巖體失穩災害人機環系統監測與災害防控
——智能安全人機工程學及教學實踐

董隴軍教授 鄧思佳 閆藝豪

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

隨著社會和城市建設的飛速發展，人類原有生存生活空間以及開發利用的資源已經無法滿足人們的需求，因此，人類的生產生活范圍在不斷的延伸、擴展與加深。比如，礦產資源開發由露天開采、淺部礦體開采逐漸轉為地下深部開采，公路建設由常規城市公路向復雜施工條件和結構的橋梁、公路及隧道公路等發展。在發展過程中，伴隨著較大的工程風險，催生諸多安全問題，如巖體失穩災害就是嚴重威脅工程建設和生命財產安全的重大隱患之一。巖體內部積蓄了大量能量，且具有動態變化特征，工程開挖帶來擾動與卸載，使得巖體內部出現應力集中，導致能量釋放，在這種情況下，極易發生巖體失穩災害。由2013-2017年的礦山統計數據不難看出(如圖1)，巖體失穩災害頻發，其造成的人員傷亡和財產損失巨大。鑒于此，巖體失穩災害的實時監測與有效防控對安全生產具有重要意義。

圖1 2013-2017年礦山事故統計[4]

目前，對巖體失穩的分析主要利用位移、應力、聲發射監測、微震監測等。位移監測即利用位移計、位移測量儀、全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)、表面位移監測儀等設備，或應用鉆孔探測法對巖體的表面位移和內部位移進行監測。應力監測技術是將應力計、測力計等儀器埋設在巖體內部，測量巖體內部的受力情況。位移和應力監測技術都是靜態監測技術，即無法全區域開展數據采集，且獲取的數據受儀器本身精度影響較大。聲發射監測和微震監測是利用聲發射傳感器和微震傳感器對結構表面和內部情況進行監測，是動態監測技術，可以在一定范圍內探測到結構中因裂紋擴展、變形等原因引起能量釋放而產生的彈性波信號。通過將彈性波轉化為電信號，利用數據處理和分析技術推斷出產生源信號的機制，再利用定位方法判斷結構內部存在的潛在失穩區域(聲源/震源區域)。由此可見，位移、應力、聲發射和微震監測技術是巖體失穩災害監測的重要手段，但想要找準巖體內部的損傷位置，確定潛在失穩區域，需要采用聲發射和微震技術監測巖體，再對聲發射源、微震源進行定位，實現對巖體失穩災害及時有效的、有針對性的監測和防控。

對于巖體所處的人機環系統來說，對環境的監測相對較多，而對于系統中人和機械的監測相對較少，這也導致人機環系統在災害的監測與防控方面不全面，系統無法有機統一，尚未完全、高效地發揮出系統的功能。因此，巖體失穩災害的人機環系統監測不僅可以有效、實時掌握巖體內部情況，更有利于巖體人機環系統功能的發揮，在監測的基礎之上，對危險源進行精細定位，確定巖體的潛在失穩區域，并從人機環系統角度全面、有針對性地采取防控措施，可大幅度提升巖體失穩災害防控能力和水平。

1 巖體失穩人機環系統監測數據獲取

人機環監測數據是巖體失穩災害監測的關鍵內容，其對了解巖體周邊所有情況提供了重要支撐，是開展巖體失穩災害防控的基礎。人機環系統監測主要是針對巖體人機環系統運行過程中的情況、有可能發生的故障或為研究系統的各參數特性，利用一定的儀器和技術手段對系統中的人、機械、環境相關參數或指標進行監測，把獲得的結果進行分析、處理、比較，從而對系統中各元素做出危險或者不危險判斷的活動，如圖2。通過人機環系統監測，相關負責人員把監測信息及時向管理人員報告，為研究解決人機環系統功能問題或管理決策提供依據，降低巖體失穩災害的可能性，從而不斷改進和提高巖體環境中人機環系統的協調性和安全性。

