基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風險預警系統(tǒng)應(yīng)用

李 鵬，王 鵬

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊，新疆 烏魯木齊 830000）

礦山生產(chǎn)建設(shè)過程當中面臨的地質(zhì)環(huán)境非常復雜，造成水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，危害性不斷加大，如何有效防治礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害，受到了礦山企業(yè)及各級政府的高度重視。以信息化、智能化現(xiàn)代技術(shù)為應(yīng)用先導，構(gòu)建科學預測、有效防控和高效應(yīng)急重大地質(zhì)災(zāi)害保障體系，確保早期發(fā)現(xiàn)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害，增強防范能力具有十分重要的現(xiàn)實意義。但是礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害，具有隱蔽性，突發(fā)性和破壞性強的特點，極大的增加了防范難度。而且在監(jiān)測預警礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害過程當中，不能及時收集相關(guān)信息，信息覆蓋面還存在很大不足，一些復雜性、隱蔽性礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害尚不能監(jiān)測到位。面對這種現(xiàn)狀，如何實現(xiàn)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展成為當前亟待解決的重要問題。基于此，本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)綜合應(yīng)用，構(gòu)建出一套礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警體系，在監(jiān)測預警礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害方面取得了巨大成績，使監(jiān)測預警的及時性、全面性、準確性得到大幅提升，為防治礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害奠定了堅實的基礎(chǔ)。

地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測預警技術(shù)涉及通訊、傳感器、采集和分析數(shù)據(jù)等物聯(lián)網(wǎng)和計算機學科。該系統(tǒng)的組成主要包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、預警預測、專家決策、信息發(fā)布與管理等各種子系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對崩塌、滑坡、泥石流等各種災(zāi)害體進行監(jiān)測，了解與掌握這些災(zāi)害體在時空域產(chǎn)生的變形情況了解與掌握其誘發(fā)因素，動態(tài)掌握災(zāi)害體是否穩(wěn)定及其變化趨勢。在對災(zāi)害體變化異常進行分析過程當中系統(tǒng)利用遠程語音、手機短信以及LED聲光警示等各種方法，并可借助氣象信息發(fā)布通道，指導相關(guān)人員針對地質(zhì)災(zāi)害采取科學有效的預防與規(guī)避措施，控制和減少地質(zhì)災(zāi)害造成的不良影響[1]。

1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

提出物聯(lián)網(wǎng)這一概念主要是為了保證實體間能夠更好的進行溝通，實現(xiàn)信息傳遞。其定義較為簡單，就是利用傳感器、電子標簽、激光掃描以及通訊分組無線服務(wù)技術(shù) (GP R S) 連接互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息通訊與交換，達到查看、瀏覽以及定位處理等各種功能技術(shù)手段。

1.2 礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的主要類型及其影響

崩塌、滑坡、泥石流、地面裂隙、沉降、塌陷等都是礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的重要類型，不僅有著十分廣泛的分布，而且還有著頻繁的活動特點，具有較大的危害性。降雨和地震是導致這種災(zāi)害發(fā)生的重要誘發(fā)因素。尤其是崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害不斷發(fā)生頻繁而且造成的破壞性非常大。

1.3 礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景

監(jiān)測預警地質(zhì)災(zāi)害是一項長期性的工程，非常艱巨，極大地增加了監(jiān)測預警難度，而在監(jiān)測預警過程當中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，使得傳統(tǒng)監(jiān)測手段存在的不足得到有效彌補，還使得礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測效率和質(zhì)量得到有效保障，指導相關(guān)人員采取有效措施防治礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害。所以在礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測過程當中，構(gòu)建以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的監(jiān)測平臺，可以實時動態(tài)的監(jiān)測礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害情況，了解和掌握這些災(zāi)害發(fā)生頻率，在有突發(fā)性災(zāi)害出現(xiàn)時，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺，便可對災(zāi)害做出及時有效的監(jiān)測與預警，在此基礎(chǔ)上分析決策，及時的發(fā)布信息，控制和減少災(zāi)害帶來的損失。近年來，各礦山企業(yè)越來越重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，并在礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警以及防災(zāi)減災(zāi)方面發(fā)揮了巨大的作用。

