基于無線傳感網絡的尾礦庫監測預警系統

雷 霆 譚卓英

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083 ；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.基康儀器(北京)有限公司，北京 100080)

基于無線傳感網絡的尾礦庫監測預警系統

雷 霆1,2,3譚卓英1,2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083 ；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.基康儀器(北京)有限公司，北京 100080)

針對尾礦庫破壞特點，以降雨量、滲流為主監測對象，基于無線通訊技術，集成雨量計、滲壓計、數據采集傳輸設備，構建了尾礦庫數據采集系統，通過預警號、預警燈、無線預警模塊組建了無線聲光報警裝置，形成了尾礦庫無線預警系統；采用網絡編程技術，以SQL Server2005為數據庫平臺，開發了集“感、傳、知、用”于一體的尾礦庫監測信息數據管理及分析預警軟件，實現了監測信息及數據的遠程管理、可視化操作、數據分析和遠程預警。通過實際工程應用表明，系統能夠快速獲取并分析監測數據，及時準確地作出預警判斷，系統對尾礦庫工程安全運行具有重要指導意義。

尾礦庫 無線傳感網絡 實時監測 遠程預警

我國尾礦庫規模小、數量多、安全度水平低，且較多小、中型尾礦庫未經正規設計，存在較大的安全隱患。為了加強尾礦庫大壩安全風險管理，預防尾礦庫安全事故的發生，保障尾礦庫及庫區下游企業及人民群眾的生命財產安全，建立尾礦庫安全監測信息管理及預警系統是十分必要的。

尾礦庫災害的發生一般都是從漸變到突變的發展過程。因此，分析與災害發生相關的物理量，采取適當的監測方式，通過獲取影響災害發生的相關物理量的數據變化過程，捕捉災害前兆監測物理量的特征信息，就能有效判斷尾礦庫大壩失穩及災害險情的發生，并合理決策及時預警，促進國家經濟建設和保護人民生命財產安全。

傳統的有線安全監測系統需要布置傳感器、供電及通訊電纜，但尾礦庫工程多處于偏遠山區，周邊環境惡劣，電纜溝開挖難度較大導致監測范圍受限。而無線傳感器監測系統不需開挖電纜溝及敷設電纜，通過太陽能供電系統及無線通訊模塊進行信號傳輸，其具有測點布置范圍廣，低功耗環保等優點，比較適用于尾礦庫工程的安全監測。史學濤、趙鳴等[1-2]將無線傳輸應用于大型結構健康監測，建立了結構健康遠程監測系統。鄔凱等[3-6]利用ZIGBEE和GPRS網絡技術提高了數據無線傳輸的可靠程度，并基于網絡編程技術和數據庫平臺，建立了邊坡安全監測信息管理系統，實現了監測信息及數據的可視化和信息化。以上的研究及工程實例對尾礦庫安全監測預警系統的研究有重要的借鑒意義，但均未對預警系統、預警裝置、預警流程做深入研究，本研究結合尾礦庫工程的特點，集成各類數據采集終端，基于數據庫平臺和網絡編程技術，重點研究了預警裝置及預警流程，開發了集“感、傳、知、用”于一體的尾礦庫監測預警系統，實現了尾礦庫工程的遠程預警。

1 系統結構

尾礦庫工程監測預警系統包括硬件系統和軟件系統。硬件系統包括傳感器、無線采集終端、通訊網關、預警裝置、采集計算機及服務器、短信模塊，如圖1所示。硬件系統主要負責“感、傳”，即感知物理量的變化，并將變化數據傳輸。軟件系統包括數據采集及接收軟件、數據分析及預警分析軟件、數據庫軟件。軟件系統主要負責“知、用”，即圖形化展示物理量的數據變化，并將分析物理量的變化結果、結論應用于監測預警。

