尾矿库实时监测管理系统信息技术研究及应用

第21卷尾矿库是金属与非金属矿山安全生产的重要环节，也是该领域的重大危险源之一。

当前，国内尾矿库数量庞大，存在建设标准偏低、监管力量薄弱等问题，迫切需要加强尾矿库监督管理工作。

2012年3月，国家安监总局、工信部等五部委联合下发关于进一步加强尾矿库监督管理工作的指导意见，要求积极采用先进科技手段，提高尾矿库本质安全水平[1]。

传统的尾矿库安全监测技术，主要采用人员携带传统仪器定期到现场进行坝体形变位移、库水位、浸润线等参数的测量。

然而，这样带来了一些问题，工作量大，受天气、人工、现场条件等许多因素的
影响，存在一定的系统误差和人工误差；同时，人工监测还存在不能全面和及时监测尾矿库的各项技术参数，难以实时掌握尾矿库各项安全技术指标等缺点，都有可能影响尾矿库的安全生产和安全管理工作能否真正履行到位。

因此，充分利用现代信息技术，切实加强尾矿库日常管理、监督、隐患排查和治理，已成为矿业工程的重要研究课题和任务，而以信息技术为核心的“数字矿山”建设更将作为“十二五”矿业企业信息化的目标和方向。

近年来，随着物联网等信息技术的不断深入研究和蓬勃发展，先进的监测仪器和通讯手段在尾矿库监测和防控等方面得到了较快的应用，真正做到了少人值守或是无人值守以及全天候的实时监控，有效的遏制了尾矿库生产安全事故和次生突发环境事件的发生。

1尾矿库监测要素解析
尾矿库实时监测管理系统信息技术研究及应用
彭
川
（中海石油化学股份有限公司，北京100029）
摘要：尾矿库是矿业领域的重大危险源之一，如何运用现代信息技术辅助加强尾矿库的安全监管工作，已
成为矿业工程的重要研究课题。

本文针对尾矿库具体监测要素进行了剖析，就物联网等信息技术应用于尾矿库的实时监测管理展开研究和阐述，并结合应用实践提出了解决建议和措施，旨在推动尾矿库安全管理的信息化进程。

关键词：
尾矿库；实时监测；信息技术；研究；应用中图分类号：TD676文献标志码：A 文章编号：1004-4051（2012）zk-0093-06
Tailing dam real-time monitoring and management system of information
technology research and application
PENG Chuan
(China BlueChemical Ltd.，Beijing 100029，China)
Abstract:Tailing dam is a major source of danger in mining areas,how to apply modern information technology to assist strengthen tailing dam safety supervision work,has become an important research topic in mining engineering.The specific monitoring of tailing dam factor analyzes in this paper,according to the internet of things (IOT)and other information technology is applied to the real-time monitoring management of tailing dam study and exposition,combined with the application of practice put forward suggestions and measures,to promote the informatization process of tailing dam safety management.
Key words:tailing dam ；real-time monitoring ；information technology ；research ；application
收稿日期：2012-07-16
作者简介：
彭川，男，工程师，中海石油化学股份有限公司信息管理部信息化应用管理经理，从事信息化管理与规划工作，E-mail ：
pengchuan@ 。

第21卷增刊2012年
8月中国矿业
CHINA MINING MAGAZINE
Vol.21,zk
August 2012
中国矿业第21卷
尾矿库监测的难点往往在于坝区范围面积大，地理环境条件复杂，危险危害因素以及各种突发性因素较多，相互关联度高且处于动态变化中；生产事故具有概率小、危害大、社会影响大的特点。

据统计，尾矿库发生事故一般以洪水漫顶；尾矿坝溃坝；水位超警戒线；排洪设施损毁、排洪系统堵；坝坡深层滑动；地震等为主，其中最严重的事故就是溃坝。

而造成溃坝事故的直接原因主要为二方面：①坝体失稳；②洪水漫顶，由此带来结构破坏、渗流破坏、稳定性不足等安全问题。

所以，加强尾矿库安全度就是要从提高尾矿库坝体稳定性和防洪能力，加强对关键重要生产场所环境的在线监视、监测和设备状态检测入手，实行多级综合监控，实时了解尾矿库在运营期间的安全状态并做出预测预警和采取对应措施，从而做到防患于未然。

通过对尾矿库监管对象和内容进行总结，我们可以分解得出矿山尾矿库一些共性的安全监测要素，包括对坝体和库区两方面的监控：①坝体：水平形变、垂直形变、坝体浸润线、坝体渗流量；②库区：库区（回水池）水位、干滩长度、酸碱度、库区雨量。