圖2 巖體失穩人機環從數據到預警示意圖

1.1 人的監測數據獲取

在巖體環境中對人的監測，主要是為獲取人的健康狀態、行為活動、語言活動、存在狀態、心理狀態、工作情況、位置信息等。對于系統中大多數人的信息獲取可采用傳感技術。傳感技術通過各類傳感器監測巖體周圍人體的各種情況，把模擬信號轉化成數字信號，再傳遞給中央處理器處理，最終將結果以定量數據或圖像等方式顯示至PC端。主要包括熱紅外人體傳感技術，即通過感知人體體溫發現人的存在、人的異常體溫和人的行為活動；人體接近傳感技術是一種用于監測人體接近的技術，可準確探知附近人物的靠近，若在危險區域使用該技術，可以對人的接近實時發出警報，提醒人不要靠近；語音識別傳感技術即通過人的語音來監測人的存在，同時可以將人的語音傳遞給另一端，保證溝通的及時性。如在資源開發的巖體系統中，可采用熱紅外人體傳感技術、呼吸頻率傳感技術來感知人健康狀態的好壞，狀態不好的就避免下井，可以減少因人的失誤而導致的巖體失穩災害，對于已經在井下的，若發現身體情況不佳，應及時救援，這種對人的監測可以提高人與人之間的交互，能夠有效避免人因失誤造成的巖體失穩災害。

1.2 機械監測數據獲取

在巖體環境中對機械的監測，主要是為獲取機械的運行狀態、溫度、工作完成情況、存在狀態、位置信息、故障信息等。對于系統中機械的監測可以采用傳感技術、特性檢測，常用的特性檢測有超聲檢測、X射線檢測、渦流檢測、聲發射檢測等。

傳感技術有接近傳感技術，即通過感知附近的“接近物”來執行機械的開關操作，防止機械與其他巖體或人的碰撞，避免災害發生。轉速傳感技術、壓力傳感技術，即對機械內部構件的轉速、機械所施加的壓力的監測，及時發現異常轉速和異常壓力，有針對性地排除隱患。溫度傳感技術可以實時監測機械的運行溫度，對于異常溫度可以實時發出警報。如在資源開發的巖體系統中，可以通過傳感系統及互聯網技術，將車輛在井下的運行情況上傳到云計算平臺，并通過處理分析獲取定位車輛位置信息，判斷其周圍環境及巖體條件，并在此基礎上，規劃車輛的下一個行動和路線，利用這樣的技術手段來實現機械的正常運行，保證安全。

超聲檢測即利用超聲波對機械的內部缺陷和性能進行精確判定，超聲波具有指向性好、穿透能力強、能量高、靈敏度高等特點。超聲監測是利用超聲波監測儀產生電振蕩并加之于超聲波探頭上，激勵探頭發射超聲波，同時將探頭送回的電信號進行放大處理后以一定方式顯示出來，從而判斷被監測的機械內部有無缺陷，并獲取缺陷的位置和大小等信息。

X射線檢測是利用X射線通過物質衰減程度與被透過部位的材質、厚度和與缺陷性質有關的特性，使膠片感光成黑度不同的圖像來實現。膠片曝光后經暗室處理，就會顯示出機械的結構圖像，根據膠片上影像的形狀及其黑度的不均勻程度，可以評定被監測機械的內部情況。

渦流檢測指當載有交變電流的檢測線圈靠近導電機械時，由于激勵線圈磁場的作用，機械試件中會產生渦流。渦流的大小、相位及流動形式受到試件導電性能的影響。渦流也會產生一個磁場，這個磁場反過來又使檢測線圈的阻抗發生變化。因此，通過測定檢測線圈阻抗的變化，可以判斷出被測試機械的性能及有無缺陷等。

聲發射可以對機械內部的損傷進行實時檢測，聲發射是機械在受到力的作用時產生的變形或破壞，會以彈性波的形式釋放出能量的現象，通過對聲發射信號的追蹤和研究實現機械內部損傷的監測與定位。