圖1 尾礦庫監測預警系統結構Fig.1 Monitoring and prewarning system structure for tailings

1.1 硬件系統

1.1.1 傳感器

尾礦庫破壞發生時往往伴隨著壩體滲流的的增大，而降雨往往是發生滲流的誘因。在地形、地質等內部條件既定的條件下，諸多外部因素中降雨，尤其是大量的降雨或暴雨無疑就成了激發工程破壞的最主要外部因素之一。國內外已有許多研究者在充分考慮地形地貌、地質條件和力學性質等內在因素條件下研究降雨量、降雨強度和降雨過程與壩體失穩在時空分布上的對應關系，進而開展區域災害預警預報研究，已取得了顯著成效[7-8]。

因此，本系統確定了區域降雨量、壩體滲流為主監測量，雨量計、位移計作為主監測傳感器。雨量計安裝在壩頂，以便能夠準確地采集現場降雨數據，滲壓計安裝在尾礦庫壩體典型監測斷面監測壩體滲流。

1.1.2 采集終端

由于尾礦庫工程所處環境惡劣，傳統的有線采集終端因布線量大，布線施工難度高，且監測范圍有限，因此，選擇具備無線短距離組網傳輸功能的小體積無線采集終端來測量傳感器數據。

無線采集終端基于IEEE Std 802.15.4標準協議來實現無線短距離通訊[9]，低功耗設計適用于野外無供電環境，采用單晶硅太陽能電池板供電，確保設備連續工作，無需維護。無線采集終端包括測量模塊、無線通訊模塊、電源模塊。測量模塊主要功能是測量所接入傳感器數據；無線通訊模塊主要功能是將數據發送至通訊網關，并經通訊網關傳輸至數據采集與接收軟件；電源模塊包括太陽能電池板、電池、充電電路，主要功能是將太陽能轉化為電能，使無線采集終端能夠持續工作。

設備大多安裝在環境惡劣，維護難度較大處，因此，為了節省設備功耗，無線采集終端采用超閾值自報數據的方式，即當測量的數據超過某個設置的值時才發送數據，但1 d之內至少發送1條數據以便判斷設備是否正常運行。

1.1.3 通訊網關

通訊網關包含GPRS模塊、北斗衛星模塊、電源模塊。其主要作用是將采集終端上報的數據，通過GPRS遠程傳輸至服務器。由于尾礦庫工程往往在偏遠山區，GPRS信號較弱，因此，當GPRS信號傳輸失敗時，通訊網關能夠自動采用北斗衛星模塊上傳數據。

1.1.4 預警裝置

預警裝置包括：遠程短信接收控制模塊、預警號、電源模塊。遠程短信控制模塊是預警裝置的核心，其能夠接受遠程授權號碼的短信指令，控制接入的預警號的供電，達到預警人員不用抵達現場而直接預警的效果，確保將預警信息及時傳遞給受預警的區域，防止意外發生。

1.1.5 采集計算機、服務器及短信模塊

采集計算機安裝數據采集接收軟件，負責采集現場終端傳感器的數據，并將其檢驗、入庫；數據庫服務器負責保存數據及相關信息；WEB服務器安裝信息發布及預警分析軟件，負責將數據及相關信息圖形化展示、分析數據得出預警結論；短信模塊與WEB服務器連接，負責發出預警短信給預警裝置及相關管理人員。

1.2 預警流程

(1)無線采集終端及滲壓計定時測量數據。

(2)當無線采集終端測量的數據超過設置在終端儲存器中的閾值時，無線采集終端通過無線短距離信號將采集的數據發送至通訊網關。

(3)通訊網關通過GPRS或者北斗衛星將無線采集終端的數據上傳至服務器的數據接收軟件。

(4)數據接收軟件將數據入庫，同時預警分析軟件分析該測值是否達到預警標準。

(5)如果數據超警戒值，則預警分析軟件通過與服務器串口相連的短信模塊向預警裝置發送預警短信，預警號響，警告附近區域人員撤離，同時發送短信給相關管理部門及人員；如果數據未超警戒值，則不發出預警信號。