1.4 礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警過程當中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)具有的特點與優(yōu)勢

礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害不僅發(fā)生頻率高，而且還有著較大的破壞性，傳統(tǒng)的監(jiān)測預警手段存在的弊端不斷凸顯，特別是數(shù)據(jù)監(jiān)測準確性及待提升，而且還需要大量的人力投入，難以動態(tài)實時監(jiān)測等。而在礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測過程當中，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的動態(tài)監(jiān)測平臺，將GP R S 技術(shù)、傳感技術(shù)、射頻識別技術(shù)、ZigBee 技術(shù)以及智能識別技術(shù)等綜合應(yīng)用，來標記各種災(zāi)害體，同時將所標記的災(zāi)害體有關(guān)信息進行采集以及傳輸，為有關(guān)部門提供參考，分析處理物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺獲取到各類災(zāi)害的信息，以便更加有效地開展礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)工作?；谖锫?lián)網(wǎng)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警系統(tǒng)具有的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）可以實時動態(tài)遠程監(jiān)控，不必投入大量的人力資源。

（2）能夠精準全面的采集、傳輸、接收所監(jiān)測到的信息數(shù)據(jù)，具有很高的定位精度[2-5]。

（3）非常靈敏的災(zāi)害預警，快速反饋信息，以便有效采取措施應(yīng)對災(zāi)害。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系三層架構(gòu)涉及礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測技術(shù)體系(圖1)，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。感知層是利用現(xiàn)代化的監(jiān)測設(shè)備來采集上報相關(guān)數(shù)據(jù); 網(wǎng)絡(luò)層是借助通訊網(wǎng)絡(luò)來傳輸相關(guān)數(shù)據(jù);應(yīng)用層負責對傳輸數(shù)據(jù)的接收，并分析應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，及時發(fā)布信息。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)實現(xiàn)了信息采集、集成、處理以及發(fā)布一體化，主要由采集、傳輸、處理、預警預測、專家決策、信息發(fā)布系統(tǒng)管理等各個子系統(tǒng)共同組成。基于現(xiàn)代通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，促進各個子系統(tǒng)彼此有效協(xié)同，實時、高效、動態(tài)的監(jiān)測礦山地質(zhì)災(zāi)害，極大地保證了礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測效率和質(zhì)量。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備充分利用，發(fā)揮相應(yīng)監(jiān)測設(shè)備與群測群防設(shè)備，動態(tài)實時監(jiān)測礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害，收集全面的信息資料，支持物聯(lián)網(wǎng)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風險預警系統(tǒng)高效應(yīng)用。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)將當前應(yīng)急衛(wèi)星資源充分利用，在公共網(wǎng)絡(luò)資源支持下，可以迅速地將野外監(jiān)測點獲取信息傳輸至中心平臺，不僅效率高，而且信息非常安全。在監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用的前端專用傳感器以及相應(yīng)儀表設(shè)備，可以借助ZigBee 自組網(wǎng)互聯(lián)上傳傳感信息，這些信息通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備采集之后，并基于4G、5G、北斗、WLAN等相關(guān)通訊接口向中心平臺傳輸進行控制。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

系統(tǒng)能夠融合分析處理采集到的動態(tài)實時傳感數(shù)據(jù)，將LOAP 聯(lián)機分析技術(shù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)充分利用，能夠更加智能化的分析獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)報表。

2.1.4 預測預警系統(tǒng)

地質(zhì)災(zāi)害體具體情況可以借助預測預警系統(tǒng)達到遠程動態(tài)監(jiān)控效果，如在監(jiān)測滑坡起是否存在裂縫位移，有無深層變形和相應(yīng)變形速率方面都發(fā)揮著非常重要的作用，還能實時監(jiān)測含金量出現(xiàn)的改變。災(zāi)害體可以利用預測預警模型，對其三維位移量進行計算，并對其變形速率進行預測模擬，在此基礎(chǔ)上獲取相應(yīng)圖形，全面綜合評價地質(zhì)災(zāi)害有關(guān)數(shù)據(jù)，來全面預測預警地質(zhì)災(zāi)害。

2.1.5 專家決策系統(tǒng)

