基于物聯(lián)網(wǎng)的尾礦庫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)新模式

袁本勝，楊小聰，張 達(dá)，袁子清，王治宇

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

基于物聯(lián)網(wǎng)的尾礦庫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)新模式

袁本勝1，2，楊小聰1，2，張 達(dá)1，2，袁子清1，2，王治宇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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的尾礦庫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)新模式，它可以解決目前尾礦庫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)研發(fā)成本高、業(yè)主投入高、維護(hù)成本高、重復(fù)建設(shè)、資源利用率低等缺點(diǎn)。新模式拋棄了傳統(tǒng)的“傳感器＋數(shù)據(jù)采集基站＋服務(wù)器”的建設(shè)模式，結(jié)合最新的云服務(wù)技術(shù)，提出了“物聯(lián)網(wǎng)傳感器＋云服務(wù)＋終端”的建設(shè)理念，并通過實(shí)例驗(yàn)證了可行性。

尾礦庫監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)傳感器；云服務(wù)

尾礦庫是礦山的重要生產(chǎn)設(shè)施，它的運(yùn)行狀況好壞直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)和人民財(cái)產(chǎn)的安全［1］。尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指在尾礦庫建立一整套遠(yuǎn)程自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，包括利用傳感器對(duì)尾礦庫的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)、尾礦庫與企業(yè)辦公樓監(jiān)控中心之間的通信子系統(tǒng)、監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、查詢報(bào)表等軟件系統(tǒng)，對(duì)尾礦庫的安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、分析與預(yù)報(bào)，確保尾礦庫的安全。

1 尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的傳統(tǒng)模式

目前尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的常見建設(shè)模式是“傳感器＋數(shù)據(jù)采集基站＋服務(wù)器”。首先在壩體表面或內(nèi)部安裝各種傳感器，監(jiān)測(cè)庫水位、壩體表面位移、內(nèi)部位移、浸潤線、滲流量等數(shù)據(jù)。接著將這些傳感器的數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)采集基站，將各種傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)信號(hào)，然后通過光纜傳入監(jiān)控中心的服務(wù)器。在服務(wù)器上安裝及部署數(shù)據(jù)采集、分析、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件。礦山管理人員和安監(jiān)部門可以使用電腦打開WEB瀏覽器，登陸尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

在該模式下，對(duì)于施工方來說，需要軟件等技術(shù)人員花費(fèi)較長時(shí)間開發(fā)或調(diào)試尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件。對(duì)于建設(shè)方來說，需要投入資金的方面包括：1）傳感器采購、土建及安裝費(fèi)用；2）數(shù)據(jù)采集基站設(shè)備采購及土建安裝費(fèi)用；3）線材采購和線纜敷設(shè)、挖溝、埋設(shè)、架空等土建費(fèi)用，甚至征地費(fèi)用；4）監(jiān)控中心房屋建設(shè)費(fèi)用；5）監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)、大屏幕、工作臺(tái)、UPS等設(shè)備費(fèi)用；6）服務(wù)器上安裝的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集與分析軟件、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件的購買或使用費(fèi)用。在這種模式下，建設(shè)一個(gè)尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的費(fèi)用動(dòng)輒上百萬，且因通信距離長和設(shè)備多，每年還需投入幾十萬的線路與設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，投入巨大，這給礦山帶來很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。也迫使部分礦山和建設(shè)方為了降低投入而使用盜版軟件，如WINDOWS操作系統(tǒng)、SQL SERVER數(shù)據(jù)庫軟件等，給軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)侵權(quán)方面留下巨大隱患。對(duì)于使用者來說，大部分只能通過計(jì)算機(jī)登陸網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而沒有充分利用現(xiàn)有的手機(jī)、平板電腦、微信等終端，使用場(chǎng)所狹窄，不能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的數(shù)據(jù)查看，也不利于安監(jiān)部門的監(jiān)控及統(tǒng)一管理。此外，各礦山建設(shè)各自的尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，各系統(tǒng)的軟硬件資源不能互相利用，資源浪費(fèi)極為嚴(yán)重。綜上所述，現(xiàn)有的尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)模式具有研發(fā)成本高、建設(shè)投入高、使用受限、資源利用率低等缺點(diǎn)。

