基于物聯網的尾礦安全監測系統研究

張元順

（中國有色金屬建設股份有限公司，北京100029）

尾礦庫是金屬或非金屬礦山用于堆積礦石選別后排出的尾礦或其他工業廢渣的場所，是礦山選礦廠生產中不可缺少的設施，可防止礦業生產中的尾礦因任意排放而危害自然生態環境。然而作為一個具有高勢能的人造泥石流危險源，尾礦庫存在潰壩危險，且一旦失事，容易造成重特大事故。

物聯網技術可以通過各種信息傳感器和射頻識別技術，實時采集礦山生產過程中可能造成安全隱患的信息，通過網絡的接入實現礦山安全監測的智能化感知、識別和管理，為解決尾礦庫安全提供了全新的途徑[1-5]。本文研究的尾礦安全監測系統即是采用物聯網解決方案，以云服務、智能傳感器及傳感終端為基礎，實現對尾礦庫的微振監測、溫度濕度監測的物聯網化[6]，并通過云平臺在線診斷與分析、結合實時的氣象預報，對尾礦庫的安全狀態進行分析及預測報警。該系統從系統結構上主要分為基于傳感器的信息采集系統和基于微服務架構設計系統。

1 基于傳感器的信息采集系統

本文研究設計的尾礦安全監測信息采集系統可實現多種環境參數實時監測，并通過采集裝置實時采集尾礦庫的庫水位、滲流量、壩體穩定性及當地降雨量的信息。

1.1 水位監測

尾礦庫內通常存積著大量的尾礦漿沉淀水，通過對庫內水位高低的監測可有效防范洪水的發生。本系統采用超聲波液位計測量液位計距離水面的高度，并以此計算庫水位的高度，然后通過自動化集錄系統將測量數據上傳到云平臺。當水位高度或者水位漲幅超過預警值時，將對尾礦庫監管人員發出預警信號。

1.2 視頻監測

為了實時掌控尾礦庫庫區的情況和運行狀況，在尾礦庫重要位置安裝網絡攝像頭，實時傳輸給云平臺，由云平臺進行數據計算分析與評價預報。當出現不安全因素時，系統發出預警信號，由監管人員采取相應措施。

1.3 壩體穩定性監測

當尾礦庫要發生潰堤時，其最直觀的表現為壩體出現位移和變形現象，因此及時收集尾礦庫壩體位移和變形信息是壩體穩定性監測的關鍵。

使用高精度GPS對尾礦庫的表面位移實施監測：各GPS監測點與參考點接收機實時接收GPS信號，通過數據通信網絡實時發送到控制中心，通過服務器GPS解算軟件解算出各監測點三維坐標，并與初始坐標進行對比，從而獲得該監測點位移變化量。同時，分析軟件根據事先設定的閾值判斷是否進行報警。對壩體深部位變形監測，則采用固定式測斜傳感器，通過在邊坡打孔將傳感器安裝到指定位置，測量角度的變化換算出位移變化量，并將變化數據錄入自動化集錄系統上傳到云平臺。當壩體形變數據超過預警值時發出預警信號。

1.4 降雨量監測

使用雨量筒監測汛期降水情況，通過雨量計內的數據采集器對雨量數據進行處理、存儲，并由通信接口將雨量數據輸出給云平臺，其具體功能如下:1）數據采集。主要采集監測點水位、降雨量等水文數據。2）報警功能。當水位、降雨量等數據超過報警上限時，監測點主動向中心報警。3）查詢功能。通過監測系統軟件可以查詢各種歷史記錄。4）存儲功能。前端監測設備具備大容量數據存數功能，監測中心數據庫可以記錄所有歷史數據。5）遠程召測。通過平臺召測站點實時數據，方便相關部門及時把控監測站點狀況。6）傳輸方式?？赏ㄟ^包括2G、3G、4G、NBloT、LoRa、北斗、有線等多種方式進行數據傳輸。降雨量檢測拓撲圖見圖1。

