基于物聯網的礦山水工環地質災害風險預警系統應用

李 鵬，王 鵬

（新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局第一區域地質調查大隊，新疆 烏魯木齊 830000）

礦山生產建設過程當中面臨的地質環境非常復雜，造成水工環地質災害頻繁發生，危害性不斷加大，如何有效防治礦山水工環地質災害，受到了礦山企業及各級政府的高度重視。以信息化、智能化現代技術為應用先導，構建科學預測、有效防控和高效應急重大地質災害保障體系，確保早期發現礦山水工環地質災害，增強防范能力具有十分重要的現實意義。但是礦山水工環地質災害，具有隱蔽性，突發性和破壞性強的特點，極大的增加了防范難度。而且在監測預警礦山水工環地質災害過程當中，不能及時收集相關信息，信息覆蓋面還存在很大不足，一些復雜性、隱蔽性礦山水工環地質災害尚不能監測到位。面對這種現狀，如何實現礦山水工環地質災害監測自動化、網絡化、智能化發展成為當前亟待解決的重要問題。基于此，本文通過物聯網技術與現代通信技術、數據處理技術綜合應用，構建出一套礦山水工環地質災害監測預警體系，在監測預警礦山水工環地質災害方面取得了巨大成績，使監測預警的及時性、全面性、準確性得到大幅提升，為防治礦山水工環地質災害奠定了堅實的基礎。

地質災害動態監測預警技術涉及通訊、傳感器、采集和分析數據等物聯網和計算機學科。該系統的組成主要包括數據采集、傳輸、處理、預警預測、專家決策、信息發布與管理等各種子系統。利用該系統對崩塌、滑坡、泥石流等各種災害體進行監測，了解與掌握這些災害體在時空域產生的變形情況了解與掌握其誘發因素，動態掌握災害體是否穩定及其變化趨勢。在對災害體變化異常進行分析過程當中系統利用遠程語音、手機短信以及LED聲光警示等各種方法，并可借助氣象信息發布通道，指導相關人員針對地質災害采取科學有效的預防與規避措施，控制和減少地質災害造成的不良影響[1]。

1 地質災害監測預警中物聯網技術應用分析

1.1 物聯網的概念

提出物聯網這一概念主要是為了保證實體間能夠更好的進行溝通，實現信息傳遞。其定義較為簡單，就是利用傳感器、電子標簽、激光掃描以及通訊分組無線服務技術 (GP R S) 連接互聯網，實現信息通訊與交換，達到查看、瀏覽以及定位處理等各種功能技術手段。

1.2 礦山水工環地質災害的主要類型及其影響

崩塌、滑坡、泥石流、地面裂隙、沉降、塌陷等都是礦山水工環地質災害的重要類型，不僅有著十分廣泛的分布，而且還有著頻繁的活動特點，具有較大的危害性。降雨和地震是導致這種災害發生的重要誘發因素。尤其是崩塌、滑坡、泥石流災害不斷發生頻繁而且造成的破壞性非常大。

1.3 礦山水工環地質災害監測預警方面，物聯網技術應用現狀及其發展前景

監測預警地質災害是一項長期性的工程，非常艱巨，極大地增加了監測預警難度，而在監測預警過程當中，應用物聯網技術手段，使得傳統監測手段存在的不足得到有效彌補，還使得礦山水工環地質災害監測效率和質量得到有效保障，指導相關人員采取有效措施防治礦山水工環地質災害。所以在礦山水工環地質災害監測過程當中，構建以物聯網技術為核心的監測平臺，可以實時動態的監測礦山水工環地質災害情況，了解和掌握這些災害發生頻率，在有突發性災害出現時，基于物聯網技術平臺，便可對災害做出及時有效的監測與預警，在此基礎上分析決策，及時的發布信息，控制和減少災害帶來的損失。近年來，各礦山企業越來越重視物聯網技術的發展和應用，并在礦山水工環地質災害監測預警以及防災減災方面發揮了巨大的作用。

1.4 礦山水工環地質災害監測預警過程當中物聯網技術系統具有的特點與優勢

礦山水工環地質災害不僅發生頻率高，而且還有著較大的破壞性，傳統的監測預警手段存在的弊端不斷凸顯，特別是數據監測準確性及待提升，而且還需要大量的人力投入，難以動態實時監測等。而在礦山水工環地質災害監測過程當中，與物聯網技術構建的動態監測平臺，將GP R S 技術、傳感技術、射頻識別技術、ZigBee 技術以及智能識別技術等綜合應用，來標記各種災害體，同時將所標記的災害體有關信息進行采集以及傳輸，為有關部門提供參考，分析處理物聯網技術平臺獲取到各類災害的信息，以便更加有效地開展礦山水工環地質災害防災減災工作?；谖锫摼W礦山水工環地質災害監測預警系統具有的優勢主要體現在以下幾點：

（1）可以實時動態遠程監控，不必投入大量的人力資源。

（2）能夠精準全面的采集、傳輸、接收所監測到的信息數據，具有很高的定位精度[2-5]。

（3）非常靈敏的災害預警，快速反饋信息，以便有效采取措施應對災害。

2 基于物聯網的礦山水工環地質災害動態監測系統設計

采用物聯網技術體系三層架構涉及礦山水工環地質災害動態監測技術體系(圖1)，分別為感知層、網絡層以及應用層。感知層是利用現代化的監測設備來采集上報相關數據; 網絡層是借助通訊網絡來傳輸相關數據;應用層負責對傳輸數據的接收，并分析應用這些數據，及時發布信息。

