煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 ?要： 傳統(tǒng)系統(tǒng)采用定點(diǎn)式有線監(jiān)控，受限于傳輸線路影響，導(dǎo)致煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)效率較低，為了避免人們生命安全受到威脅，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)。在協(xié)同環(huán)境下分析不同層次關(guān)系，設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)報(bào)警提供正確決策支持。采用TQ2440開發(fā)板設(shè)計(jì)的LCD液晶顯示接口電路具有25針2.0 mm和20針0.5 mm兩種接口，能夠接各種單色和彩色液晶屏。采用TLP521?3型號(hào)芯片作為信息采集器的主要芯片，可通過(guò)按鈕連接信息通道，為監(jiān)測(cè)裝置提供數(shù)據(jù)。采用SIM900A型號(hào)的監(jiān)測(cè)裝置可通過(guò)UART端口發(fā)送監(jiān)測(cè)指令，使用敏感重力加速度計(jì)求解地勢(shì)信息，獲取塌陷風(fēng)險(xiǎn)最大值，根據(jù)監(jiān)控風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警實(shí)施流程完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，該系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警預(yù)測(cè)與實(shí)際報(bào)警誤差保持在-0.01～0.03范圍內(nèi)，具有精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與報(bào)警效果，為煤礦區(qū)人們生命安全提供保障。

關(guān)鍵詞： 煤礦區(qū)生態(tài); 塌陷風(fēng)險(xiǎn); 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè); 實(shí)時(shí)報(bào)警; 協(xié)同環(huán)境; 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)： TN911?34; TP368 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）01?0170?05

Design of remote monitoring and real?time alarm system for

ecological collapse risk in coal mine area

WU Weili1， 2

Abstract： The fixed?point wired monitoring is adopted in the traditional system， which is limited by transmission lines， resulting in low efficiency of ecological collapse risk monitoring in coal mining areas. To prevent people′s life safety being threatened， a remote monitoring and real?time alarm system is designed. In the collaborative environment， different levels of relations are analyzed and the overall structure is devised， which provides correct decision support for the system alarm. The LCD liquid crystal display interface circuit designed by TQ2440 development board has two interfaces of 25?pin with dimensions of 2.0 mm and 20?pin with dimensions of 0.5 mm， which can be connected to various monochrome and color LCD screens. The chip TLP521?3 is used as the main chip of the information collector， which can connect the information channel by the button to provide data for the monitoring device. The monitoring device SIM900A is adopted to send monitoring instructions by UART port， and the sensitive gravity accelerometer is used to solve topographic information， obtain the maximum value of collapse risk， and complete the system design according to the implementation process of risk monitoring alarm. The experimental comparison results indicate that the error between the risk alarm prediction of this system and the actual alarm is kept in the range of -0.01～0.03， and this system has precise monitoring and good alarm effect， which provides guarantee for people′s life safety in coal mine area.

Keywords： coal mine ecology; collapse risk; remote monitoring; real?time alarm; collaborative environment; real?time database

0 ?引 ?言

在煤礦區(qū)生態(tài)開采過(guò)程中，如果工作人員有操作不當(dāng)行為，那么煤礦開采區(qū)域的巖體原有應(yīng)力就會(huì)受到破壞，導(dǎo)致應(yīng)力不平衡[1]。雖然應(yīng)力經(jīng)過(guò)重新組合后具有了新的平衡，但是在整個(gè)組合過(guò)程中地表出現(xiàn)了變形，經(jīng)過(guò)非連續(xù)性的破壞，煤礦生態(tài)開采區(qū)域出現(xiàn)了塌陷。煤礦塌陷具有五種形式，分別是非積水干旱塌陷、沼澤塌陷、季節(jié)性給水煤礦塌陷、常年性淺積水塌陷以及常年深給水塌陷[2]。煤礦塌陷現(xiàn)象不僅會(huì)對(duì)地區(qū)土壤造成不利影響，也會(huì)加劇當(dāng)?shù)馗珊祮?wèn)題，水資源受到破壞，加重生態(tài)環(huán)境惡化。為了保障煤礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)塌陷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與報(bào)警成為擺在各級(jí)政府面前的主要難題[3]。傳統(tǒng)系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用的都是定點(diǎn)式有線監(jiān)控，受限于傳輸線路影響，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)效率較低，實(shí)用性較差，為此，以硬件 Raspberry Pi為應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，依托motion應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)。利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)引擎，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)斷點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)充，保證數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)完整性，進(jìn)而提高監(jiān)測(cè)效率，為系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)警提供數(shù)據(jù)支持。

1 ?系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在協(xié)同環(huán)境下研發(fā)系統(tǒng)能夠提升資源利用效率，打破傳統(tǒng)系統(tǒng)封閉的信息孤島，實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、自動(dòng)歸檔，保障信息資源的遠(yuǎn)程通信[4]。依托該環(huán)境，分析表1所示的層次關(guān)系。