2实时监测管理系统架构
根据尾矿库的安全监测要素，可以进行实时监测管理系统架构的搭建。

架构设计过程中，要充分考虑执行层、管理层、决策层的领导和员工各自对监测系统的不同监控需求，体现管理体系的柔性，使之适应多层级组织、跨地域、集中分散结合的安全管理模式。

从系统的功能模块角度来划分，对应各项安全监测要素，尾矿库实时监测管理系统通常由4部分子系统组成，见表1。

表1尾矿库实时监测管理系统子系统组成表
从信息系统技术实现的角度，即信息流的流向划分，又可以划分为三部分系统：数据采集、数据传输和数据展示。

数据采集系统可以通过先进可靠的测量手段保障测量结果的准确有效；数据传输系统采用有线与无线相结合的方式，利用先进的无线传感器网络建立高效灵敏、反应快捷、运行可靠的通讯网；数据展示系统构建统一、多种信息介质的监测数据分析及展示平台，为安全生产和应急指挥提供强有力的决策支持。

3关键信息技术介绍
物联网（The Internet of things，IOT）是新一代信息技术的重要组成部分，简言之，是物与物、人与物之间的信息传递与控制。

这里有两层含义：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

因此，物联网是通过无线传感器网络（WSN）、射频识别（RFID）、全球定位系统（GPS）等信息传感设备，按约定协议把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。

感知层由各种传感器以及传感器网关构成，这是物联网应用中的一项重要技术。

需要澄清的是，传感技术仅为信息采集技术之一。

因此，传感网不等同于物联网，它是物联网的一种应用，而不是物联网的全部。

物联网的规划和设计以及研发关键在于无线传感器网络（WSN）、射频识别（RFID）、嵌入式软件以及传输数据计算等领域的研究。

接下来，本文将要阐述的物联网技术主要针对无线传感器网络（WSN）和全球定位系统（GPS），通过物联网技术的应用来实现尾矿库实时监测管理系统的数据采集以及传输。

同时，还将就数据展示所需应用到的三维建模技术进行论述。

3.1基于Zigebee的WSN
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是当前国际上备受关注的研究热点。

低成本、低功耗、应用简单的Zigbee网络的诞生为WSN的发展提供了机会，目前，基于Zigbee网络的实时定位和传输问题也正越来越受到关注。

Zigbee是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、部署无线传感器网络的新技术，可工作在2.4GHz (全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，传输距离在10-75m的范围内,也可以继续增加[2]。

它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

相对于现有的各种无线通信技术，Zigbee技术将是最低功耗和成本的技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。

尤其是Zigbee技术独有的
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自组织网和动态路由通信方式，能够充分保证数据的可靠传输以及网络自愈和扩展。

简而言之，Zigbee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术，适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

网络架构如图1所示。

图1Zigbee 组网示意图
3.2GPS 全球定位系统
全球定位系统（Global Positioning System,GPS ）的工作原理是由地面主控站收集各监测站的观测资料和气象信息，计算各卫星的星历表及卫星钟改正数，按规定的格式编辑导航电文，通过地面上的注入站向GPS 卫星注入这些信息而进行位置的确定。

GPS 卫星定位技术对测量界产生了深刻影响，
在国内混凝土坝和土坝变形监测中已经开始运用。

GPS 接收机采集的记录是GPS 接收机天线至卫星
伪距、载波相位和卫星星历等数据。

GPS 数据处理要从原始的观测值得到最终的测量定位结果，其数据处理过程包括数据采集、数据传输、预处理、基线解算，直到网平差及坐标转换[3]。

常用的GPS 接收机由于体积小、测量精度高(毫米级)，在野外潮湿、多粉尘、炎热或严寒的环境下也能长期正常工作，抗干扰能力强、数据分析处理及时，具有全天候、实时、自动化监测等优点，可用于大坝的动态实时位移监测、振动频率测试，能够快速反映大坝在各种情况下的空间三维形变情况。

3.3三维建模
三维建模是指在计算机上建立完整的产品三
维空间的数字几何模型的过程。

目前物体的建模方法，大体上有三种：①利用三维软件建模；②通过仪器设备测量建模；③利用图像或者视频来建模。

在本文中，我们重点探讨第三种基于图像的建模和绘制(Image -Based Modeling and Rendering,IBMR)。

IBMR 是当前计算机图形学界一个极其活跃的研究
领域。

同传统的基于几何的建模和绘制相比，IBMR 技术具有许多独特的优点。

基于图像的建模和绘制技术给我们提供了获得照片真实感的一种最自然的方式，建模变得更快、更方便，可以获得很高的绘制速度和高度的真实感。

基于图像的建模的主要目的是由二维图像恢复景物的三维几何结构。

由二维图像恢复景物的三维形体原先属于计算机图形学
和计算机视觉方面的内容。

由于它的广阔应用前景，如今计算机图形学和计算机视觉方面的研究人员都对这一领域充满兴趣。

与传统的利用建模软件或者三维扫描仪得到立体模型的方法相比，基于图像建模的方法成本低廉，真实感强，自动化程度高，因而具有广泛的应用前景。

三维模型的制作分为4个步骤：①现场拍照；
②运用TerroExplorer pro 或3D MAX 等专业软件建
模；③然后把运用Photoshop 处理过的图片贴图；④最后打包[4]。

