遼寧省尾礦庫在線安全監測管理平臺設計

郝 喆 張 亮

(1.遼寧大學環境學院；2.遼寧有色勘察研究院)

近年來，我國尾礦庫重大事故時有發生，給人民生命財產造成了極大損害[1]。2008年9月，山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業公司尾礦庫潰壩事故，造成276人死亡[2]。2007年11月，海城市鼎洋礦業公司尾礦庫潰壩事故，造成17人死亡、3人失蹤、39人受傷。可見，提高尾礦庫安全監測管理水平，確保尾礦庫安全運行十分必要。《尾礦庫在線安全監測系統工程技術規范》(GB 51108—2015)[3]對尾礦庫在線監測系統提出了具體要求。通過建立在線監測系統，科學研判尾礦庫在一定時間段內的安全狀態，有助于進一步增強企業、社會、政府對于尾礦庫災害的預警響應能力[4]。但由于該規范實施時間較短，眾多省份的尾礦庫在線監測工作尚未得到有效開展，相關技術、架構、軟件組成、數據處理、系統部署、硬件配置等方面仍處于探索過程中，存在諸多需要解決的問題。對此，本研究設計了遼寧省尾礦庫在線安全監測管理系統平臺，該平臺綜合運用智能傳感器、無線通訊、3S、數據庫等技術，實現了尾礦庫安全狀況進行在線實時監測和管理[5]，是開展尾礦庫在線監測的有益嘗試，對現場在線監測工程具有一定的指導意義。

1 設計路線及總體架構

1.1 設計路線

平臺采用B/S體系結構，實現客戶機的零安裝(僅視頻監控需安裝相應的插件)，可有效減少系統的運行維護成本[6-7]。系統開發采用J2EE 3層體系架構[5]，J2EE(Java 2 Platform，Enterprise Edition)是一種利用Java 2平臺來簡化企業解決方案的開發、部署和管理復雜問題的體系結構[6]。

1.1.1 技術框架圖

平臺采用多層結構體系，包括表現層、控制層、服務層和數據層。每一層采用的技術和實物載體如圖1所示。

圖1 技術框架

1.1.2 主要技術

平臺采用的主要相關技術包括Spring框架、Struts2框架、JSTL標簽庫、JS框架和Flex框架等。主要技術的原理及特點如下：

利用Spring的容器管理優勢，管理所有接口服務以及系統的配置。Spring屬開源框架技術，采用JavaBean來完成以往由EJB完成的工作[8]，具有簡單性、可測試性和松耦合等特點，是J2EE目前的最佳選擇。

利用Struts2框架實現MVC的Control層，并封裝MVC的Model。Struts2通過對J2EE的servlet封裝優化，接收用戶請求并按照開發者意愿封裝轉化請求數據，可提供很多開源的數據過濾和驗證接口，對MVC結構控制層的實現十分有效。

利用JSTL標簽庫，結合Struts 2處理后的請求數據，規范快捷地展示在JSP上。JSTL作為J2EE提供的通用標簽庫，可結合JSP表達式語言和MVC控制層處理后的數據，進行各種不同類型數據展示，為開發平臺工作時間，也優化了JSP文件，增加了JSP文件的可讀性。

利用Jquery處理客戶端事件，同時實現異步請求。Jquery兼容CSS3和各種瀏覽器(IE 6.0+，FF 1.5+，Safari 2.0+，Opera 9.0+)，且壓縮后僅需21 k，能更方便處置HTML documents、events，實現動畫效果，提供AJAX交互。

利用Flex應用程序框架，使開發人員快速構建豐富數據演示、強大客戶端邏輯和集成多媒體的應用程序[9]。Flex框架產品包含編譯工具和IDE，經編寫MXML和ActionScript代碼，編譯生成SWF文件，實現Flash Player觀看。

1.1.3 處理時序

平臺處理時序包括JS數據校驗、JS數據封裝、ajax封裝、action請求控制器、XML數據轉化、Service業務處理、應用服務平臺等處理[10]，系統平臺建立的處理及調用關系見圖2。

1.2 總體架構

平臺按照分層思想進行架構設計，總體采用5層框架結構，自下而上依次為信息采集傳輸層、通信網絡層、數據資源層、應用支撐層和用戶應用層，各個層次之間由標準化協議與接口[11]結合為一個有機的整體。利用分層結構的技術優勢，既充分滿足當前尾礦庫在線監測預警工作，又可為將來尾礦庫安全監管工作的拓展提供信息服務接口。平臺總體框架結構見圖3。

2 軟件組成及數據同步

2.1 軟件組成

尾礦庫在線監測管理平臺功能可同時滿足政府用戶和企業用戶的不同工作需求[5]，將平臺建設成中心版和企業版2個子系統。模塊設置分別如圖4、圖5所示。

中心版系統集地理信息、基礎信息、監測預警、預案管理、安全監管、檔案管理、仿真分析等功能于一體，實現對全省各尾礦庫的綜合管理和監測預警。企業版系統集基礎信息、安全監測、查詢統計、預警發布、預案管理、安全管理、檔案管理和設備管理功能于一體，可實現對所在企業尾礦庫的監測和預警，將尾礦庫的各類信息數據通過同步數據接口，實現與中心系統的同步遷移。通過搭建統一的尾礦庫監測平臺和提供多樣化的綜合信息服務，滿足不同用戶的需求，為尾礦庫安全運行和應急決策提供信息支持。