2 尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的新模式［2－7］

近些年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)越來越成熟，在很多行業(yè)成功應(yīng)用。本文將其引入至礦山安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，提出了基于“物聯(lián)網(wǎng)傳感器＋云服務(wù)＋終端”的尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)模式。該模式的主要核心是將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，然后通過各種終端訪問云服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器通俗地講就是將傳感器與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起。它區(qū)別于普通傳感器的地方是它具有網(wǎng)絡(luò)輸出接口，可以將物理量輸出到互聯(lián)網(wǎng)。在礦山尾礦庫安全監(jiān)測(cè)方面，需要對(duì)現(xiàn)有傳感器進(jìn)行改進(jìn)，使現(xiàn)有的RS485、ZIGBEE、CAN、RS232等協(xié)議符合Sensor ML及IEEE1451協(xié)議，成為智能物聯(lián)網(wǎng)傳感器［2－7］。

“物聯(lián)網(wǎng)傳感器＋云服務(wù)＋終端”的尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)模式拋棄了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集基站及監(jiān)控中心，只包含現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器，所以它為施工方節(jié)省掉包括數(shù)據(jù)采集軟件與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件在內(nèi)的軟件開發(fā)費(fèi)用，縮短現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，以及減少系統(tǒng)維護(hù)工作量。從表1很明顯可以看出，新模式為建設(shè)方省略了表中（7）、（8）、（9）、（10）項(xiàng)中的大量費(fèi)用，而增加的費(fèi)用主要是（11），與原系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用相比差別巨大，粗略估算至少可以為建設(shè)方節(jié)省二分之一的建設(shè)資金投入。此外，該模式可以讓多個(gè)礦山使用同一個(gè)云服務(wù)平臺(tái)，終端軟件的重復(fù)利用率也非常高，所以可以解決多個(gè)礦山重復(fù)建設(shè)尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)導(dǎo)致的資源利用率低的問題，這也符合建設(shè)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)的國家戰(zhàn)略。

圖1 基于“物聯(lián)網(wǎng)傳感器＋云服務(wù)＋終端”的尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 The new model of online safety monitoring system of tailings dam based on"internet of things sensor＋cloud service＋terminal"

3 “物聯(lián)網(wǎng)傳感器＋云服務(wù)＋終端”模式的實(shí)例測(cè)試

筆者通過一個(gè)溫度測(cè)量來驗(yàn)證“物聯(lián)網(wǎng)傳感器＋云服務(wù)＋終端”的尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)模式的可行性。在監(jiān)測(cè)其它如庫水位、浸潤線等項(xiàng)目時(shí)，根據(jù)相同的原理更換成相應(yīng)的傳感器即可。

1）物聯(lián)網(wǎng)傳感器

本文通過Arduino＋DS18B20搭建一個(gè)硬件平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)傳感器。Arduino是目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)開源硬件，具有低功耗、低成本的特點(diǎn)。DS18B20是一款常用的單總線溫度測(cè)量芯片。將DS18B20接入Arduino電路板某一I/O口后即完成硬件連接。然后使用Arduino IDE編譯環(huán)境編寫數(shù)據(jù)采集程序。試驗(yàn)平臺(tái)及軟件編譯程序截圖如圖2、3所示。

本文采用物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)。在試驗(yàn)之前先注冊(cè)用戶，在平臺(tái)上添加設(shè)備及傳感器。然后根據(jù)USERKEY、傳感器標(biāo)識(shí)符等信息修改Arduino程序，使Arduino程序里每個(gè)設(shè)備和傳感器或控制器與物聯(lián)網(wǎng)API握手成功。編譯成功后將程序上傳到電路板。

表1 尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模式比較Table 1 The comparison between traditional and new model for online safety monitoring system of tailings dam

圖2 物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)Fig.2The test platform of internet of things

2）上傳數(shù)據(jù)至物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)

將數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)建立鏈接有兩種途徑：一種是直接通過互聯(lián)網(wǎng)上傳。此時(shí)需要增加一塊W5100網(wǎng)絡(luò)模塊；第二種是增加一個(gè)串口轉(zhuǎn)3G/GPRS模塊，將串口信號(hào)轉(zhuǎn)換成3G/GPRS信號(hào)進(jìn)入移動(dòng)通信網(wǎng)，再接入互聯(lián)網(wǎng)。