制作流程如图2所示。

图2三维模型制作流程图
基于三维建模的尾矿库实时在线监测系统解决了以往平面显示对复杂环境进行安全措施及危险点的分析情况等反应不全面的问题，为工作人员提供一个图像合成的三维仿真现场，并以此为平台，直观的进行作业现场的危险点分析，使人员能够身临其境，大大提高了安全风险防范能力，为尾矿库的安全调度指挥提供了直观、科学的决策支持。

4系统方案设计及应用
尾矿库实时监测管理系统是集前端测试系统、
数据采集与处理系统、视频系统、供电系统、防雷系统、通讯系统等于一体的多媒体自动化监测系统，主要由“现场自动监测报警”和“成果输出及分析发布”两大部分组成[5]。

接下来，我们结合中海石油化学股份有限公司所属控股子公司湖北大峪口化工有限责任公司（以下简称大峪口公司）的磷石膏渣库尾矿库的实时监测管理系统设计展开相关讨论。

大峪口公司磷石膏渣库实时监测管理系统采
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用了基于Zigbee 技术的无线多跳网络信息传输、GPS 毫米级卫星定位、三维全景拟合等一系列先进
的信息技术手段，对磷石膏渣库的运行状况进行全天候24h 的实时监测预警。

在大坝及库区设立了若干大坝表面位移监测点、浸润线监测点、滩顶高程监测点、库水位监测点、雨量监测点；可对大坝的形变、浸润线的抬升、渗流量的异常、干滩及库水位的变化等进行实时监测、坝体安全分析，具备自动生成运行报表以及发出预警信息。

为保证系统传输的稳定性，该系统中网络采用了无线传感器网络与有线网络相结合的实施方式，其中尾矿库的表面位移、内部位移、浸润线、干滩距离、库水位等监测指标数据采集位置由于距离现场监测站距离较远，尤其是库内监测点还面临强腐蚀威胁，网络布线和维护难度都非常大，因此，采用无线传感器进行数据采集和网络传输，再通过光纤或
GPRS 传输到公司中心机房发布服务器上。

系统架
构如图3所示。

图3
大峪口尾矿库实时监测管理系统架构图
4.1现场自动监测报警
该系统中的无线传感器网络采用了Zigebee 技
术，网络传输路径如图4所示。

考虑到库水位监测点、干滩高程监测点距大坝较远，均不适合使用有线传输，距离也已超过节点设备的传输距离，故于大坝与测量点之间设计了一个节点作为无线中继。

图中深色线条所示路径是
综合
考虑传
输效
率、能耗、距离等多种因素后形成的一条最佳路径。

而浅色线条所示为每个节点到下一个节点的可选择路径，当其中某个节点发生故障或移动时，与之关联的节点会重新选择，形成一条新的最佳路径。

4.1.1坝体位移监测
坝体位移监测采用针对解决常规GPS 监测方法的局限性而开发的GPSensor 软件（GPsensor 由上
海华测导航技术有限公司研发的基于网络利用
GPS 进行的实时三维变形量分析系统软件），通过
多种手段来解决了如环境变化、电磁干扰、卫星阻挡及时间不同步、基站距流动站距离过远等问题。

GPSensor 实时差分变形监测软件的工作流程
如图5所示。

图5GPSensor 工作流程图
GPSensor 变形监控软件实现了各个监控站的
实时差分定位，并具有图形显示、接收机设置、监控站参数设置、观测数据记录、报警等功能。

因为考虑到位移监测为尾矿库监测的重中之
重，所以接下来将具体展开关于坝体位移监测方法及其监测的基本原理。

4.1.1.1表面位移
GPS 接收机实时捕捉卫星信号，经过联网差分
处理，得到每个接收机天线位置的三维精确坐标，传输到服务器进行后续处理，如图6所示。

图6
表面位移监测基本原理图
图4无线传感器网络示意图
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4.1.1.2内部位移
水平位移：传感器内有2组MEMS （微型机电系统）传感器密封在壳体内部。