系統(tǒng)與地理信息數(shù)據(jù)庫充分結(jié)合，通過獲取的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)、地質(zhì)構(gòu)造以及災(zāi)害數(shù)據(jù)，并利用GIS 來評估決策地質(zhì)災(zāi)害，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，建立相應(yīng)模型，在分析評價基礎(chǔ)上，對礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害進行更深層次的研究，并做出處置決策。

2.1.6 信息發(fā)布系統(tǒng)

將現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)充分利用，可以及時發(fā)布遠程信息，達到信息共享的效果。將各種信息發(fā)布形式科學應(yīng)用，并借助郵件、網(wǎng)頁或者短信形式發(fā)布相關(guān)信息，還可和氣象部門充分結(jié)合實現(xiàn)信息聯(lián)動發(fā)布，讓民眾對礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害預警信息充分了解和掌握。

2.2 實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將各類傳感器充分融合起來，可以針對物理事件及其態(tài)勢開展相應(yīng)的分析與推斷，并判別處理以及綜合分析多類多元以及多平臺傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)，相比較其他數(shù)據(jù)處理技術(shù)，該項技術(shù)不僅準確、可靠，而且效率高，可以全面連續(xù)性的綜合分析環(huán)境態(tài)勢。

2.2.2 SOA技術(shù)架構(gòu)

在礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測過程當中，涉及的數(shù)據(jù)資源整合非常的多，而借助面向服務(wù)(SOA)架構(gòu)，借助服務(wù)注冊管理以及服務(wù)路由有效接入業(yè)務(wù)與服務(wù)系統(tǒng)，分離業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)，便于更加靈活的定制整合業(yè)務(wù)流程。

2.2.3 基于 BI專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析技術(shù)

在該技術(shù)層面，可以更加全面的獲取和分析多源數(shù)據(jù)，并在展示過程當中利用表格、圖形等形式體現(xiàn)出來，實現(xiàn)聯(lián)機分析、智能、報表以及廣播等各種服務(wù)。數(shù)據(jù)連接分析以及自定義查詢，和數(shù)據(jù)挖掘分析、預警分發(fā)功能都可以基于BI 服務(wù)平臺來實現(xiàn)。

2.2.4 基于多復雜要素的突發(fā)事件過程數(shù)值仿真模擬技術(shù)

對各種突發(fā)事件內(nèi)部相應(yīng)因素數(shù)據(jù)參數(shù)和外部參數(shù)進行模擬計算，對突發(fā)事件發(fā)生發(fā)展情況充分了解和掌握，及時發(fā)現(xiàn)其中一些難以觀測到的現(xiàn)象，對突發(fā)事件做出有效的處置決策，再現(xiàn)其過程。

2.2.5 智能化識別

在地質(zhì)災(zāi)害視頻監(jiān)測過程當中利用該技術(shù)，依照視頻內(nèi)容具有的分析作用，借助各個攝像機在場景當中對不同報警規(guī)則的預設(shè)，如果有和場景內(nèi)必定規(guī)則不相符的情況出現(xiàn)，系統(tǒng)會及時做出報警，來更加智能化的對地質(zhì)災(zāi)害做出聯(lián)動報警[6]。

2.3 運行設(shè)計

系統(tǒng)基于Intemet 環(huán)境，結(jié)合B/S 與 C/S 模式，將WindowsServer 2008作為系統(tǒng)服務(wù)器端操作系統(tǒng)，Java2EE與Java 語言編程是主要的技術(shù)。選Oraclelog作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

3 結(jié)論

文中結(jié)合實踐對礦山水工環(huán)地質(zhì)監(jiān)測預警工作當中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用進行分析探討，將各類物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測信息充分的融合在一起，可以更加精準全面地對礦山水，工環(huán)，地質(zhì)災(zāi)害展開預警預測，提高決策準確性，還可以利用各種渠道進行發(fā)布。并基于七大子系統(tǒng)基礎(chǔ)上，更加全面的對礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害信息進行采集、傳輸、處理和發(fā)布。將礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測預警工作當中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有的作用優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，保證監(jiān)測預警信息更加全面及時，指導礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害防治工作高效開展，控制和減少此類災(zāi)害造成的不利影響，為礦山企業(yè)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。