基于尾矿库安全物联网决策支持系统研究*(安全)

         姜  洲^1,2，陈学力³，方伟立¹，吴贤国¹，肖旭峰³，刘方求³

（1．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074;2．湖南省安全生产监督管理局，湖南长沙410016； 3．湖南黄金洞矿业有限责任公司，湖南长沙410016）

摘要：尾矿库安全管理是一项非常复杂的系统工程，针对湖南黄金集团高流坑尾矿库安全管理工作人工依赖性强、智能化程度低，灾情实时判断与预警控制决策效率低等不足特点，提出物联网技术，结合先进的数据感知技术，将数据采集、处理、分析及决策等环节进行一体化综合集成，研究设计尾矿库安全物联网决策支持系统。使尾矿库建设运营参与各方加强认知和揭示尾矿库安全灾变规律，为实现尾矿库安全管理智能预警决策提供有力的辅助支持。

关键词：尾矿库；物联网；安全监控；数据采集

中图分类号：X936   doi: 10. 11731/j．issn. 1673-193x. 2016. 05. 021

0  引言

    尾矿库是筑坝拦截谷口或围地构成的用以堆存金属、非金属矿山进行矿石选别后排除尾矿的场所，是一个具有高势能的人造泥石流的危险源，已成为矿山企业生产的最大安全隐患。据国家安全生产监督管理总局等部门统计，截至2010年底，全国11 946座尾矿库中，四、五等小型库约占4.1%，有危库、险库、病库1 477座，占总数的12. 4%。与此同时，全国共发生尾矿库安全事故74起，事故类型以尾矿库滑坡、裂缝、溃坝、渗漏等为主，造成死亡、失踪人数共362人。因此，加强尾矿库安全监测技术研究，实施动态监测，为尾矿库科学管理提供技术支撑，对尾矿库灾害进行预警，有效预防尾矿库事故的发生具有重要意义。

    本文结合湖南黄金集团高流坑尾矿库安全管理的实际情况，融合先进的数据感知与传输技术，结合物联网技术和系统建模方法开发设计一套尾矿库安全物联网决策支持系统，并应用于湖南黄金集团高流坑尾矿库的日常安全管理与决策中，为实现尾矿库的安全智能化管理提供辅助决策系统和技术支持。

1  工程概况

    湖南黄金集团高流坑尾矿库位于矿区西面2.6公里处黄金河北岸，该库址为三面环山的冲沟，河沟坡降较小，沟口段较窄，较平缓，250 m以内逐渐开阔，至500m处河沟又分成两条支沟，西沟较短，东沟较长为主沟。从500 m以上至1000 m范围即为主要库区。库区占地约330亩，其中主要为山地，约300亩，退耕地约30亩。库区高程150~250 m，汇水面积1.37 km²，流域长2.1km，平均坡降0.11总库容496万m³，可使用20年。总投资（工程直接费）750万元。该库尚有远景扩容余地，若堆到280 m高程，总库容可达900万m³，服务年限37年。该尾矿库坝体区域与库存区域的现状如图1所示。

2  系统设计

    本文结合湖南黄金集团高流坑尾矿库安全管理实际情况，从安全物联网决策支持系统的总体结构设计来看，尾矿库安全物联网决策支持系统具体包括感知层、支撑层、应用层三大部分，如图2所示。

2.1  感知层

    感知层是基础数据与信息的来源，可看作是尾矿库安全物联网决策支持系统的末端神经，主要完成相关监测数据和知识的采集、转换、汇集和传输。一方面，系统通过传感器技术，对坝体外部位移、坝体浸润线、库水位、坝体内部位移、降水量、干滩数据等各项数据进行实时监测，获取实时监测数据；另一方面，对系统决策所需的相关分散零碎的知识进行系统化整理，形成包括致险因素库、模型库、样本库等类别的知识库。

2.2  支撑层

    支撑层是中间层，为下游感知层采集得到的数据提供无障碍传输通道，并为上游应用层的作业控制和业务管理等提供高效的信息交互技术手段。支撑层的主要功能是数据的存储与处理：一方面将传感技术与移动通信技术有机融合，对感知层获取的物体属性转化而成的信息进行实时快捷存储；另一方面，对获取数据进行有效性处理，包括数据缺失估计、数据降噪处理和数据时序预测分析，为应用层基于数据的决策支持管理提供可靠的数据基础

2.3应用层

    应用层是以实践应用为导向，将感知层与支撑层传输来的信息进行分析、诊断、挖掘和反馈等，并通过各种设备与人进行交互，便于决策人员进行正确的控制与决策，实现智能化的管理、应用和服务。主要分为四大中心模块：项目信息中心、工程监测中心、风险管理中心和应急救援中心。

3．  系统研发关键技术

3.1  感知层

    考虑到尾矿库灾变的影响机制复杂，涉及岩土环境的时空变化效应，如何选取适用于尾矿库监测特点的数据感知技术成了一个急待解决的问题。同时，传统尾矿库的安全监控往往以人工测量为主，存在监测效率低、监测不及时、易出错等诸多不足，无线传感网络( WSN)