3）云服務(wù)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)提供了一個(gè)云端管理系統(tǒng)，可以完成數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、分析、報(bào)警、分享等功能：可以使用戶通過任何可以上網(wǎng)的終端（PC、Pad、手機(jī)）實(shí)時(shí)觀察傳感器設(shè)備；通過歷史曲線、柱狀圖等功能，可以完成對(duì)數(shù)據(jù)的基本分析；每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)超出正常值范圍或者掉線都可以通過短信或郵件的方式進(jìn)行報(bào)警。圖4為筆者通過測(cè)試平臺(tái)獲取的溫度歷史趨勢(shì)曲線圖。

圖3 Arduino軟件編譯界面Fig.3 Arduino software compiler interface

4）終端訪問

數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)后，可以在IOS手機(jī)、Android手機(jī)、平板電腦等終端上通過WEB瀏覽器和微信等APP訪問設(shè)備及傳感器，查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測(cè)數(shù)值、歷史數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)出數(shù)據(jù)。圖5為筆者通過手機(jī)終端上安裝的APP和微信訪問監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的截圖。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷史趨勢(shì)圖Fig.4 The historical trend diagram of monitoring data in cloud service platform of internet of things

圖5 物聯(lián)網(wǎng)終端展示界面Fig.5 Terminal display interface of internet of things

4 結(jié)論

目前尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)采用“傳感器＋數(shù)據(jù)采集基站＋服務(wù)器”模式，具有研發(fā)成本高、維護(hù)成本高、建設(shè)投入高、使用受限、資源利用率低等缺點(diǎn)。

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)引入至礦山安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，提出了基于“物聯(lián)網(wǎng)傳感器＋云服務(wù)＋終端”的尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)新模式。該模式的主要核心是將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，然后通過各種終端訪問云服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。該模式可以大幅降低礦山在尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的建設(shè)投入，還可以解決多個(gè)礦山重復(fù)建設(shè)尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)導(dǎo)致的資源利用率低的問題。

通過Arduino＋DS18B20＋W5100搭建一個(gè)硬件試驗(yàn)平臺(tái)，并將測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，然后用多個(gè)終端進(jìn)行訪問，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了基于“物聯(lián)網(wǎng)傳感器＋云服務(wù)＋終端”的尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)模式的可行性。

最后，建議安監(jiān)部門或行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)一建設(shè)一個(gè)礦山物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，將各礦山的尾礦庫安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、井下地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、“六大系統(tǒng)”監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯聚在一起，用于實(shí)時(shí)檢查與安全管理。

［1］中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院.礦山企業(yè)安全生產(chǎn)條件［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］吳立新，汪云甲，丁恩杰，等.三論數(shù)字礦山——借力物聯(lián)網(wǎng)保障礦山安全與智能采礦［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（3）：357－365.

［3］張 申，丁恩杰，徐 釗，等.三論數(shù)字礦山——感知礦山與數(shù)字礦山、礦山綜合自動(dòng)化［J］.工礦自動(dòng)化，2010（11）：129－132.

［4］張 申，丁恩杰，徐 釗，等.物聯(lián)網(wǎng)與感知礦山專題講座之三——感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的特征與關(guān)鍵技術(shù)［J］.工礦自動(dòng)化，2010（12）：117－121.

［5］張申，丁恩杰，趙小虎，等.數(shù)字礦山及其兩大基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（9）：997－1001.

［6］吳立新，殷作如，鐘亞平.再論數(shù)字礦山：特征、框架與關(guān)鍵技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2003，28（1）：1－7.

［7］趙小虎，張申，譚得健.基于礦山綜合自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32（8）：15－18.

A new mode for online safety monitoring system construction of tailings dam based on internet of things

YUAN Bensheng1，2，YANG Xiaocong1，2，ZHANG Da1，2，YUAN Ziqing1，2，WANG Zhiyu1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

This paper proposes a new mode of online safety monitoring system construction of tailings dam based on the internet of things，which can solve the problem of current mode，such as high investment，high cost of maintenance shortcomings，redundant construction，low utilization rate of resources.It has abandoned the traditional"sensor＋data acquisition station＋server"construction mode.Combined with the cloud service technology，the"internet of things sensor＋cloud service＋terminal"construction concept is put forward，and its feasibility is verified by an example.

monitoring of tailings dam；internet of things sensor；cloud service

TD76

Α

1671－4172（2015）05－0001－04

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2011AA060406））；北京礦冶研究總院科研基金項(xiàng)目（YJZ－2014－02，YJ－2015－08）

袁本勝（1982－），男，工程師，碩士，檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，主要從事礦山安全監(jiān)測(cè)研究與工程化應(yīng)用。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.001