1.3 環境監測數據獲取

在巖體系統中，環境尤為重要，也是具有巨大隱患的要素，對于巖體環境的監測是實現巖體人機環系統安全的重要環節，主要包括環境溫度、氣體、損傷的監測。環境溫度主要依靠溫度傳感技術來實現，可以實時將巖體內部的溫度傳遞至管理人員處，方便管理人員做出工作決策。巖體環境中氣體的監測依靠氣敏傳感技術，通過監測一氧化碳或其他有毒有害氣體的成分和含量，并把信息傳遞給PC端，使人機環信息交互，工人就能在進入環境前得知空氣情況，采取必要措施。

巖體的損傷監測相對復雜。巖體損傷具有復雜性、動態性、被動性等特征，這些特征決定了巖體損傷監測的重要與不易。巖體損傷監測設備的精準度和靈敏度決定監測信息的準確性，也影響巖體失穩災害的有效防治。目前對于巖體損傷的監測主要是利用聲發射和微震技術。要對巖體損傷進行監測，首先需要進行現場勘察，由于大部分巖體體量龐大，往往無法覆蓋全體，在考慮成本的情況下，可以采用循環監測的方法，通過循環監測，可以了解整個巖體結構的情況，這對于災害的預防預警有重要意義；其次，需要在對巖體的關鍵部位進行監測，這些位置往往具有一定的失穩條件或前兆；另外，在對巖體進行損傷監測時，需要注意巖體本身的特殊性，應采用適應巖體環境的微震和聲發射傳感器進行損傷監測。

在獲取各種數據資源的過程中，需要深入分析處理環境監測數據，統計分析可能會對巖體環境造成影響、威脅的自然因素，如降雨、地震。由此可見，如果想要重點展現出環境監測的意義，就有必要做好監測后的數據分析管理工作，全面提升對巖體環境監測的認識，保證多部門相互交流配合，強化對巖體具體環境的監測管理。此外，環境監測技術還具有連續性，由于巖體處于自然界中，而自然界是實時變化的，因此，巖體環境的情況也會伴隨其產生相應的變化，若想精準地掌控巖體環境的變化規律，那么做好長期監測管理是極為重要的，能夠有效預測未來巖體環境的發展趨勢。

2 巖體失穩災害監測系統及精細定位技術

巖體環境的監測結果受監測設備的影響極大，設備能否適應動態的環境，是否具有高靈敏度等都是重要的影響因素。另外，利用監測結果進行災害源的精細定位是巖體失穩災害防控的重要步驟，該步驟是監測結果的直觀體現，能夠直接地反映出巖體的潛在失穩區域，使災害防控具有針對性和有效性。

2.1 巖體失穩災害監測系統

在災害監測設備研發制造方面，目前使用廣泛的幾種監測系統大部分由國外制造，如澳大利亞IMS系統、加拿大ESG系統、波蘭SOS系統等，但這些系統的成本較高。而國內自主研發的監測設備在數據獲取與處理等方面還存在一定差距。因此，針對現有微震監測設備難以捕捉小事件的缺陷、數據處理滯后的問題，筆者及其團隊自行研發了靈敏度高、頻響范圍廣、環境自適應能力強的智能感知傳感器，開發了具有我國完全自主知識產權的實時高精度多維微震監測系統，融入了建立的“P波初至的多指標加權自動拾取方法”“異常到時剔除方法”“無需預先測定波速的微震震源解析迭代協同定位方法”“微震與爆破震源實時辨識方法”等核心關鍵技術，達到了“信號智能感知”“數據動態處理”“災害精細預警”的效果，實現從微震監測數據到微震事件信息、從微震事件信息到災害預警指令的全過程實時協同監測，提升巖體災害的防控技術水平。