圖2 處理時序

圖3 平臺的總體框架結構

圖4 中心版功能結構

圖5 企業版功能結構圖

2.2 數據同步

平臺數據同步方法為：①在尾礦庫安裝部署監測數據同步客戶端，以Webservice方式存在，該客戶端可以訪問尾礦庫數據庫，并提供讀取各監測站實時數據的方法，數據以XML標準協議[12]來組織； ②在中心數據庫中安裝部署中心監測數據同步服務端，該服務端以Windows服務的形式存在，以多線程方式調用各尾礦庫數據同步客戶端；③將監測到的實時數據同步遷移至中心數據庫中(圖6)。

圖6 數據同步示意

3 系統部署與用戶訪問

3.1 系統部署

系統部署結構如圖7所示。

圖7 系統部署結構

3.2 用戶訪問設計

系統用戶訪問設計方法如圖8所示。

圖8 用戶訪問設計

3.3 運行環境

3.3.1 服務器端運行環境

服務器端的軟、硬件需求分別見表1和表2。

表1 服務器軟件需求

表2 服務器硬件需求

3.3.2 客戶端運行環境

系統客戶端的軟、硬件需求分別見表3、表4。

表3 客戶端軟件需求

表4 客戶端硬件需求

4 顯示硬件系統

系統大屏幕顯示硬件系統包含LFP拼接單元、網絡多屏幕處理器、LANBO專用線纜、服務器與控制軟件，其中對系統功能影響最大的是拼接單元及網絡多屏幕處理器(圖9)。

圖9 大屏幕控制系統框圖

圖10 wangluo多屏幕處理器架構

5 現場應用

基于以上在線監測平臺的總體架構、軟件組成、程序框圖、數據同步方法、系統部署、用戶訪問方法，完成了在線監測平臺系統研發，實現了30余座省管大型尾礦庫的在線安全監測和管理。圖11為遼寧省尾礦庫在線安全監測管理系統的啟動界面。

圖11 系統啟動界面

本鋼集團歪頭山鐵礦小西溝尾礦庫建于1970年，于1972年正式投產使用。該尾礦庫占地面積為1.62 km2，現庫容為7 423×104m3。尾礦壩總高100 m，壩頂長1 600 m ，屬省管二等山谷型尾礦庫。初期壩為透水堆石壩，堆積壩為尾礦堆積壩，采用水力沖積上游法筑壩。2013年，該尾礦庫安裝了在線安全監測管理系統，分為2個部分：一部分為礦方企業在線監測系統，另一部分為省管尾礦庫監控中心平臺系統，集團公司可通過互聯網訪問現場監測數據。礦方現場在線監測系統由數據采集監測裝置(含供電、避雷設備)、信號傳輸設備、信號接收及處理裝置、計算機終端及管理系統、中心(庫區)機房5個部分組成[14]；省管尾礦庫監控中心平臺由遠程數據采集及接收裝置、中心大屏顯示裝置、中心計算機管理平臺及機房輔助系統組成。尾礦庫在線監測系統的監測項目包括浸潤線、庫水位、表面位移、視頻、內部位移、降水量。圖12為依據該平臺的表面位移在線監測結果。

6 結 論

(1)遼寧省尾礦庫在線監測平臺的設計遵循J2EE 3層體系，可以實現客戶機的零安裝,有效減少系統運行維護成本；具有支持異構環境、穩定可用等優點；通過將一些通用的、繁瑣的服務端任務交給中間供應商去完成，縮短了開發時間。

圖12 平臺做出的預警發布

(2)平臺是一個集各類站點監測數據采集傳輸、尾礦庫基礎數據匯總和動態監管、在線監測預警和管理為一體的綜合信息平臺。平臺架構的分層體系結構較好的實現了建設任務的分解，以便整個平臺能夠在明確接口定義的基礎上進行建設，便于系統整合和資源共享。

(3)平臺分別建設中心版和企業版2個系統，滿足了政府用戶和企業用戶的不同工作需求。中心版系統可實現政府對全省各尾礦庫的綜合管理和監測預警；企業版系統可實現所在企業對尾礦庫的監測和預警，并將各類信息數據通過同步數據接口，實現企業與中心系統的同步遷移。

(4)系統部署結構和用戶訪問設計結構簡單，以B/S模式為主、部分采用C/S模式平衡安裝維護工作量及客戶端設備和系統性能的關系，可減少總體工作量，保障信息網絡安全可靠，易于升級維護，系統對軟、硬件配置及運行環境要求低，適用性強。

(5)LFD拼接單元采用DID液晶面板技術，可視面積大、畫面分辨率高、采用VII第二代數字引擎及專業的技術，具有動態圖象無拖影、數字式接口、安裝便捷，功率消耗小等優點。大規模FPGA陣列式組合處理，無需Windows系統，不死機、無花屏和黑屏，具有強大的處理能力。