC－DC模塊共地。在外部供電存在的情況下，由于充電線路電流檢測電阻前端的輸出永遠(yuǎn)大于電池電壓，所以電池充電線路在保持對電池恒流恒壓充電的同時提供給后級DC－DC模塊輸入電壓，由于電池與DC－DC模塊之間二極管的反向阻止效應(yīng)，電池不消耗能量，只是處于充電狀態(tài)。當(dāng)外部供電消失，隨著電池充電線路輸出電壓的降低，電池輸出端的二極管將電池電壓引入到DC－DC模塊的輸入端。電池瞬時給DC－DC模塊提供電壓，采用超快恢復(fù)二極管保證外部供電消失后在輸出電壓無跌落的情況下電池快速的接入到DC－DC模塊的輸入，如圖4所示。

圖4 不間斷直流電源電氣原理Fig．4 The electrical principle of continuous DC power

智能供電裝置設(shè)計了故障定位、處理和預(yù)警等功能，開發(fā)了遠(yuǎn)程管理平臺軟件，用于系統(tǒng)各單元配電信息的上位機采集和顯示功能，實現(xiàn)不同位置及單元的電源供電信息可以在上位機電源管理平臺進(jìn)行信息顯示，方便監(jiān)控人員對系統(tǒng)配電的管理和故障維護(hù)。

4 應(yīng)急指揮手持終端研制

研制出適用于礦山使用的應(yīng)急指揮手持終端，該設(shè)備攜帶方便，可以直接扣在人員的腰帶上；操作上較為簡單，與普通民用手機操作方法相似。在與之配套的網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，終端之間，終端與服務(wù)器之間可以實現(xiàn)語音通信，同時具有較高的接收靈敏度，保證最大限度地發(fā)揮無線網(wǎng)絡(luò)功能。該終端平均功耗較低，具有較長的待機時間。

應(yīng)急指揮手持終端支持IEEE802．11a/b/g通信協(xié)議，可與無線混合式無線通信基站進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音通信，一旦發(fā)現(xiàn)尾礦庫有險情可快速上報，便于尾礦庫的可靠調(diào)度管理。

5 三維展示技術(shù)研究

三維展示模塊是根據(jù)尾礦庫實際情況還原其“真實場景”，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時顯示、管理、監(jiān)控以及分析的綜合性監(jiān)控平臺。軟件平臺通過融合多源地理空間數(shù)據(jù)以及各項監(jiān)測數(shù)據(jù)對尾礦庫安全運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與分析，從而為尾礦庫的安全管理及應(yīng)急救援提供技術(shù)支持和險情決策依據(jù)。首先，該軟件平臺是以尾礦庫的三維場景為基礎(chǔ)，為此軟件平臺要具有創(chuàng)建和編輯三維場景的功能，其中三維場景要素包括基本自然要素（三維地形、建筑物、壩體、水面及干灘等）和相關(guān)監(jiān)測內(nèi)容的監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，并且具有上述要素的渲染和建模功能；其次，軟件數(shù)據(jù)接口能兼容通用的三維軟件的數(shù)據(jù)格式，并且自有的數(shù)據(jù)格式可以轉(zhuǎn)換為通用的三維數(shù)據(jù)格式，方便與通用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；另外，軟件平臺具有高效的三維渲染和仿真性能，支持3D立體顯示，讓用戶直觀地感受到尾礦庫的真實運行狀態(tài)；然后，尾礦庫在線監(jiān)測設(shè)備實時采集信息在該軟件平臺的三維場景中實時地顯示和動態(tài)更新，以反映當(dāng)前尾礦庫的運行狀態(tài)；最后，該軟件平臺具有強大的數(shù)據(jù)管理、表達(dá)和分析功能，例如監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理功能、浸潤線的表達(dá)以及報表等功能。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

研制的尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)與裝置已在江銅集團(tuán)銀山礦尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了示范應(yīng)用，長期應(yīng)用結(jié)果表明，新的尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，為尾礦庫的安全運行提供了可靠的技術(shù)保障，如圖5所示。

圖5 尾礦庫三維監(jiān)測平臺Fig．5 Three－dimensional monitoring software platform of tailings dam