技术为尾矿库变形安全监测数据采集与传输提供了切实可行的解决途径。目前，基于WSN的尾矿库变形实时在线自动监测仍处于研究阶段，研究关于尾矿库监测无线传感网络及相关知识库的构建，成为尾矿库安全物联网决策支持系统感知层需要解决的关键技术问题。

    针对尾矿库安全预碧啦制任务的需求，结合无线传感网络先进的数据采集与传输技术，设计构建面向尾矿库安全控制的实时监测无线传感网络，由传感器节点、汇聚节点及监控中心三部分组成，如图3所示。

    1)传感器节点。传感器节点是无线传感网的基础，其被部署于监测区域对监测项目的相关指标特征进行监测。无线传感器节点的选择对于尾矿库变形安全监测网的有效性起着至关重要的作用，根据尾矿库变形监控量测中不同的监测对象和监测项目的实际情况，采用相对应的传感器类型，如VWD - 250型位移计、JL -1型静力水准仪、GN - 1B固定式测斜仪等传感器将运用于尾矿库的安全监测，如图4所示。

    2)汇聚节点。汇聚节点主要功能是与控制中心和传感器节点进行数据交换，一般由两级汇聚节点构成。其中，一级汇聚节点汇总处理所有传感器节点采集的数据，并将数据传输给二级汇聚节点；二级汇聚节点将数据传输给数据监控中心。汇聚节点需要同时配置串口、以太网等通信接口方便与计算机网络连接。   

 3)监控中心。监控中心可作为整个体系的观察者，其调制解调器负责收集汇聚节点发来的数据，实现实时的设备管理，其服务器主机负责将从汇聚节点接收到的数据进行存储和管理，共同反映监控区域设备的监测状态，根据传感器节点发送的数据做出警告提示。

3.2  支撑层

    尾矿库安全物联网决策系统支撑层主要负责对感知层采集的数据进行传输、存储和处理。由于受现场复杂环境及人为因素等的干扰，尾矿库海量多源监测数据存在一定程度的失真，表现较大的噪声干扰。在实际工程运用中，数据信号往往含有许多尖峰和突变，在统计特性上表现为非平稳性。此外，无线传感器网络较高的采样率会造成监测数据量较大，如何提取信号中的有用部分，减小数据量是一个亟待解决的问题。

    为了提高尾矿库稳定性评价的准确性，有必要消除监测数据本身受外界干扰产生的随机波动影响，获取真实可靠的监测数据，对于提高监控点的警情识别率，降低警情的误判率非常重要。因此，研究尾矿库变形安全监测数据缺失估计、数据降噪处理和数据时序预测等处理方法成为尾矿库安全物联网决策系统支撑层设计的关键技术问题。

3.3应用层

    为了增强对施工安全的控制能力、促进多层次用户协同参与、实现信息共享集成和应急联动机制、提高安全管理决策效率和未来建设水平，运用层将集成感知层和支撑层的全部内容，其中主要包括项目信息中心、工程监测中心、风险管理中心、应急救援中心四大应用模

块，如图5所示。

    以下结合各应用模块探讨该系统功能应用层的关键技术设计：

    1)项目信息中心

    该应用模块的主要功能是维护和管理不同的尾矿库项目、各参与单位及系统用户人员等基本信息，具体包括项目信息、组织信息和人员信息。

    2)工程监测中心

    工程监测中心是对传感器监测点、监测数据、数据处理及导人导出等监测工作进行全程管理和控制的模块，具体包括监测点信息管理、监测数据查询、监测数据处理及数据导入导出。

    3)风险管理中心

    风险管理中心是整个安全监测智能预警系统的核心应用模块，利用系统内置的智能分析算法，如基于D-S证据理论的综合评价及基于小波分析的数据挖掘方法，为尾矿库的安全预警管理提供智能决策支持，具体包括GIS信号平台、安全形势分析、敏感性分析和安全决策控制。

    4)应急救援中心

    应急救援中心是指尾矿库发生险情后，系统实时发布预警信号，并通知应急联动小组等职能部门启动应急预案进行抢险救援工作，并将处理结果实时反馈形成档案进行跟踪处理。具体包括应急预警管理、救援联动管理、安全文档管理和档案管理。

4  系统实际应用

    尾矿库安全物联网决策支持系统是基于B/S架构，采用VC++6.0语言编制，运行于Windows系列操作系统环境的决策支持系统。数据库可采用MSSQLSERVER2000，ORACLE9.0等主流数据库，能读取AUTOCAD10.0及以上版本绘制的工程图纸。

4.1  系统特色

    系统以先进的数据感知技术为支撑，结合计算机集成建设理论和知识管理理论为指导，相比于传统的尾矿库安全管理信息系统，除了满足信息查询与资料整理等功能，在智能监测实现安全预警方面还具有如下优点和特色：