2.1.1 硬件設備

硬件設備主要包括加速度/速度傳感器、動態采集儀、時鐘同步、通訊設備等。

加速度傳感器通過將巖體運動加速度轉換成一個可衡量的電子信號來衡量巖體破裂、變形等微震活動，具有耐腐蝕、防沖擊的優點。通過設置微震加速度傳感器信號輸出頻率，經反復反饋優化信號輸出頻率，可調整傳感器靈敏度，并達到30V/g以上，進而提高設備感知能力；利用傳感實驗研究，搭建發射頻率可靈活調節的射頻收發電路，利用不同地質條件下聲發射事件頻率信號，智能判別得到頻率區間，以適應不同巖體環境；通過設置智能感知監測設備的檢波器個數閾值進行干擾事件的篩選處理，研發具有噪音濾波功能的高性能感知設備，增強智能感知設備對外部噪音信號的抗干擾能力。

動態采集儀適用于測點較為集中且被測物理量快速變化的環境中，主要用于監測參數的動態變化，其可接入不同類型的傳感器，兼容性好，可完成應力、應變、震動加速度、速度、位移、沖擊、溫度、壓力等多個物理量的測量，其具有通道數可修改、抗混濾波強、采集精度高、穩定性佳等優點，既可以用于室內實驗測量，也可以用于長期現場監控。

此外，研發了授時服務器可實現監測模塊之間的時間同步，時間同步信號的傳輸方式可根據監測范圍的大小及監測模塊之間的距離進行調整。

2.1.2 智能監測可視化軟件

智能監測可視化軟件借助上述傳感器實時采集到的數據，以直觀的數字或圖形的方式將監測結果展現出來，軟件內嵌入了包括文件、編輯、處理、事件等選項的菜單及三維視圖、微震事件列表、傳感器坐標、數據處理等多個模塊，通過加速度傳感器、多功能動態采集儀對震動、視應力等多個參數的采集。軟件中的數據處理模塊嵌入了微震監測數據動態處理方法，包括震源信號的自動化辨識方法和P波初至多指標加權自動拾取方法。方法中充分利用解析解的高精解優勢，以概率分析與相對距離為判據，實現了異常到時的準確剔除；借助頻譜分析和移動時窗分析法，克服刺突和尾部震蕩的影響，聯合多信息權重綜合確定首波初至，實現了復雜噪聲環境中P波初至時刻的自動拾取。另外，在可視化軟件中，可以實時查看已監測到的和剛監測到的微震事件，實現了震源自動化識別和震源拾取的功能。

該監測系統硬件及可視化界面，如圖3。

圖3 監測系統硬件及可視化界面圖

2.2 未知波速的聲源/震源三維定位方法

目前針對微震源和聲發射源的定位有很多，如Geiger定位法、雙重殘差法、時差定位法等，這些傳統定位方法的定位精度嚴重依賴于迭代算法和預先測量的波速值，且已有的解析定位方法因含有平方根而存在解不唯一的問題，尤其是預先測量波速這一問題。由于巖體是各向異性材料，不同區域的巖體波速是完全不同且動態變化的，采取確定的唯一平均波速值作為巖體的波速不妥，其準確性與定位的精細度要求不平衡。為解決這些定位難題，避免巖體失穩災害防控措施失效，筆者提出未知波速系統中聲源/震源三維解析綜合定位方法和含空區的三維定位法。

2.2.1 聲源/震源三維解析綜合定位方法

為消除異常到時和預先測定波速的影響，筆者開發了聲源/震源三維解析綜合分析定位方法。具體步驟為：

(3)通過對

F

，

F

和

F

設置一個區間(

a

,1-

a

)，選擇

a

和1-

a

作為

F

，

F

和

F

的控制值，可以計算出解集

S

，

S

和

S

。用

S

，

S

和

S

來表征與正確定位結果有偏差的異常定位結果。

(6)對異常到達進行過濾后，再采用迭代解析定位方法對

n

-1個清除后的源進行定位，獲得定位結果，見式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：

v

—聲發射源到觸發傳感器的P波平均速度值,m/s；

t

0—第一個事件的起始時間,s；

Δ—表示一個參數的擾動；

e

—表示擾動和數據誤差的高階項。通過求解，可求得準確的源坐標

x

,

y

,

z

，該解析綜合定位方法也可稱為時差法(Trigger Difference，TD)，與目前廣泛使用的預先測速的定位方法(Location Method of Pre-measured Velocity，LM-PV)相比，TD法消除了預測波速引起的定位誤差，具有精度高的顯著優勢。

