礦產(chǎn)資源開(kāi)采遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究范文

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一、系統(tǒng)思路及關(guān)鍵技術(shù)

從管理職能出發(fā)，礦業(yè)權(quán)管理需要實(shí)時(shí)建立開(kāi)采設(shè)備與空間邊界的關(guān)系；儲(chǔ)量管理需要掌握實(shí)時(shí)的資源開(kāi)采量，而設(shè)備、人員及開(kāi)采的實(shí)時(shí)信息（包括位置、重量等）可采用物理網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行采集，整個(gè)監(jiān)控信息又可在GIS平臺(tái)下進(jìn)行統(tǒng)一管理。因此，礦產(chǎn)資源開(kāi)采遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)思路（圖1）是通過(guò)在人員、礦車(chē)、采掘設(shè)備、機(jī)車(chē)牽引設(shè)備、提升設(shè)備等礦業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵移動(dòng)目標(biāo)上安裝RFID定位卡［3］，輔以在軌道上安裝車(chē)輛探測(cè)器、生產(chǎn)區(qū)安裝紅外感應(yīng)器，獲取這些設(shè)備的實(shí)時(shí)位置信息、路由信息、歷史軌跡信息，地感線圈獲取設(shè)備的稱(chēng)重信息，利用有線或GPRS／CDMA構(gòu)建各種移動(dòng)設(shè)備之間的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合礦井空間信息，在WebGIS平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

通訊分站負(fù)責(zé)采集各定位分站的數(shù)據(jù)，并且按照通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，然后通過(guò)TCP／IP網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，起到通訊網(wǎng)關(guān)的作用。數(shù)據(jù)中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)TCP／IP編程，從互聯(lián)網(wǎng)上接收各監(jiān)控點(diǎn)通過(guò)GPRS傳上來(lái)的數(shù)據(jù)，按照協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)生成各種實(shí)時(shí)和告警數(shù)據(jù)。相比較視頻監(jiān)控方案來(lái)說(shuō)，此方案具備遠(yuǎn)程通訊成本小，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)低、易于維護(hù)，對(duì)環(huán)境要求寬松的特點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于“數(shù)字礦山”建設(shè)的研究重點(diǎn)。其中，由于井下生產(chǎn)礦車(chē)定期更換，導(dǎo)致射頻卡丟失，維護(hù)成本增加，系統(tǒng)引入了地感線圈和紅外探測(cè)技術(shù)作為輔助定位系統(tǒng)。地感線圈探測(cè)技術(shù)，是在車(chē)輛經(jīng)過(guò)的地方鋪設(shè)線圈，車(chē)輛通過(guò)時(shí)引起線圈振蕩頻率改變，進(jìn)而識(shí)別車(chē)輛；紅外探測(cè)器分為主動(dòng)式和被動(dòng)式紅外，可以探測(cè)有效范圍內(nèi)的人員和其他熱源目標(biāo)。

二、核心算法

（1）定位存儲(chǔ)算法。設(shè)備被定位分站捕獲后，形成一個(gè)原始的記錄信息，僅僅包含定位分站號(hào)、捕獲時(shí)間，通過(guò)定位存儲(chǔ)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，計(jì)算出該設(shè)備的滯留時(shí)間和離開(kāi)時(shí)間，形成了完整的路由信息，具體包含該設(shè)備進(jìn)站時(shí)間、滯留時(shí)間、離站時(shí)間。定位存儲(chǔ)算法就要把此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為設(shè)備的路由信息。射頻分站發(fā)送的定位信息包含兩個(gè)內(nèi)容：定位分站號(hào)和卡號(hào)，經(jīng)由通訊總站加上時(shí)間信息。當(dāng)攜帶射頻卡的設(shè)備經(jīng)過(guò)射頻定位分站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)射頻分站）進(jìn)入其捕獲范圍時(shí)，稱(chēng)為進(jìn)站時(shí)間，此時(shí)射頻分站不間斷地發(fā)出定位信息；當(dāng)設(shè)備離開(kāi)射頻分站無(wú)法檢測(cè)到設(shè)備時(shí)，稱(chēng)為離站時(shí)間，此時(shí)射頻分站停止發(fā)送信息。自進(jìn)站時(shí)間至離站時(shí)間這一段時(shí)間我們稱(chēng)為設(shè)備滯留時(shí)間。定位存儲(chǔ)算法目的就是算出滯留時(shí)間并記錄這個(gè)過(guò)程（圖2）。

（2）軌跡描述算法。通過(guò)比對(duì)設(shè)備經(jīng)由各定位分站的順序，獲得設(shè)備的路由序列，進(jìn)而把路由信息數(shù)據(jù)描述為軌跡圖形。軌跡描述中要通過(guò)進(jìn)站時(shí)間對(duì)路由序列進(jìn)行排隊(duì)。（3）告警算法。根據(jù)迎頭和生產(chǎn)邊界的生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)定報(bào)警滯留時(shí)間閥值，當(dāng)設(shè)備的滯留時(shí)間超出此閥值時(shí)，認(rèn)為挖掘越界，產(chǎn)生告警信息。告警有兩種算法：路由個(gè)數(shù)算法和滯留時(shí)間算法。路由個(gè)數(shù)算法通過(guò)計(jì)算經(jīng)過(guò)定位分站的設(shè)備個(gè)數(shù)來(lái)衡量該生產(chǎn)區(qū)的活躍程度。滯留時(shí)間算法通過(guò)計(jì)算經(jīng)過(guò)定位分站的設(shè)備的滯留時(shí)間來(lái)衡量該生產(chǎn)區(qū)的活躍程度。后一種算法比較科學(xué)，實(shí)際計(jì)算中兩種算法可以綜合考慮。但在此需要說(shuō)明的是，這種判斷機(jī)制只是根據(jù)設(shè)備在邊界停留時(shí)間，來(lái)推斷越界開(kāi)采的可能性，并不能直觀反映出設(shè)備具體行為。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用MicrosoftVisualStudio2008平臺(tái)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C＃，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MicrsoftSQLServer2000；數(shù)據(jù)中心使用VB6．0開(kāi)發(fā)，底層動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)采用VC＋＋編寫(xiě)；用戶監(jiān)控前臺(tái)采用B／S編程模式，管理后臺(tái)采用C／S模式。GIS平臺(tái)采用ArcGISServer＋ArcSDE＋．Net的WEBGIS配置模式。

