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矿产资源开采远程监控技术研究

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一、系统思路及关键技术

从管理职能出发,矿业权管理需要实时建立开采设备与空间边界的关系;储量管理需要掌握实时的资源开采量,而设备、人员及开采的实时信息(包括位置、重量等)可采用物理网技术进行采集,整个监控信息又可在GIS平台下进行统一管理。因此,矿产资源开采远程监控系统的建设思路(图1)是通过在人员、矿车、采掘设备、机车牵引设备、提升设备等矿业生产关键移动目标上安装RFID定位卡[3],辅以在轨道上安装车辆探测器、生产区安装红外感应器,获取这些设备的实时位置信息、路由信息、历史轨迹信息,地感线圈获取设备的称重信息,利用有线或GPRS/CDMA构建各种移动设备之间的物联网络,并结合矿井空间信息,在WebGIS平台下实现对这些设备的智能化识别、定位、跟踪、监控,进而实现远程监控。

通讯分站负责采集各定位分站的数据,并且按照通讯协议进行数据封装,然后通过TCP/IP网络传输设备传输到数据中心,起到通讯网关的作用。数据中心通过网络TCP/IP编程,从互联网上接收各监控点通过GPRS传上来的数据,按照协议进行数据解析,存入数据库,同时生成各种实时和告警数据。相比较视频监控方案来说,此方案具备远程通讯成本小,系统开销低、易于维护,对环境要求宽松的特点,是物联网技术应用于“数字矿山”建设的研究重点。其中,由于井下生产矿车定期更换,导致射频卡丢失,维护成本增加,系统引入了地感线圈和红外探测技术作为辅助定位系统。地感线圈探测技术,是在车辆经过的地方铺设线圈,车辆通过时引起线圈振荡频率改变,进而识别车辆;红外探测器分为主动式和被动式红外,可以探测有效范围内的人员和其他热源目标。

二、核心算法

(1)定位存储算法。设备被定位分站捕获后,形成一个原始的记录信息,仅仅包含定位分站号、捕获时间,通过定位存储算法进行数据匹配,计算出该设备的滞留时间和离开时间,形成了完整的路由信息,具体包含该设备进站时间、滞留时间、离站时间。定位存储算法就要把此数据转换为设备的路由信息。射频分站发送的定位信息包含两个内容:定位分站号和卡号,经由通讯总站加上时间信息。当携带射频卡的设备经过射频定位分站(以下简称射频分站)进入其捕获范围时,称为进站时间,此时射频分站不间断地发出定位信息;当设备离开射频分站无法检测到设备时,称为离站时间,此时射频分站停止发送信息。自进站时间至离站时间这一段时间我们称为设备滞留时间。定位存储算法目的就是算出滞留时间并记录这个过程(图2)。

(2)轨迹描述算法。通过比对设备经由各定位分站的顺序,获得设备的路由序列,进而把路由信息数据描述为轨迹图形。轨迹描述中要通过进站时间对路由序列进行排队。(3)告警算法。根据迎头和生产边界的生产特点,设定报警滞留时间阀值,当设备的滞留时间超出此阀值时,认为挖掘越界,产生告警信息。告警有两种算法:路由个数算法和滞留时间算法。路由个数算法通过计算经过定位分站的设备个数来衡量该生产区的活跃程度。滞留时间算法通过计算经过定位分站的设备的滞留时间来衡量该生产区的活跃程度。后一种算法比较科学,实际计算中两种算法可以综合考虑。但在此需要说明的是,这种判断机制只是根据设备在边界停留时间,来推断越界开采的可能性,并不能直观反映出设备具体行为。

三、系统实现

1系统开发环境

监控系统开发平台选用MicrosoftVisualStudio2008平台,开发语言为C#,数据库采用MicrsoftSQLServer2000;数据中心使用VB6.0开发,底层动态数据库采用VC++编写;用户监控前台采用B/S编程模式,管理后台采用C/S模式。GIS平台采用ArcGISServer+ArcSDE+.Net的WEBGIS配置模式。

2系统硬件环境

通讯分站采用单板机来完成,CPU芯片采用高性能、低功耗16位CMOS微处理器MSP430,其他功能单元有键盘输入模块、汉字显示模块、485通讯模块。每路通讯分站可以下接10个定位分站,如果矿井生产面积过大,可以加装通讯总站,用以连接各通讯分站。监控现场数据通讯采用485工业总线方式,通讯距离最大可达1219m,信号衰减严重或距离过长科采取加装485中继器方案。监控现场数据远程传输到数据中心采用互联网TCP/IP传输方案[4],传输模块可以采用GPRS或CDMA无线DTU,也可以采用串口服务器的有线通讯方式。短信报警采用短信Modem实现,设备通过串口安装在数据中心服务器,报警软件由数据中心集成。

3系统功能

以徐州市淮海石膏矿为例,监管部门可以通过B/S界面实现远程登陆[5],对辖区内所有矿山企业进行监控,系统界面(图3)按照企业-矿山-矿区三级目录汇总信息,以矿业权边界和井巷数据作为空间参考,通过监控设备对井下的开采设备进行捕捉,定时更新井下开采信息。系统功能主要包括全程监控、图形处理、实时监控和越界告警与迎头跟进4大部分。企业管理对矿山企业信息和企业空间范围进行管理,包括增加企业信息、企业信息查询和删除企业信息等功能。设备管理是对监测设备、RFID卡进行管理和维护,包括查看设备和修改设备信息。设备信息包括设备编号、名称、类型和卡号。监控点信息包括监控点编号及监控点名称、监控企业名称、所属企业、监控类型、告警电话,监控点查询可以根据监控点名称、企业名称、DTU编号进行查询。历史轨迹是用轨迹线形式描述某一设备在一定的时间段内的路由信息,直观的显示设备的运动轨迹。越界告警是指设备非法闯入边界区域。迎头跟进是指迎头前移,定位分站找不到迎头生产设备,指示该分站应相应跟进前移。

四、结语

矿产资源开采多涉及地表和地下多层空间,从开采到生产贯穿多个流通环节,在当前集约利用资源的大背景下,针对矿产资源开采的监管需要及时掌握矿山资源开发现状及动态变化情况,而矿产资源开采远程监控系统就是突破“静态管理”和“被动管理”,实现“动态管理”和“主动管理”的重要手段。本文通过综合物联网和WebGIS的技术优势,针对矿产资源开采越层越界、产量核定等突出问题,给出了一套矿山物理网建设方案和监控平台建设方案,并通过具体实例检验了核心业务和系统功能。同时,在系统建设过程中,也发现了一些难点。比如在国土资源涉密网络中,内外网信息交换机制;监控设备在井下高温、高压、高瓦斯环境下的安全运行等。随着国家进一步加大矿产资源开发整顿力度,物理网和WebGIS以及三维GIS的集成应用在矿产资源监管中将发挥巨大作用,逐步向“一张图管矿”,“矿地一体化”综合管理发展。(本文作者:宋韦剑、李淑贞、闵涛、李文胜单位:徐州市国土资源局、中国矿业大学环境与测绘学院、淮北市思苑科技有限公司)

矿产资源开采远程监控技术研究责任编辑:陈老师    阅读:人次
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