2.2.2 含空區的三維定位方法

(3)

式中：

每個網格點得到相對應的

D

值。隨著

D

值的增加，

P

與未知源

P

的偏差越大。因此，最小

D

值所對應的坐標為震源坐標。該方法在計算時將彈性波的波速視為未知，以減少監測過程中波速變化引起的定位誤差，能有效地適應不規則的三維巖體結構。

上述2種定位方法均有效提高了結構內震源定位的精度，對于巖體失穩災害的危險區域確定具有重要意義。

3 基于智能安全人機工程學的巖體失穩災害防控技術

災害防控是人機環系統安全防控問題。可將智能安全人機工程的相關知識應用到巖體災害防控中。筆者認為智能安全人機工程學是指以新一代信息技術為工具，以生理學、心理學、環境學等學科知識為基礎，以滿足人們日益增長的美好生活與工作的需求為出發點，以將安全理念徹底融入到人機環系統的設計、實施、運行、維護全生命周期為側重點，以實現系統本質安全為目標，以實現“人—機—環—信”系統自適應、自訓練、自維護、自學習、自優化為最終目的一門新興交叉綜合學科。對于具體巖體災害防控的人機環問題，主要包括災害預警與控制。

安全預警是巖體災害防控的一項重要內容，一套完整的、科學的、系統的、全方位的巖體安全智能預警系統，可以充分挖掘數據特征，并從信息的動態變化中提取關鍵指標，通過預警等手段更加有效地保障巖體人機環系統安全，適應巖體失穩災害防控的需求。在巖體環境的人機環系統設計上，可融入智能安全人機工程概念，在系統的本質設計上注重自適應、自訓練、自維護，可達到本質安全的目標，從根源上實現巖體災害的有效防控。同時，在上述的巖體人機環系統的監測數據獲取與分析處理基礎之上，可通過建立巖體災害智能預警系統，實現對巖體致災因子的實時診斷和評價，進行系統自維護、自優化，并做出預警行為，達到對巖體災害有效防控的目的。在接收系統預警之后，需要及時對維護情況進行檢查，對必要潛在失穩區域進行更有力的控制，采取相應控制管理措施，降低巖體失穩災害發生可能性，減少人員的傷亡與損失。

3.1 巖體失穩災害的預警

以巖體的人機環系統監測數據結果為依據，結合巖體失穩監測系統及其各個模塊建立巖體失穩災害智能預警系統，如圖4。該系統在接收到異常的人、機械、環境數據或信息時，可以發出警報，或以亮燈形式實時提醒管理人員，管理人員可依據可視化窗口查看系統的自維護、自優化情況，并根據實際制定管理方案。

圖4 巖體失穩災害人機環預警系統

對于系統內人的預警，主要針對人的健康狀態和行為活動。人在巖體環境中，通過傳感技術能夠實時監測其相關狀態，并將狀態傳輸到另一端。人在作業過程中，若出現體溫過高、呼吸急促等問題，傳感技術能及時接收，并通過預警系統將這一信息傳遞給作業人員本人和另一端的管理人員，通過智能安全人機的人人交互與人機交互，可以實現高效、實時的人的異常狀態預警。此外，人的行為活動也可以通過傳感技術傳遞，管理人員在PC端接收到異常行為活動警報后，可以通過語音技術，對作業人員進行提醒和警告，防止人失誤造成的巖體災害。