传感器上部有一个安装支架，可与滑轮组件固定。

一个滑轮为定滑轮（固定轮），另一个滑轮具有弹性，保证传感器在有槽的测斜管内位置居中，并可沿测斜管向下滑动，且不会整体旋转。

传感器下端有一个突出的部件，可与连接杆固定。

电缆由测斜管的管口引出。

双轴传感器装有两组MEMS 传感器，互成90°，如图7所示。

图7内部位移监测仪器结构
垂直位移：由于磷石膏坝的特点，测孔不能打到基岩。

因而采取检测孔通过与GPS 观测墩一体浇注，以GPS 基站为基准进行数据推算，得出内部位
移数据的方式检测。

4.1.2浸润线监测
渗压计为压力传感器，通过在坝体里钻凿钻
孔，把渗压计放置在钻孔里，通过测量渗压计处的液力，再转换为水位(高程)，即可得到坝体或绕坝的浸润线高度以及其位置。

渗压计与自动数据采集仪通过电缆连接，采集仪再通过无线方式与现场值班室相连，从而形成整个监测网络，如图8所示。

图8浸润线监测基本原理图
4.1.3渗流量监测
用自动遥控方式(超声波液位传感器)测出集水
井水位，利用水位与渗流量函数关系，可以计算出实时渗流量，精度优于10mL/s ，如图9所示。

图9渗流量监测基本原理图
4.1.4库水位监测
库水位采用超声液位计实时测量探头与水面
的距离，架设探头高程已知，通过简单计算即可推导出库水位高程。

液位计与现场值班室通过Zigbee 方式传输数据到现场值班室。

超声液位计安装在溢洪塔上，每次溢洪塔堵高后，可将超声液位计上提，并在监测软件系统中修正探头高程即可，如图10所示。

图10库水位监测基本原理图
4.1.5干滩长度监测
鉴于大峪口公司磷石膏渣库的干滩一些特殊
地质情况，确定通过人工方式定期测出干滩坡度作为系统己知数据；通过检测滩顶高程、库水位，推算出干滩长度，如图11所示。

滩顶高程监测数据采用
Zigbee 无线传输到现场值班室。

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图11干滩长度监测基本原理图
4.2成果输出及分析发布
坝体安全、渗漏安全及调洪安全构成了尾矿库
的整体安全度。

本监测系统通过对影响尾矿库的各个因素进行逐个在线监测，再对各模块监测数据结果进行专业分析，通过定量化计算后，采用软件用户界面输出尾矿库实时动态变化过程及安全度，并通过对监测数据的深度挖掘，总结出尾矿库在运行过程中可能出现的危险、有害因素，形成尾矿库的安全预警功能，并提出切实可行的对策措施(专家系统数据库)，为大峪口公司磷石膏渣库的日常运行管理提供了便捷可靠手段[6]。

系统的软件输出结果结合图表方式，直观、明了、简单易懂，如图12、图13所示。

图12
系统软件界面截图-浸润线监测日报
图13系统软件界面截图-预警报警记录
该监测的软件系统对重大危险源运行情况进行365天24小时的连续监测，还采用三维建模的技术将尾矿库的实景结合系统功能模块应用，在三维平台上动态、直观的予以展现，仿佛身临其境，更加易于管理人员的各项操作，如图14所示。

图14
系统三维建模的库区画面
此外，大峪口公司磷石膏渣库实时监测管理系统还设置了三级预警（提示、预警、报警），各监测值超越警戒值后，系统自动合成报警信息到公司领导和相关人员手机上；自动关联应急处置方案，详细的图文信息和分析报表可随时随地通过联网查阅、处置和消警。

5结束语
尾矿库在线安全监测系统的实施和推广，便于
安全监管部门快速掌握与尾矿库安全密切相关的
技术指标的最新动态
，
有利于及时掌握和分析尾矿库的运行状况和安全现状
，提高了对于尾矿库溃坝灾害机理的认识水平，以及提升了尾矿库安全监管和日常管理水平，具有广泛的市场前景和重要的应用价值。

然而，尾矿库的安全管理信息化进程也还将是一个长期的过程，还需要在摸索中学习，在应用中创新，从信息采集、传输、远程自动控制、可视化等方面持续开展研究工作，发挥物联网、三维建
模等新兴技术与系统的高效优势，诱发和引领企业在相关领域的创新思维和活动，并将之贯穿于矿山生产、经营、管理和安全的全过程。

参考文献
[1]国家安全生产监督管理总局.关于进一步加强尾矿库监督管理工作的指导意见[EB/OL].国家安全生产监督管理总局网站，2012.
[2]IEEE.IEEE stands 802.15.4,2003.
[3]吴立新.数字矿山技术[M].长沙：中南大学出版社，2009.[4]兰文涛.浅谈三维建模技术的研究与应用[C].2009克拉玛依信息技术协会论文集，2009.
[5]苏军，袁子清，等.尾矿库安全在线监测技术探讨[C].2010中国矿山安全管理与技术装备大会论文集，2010.
[6]
周汉明.尾矿库建设与安全管理技术[M].北京：化学工业出版社，2012.
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