2系統(tǒng)硬件環(huán)境

通訊分站采用單板機(jī)來(lái)完成，CPU芯片采用高性能、低功耗16位CMOS微處理器MSP430，其他功能單元有鍵盤(pán)輸入模塊、漢字顯示模塊、485通訊模塊。每路通訊分站可以下接10個(gè)定位分站，如果礦井生產(chǎn)面積過(guò)大，可以加裝通訊總站，用以連接各通訊分站。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通訊采用485工業(yè)總線方式，通訊距離最大可達(dá)1219m，信號(hào)衰減嚴(yán)重或距離過(guò)長(zhǎng)科采取加裝485中繼器方案。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心采用互聯(lián)網(wǎng)TCP／IP傳輸方案［4］，傳輸模塊可以采用GPRS或CDMA無(wú)線DTU，也可以采用串口服務(wù)器的有線通訊方式。短信報(bào)警采用短信Modem實(shí)現(xiàn)，設(shè)備通過(guò)串口安裝在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，報(bào)警軟件由數(shù)據(jù)中心集成。

3系統(tǒng)功能

以徐州市淮海石膏礦為例，監(jiān)管部門(mén)可以通過(guò)B／S界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登陸［5］，對(duì)轄區(qū)內(nèi)所有礦山企業(yè)進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)界面（圖3）按照企業(yè)－礦山－礦區(qū)三級(jí)目錄匯總信息，以礦業(yè)權(quán)邊界和井巷數(shù)據(jù)作為空間參考，通過(guò)監(jiān)控設(shè)備對(duì)井下的開(kāi)采設(shè)備進(jìn)行捕捉，定時(shí)更新井下開(kāi)采信息。系統(tǒng)功能主要包括全程監(jiān)控、圖形處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控和越界告警與迎頭跟進(jìn)4大部分。企業(yè)管理對(duì)礦山企業(yè)信息和企業(yè)空間范圍進(jìn)行管理，包括增加企業(yè)信息、企業(yè)信息查詢(xún)和刪除企業(yè)信息等功能。設(shè)備管理是對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備、RFID卡進(jìn)行管理和維護(hù)，包括查看設(shè)備和修改設(shè)備信息。設(shè)備信息包括設(shè)備編號(hào)、名稱(chēng)、類(lèi)型和卡號(hào)。監(jiān)控點(diǎn)信息包括監(jiān)控點(diǎn)編號(hào)及監(jiān)控點(diǎn)名稱(chēng)、監(jiān)控企業(yè)名稱(chēng)、所屬企業(yè)、監(jiān)控類(lèi)型、告警電話，監(jiān)控點(diǎn)查詢(xún)可以根據(jù)監(jiān)控點(diǎn)名稱(chēng)、企業(yè)名稱(chēng)、DTU編號(hào)進(jìn)行查詢(xún)。歷史軌跡是用軌跡線形式描述某一設(shè)備在一定的時(shí)間段內(nèi)的路由信息，直觀的顯示設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡。越界告警是指設(shè)備非法闖入邊界區(qū)域。迎頭跟進(jìn)是指迎頭前移，定位分站找不到迎頭生產(chǎn)設(shè)備，指示該分站應(yīng)相應(yīng)跟進(jìn)前移。

四、結(jié)語(yǔ)

礦產(chǎn)資源開(kāi)采多涉及地表和地下多層空間，從開(kāi)采到生產(chǎn)貫穿多個(gè)流通環(huán)節(jié)，在當(dāng)前集約利用資源的大背景下，針對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)采的監(jiān)管需要及時(shí)掌握礦山資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)變化情況，而礦產(chǎn)資源開(kāi)采遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是突破“靜態(tài)管理”和“被動(dòng)管理”，實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)管理”和“主動(dòng)管理”的重要手段。本文通過(guò)綜合物聯(lián)網(wǎng)和WebGIS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)采越層越界、產(chǎn)量核定等突出問(wèn)題，給出了一套礦山物理網(wǎng)建設(shè)方案和監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)方案，并通過(guò)具體實(shí)例檢驗(yàn)了核心業(yè)務(wù)和系統(tǒng)功能。同時(shí)，在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些難點(diǎn)。比如在國(guó)土資源涉密網(wǎng)絡(luò)中，內(nèi)外網(wǎng)信息交換機(jī)制；監(jiān)控設(shè)備在井下高溫、高壓、高瓦斯環(huán)境下的安全運(yùn)行等。隨著國(guó)家進(jìn)一步加大礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)整頓力度，物理網(wǎng)和WebGIS以及三維GIS的集成應(yīng)用在礦產(chǎn)資源監(jiān)管中將發(fā)揮巨大作用，逐步向“一張圖管礦”，“礦地一體化”綜合管理發(fā)展。（本文作者：宋韋劍、李淑貞、閔濤、李文勝單位：徐州市國(guó)土資源局、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院、淮北市思苑科技有限公司）