圖2為預警流程圖。

圖2 預警流程Fig.2 Early warning flowchart

2 系統軟件功能

尾礦庫工程監測系統軟件主要包括：數據接收軟件、監測信息發布及預警分析軟件。數據接收軟件采用C/S結構，主要對現場上傳的測量數據檢驗、入庫；監測信息發布及預警分析軟件采用B/S結構，主要負責將現場監測信息及數據進行圖形化展示、預警數據的分析及查詢。

2.1 監測信息及數據圖形化展示

系統提供所有測點的監測信息的圖形化展示功能，可在測點平面布置圖及斷面圖上體現測點監測信息；系統提供多測點的單曲線及多曲線繪制功能，可根據傳感器編號和自定義時間來查詢選擇物理量的測值。圖3為系統的數據及曲線查詢界面。

圖3 數據查詢界面(P5水位過程曲線)Fig.3 Inquiring of monitor data (P5 Water lever process curve)

2.2 預警值分析

2.2.1 雨量預警分析

尾礦庫工程失穩災害的發生與當天降雨及前期降雨特征密切相關，采用相關性分析及統計模型分析方法，分析降雨與失穩的耦合關系，建立雨量統計模型，確定尾礦庫預警的降雨閾值，根據實時的降雨查詢結果和統計圖進行災害預警。

同時，本系統可人工錄入氣象系統的降雨預報值，通過降雨量統計預警模塊，達到提前預警效果。

2.2.2 滲流預警分析

尾礦庫地質災害的發生往往伴隨著壩體的滲漏，將設計浸潤線的滲壓計水位測值設置進預警分析軟件中，作為滲流預警的水位閾值。

3 工程實例

遼寧某尾礦壩工程安裝了一套無線傳感監測系統進行滲流監測。該工程監測管理中心站設在運行管理單位，現場設備有無線數據中心1套，無線終端10臺，滲壓計10支。圖4為該工程現場設備平面布置圖。該工程無線數據中心放置在壩頂JP2-3測壓管附近，安裝示意圖如圖5所示，該測點位置高程最高，與最遠測點無線終端間可視距離約200 m，能滿足無線傳感網絡通訊距離的要求。同時，現場采用5瓦太陽能電池板對無線數據中心和無線終端進行太陽能供電，保證了無線傳感系統的持續工作。

目前該工程通訊狀況良好，采集的數據可靠穩定，節省了大量的電纜土方開挖工作、安裝調試工期及工程預算。

圖4 遼寧某尾礦庫工程平面布置Fig.4 Plan layout of monitoring devices in a tailing

圖5 某尾礦庫工程無線數據中心安裝示意Fig.5 A case of Communication Gateway Device Installation in a tailing

4 結 論

(1)針對尾礦庫失穩破壞機理選擇了以雨量計和滲壓作為主監測傳感器；針對尾礦庫施工成本高選擇了以無線采集終端作為主要監測終端，以GPRS方式作為通訊網關遠程通訊方式；針對尾礦庫預警的高效性選擇了以預警號及短信控制器作為預警裝置；針對尾礦庫設備維護難度大選擇了以太陽能供電系統作為采集設備的電源，組成了穩定有效的尾礦庫遠程安全監測硬件系統。

(2)開發了尾礦庫安全監測信息管理及預警發布軟件，實現了對監測信息及數據的可視化、信息化管理、遠程采集、數據分析及預警發布，為運行管理單位及時了解工程運行狀態、快速決策及預警發布提供了強有力的平臺支持。

(3)通過在遼寧某尾礦庫監控中的應用，表明系統具有實時性、穩定性、高效性、低成本等特點。根據滲透壓力和降雨的監測數據，能綜合判斷尾礦庫的實時安全狀況，為尾礦庫的工程防災減災提供參考依據。

[1] 史學濤,趙 鳴.大型結構健康監測的無線傳感器系統[J].結構工程師，2005，21(4):85-89. Shi Xuetao，Zhao Ming.Wireless sensing system for health monitoring of key structures[J].Structural Engineers，2005，21(4)：85-89.

[2] Lynch，Law .Validation of a wireless modular monitoring system for structures[C]∥Proceedings of SPIE 9th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials.San Diego:[s.n],2002:202-208.