對于系統內機械的預警，主要針對機械的異常狀態和工作情況。機械在巖體環境中，其運轉狀態是管理人員關注的重點，機械結構損傷、異常的溫度、轉速、壓力等都可能導致機械運行超出巖體的承受能力，進而出現失穩災害。預警系統可以通過傳感技術或損傷檢測等對異常信息進行預警，相關人員可以及時針對問題采取措施。此外，在智能安全人機工程系統中，還可利用系統自適應、自維護等特點對異常情況進行修復。

對于系統內環境的預警，主要針對物理環境和巖體損傷。通過傳感技術可獲取環境溫度及氣體異常信息，并由預警系統將異常情況進行警報。在進入環境前，應做好應對措施，或采取一定手段，排除異常情況后，再進入環境。對于巖體損傷，將微震或聲發射設備采集拾取到的事件數，采用監測系統的數據處理模塊計算出主動震源的實時波速，并繪制出固定時間長度的微震事件個數和波速值的變化趨勢圖，同時，對監測數據進行未知波速的震源定位，分析微震事件個數、波速值的變化趨勢以及聲源/震源的定位結果，綜合三者結果，獲得巖體失穩災害前兆信息，以此對災害進行實時預警。

3.2 巖體失穩災害的控制

對巖體失穩災害的控制是巖體失穩災害防控過程中最為重要的一環，在前期工作基礎之上，需要采取一定的控制措施，對潛在失穩區域進行約束。在災害控制上，可以采取的手段主要有巖體支護和人機環功能的協調。

巖體支護主要有錨桿支護、錨噴支護、錨索支護等方式，但這些支護方式無法反映自身和巖體的承載能力和承載情況，容易造成支護的失效，進而導致巖體失穩災害的發生，因此筆者研發了一種基于多信息感知的災害預警錨桿。災害預警錨桿上設置有多種信號傳感器以及光電預警器，可以實時反映錨桿安裝位置巖體的各種信息，并通過預警器對多種信號傳感器感知到的信息進行預警。安裝的多種傳感器包括振動傳感器、位移傳感器、壓力傳感器采集監測數據，可獲得能夠反映巖體情況的參數，通過搭建云計算平臺進行計算，再通過信號傳輸實現災害預警，對有失穩風險的巖體及時采取控制措施，這種支護方式能夠準確、快速、有效的在局部范圍內進行實時監測預警與控制。

人機環功能的協調指在不同的巖體環境中，采取不同的控制手段進行相關作業，實現人機環的協調，達到效能和安全性較高的狀態。在巖體失穩災害風險較大的環境中，或者在人體暴露面積較大的巖體環境中，人所受到的巖體失穩威脅較大，因此，在巖體人機環系統中，可引入智能安全人機工程，利用系統自適應、自訓練、自維護、自學習、自優化的優勢和技術的互聯實現災害的有效控制，針對巖體的作業，也應當采用智能化機械，用機械代替人工作，主要包括無人駕駛車輛(其應用流程如圖5)、無人機等，人只需進行遠程的設備管理和維護，不進入巖體環境，不會有暴露于巖體失穩環境中的風險，進而降低巖體災害損失。對于危險性較小或人體暴露面積較小的巖體環境，人可以進入環境作業，但也要配備必要的安全設備或工具。

圖5 無人駕駛汽車作業應用流程圖

4 結論

巖體失穩災害的防控需重點關注靜態和動態的巖體環境外，還應對巖體環境內的人和機進行實時、有效、系統的監測。本文闡述了人機環系統監測數據的獲取技術，對于人利用傳感和紅外技術，對于設備利用傳感技術和特性檢測，對于環境利用傳感和聲學技術。針對環境的監測主要包括2個方面，一是物理環境監測，二是巖體損傷檢測。其次，介紹了自主研發的巖體失穩災害監測系統及系統涉及的聲源/震源三維解析綜合定位方法與含空區的三維定位方法。最后，以巖體失穩災害防控為目的，建立了災害預警系統，該系統包含人、機械和環境3個方面，是涵蓋“監測數據→預警信息→防控方法”全過程的綜合系統，有望為巖體工程的全生命周期安全提供理論與技術指導。