圖1 降雨量檢測拓撲圖

1.5 浸潤線監測

浸潤線監測是在尾礦庫大壩上選擇橫剖面，在壩體上進行梯度鉆孔，或利用浸潤線觀測孔（測壓孔），在孔內安裝孔隙水壓力計（滲壓計），從而監測大壩該剖面浸潤線。在埋設滲壓計時，需要結合尾礦庫壩體實際大小、壩體類型、所處地區等因素沿著壩體設置若干個浸潤線監測點，每隔一定時間采集數據，并上傳到云平臺。浸潤線監測剖面如圖2所示。

圖2 浸潤線監測剖面

1.6 干灘監測

干灘監測內容包括灘頂高程、干灘長度、干灘坡度。灘頂標高指沉積灘面與堆積壩外坡的交線,為沉積灘的最高點；干灘長度指由灘頂至庫內水邊長的水平距離；設計最高洪水位時的灘長稱作最小灘長。目前，采用固定坡比法、無接觸影像法、標識識別法等技術進行干灘監測，能有效對干灘長度進行監測。

安全干灘長度如圖3所示。設現狀庫水位為Hs，通過設計沉積灘長[Lg]確定a點，測得a點標高Ha。當Ht=Ha-Hs≥[ht]時，即認為安全灘長（Ht）滿足安全要求；否則，不滿足。本文選擇采用威海晶合紅外熱像技術、多目視覺技術、攝影測量技術等進行全自動非接觸式監測。在壩體合適位置安裝雙目視覺儀，通過對最初壩體和干灘像素特性的預設置，定期獲取視頻圖像，并通過軟件內包含的雙目視覺技術、攝影測量技術自動解算像素，同時結合紅外熱像技術得到灘頂高程和干灘長度，進而計算出干灘坡度。

圖3 安全干灘長度示意

2 基于微服務架構設計系統

微服務架構設計是近年來出現的一種新的軟件架構設計模式，它是將一些復雜的、大型的應用系統，根據業務功能劃分原則，拆分成多個功能單一與獨立的應用系統，由此實現復雜系統組件化、服務化分離。微服務架構的一個重要特點是根據組件化、服務化原則劃分的微應用系統之間，通過與平臺無關的通信協議，實現彼此之間的通信與調用配合，從而實現整體復雜功能[7]。

Spring Cloud是一套基于Spring Boot進行分布式系統開發設計的微服務架構框架系統，它具有完善的服務發現注冊、配置中心、消息總線、負載均衡、斷路器、數據監控等機制，這些功能都可以用Spring Boot做到一鍵啟動和部署。本項目設計即基于Spring Cloud微服務框架進行設計，實現了尾礦安全監測物聯網系統中數據采集、數據存儲、數據告警、數據統計、數據展示等各方面微服務應用，其結構框架如圖4所示。

圖4 尾礦監測微服務架構設計

2.1 數據采集微服務

數據采集微服務系統是指本項目采用的各種PLC、RTU、視頻監控及其他專用設備將監測實時數據、設備運行狀態數據、視頻監控數據等各種數據接入尾礦監控平臺系統中。其中，維保運行狀況PLC數據采集采用Kep Sever作為OPC服務器與各種型號PLC設備相連，微服務采用OPC UA方式讀取Kep Sever應用開發接口采集數據。RTU則是主要通過4G、NBLoT方式進行數據傳輸，在服務端采用Netty NIO多線程技術與異步傳輸模式，負責監測傳感器數據的采集、協議解析、數據校驗、數據上報等功能，并提供Restful服務接口供其他微服務調用。

此外，由于國內各地的尾礦庫呈現出數量多、規模小、筑壩環境復雜的特點，許多尾礦庫建設觀測點不易于架設光纖和無線點對點回傳，因此，本文所述的尾礦庫數據傳輸采用多種通信方式結合回傳：1）在傳輸數據量較大的監測點采用尾礦庫間鋪設光纖進行數據傳輸。2）在傳輸視頻監控圖像時，由于對實時畫面質量的要求較高、視頻監控點分布比較分散、變動位置的情況較多，但視頻點的安裝位置又大多較為開闊，因此采用點對點無線回傳信息。3）在傳輸數據量不大且通信效果較好時，通過互聯網互傳。另外，增加1個4G/GSM，將數據轉換為4G/GSM信號進入移動通信網，再接入互聯網上傳至云服務平臺。