圖1 基于物聯網的地質災害動態監測體系結構

2.1 系統設計

該系統實現了信息采集、集成、處理以及發布一體化，主要由采集、傳輸、處理、預警預測、專家決策、信息發布系統管理等各個子系統共同組成?；诂F代通信技術、物聯網技術，促進各個子系統彼此有效協同，實時、高效、動態的監測礦山地質災害，極大地保證了礦山水工環地質災害監測效率和質量。

2.1.1 數據采集系統

該系統將物聯網技術設備充分利用，發揮相應監測設備與群測群防設備，動態實時監測礦山水工環地質災害，收集全面的信息資料，支持物聯網礦山水工環地質災害風險預警系統高效應用。

2.1.2 數據傳輸系統

系統將當前應急衛星資源充分利用，在公共網絡資源支持下，可以迅速地將野外監測點獲取信息傳輸至中心平臺，不僅效率高，而且信息非常安全。在監測地質災害應用的前端專用傳感器以及相應儀表設備，可以借助ZigBee 自組網互聯上傳傳感信息，這些信息通過物聯網網關設備采集之后，并基于4G、5G、北斗、WLAN等相關通訊接口向中心平臺傳輸進行控制。

2.1.3 數據處理系統

系統能夠融合分析處理采集到的動態實時傳感數據，將LOAP 聯機分析技術以及數據挖掘技術充分利用，能夠更加智能化的分析獲取的監測數據，實現報表。

2.1.4 預測預警系統

地質災害體具體情況可以借助預測預警系統達到遠程動態監控效果，如在監測滑坡起是否存在裂縫位移，有無深層變形和相應變形速率方面都發揮著非常重要的作用，還能實時監測含金量出現的改變。災害體可以利用預測預警模型，對其三維位移量進行計算，并對其變形速率進行預測模擬，在此基礎上獲取相應圖形，全面綜合評價地質災害有關數據，來全面預測預警地質災害。

2.1.5 專家決策系統

系統與地理信息數據庫充分結合，通過獲取的地質環境數據、地質構造以及災害數據，并利用GIS 來評估決策地質災害，構建數據庫，建立相應模型，在分析評價基礎上，對礦山水工環地質災害進行更深層次的研究，并做出處置決策。

2.1.6 信息發布系統

將現代化的網絡通信技術充分利用，可以及時發布遠程信息，達到信息共享的效果。將各種信息發布形式科學應用，并借助郵件、網頁或者短信形式發布相關信息，還可和氣象部門充分結合實現信息聯動發布，讓民眾對礦山水工環地質災害預警信息充分了解和掌握。

2.2 實現關鍵技術

2.2.1 多傳感器數據融合技術

基于多傳感器數據融合技術，將各類傳感器充分融合起來，可以針對物理事件及其態勢開展相應的分析與推斷，并判別處理以及綜合分析多類多元以及多平臺傳感器相關數據，相比較其他數據處理技術，該項技術不僅準確、可靠，而且效率高，可以全面連續性的綜合分析環境態勢。

2.2.2 SOA技術架構

在礦山水工環地質災害監測過程當中，涉及的數據資源整合非常的多，而借助面向服務(SOA)架構，借助服務注冊管理以及服務路由有效接入業務與服務系統，分離業務和數據，便于更加靈活的定制整合業務流程。

2.2.3 基于 BI專業監測數據分析技術

在該技術層面，可以更加全面的獲取和分析多源數據，并在展示過程當中利用表格、圖形等形式體現出來，實現聯機分析、智能、報表以及廣播等各種服務。數據連接分析以及自定義查詢，和數據挖掘分析、預警分發功能都可以基于BI 服務平臺來實現。

2.2.4 基于多復雜要素的突發事件過程數值仿真模擬技術

對各種突發事件內部相應因素數據參數和外部參數進行模擬計算，對突發事件發生發展情況充分了解和掌握，及時發現其中一些難以觀測到的現象，對突發事件做出有效的處置決策，再現其過程。

2.2.5 智能化識別

在地質災害視頻監測過程當中利用該技術，依照視頻內容具有的分析作用，借助各個攝像機在場景當中對不同報警規則的預設，如果有和場景內必定規則不相符的情況出現，系統會及時做出報警，來更加智能化的對地質災害做出聯動報警[6]。

2.3 運行設計

系統基于Intemet 環境，結合B/S 與 C/S 模式，將WindowsServer 2008作為系統服務器端操作系統，Java2EE與Java 語言編程是主要的技術。選Oraclelog作為數據庫系統。

3 結論

文中結合實踐對礦山水工環地質監測預警工作當中物聯網技術應用進行分析探討，將各類物聯網監測信息充分的融合在一起，可以更加精準全面地對礦山水，工環，地質災害展開預警預測，提高決策準確性，還可以利用各種渠道進行發布。并基于七大子系統基礎上，更加全面的對礦山水工環地質災害信息進行采集、傳輸、處理和發布。將礦山水工環地質災害動態監測預警工作當中。物聯網技術具有的作用優勢充分發揮出來，保證監測預警信息更加全面及時，指導礦山水工環地質災害防治工作高效開展，控制和減少此類災害造成的不利影響，為礦山企業持續穩步發展奠定堅實的基礎。