通過(guò)基礎(chǔ)層可支持系統(tǒng)正常運(yùn)行，該過(guò)程需在協(xié)同環(huán)境下進(jìn)行，資源層所存在的數(shù)據(jù)資源為資源服務(wù)中心提供數(shù)據(jù)支撐[5]。表現(xiàn)層負(fù)責(zé)為前臺(tái)界面提供窗口，使集成到門戶中統(tǒng)一展現(xiàn)，按照國(guó)家相關(guān)安全等級(jí)，建立安全體系，保證數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用程序和用戶訪問(wèn)安全[6]。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

由圖1可知：煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)整合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理與分析等功能，依據(jù)這些信息可為系統(tǒng)報(bào)警提供正確決策支持[7]。

2 ?硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)主要通過(guò)嵌入式終端進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)信息采集，并監(jiān)測(cè)采集到的數(shù)據(jù)是否需要報(bào)警提示。當(dāng)目標(biāo)需要報(bào)警提示時(shí)，通過(guò)與終端連接的設(shè)備進(jìn)行報(bào)警信息播放，同時(shí)用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控[8?10]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

硬件平臺(tái)采用某公司生產(chǎn)的開發(fā)板來(lái)實(shí)現(xiàn)，選擇型號(hào)為S3C2440，核心板主頻為400 MHz，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器運(yùn)行系統(tǒng)功能，通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)攝像頭與無(wú)線網(wǎng)卡的連接[11]。

2.1 ?LCD液晶顯示接口電路

采用TQ2440開發(fā)板設(shè)計(jì)的LCD液晶顯示接口電路如圖3所示。

由圖3可知，液晶屏具有兩種接口方式，分別是25針2.0 mm和20針0.5 mm，該接口設(shè)置能夠接各種單色和彩色液晶屏，為監(jiān)測(cè)和報(bào)警結(jié)果提供顯示界面[12]。

2.2 ?風(fēng)險(xiǎn)信息采集器

風(fēng)險(xiǎn)信息采集器主要安裝在智能終端，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)之中，由于煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程信息采集需要的數(shù)據(jù)是真實(shí)的，因此，需要準(zhǔn)確判斷監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，并實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)離不開風(fēng)險(xiǎn)信息采集電路，如圖4所示。

由圖4可知，采用TLP521?3型號(hào)芯片作為信息采集器的主要芯片，可將按鈕BUTTON1連接到信息通道1之中，按鈕BUTTON2，BUTTON3，BUTTON4分別連接到信息通道2，3，4上，為系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)[13]。

2.3 ?監(jiān)測(cè)裝置

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)裝置成為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要裝置，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r(shí)性，充分利用網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域廣的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)如圖5所示的監(jiān)測(cè)裝置。

由圖5可知，采用SIM900A型號(hào)的監(jiān)測(cè)裝置模塊具有雙頻功能，在該模塊內(nèi)部集成了TCP協(xié)議棧，通過(guò)Raspberry Pi的UART端口發(fā)送監(jiān)測(cè)指令，將接收到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包形式進(jìn)行傳送。

采用某公司生產(chǎn)的開發(fā)板設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)，核心板主頻為400 MHz，使用TQ2440的開發(fā)板設(shè)計(jì)的LCD液晶顯示接口電路，為監(jiān)測(cè)和報(bào)警結(jié)果提供顯示界面。安裝在智能終端的風(fēng)險(xiǎn)信息采集器可通過(guò)TLP521?3型號(hào)芯片的信息采集器采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)判斷提供依據(jù)。采用SIM900A型號(hào)的監(jiān)測(cè)裝置可通過(guò)UART端口發(fā)送監(jiān)測(cè)指令，經(jīng)過(guò)軟件功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警。

3 ?軟件功能

由于所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)是在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新與處理的，這要求軟件必須具有較強(qiáng)的時(shí)限功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)為底層支持，使整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)能夠分為兩個(gè)部分，分別是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)存儲(chǔ)一定數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)用數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

采用命令“sudo apt?get install motion”安裝監(jiān)測(cè)和報(bào)警軟件，使用文本編輯工具打開文件，并對(duì)配置文件進(jìn)行適當(dāng)修改。當(dāng)監(jiān)測(cè)器發(fā)現(xiàn)視頻中的某個(gè)區(qū)域變化超過(guò)閾值時(shí)，就會(huì)捕捉該畫面，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)放大處理，并改變動(dòng)作捕捉敏感度。