綜上，數據采集微服務是在獲取到各個監測點傳輸的數據時，及時判斷是否產生數據超閾值告警和設備運行告警。用戶可以使用智能手機、平板電腦和PC機等客戶端實時對尾礦庫的安全進行查看，有效地提高了工作效率。具體流程圖5所示。

圖5 數據采集微服務數據告警處理流程

2.2 數據存儲微服務

數據存儲微服務主要解決時序數據存儲、視頻文件存儲、業務數據存儲等。由于存儲數據類型、結構差異較大，本項目針對不同結構數據分別采用了不同技術進行存儲。

單個監測點每個傳感器每分鐘產生1條數據，對于大規模應用的尾礦實時監測項目而言，每天會產生上千萬條數據。這種數據量如果采用普通的關系型應用數據庫（Oracle、MS SQL）處理會產生大量的維護成本。針對此問題，本項目應用基于時間序列的非結構化數據庫Open STDB進行存儲。Open STDB是基于HBase的分布式、可伸縮的時間序列數據庫，可以完整地收集和存儲上億數據點并支持秒級數據監控，其主要應用于大規模監測實時數據存儲與查詢，支持秒級數據序列存儲。Open STDB提供并行數據采集TCollector組件，其主要功能是運行所有的采集者并收集數據，完成所有發送數據到TSD的連接管理任務，并提供簡單高效的開發接口，包括Java、Python、C等。在Tcollector下，可以使用任何語言編寫采集者，只需要采集者有可執行權限，并把數據以標準輸出即可。采集者位于采集器目錄下，Tcollector會遍歷每個數字目錄并執行這些目錄下的采集者。

視頻圖像存儲采用文件存儲模式，根據視頻產生的位置、時間進行路徑命名，存儲時間長度按10 min進行分割。這樣避免了文件過大帶來的讀取過慢與寫入爆倉災難，用戶可以根據攝像頭編號、視頻采集時間等快速讀取。維保服務數據存儲采用一般關系型數據庫，本項目采用的是免費的MySQL數據庫。

2.3 平臺應用微服務

平臺應用微服務主要為用戶的數據查詢、告警處理、設備維保等需求提供服務平臺：1）監測點狀態監測提供監測點選擇、監測點實時數據、監測點歷史數據、監測點設備運行狀態等多種方式查詢；2）尾礦告警管理針對各種級別的數據超過閾值、設備運行故障、人員闖入等提供告警界面管理；3）維保服務管理為用戶提供維保人員、維保時間、維保內容等方面記錄。本項目尾礦監測點數據運行維護系統截圖如圖6所示。

圖6 尾礦監測點數據運行維護系統截圖

2.4 數據展示微服務

數據展示微服務提供了一個云端的數據展示服務，可對數據進行顯示、存儲、分析、報警、分享至客戶端等。用戶可通過個人終端如手機、平板電腦、PC機等實時查看各個監測點的情況，并通過數據變化的曲線圖、柱狀圖等對數據進行基本分析；當監測點的設備上傳的數值超過一定的閾值或設備掉線時，可通過短信或郵件的方式實時提醒管理人員，讓管理人員在最短的時間內獲取尾礦庫的安全情況。本項目尾礦監測大數據面板展示系統截圖如圖7所示。

圖7 大數據面板展示尾礦系統截圖

3 結語

傳統的尾礦庫安全監測系統通常采用數據采集基站和服務器對數據進行接收和處理，但是對于國內大部分中小型尾礦庫來說，這種模式存在維護成本高、建設投入大的問題。物聯網技術結合云計算方式能將尾礦庫的檢測數據傳輸到云服務器，通過物聯網大數據平臺對數據進行存儲并分析。用戶可使用手機、平板電腦、PC機等個人終端進行訪問獲取云服務器的信息。將該系統投入尾礦安全監測的實際使用中不僅可有效降低尾礦庫監測的建設投入，還可以很好地提高尾礦庫監測的工作效率，大大提高尾礦庫的安全性和穩定性。