7 結(jié)論

本文針對極端氣象條件下金屬礦山尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)可靠性和安全性差、容易癱瘓等技術(shù)難題，通過研發(fā)，在泛在信息采集、無線通信技術(shù)與裝置、應(yīng)急指揮終端、分布式供電管理、數(shù)據(jù)采集與三維展示等方面取得較好效果，主要包括：1）研制出有線無線混合式自愈Mesh網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及裝置，實現(xiàn)了尾礦庫光纖環(huán)網(wǎng)、固定無線覆蓋及移動自組Mesh網(wǎng)絡(luò)三層復(fù)合架構(gòu)，非常適用于尾礦庫庫區(qū)的全方位無線覆蓋及多層次冗余通信服務(wù)。

2）研制出分布式智能供電裝置，實現(xiàn)了尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的分布式智能供電管理。

3）研制出適用于礦山使用的應(yīng)急指揮手持終端，可在Mesh網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音通信，實現(xiàn)險情快速上報。

4）研發(fā)出尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與三維軟件平臺，實現(xiàn)了尾礦庫安全在線監(jiān)測信息的采集、存儲、傳輸、展示、報表輸出及報警等功能。

綜上所述，本文研究成果可以推廣應(yīng)用到各行業(yè)監(jiān)測相關(guān)領(lǐng)域中，尤其是礦山的相關(guān)監(jiān)測領(lǐng)域，應(yīng)用范圍廣泛。

［1］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．AQ2030—2010尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］．北京：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2011．

［2］袁子清，楊小聰，蘇軍，等．尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)范化建設(shè)研究［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2014（5）：127－128．

［3］陳凱，陸得盛，張宣，等．極端氣象條件下金屬礦山尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］．礦冶，2014，23（5）：81－85．

［4］張達(dá)，張曉樸，楊小聰．尾礦庫在線監(jiān)測及應(yīng)急指揮系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用［J］．礦冶，2011，20（2）：20－25．

［5］蘇軍，張達(dá)．極端天氣條件的尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)防護(hù)技術(shù)研究［J］．中國礦業(yè)，2014，23（增刊）：190－194．

［6］ZHANG Da，WANG Ligang，YANG Xiaocong．Research on Tailings Pond Online Safety Monitoring System Based on Zigbee Sensor Network［J］．Applied Mechanics and Materials，2014：602－605．

［7］張達(dá)，金楓，呂瀟，等．一種礦用高性能Wi－Fi基站的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．有色金屬（礦山部分），2014，66（4）：1－4．

［8］王利崗，張達(dá)，楊小聰，等．某尾礦庫基于Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］．有色金屬工程，2014，4（3）：74－77．

［9］何學(xué)文，盛穎飛，曹清梅．基于無線ZigBee的鎢礦尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)［J］．金屬礦山，2014（1）：119－124．

［10］雷霆，譚卓英．基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的尾礦庫監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)［J］．金屬礦山，2014（1）：125－128．

［11］楊陽，章平，歐陽偉．極端氣象下尾礦庫監(jiān)測通信系統(tǒng)的設(shè)計［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2013，33（5）：99－103．

［12］蘇軍，王治宇，袁子清，等．光纖光柵（FBG）傳感器在尾礦庫在線監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10（7）：65－70．

Study on online monitoring technologies of tailings dam in extreme environments

ZHANG Da1，2，YU Lewen1，2，YANG Xiaocong1，2
（1．Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2．Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

Tailings dam is a kind of high potential energy hazard in nonferrous mine，which may cause serious loss of treasure even life of downstream area once disaster occurs．However，due to the harsh environment，especially rainstorm，lightening stroke，gale，etc．，the reliability and safety of on－line monitoring system is always under threatened．In order to solve the problems of the tailings dam safety monitoring system in harsh environment，aiming at the bottleneck of these systems，we focus on the encapsulation and protection of data acquisition station，intelligent distributed power supplier，mesh access point，multi－source information fusion，portable dispatching pad，which enhanced the industry applicability of tailings dam safety monitoring system．

tailings dam；data acquisition station；distributed power supply system；mesh network

TD76

Α

1671－4172（2015）04－0001－03

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．001

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（2011AA060405）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAB01B04）

張達(dá)（1980－），男，高級工程師，博士，檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，主要從事礦山安全監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用。