礦山遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)研究

陸世東，李文勝，楊文森，曹千紅，張 玲

(1.湖北省土地規(guī)劃勘測(cè)院，湖北武漢 430071;2.淮北市思苑科技有限公司，安徽淮北 235000;3.中化地質(zhì)礦山總局湖北地質(zhì)勘查院，湖北荊州 434020)

礦山遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)研究

陸世東1，李文勝2，楊文森1，曹千紅1，張 玲3

(1.湖北省土地規(guī)劃勘測(cè)院，湖北武漢 430071;2.淮北市思苑科技有限公司，安徽淮北 235000;3.中化地質(zhì)礦山總局湖北地質(zhì)勘查院，湖北荊州 434020)

為提高礦山監(jiān)管工作效率，加強(qiáng)礦山執(zhí)法力度，以自動(dòng)化取代監(jiān)管部門人工巡查，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山越層越界開采等違法行為的遠(yuǎn)程監(jiān)管，需采用物聯(lián)網(wǎng)和GPS定位技術(shù)，為井下開采礦山的工作人員和開采設(shè)備配備射頻卡，在礦山關(guān)鍵位置處配備讀卡分站等定位設(shè)備;為露天礦山關(guān)鍵開采設(shè)備安裝GPS定位設(shè)備。并利用已部署的定位設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開發(fā)出具備地理信息數(shù)據(jù)瀏覽、實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史軌跡回放、越層越界報(bào)警、短信報(bào)警等功能的監(jiān)控軟件。

遠(yuǎn)程監(jiān)管;礦山;監(jiān)控設(shè)備

0 引言

近幾年，國(guó)家先后出臺(tái)了一系列關(guān)于礦產(chǎn)資源管理的法律法規(guī)和政策，推動(dòng)了礦業(yè)的健康發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了基層礦政管理水平的提高。但是，礦產(chǎn)資源開發(fā)中違法違規(guī)現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，難以杜絕。存在不按批準(zhǔn)的開發(fā)利用方案采礦、資源利用率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、超層越界采礦、爭(zhēng)搶資源、監(jiān)管滯后等問題。上述問題巡查監(jiān)管難度很大，所花費(fèi)的人力物力也很大。因此，要盡快研發(fā)完善的、高效的、性價(jià)比高的礦山遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)，探索一條科技管礦的新路子，建立起一套礦產(chǎn)資源開發(fā)監(jiān)管的長(zhǎng)效機(jī)制。通過遠(yuǎn)程監(jiān)管，能夠?qū)崟r(shí)了解礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況，掌握礦山采礦活動(dòng)信息，判定是否越界開采，促進(jìn)礦業(yè)秩序好轉(zhuǎn)，穩(wěn)定礦山生產(chǎn)安全形勢(shì)［1］。

1 系統(tǒng)原理

采用物聯(lián)網(wǎng)和GPS定位技術(shù)，對(duì)開采設(shè)備和工作人員位置和軌跡進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，以判定是否越層越界開采。系統(tǒng)原理如圖1。

(1)井下開采監(jiān)控 井下開采使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為工作人員、開采設(shè)備(采掘設(shè)備、礦車等)配備RFID射頻卡，通過在各巷道關(guān)鍵位置和邊界位置部署讀卡分站進(jìn)行位置監(jiān)控，判斷是否越層越界開采［2］;

(2)露天開采監(jiān)控 露天開采通過衛(wèi)星進(jìn)行GPS監(jiān)控，為關(guān)鍵開采設(shè)備(挖掘機(jī)、鏟車、運(yùn)輸工程車等)安裝GPS監(jiān)控模塊，通過無線GPRS模塊把位置信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，對(duì)比礦界判定是否越界開采。