    1)先进性：系统高度自动化，各监测设备巡视采样周期均小于10分钟，可实现全天实时监测；利用软件智能化实现各监测设备的实时控制，实现海量数据的自动采集与处理。

    2)稳定性：监控中心采用高性能服务器，支持海量数据的长期存储；各监测设备到监控中心采用光纤传输，传输质量好、容量大、速率快、损耗小。

    3)可靠性：基于传感器的多源异构数据连续自动精确采集；具有功能上和总体结构上的优越性，采用了多级备用设备，最大限度的保障监测数据的连续性。

    4)智能性：基于角色访问的柔性用户管理；基于数据支持的人工智能辅助决策推理分析；基于Web - GIS的可视化分析应用。

4.2  系统主界面

    感知层和支持层的网络连接成功，且数据采集端启动服务成功后，支持层和应用层可开始分享感知层采集端的数据。主界面主要包括功能菜单区、GIS底图、监测点图标和监测点实时最新数据。如图6所示。

4.3  实时监测

    当感知层与应用层联网，主界面实时监测可显示系统感知层最新采集的各监测项目数据。界面如图6所示，当鼠标停留在某一标示点时，会弹出该标示点所代表设备的实时监测信息。其中主界面底图和各监测点标示位置可以根据实际情况自定义添加。尾矿库底图是GIS影像，便于定位监测点，采集端可以自定义添加采集端中的各个监测点，并配置示意图。其中具体监测项目和监测点布置如下所示：

    1)位移监测：观测坝体的位移变化，包括表面和内部的水平位移和垂直位移；

    2)渗流监测：监测浸润线；

    3)干滩、库水位和降雨量监测；

    4)视频监测：溢水塔（排水井、槽等）、滩顶放矿处、坝体下游坡等重要部位设置视频监测。

4.4数据查询

    当支撑层和应用层联网后，数据查询可以实现对所有监测数据包括预警信息数据的查询，并提供查询的历史数据。PDF格式文件输出。

4.5  数据分析和预警信息配置

    支撑层与应用层联网后，应用层主界面数据分析可获取支撑层数据分析和处理的所有信息，并根据支撑层的知识库，进入数据分析界面，进行预警信息配置。预警信息配置是指测斜仪、渗压计、水位计、雨量计等各监测数据的预警值的配置。预警信息配置区可以实现对

各预警分项的添加、删除和对添加完成的预警值的修改。预警分项菜单可实现对各分项预警值设定子界面的切换，如图7所示。

4.6  数据分析和预警方式管理

    通过提取尾矿库的各个指标在线监测数据，利用系统内置的智能数据处理方法，如利用离散小波分解技术提取监测数据和随机回归分析对缺失数据进行估计，还原监测数据中隐含的真实信息。本文以浸润线为例，通过提取浸润线监测信息，分析浸润线的动态变化，了解尾矿坝体内浸润线的位置和变化情况，用来判断坝体是否处于安全、稳定的状态，确保坝体的正常运作，如图8和图9所示。

    通过浸润线的动态变化图，可以看出每条浸润线的高度基本稳定在一个固定值，只有小幅度波动，表明坝体处于安全稳定的状态，这与实际情况相符合，表明通过该系统得到的监测数据具有一定的可靠性。

    数据分析界面可实现预警方式管理，如图10所示，当各项目监测值超限时，触发预警，预警方式有短信告警、电子邮件告警和声音高警等。

4.7  应急预案和前馈预警与反馈诊断

    应急预案指面对用户尾矿库发生险情时，管理、指挥、救援计划等的方案。根据前馈预警情况，采取预防措施；根据反馈诊断，进行控制和决策，实现前馈预警和反馈诊断，具体操作界面如图11和图12所示。

    对于应急预案管理界面，不仅涵盖日常应急预案编制与管理，还根据前馈预警控制和反馈诊断控制经验，不断完善应急预案，用户把应急预案文件（word文件）放入客户端warnplan文件夹内，即可实现对应急预案的添加

5  结论

    针对当前湖南黄金集团高流坑尾矿库安全管理工作人工依赖性强、智能化程度低，灾情实时判断与预警控制决策效率低等不足，本文结合先进的数据感知技术，将数据采集、处理、分析及决策等环节进行一体化综合集成，研究设计湖南黄金集团高流坑尾矿库安全物联网决策支持系统，成功应用于湖南黄金尾矿库，具有较高的实用性和智能性。可靠的监测尾矿库的安全状况，可实时在线动态的掌握尾矿库的安全现状，很好的解决了黄金尾矿库安全监控处于的被动的状态，为尾矿库安全监测管理参与各方加强了解尾矿库灾变规律，实现智能预警决策。

    该系统具有较好的应用价值，能够实时有效的获取监测信息，根据大量监测数据，还原监测数据中隐含的真实可靠信息，同时，系统基于动态贝叶斯网络的反馈诊断控制分析，为尾矿库安全灾变演化的警情征兆信息进行前馈预警决策和反馈诊断控制分析，提高尾矿库安

全监控预警的准确性和时效性，促进实现尾矿库安全灾害预警与防灾减灾智能化高效发展。该系统的成功应用为尝试推广于其他矿山监测奠定了基础。