具體軟件工作流程如下所示：

1） 創(chuàng)建管理線程。

2） 探測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

3） 查看是否探測(cè)到視頻設(shè)備，如果否，則需返回到步驟2）;如果是，則需進(jìn)行步驟4）。

4） 讀取并設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)備的一些參數(shù)。

5） 創(chuàng)建信息采集線程。

6） 打開Socket并等待客戶端連接。

7） 查看連接是否成功，如果失敗，則返回到步驟6）;如果成功，則需創(chuàng)建線程服務(wù)，并向客戶端傳輸數(shù)據(jù)。

當(dāng)開啟監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，設(shè)備會(huì)以一定幀速拍攝監(jiān)控內(nèi)容，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的內(nèi)容中含有固定大小像素變化時(shí)，則可說(shuō)明在該范圍內(nèi)有坍塌風(fēng)險(xiǎn)，將觸發(fā)一個(gè)事件。記錄事件發(fā)生的時(shí)間，并存儲(chǔ)到/home/pi/motion/tmp/videotime實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)之中。一旦發(fā)現(xiàn)有坍塌風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，在連續(xù)5 s內(nèi)監(jiān)測(cè)到的畫面像素變化值都小于設(shè)定的閾值，那么將觸發(fā)第二個(gè)事件，通過(guò)該事件能夠找到相關(guān)文件信息，方便系統(tǒng)報(bào)警方案的實(shí)施。

使用加速度計(jì)敏感重力加速度求解地勢(shì)信息，基本原理如圖6所示。

由圖6可知，[g]表示地球表面垂直方向重力加速度;[α]表示敏感地勢(shì)方向的加速度與重力加速度夾角，由此計(jì)算地勢(shì)信息關(guān)系為：

[S=-g?cos α]

式中，夾角[α]越大，加速度計(jì)探測(cè)值就越小，監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)傾斜，則說(shuō)明煤礦區(qū)生態(tài)有較大塌陷風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)上述內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

依據(jù)圖7所示流程對(duì)程序進(jìn)行初始化處理，使每個(gè)程序都具有讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)預(yù)警。

4 ?實(shí) ?驗(yàn)

采用數(shù)字信號(hào)處理器的監(jiān)控視頻處理芯片對(duì)視頻進(jìn)行壓縮處理，以此作為實(shí)驗(yàn)分析的樣本，對(duì)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 ?實(shí)驗(yàn)參數(shù)與環(huán)境設(shè)置

布置網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都是靜態(tài)的，因此對(duì)于節(jié)點(diǎn)能量獲取是有限的。如果出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量消耗殆盡的情況，那么傳感節(jié)點(diǎn)將不再采集數(shù)據(jù)。因此，固定傳感節(jié)點(diǎn)，保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一ID屬性，方便實(shí)驗(yàn)后續(xù)觀察。在該實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表2所示。

使用較大的CPU內(nèi)存能夠保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的大量存儲(chǔ)，為實(shí)驗(yàn)分析提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

4.2 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

受到信號(hào)干擾，監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中就會(huì)受到影響，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)一定偏差，在協(xié)同環(huán)境下，收集10 min的全部信息，如表3所示。

根據(jù)表3收集的全部數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開分析。

4.3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

傳統(tǒng)系統(tǒng)是有線連接，而基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是無(wú)線連接，不會(huì)受到傳輸距離的影響，具有良好的監(jiān)測(cè)和報(bào)警效果，而傳統(tǒng)系統(tǒng)缺少調(diào)控一體化報(bào)警功能，導(dǎo)致報(bào)警效果較差，為了驗(yàn)證該點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，將時(shí)間控制在80 s內(nèi)對(duì)5個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，需要報(bào)警的位置點(diǎn)分別為1，2，3，4;與此相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間為20 s，60 s。

根據(jù)上述內(nèi)容，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)其中3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，并分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與實(shí)際值偏差較大，而基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)與實(shí)際值曲線大致吻合，即使出現(xiàn)誤差，但誤差保持在-0.01～0.03范圍內(nèi)，說(shuō)明該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警效果較好，也由此驗(yàn)證了基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有合理性。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

根據(jù)煤礦區(qū)生態(tài)塌陷環(huán)境的概述，明確系統(tǒng)監(jiān)控要求，針對(duì)具體監(jiān)控位置，設(shè)計(jì)了詳細(xì)解決實(shí)施方案，形成了整體系統(tǒng)報(bào)警工作原理。采用數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)完整和正確性，支持?jǐn)U展應(yīng)用，保證管理層快速、準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)，提高報(bào)警科學(xué)性。該系統(tǒng)的監(jiān)控方式與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，增強(qiáng)了監(jiān)控的自由性，減小了對(duì)客戶端程序的依賴，實(shí)現(xiàn)了多客戶端同時(shí)訪問(wèn)。

圖8 ?兩種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警情況對(duì)比分析

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作者簡(jiǎn)介：吳偉力（1979—），男，山東青島人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)榻y(tǒng)計(jì)學(xué)。