圖1 礦山開采遠(yuǎn)程監(jiān)控原理圖Fig.1 Schematic diagram of mining remote monitoring

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 井下開采監(jiān)控

對(duì)于井下開采礦山，遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

系統(tǒng)組成及各部分功能如下：

(1)RFID射頻卡 在目標(biāo)移動(dòng)設(shè)備上配備，通過定位分站進(jìn)行非接觸式信息讀取，存儲(chǔ)唯一卡號(hào)信息。射頻識(shí)別設(shè)備的最大特點(diǎn)就是可在較大的范圍內(nèi)同時(shí)快速、可靠的識(shí)別許多無線標(biāo)識(shí)卡，并具有微功率、識(shí)別率高、高抗干擾性、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、體積小巧，非常便于安裝和維護(hù)。

(2)定位分站 讀取RFID射頻卡信息，上傳卡號(hào)、時(shí)間和位置信息。

(3)通訊分站 采集各定位分站信息，匯總傳輸至傳輸接口。

(4)傳輸接口 采集各通訊分站數(shù)據(jù)，按照通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，匯總傳輸至井口人員定位數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

(5)礦山監(jiān)控服務(wù)器 存儲(chǔ)人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，安裝在礦山。

(6)數(shù)據(jù)交換組件 實(shí)時(shí)監(jiān)控工具軟件，部署在礦山監(jiān)控服務(wù)器，24 h不間斷提取人員定位信息并發(fā)送至通訊總站。

(7)通訊總站 把數(shù)據(jù)交換組件采集到的信息進(jìn)行封裝，通過GPRS或者光纖傳輸至國(guó)土監(jiān)控中心。

(8)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò) 井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通訊采用485工業(yè)總線或者工業(yè)以太網(wǎng)總線傳輸?shù)降V山監(jiān)控服務(wù)器。礦山監(jiān)控服務(wù)器采用互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP傳輸方案，使用無線GPRS或光纖將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)絿?guó)土監(jiān)控中心［3］。

圖2 井下開采遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of remote mine monitoring and management system

2.2 露天開采監(jiān)控

對(duì)于露天開采礦山，遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3：

圖3 露天開采監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of open － pit monitoring

系統(tǒng)組成及各部分功能如下：

(1)GPS定位模塊 安裝在工程機(jī)械上，獲取設(shè)備經(jīng)度、緯度、高程等位置信息;

(2)GPRS傳輸模塊 將位置信息傳輸?shù)絿?guó)土監(jiān)控中心。

3 監(jiān)控設(shè)備部署及參數(shù)

3.1 定位分站部署

(1)安裝位置 各個(gè)移動(dòng)目標(biāo)出入井口、采掘工作面出入口、邊界、巷道分支處、井下交通要道處;

(2)安裝物理環(huán)境 便于讀卡、觀察、調(diào)試、檢驗(yàn)、圍巖穩(wěn)定、支護(hù)良好、無淋水、無雜物的位置;

(3)設(shè)備參數(shù) ①有線傳輸速率：1 200 bps;②無線工作頻率：2.4 GHZ;③ 調(diào)制方式：O—QPSK;④ 防爆類型：本安;⑤ 防護(hù)等級(jí)：IP54;⑥ 工作溫度：－10～60℃;⑦環(huán)境濕度：≤95%(+25℃);⑧工作電壓：DC12 V;⑨工作電流：≤200 mA。

3.2 RFID標(biāo)識(shí)卡部署

(1)安裝對(duì)象 人員、礦車、鏟車、機(jī)車、罐籠等移動(dòng)目標(biāo)設(shè)備應(yīng)配備、安裝RFID標(biāo)識(shí)卡，標(biāo)識(shí)卡總數(shù)至少比經(jīng)常下井移動(dòng)目標(biāo)總數(shù)的50%還多。