[3] 鄔 凱，盛 謙，張勇慧.山區公路路基邊坡地質災害遠程監測預報系統開發及應用[J].巖土力學,2010，31(11):3683-3687. Wu Kai，Sheng Qian，Zhang Yonghui.Development of real-time remote monitoring and forecasting system for geological disasters at subgrade slopes of mountainous highways and its application[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31(11):3683-3687.

[4] 何滿潮.滑坡地質災害遠程監測預報系統及其工程應用[J].巖石力學與工程學報，2009，28(6)：1081-1090. He Manchao.Real-time remote monitoring and forecasting system for geological disasters of landsides and its engineering application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(6)：1081-1090.

[5] 梁桂蘭，徐衛亞，何育智，等.邊坡工程監測信息可視化分析系統研發及應用[J].巖土力學，2008,29(3)：849-853. Liang Guilan，Xu Weiya，He Yuzhi，et al.Visualsystem development and application of data analysis for slope engineering[J].Rock and Soil Mechanics，2008,29(3):849-853.

[6] 賈明濤，王李管，潘長良.基于監測數據的邊坡位移可視化分析系統[J].巖石力學與工程學報，2003,22(8):1324-1328. Jia Mingtao，Wang Liguan，Pan Changliang.Visual analysis system for slope displacement based on monitored data[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(8)：1324-1328.

[7] 丁繼新，尚彥軍，楊志法，等.降雨型滑坡預報新方法[J].巖石力學與工程學報，2004，23(21)：3738-3743. Ding Jixin，Shang Yanjun，Yang Zhifa，et al.New method of predicting rainfall-induced landslides[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004，23(21)：3738-3743.

[8] 許利凱，李世海，劉曉宇，等.三峽庫區奉節天池滑坡實時遙測技術應用實例[J].巖石力學與工程學報，2007,26(增2)：4477-4483. Xu Likai，Li Shihai，Liu Xiaoyu，et al.Application of real-time telemetry technology to landslide in tianchi fengjie of three gorges reservoir region[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(S2):4477-4483.

[9] 孫茂一，陳利學.ZigBee 技術在無線傳感器網絡中的應用[J].現代電子技術，2008(2)：192-194. Sun Maoyi，Chen Lixue.Application of ZigBee in wireless sensor network[J].Modern Electronic Technique，2008(2)：192-194.

(責任編輯 徐志宏)

School Civil and Enviromnental Engineering System of Tailing Pond bases on Wireless Sensor Networks

Lei Ting1,2,3Tan Zhuoying1,2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeijing，Beijing100083，China; 2.StateKeyLaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMinesofMinistryofEducation，Beijing100083，China; 3.GeokonInstruments(Beijing)Co.，Ltd.，Beijing100080，China)

According to the destruction of tailings，mainly in order to monitor rainfall and seepage，based on wireless communication technique，and integrated with pluviometer，piezometer，data acquisition and transmission unit，a data acquisition system for tailings pond is established.By warning alarm，warning lights and warning SMS module，a wireless sound and light alarm device is set up，forming a pre-warning device system for tailings ponds.Based on network programming techniques and SQL Server 2005 database，the pre-warming software system for management and analysis of tailings monitoring information and data with the integration of “remote monitoring，communication，forecasting and application” was developed，which realized the remote management，visualization，data analysis and remote pre-warning” of monitored information and data.According to the field application，this system can quickly acquire and analyze the monitored data and precisely forecast the situations.It has important guiding meaning for the safe operation of the tailings.

Tailings pond，Wireless sensor networks，Real-time monitoring，Remote pre-warning system

2013-10-26

國家自然科學基金項目(編號：51174013)，國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(編號：2010CB731501)，長江學者和創新團隊發展計劃項目(編號：IRT0950)。

雷 霆(1986—)，男，博士研究生。通訊作者：譚卓英(1965—)，男，教授，博士研究生導師。

TD76

A

1001-1250(2014)-01-125-04