基于無線通信的尾礦庫在線安全監測系統設計

劉 俊，張警行，郭 琳，袁訓鋒

(商洛學院 電子信息與電氣工程學院，陜西 商洛 726000)

尾礦庫是礦山選礦后排出的尾礦或其他工業廢渣的堆放場所，也是礦山的重大危險源。因此，利用高新技術和前沿科技，不斷提高尾礦庫的安全管理水平，保障尾礦庫生命周期各階段的安全運行具有重要的意義。自2008年襄汾尾礦庫潰壩事故發生后，全國加快了尾礦庫在線安全監測系統的建設進度。與此同時，圍繞尾礦庫開展監測安全指標的理論研究和在線監測系統與先進技術融合的實踐探索也不斷推進。余萬一等[1]利用互聯網思維構建了基于SaaS的尾礦庫在線監測系統，以降低監測系統的建設成本。鄭鵬等[2]將4G通信技術應用于尾礦庫安全在線監測系統中，能夠提高數據無線傳輸的穩定性和抗干擾性。高小盼等[3]將遙感衛星和無人機航拍的數據整合得到宏觀的尾礦庫三維模型，再利用傳感器技術實現各項安全監測指標的測量。

本文針對晉銀尾礦庫，開展尾礦庫在線安全監測系統方案的設計，利用無線數傳電臺和無線網橋進行數據傳輸，不僅避免了傳統有線通信的布線復雜、維護困難等弊端，也改善了傳統的無線通信在尾礦庫監測應用中所具有的缺點，比如ZigBee通信[4]，具有數據傳輸速率低、信號覆蓋范圍小等缺點；比如GPRS通信[5]，受運營商基站建設位置的制約，后期運行通信費用高等缺點。

1 設計要求及系統架構

1.1 項目概況

山西晉銀礦業有限公司尾礦庫屬于山谷型尾礦庫，設計總壩高88 m，有效庫容215萬m3，為三等尾礦庫。初期壩壩高21 m，壩頂寬60 m，屬于堆石透水壩。堆壩采用上游式筑壩方式，總外坡比1∶4，匯水面積0.65 km2。

1.2 設計要求

根據《尾礦庫在線安全監測系統工程技術規范》(GB 51108—2015)的相關規定[6]和尾礦庫的實際情況，在線安全監測系統的監測項目包括庫水位監測、干灘監測、降雨量監測、浸潤線監測、壩體表面位移監測、壩體內部位移監測、視頻監測等7項。

1)庫水位采用雷達物位計測距法實現庫水位高程的計算。在溢水塔上方距離庫水面20～25 m的水泥柱上安裝1套庫水位監測裝置。

2)采用坡度推算法實現干灘長度、坡度、安全超高的測量和計算。在干灘灘頂和距離灘頂庫水區方向水平距離70 m的兩個干灘橫剖面上分別安裝3套干灘監測裝置，選擇在干灘平整(遠離尾礦漿排放處)、有坡度的區域。

3)采用容柵式雨量計實現雨量實時測量。在庫區機房的房頂上安裝1套。

4)采用振弦式滲壓傳感器等裝置實現監測點處浸潤線高程的測量和計算。在高程1 200、1 220、1 243 m的三個剖面分別各安裝3套滲壓監測裝置。

5)對壩體表面位移監測采用GPS定位法。在高程1 200、1 220、1 243 m的三個剖面分別安裝1套、2套、3套GPS表面位移監測裝置，GPS基站安裝在庫區機房附近穩固可靠的山坡上。壩體內部位移監測采用固定式測斜儀實現。在高程1 200、1 220、1 243 m的三個剖面上分別安裝1套、2套、3套內部位移監測裝置。

6)在上壩路口、庫區機房、堆積壩壩頂左側、初期壩壩頂、堆積壩半坡、堆積壩壩頂右側、溢水塔等視野開闊、地質穩定的地方安裝7套視頻監控設備。

監測點布置圖如圖1所示。

圖1 監測點布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of monitoring points(Unit：m)

1.3 系統硬件架構

本系統主要包含數據采集、數據傳輸、數據計算處理存儲、信息管理和分析等四大模塊。首先由現場采集模塊采集尾礦庫監測數據，然后通過有線或無線的方式將數據傳輸到庫區機房的應用服務器中，再由相關采集軟件、解算軟件等進行數據整理、優化、計算等處理，并將結果存儲到數據庫服務器中，最后通過信息管理和分析軟件以可視化的方式將監測數據結果顯示到監控顯示器或屏幕上。系統總體硬件結構拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統總體硬件結構拓撲圖Fig.2 Overall hardware structure topology of the system

無線數傳電臺是一種無線數據通訊媒介，已在自動化系統中廣泛使用[7-8]。本方案將其應用到尾礦庫在線安全監測系統的庫水位、干灘、降雨量、浸潤線、壩體位移等數據的實時傳輸中。