(2)安裝物理位置 標(biāo)識(shí)卡應(yīng)設(shè)置在便于讀卡、觀察、調(diào)試、檢驗(yàn)、保護(hù)良好、防碰撞位置。

(3)設(shè)備參數(shù) ① 工作電壓：DC 3.7V;② 工作電流：?jiǎn)?dòng)狀態(tài)時(shí)≤5 mA，發(fā)射狀態(tài)時(shí)≤50 mA，休眠時(shí)≤350 uA;③ 發(fā)射頻率：(2.405 ±0.03)GHz;④ 發(fā)射功率：－30～0 dBm;⑤發(fā)射距離：與讀卡分站通信距離≥30 m;⑥調(diào)制方式：O—QPSK;⑦編碼范圍：1～8 000。

3.3 通訊分站、傳輸接口部署

通訊分站裝在各定位分站匯聚節(jié)點(diǎn)處，物理環(huán)境要求便于讀卡、觀察、調(diào)試、檢驗(yàn)、圍巖穩(wěn)定、支護(hù)良好、無淋水、無雜物的位置;傳輸接口一般安裝在服務(wù)器位置處，設(shè)置在調(diào)度中心機(jī)房。

傳輸分站功能：

(2)接收下級(jí)數(shù)據(jù) 接收讀卡分站傳來的人員信息數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理、存儲(chǔ)、顯示等。

(3)設(shè)備參數(shù) 與接口的通信(主485通訊)：①傳輸方式為RS485、主從、半雙工;② 傳輸速率為1 200/2 400 bps;③ 信號(hào)電壓峰值為3.5～10 V;④最大傳輸距離為≥10 km。

與讀卡分站的通信(從485通訊)：①傳輸方式為RS485、主從、半雙工;② 傳輸速率為2 400/4 800 bps;③信號(hào)電壓峰值為 3.5～10 V;④ 最大傳輸距離≥2 km。

3.4 GPS 定位設(shè)備

GPS定位設(shè)備安裝在目標(biāo)設(shè)備隱蔽處確保不被損壞;天線外露，保證信號(hào)無屏蔽;電源要求和發(fā)動(dòng)機(jī)同線路，保證目標(biāo)設(shè)備發(fā)動(dòng)時(shí)同時(shí)啟動(dòng)定位設(shè)備。

4 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控軟件可以基于礦產(chǎn)開采平面圖，也可以基于礦山三維實(shí)體模型。對(duì)于露天開采以及只有一個(gè)中段面開采的礦山，推薦采用基于礦產(chǎn)開采平面圖建立監(jiān)控軟件系統(tǒng);對(duì)于具有多個(gè)中段面開采的礦山，推薦采用基于礦山三維實(shí)體模型建立監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控軟件功能如下。

4.1 礦山數(shù)據(jù)瀏覽

實(shí)現(xiàn)礦山開采平面圖或礦山三維實(shí)體模型瀏覽。礦山開采平面圖數(shù)據(jù)瀏覽含地圖瀏覽、圖層控制、屬性查詢、測(cè)量、圖例等功能;三維實(shí)體模型瀏覽含礦山實(shí)體交互、編輯等功能。

為此，我還設(shè)立了廣東省首個(gè)校內(nèi)“特色教育處”，圍繞“一生一興趣，一生一特長(zhǎng)”的目標(biāo)，努力幫助學(xué)生尋找自信的基點(diǎn)，全面發(fā)展。

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控 實(shí)時(shí)監(jiān)控主要是對(duì)某一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，功能有實(shí)時(shí)顯示該監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備種類及數(shù)量;監(jiān)控各定位分站報(bào)警信息;監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)位置，(如圖4)。

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件界面Fig.4 Software interface of real－ time monitoring

(2)歷史軌跡 通過讀取礦山監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上一個(gè)或多個(gè)人員(設(shè)備)的歷史位置信息，回溯和重現(xiàn)人員及采礦設(shè)備在井下任意時(shí)間的三維坐標(biāo)位置和活動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)控采礦狀況。歷史數(shù)據(jù)可以用于優(yōu)化采礦資源配置，還可用于礦山事故發(fā)生后，定位被困人員的位置，展示被困的井下環(huán)境，指導(dǎo)科學(xué)搜救［4］。

(3)迎頭跟進(jìn) 顯示需要前移的迎頭定位分站(見圖5)。

圖5 顯示迎頭跟進(jìn)Fig.5 Map of displaying follow － up

(4)越界報(bào)警 顯示越界開采的礦井及越界的定位信息(見圖6)。

圖6 顯示越界報(bào)警Fig.6 Map of displaying over－ time alsrm

(5)路由信息 顯示設(shè)備經(jīng)由定位分站的詳細(xì)信息。

(6)故障分站 顯示發(fā)生故障的定位分站。

(7)短信報(bào)警 將越界報(bào)警信息通過手機(jī)短信的形式發(fā)送到相關(guān)人員手機(jī)上。

(8)顯示在線設(shè)備 在線設(shè)備指當(dāng)前時(shí)刻被定為分站捕獲的移動(dòng)目標(biāo)，在線設(shè)備及人員高亮顯示，同時(shí)顯示出設(shè)備類型(人員、礦車、鏟車、挖掘機(jī)等)，不在線則變灰。

4.3 后臺(tái)管理

后臺(tái)管理對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)初始化，功能如下：

(1)監(jiān)控點(diǎn)管理 添加和修改監(jiān)控點(diǎn);

(2)定位分站管理 通過電子地圖界面為每一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)添加定位分站，并且設(shè)置定位分站屬性。

5 結(jié)語

礦山遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)已經(jīng)在湖北省大冶市、夷陵區(qū)以及山東省蒼山縣等地多家礦山實(shí)施。實(shí)踐表明，礦山遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)的開發(fā)和部署，以自動(dòng)化取代了人工巡查，提高了工作效率，加強(qiáng)了執(zhí)法力度，既減輕了國(guó)土資源等管理部門的壓力，也為礦山企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益。

［1］吳沖龍，田宜平，張夏林，等.數(shù)字礦山的建設(shè)理論與方法探討［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2011(2)：102 －108.

［2］劉斌，周俊.關(guān)于礦山巷道信息系統(tǒng)建立的探討［J］.江西測(cè)繪，2008(4)：13 －15.

［3］陸世東，楊文森，胡凱，等.礦業(yè)權(quán)實(shí)地核查數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件研究［J］.地理信息世界，2010(6)：83－85.

［4］吳沖龍，田宜平，張夏林，等.數(shù)字礦山建設(shè)的理論與方法探討［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2011(2)：102 －108.

Study on the Remote Mine Monitoring and Mangement System

LU Shidong1;LI Wensheng2;YANG Wensen1;CAO Qianhong1;ZHANG Ling3
(1.Hubei Land Planning＆Surveying Institute，Wuhan，Hubei430071;2.Huaibei Siyuan Technology Company，Huaibei，Anhui2350003;3.Hubei Geological Exploration Institute，China Chemical Geology and Mine Bureau，Jingzhou，Hubei434020)

To improve the efficiency of mining supervision，strengthen the mining law enforcement，the authors replace the manual inspection by automation，and realize the remote monitoring and management of mine exploitation.Persons and mining equipment should be equipped with radio frequency card.At key positions are equipped with card readers and other pointing device.For the open mine，key mining equipment should be installed GPS positioning equipment.Finally the authors use the positioning devices data to develop the monitoring software with GIS data browsing，real－time monitoring，historical track playback，the more cross－border level alarm，SMS alarm and other functions.

remote monitoring and management;mine;monitoring equipment

F407.1;TD65

B

1671－1211(2012)02－0176－04

2011－12－31;改回日期：2012－01－16

陸世東 (1983－)，男，工程師，大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程專業(yè)，從事地理信息系統(tǒng)及基礎(chǔ)測(cè)繪的相關(guān)工作。E－mail：lusd1314@163.com

潘 瀟)