無線網橋可將兩個或多個網絡進行連接，傳輸寬帶可達1 Gbps，已廣泛用于高速公路視頻監控[9]、輸電線路視頻巡視[10]等環境。本方案將無線網橋引入到尾礦庫在線安全監測系統中。

2 系統拓撲結構

2.1 庫水位監測子系統

庫水位監測硬件結構拓撲圖如圖3所示。數據采集軟件設定采集頻率和時間，開始采集時，服務器向采集器發送命令，喚起無線數傳電臺和雷達物位計，使其進入工作模式；當數據采集完成后，則進入休眠模式。

圖3 庫水位監測硬件結構拓撲圖Fig.3 Hardware structure topology diagram of reservoir water level monitoring

降雨量監測的硬件結構拓撲圖與圖3類似，需要將雷達物位計更換為雨量計。

2.2 干灘監測子系統

干灘監測硬件結構拓撲圖如圖4所示。無線數傳電臺采用一點對多點架構模式，數據通信采用時分多址方式，即主站輪詢，按時間先后排序傳輸數據，當六組數據采集完成后，超聲波物位計和無線數傳電臺進入休眠模式。

圖4 干灘監測硬件結構拓撲圖Fig.4 Hardware structure topology of dry beach monitoring

浸潤線監測和壩體內部位移監測的硬件結構拓撲圖與圖4相似，需要將超聲波物位計更換為振弦式滲壓計和固定傾斜儀。由于固定傾斜儀的通訊方式為RS485，故在壩體內部位移監測的硬件結構拓撲圖中還需將圖4中的模擬量采集器去除。

2.3 壩體表面位移監測

尾礦壩上各GPS監測點和GPS參考點將位置信息傳輸到應用服務器中，并利用GPS解算軟件解算出各監測點的三維坐標，結合參考點觀測數據和監測點起算坐標進行對比，從而獲得各監測點的水平位移和垂直位移變化量[11]。由于GPS接收機的價格普遍較貴，本方案提出尾礦壩表面位移監測采用一機多天線方式，監測點分為兩組，每組中包含1個接收機和3個天線。每組的3個天線按時間輪流接收衛星數據，并傳輸到接收機和上位機。GPS基站連續24 h工作。

GPS采集器可由內部單片機控制電源電路中晶閘管的引腳，實現天線信號傳輸的切換。壩體表面位移監測硬件結構拓撲圖如圖5所示。

圖5 壩體表面位移監測硬件結構拓撲圖Fig.5 Hardware structure topology of dam surface displacement monitoring

2.4 視頻監測子系統

在尾礦庫重要位置安裝視頻監控，用于監控尾礦庫相關設施、壩體、尾礦排放等運行狀態。視頻監測子系統利用無線網橋實現信息傳輸，可采用點對點、點對多點的設計方案。視頻監測硬件結構拓撲圖如圖6所示。

圖6 視頻監測硬件結構拓撲圖Fig.6 Hardware structure topology of video monitoring

3 采集器硬件設計

采集器主要由單片機最小系統、通信模塊和電源模塊等組成。采集器通過通斷外部設備的運行電源或調節外部設備運行模式控制端的高低電平實現對被控設備工作或休眠狀態的切換。

3.1 通信電路

采集器的通信電路主要由MAX3232芯片及外圍電子元件組成，采用RS-232串行通信方式實現與無線數傳模塊的信息交互。通信接口電路原理圖如圖7所示。

圖7 通信電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of communication interface circuit

3.2 供電電路

雷達物位計供電電壓為24 V，超聲波物位計和滲壓計供電電壓為12 V，所以利用LDO升壓芯片U2、場效應晶體管T1、三極管T2等元件進行供電電路的設計。圖8為供電電路原理圖，12 V電壓輸出由單片機引腳1控制；24 V電壓輸出由單片機引腳2控制。

圖8 供電電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of power supply circuit

4 數據采集流程

浸潤線、干灘、庫水位、壩體內部位移等數據的采集時間和頻率由上位機采集軟件設置完成，通過無線通信模塊發送命令給采集器，由采集器負責啟動或關閉數據采集任務。某個監測點數據采集流程如圖9所示。

圖9 數據采集流程圖Fig.9 Data acquisition flow chart

5 結論

根據《尾礦庫在線安全監測系統工程技術規范》的相關要求和晉銀尾礦庫實際情況，提出了基于無線通信的尾礦庫在線安全監測系統的設計方案，確定了監測指標和監測點布置圖，設計了系統整體和各監測子系統的硬件結構拓撲圖，給出了采集器設備中主要電路的設計原理圖，描述了系統數據采集的工作流程。該設計方案原理簡單，監測點布局靈活，對尾礦庫的高效管理有一定的借鑒意義。