趙 軍
(山西省第三地質(zhì)工程勘察院有限公司,山西 晉中 030600)
地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要儲(chǔ)備經(jīng)濟(jì)資源中最重要的當(dāng)屬礦產(chǎn)資源,礦產(chǎn)是很多現(xiàn)代化工業(yè)的原料,工業(yè)產(chǎn)值的提升可以推動(dòng)城市化建設(shè)。城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的體現(xiàn),而資源儲(chǔ)存量也是國(guó)防實(shí)力的象征。國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要[1],國(guó)土資源部的地質(zhì)調(diào)查局立志于使用各種有效手段掌握礦產(chǎn)資源開發(fā)和儲(chǔ)備情況,并根據(jù)現(xiàn)有資源和為開采已探知的資源對(duì)礦產(chǎn)資源的使用進(jìn)行規(guī)劃,監(jiān)督地方政府和企業(yè)執(zhí)行。通過礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦山的無證開采現(xiàn)象,部分礦山還存在以勘探的名義進(jìn)行開采的現(xiàn)象。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)可以監(jiān)測(cè)違法行為,違法開采會(huì)導(dǎo)致礦產(chǎn)資源開采的浪費(fèi),并破壞市場(chǎng)的供需平衡。過度的開采會(huì)造成生態(tài)環(huán)境問題和土地資源的破壞,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以監(jiān)測(cè)到礦山的環(huán)境污染和地質(zhì)災(zāi)害,并及時(shí)采取措施,避免對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。違規(guī)開礦不利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,也不利于礦產(chǎn)的有效資源分配。傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源的統(tǒng)計(jì)利用遙感和定位技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)范圍有限,違規(guī)開礦等問題數(shù)據(jù)真實(shí)性有待考證,尤其在礦產(chǎn)資源豐富的地區(qū)[2],私自開采現(xiàn)象屢禁不絕。很難實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)管。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,大數(shù)據(jù)可視化的監(jiān)察系統(tǒng)在各行業(yè)領(lǐng)域中被熟練應(yīng)用,在礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中,可以利用大數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)支撐。采用大數(shù)據(jù)與定位監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的方式,在系統(tǒng)中輸入監(jiān)測(cè)地區(qū)的地理信息,完成礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件對(duì)能耗有一定要求,應(yīng)在滿足系統(tǒng)性能的前提下盡量保證性能功耗。傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線傳感器,為系統(tǒng)提供自組織無線網(wǎng)絡(luò)。但傳感器的節(jié)點(diǎn)具有休眠特性,因此需要電池作為續(xù)航電力。在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖
傳感器的節(jié)點(diǎn)作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收處理中心,要求在大數(shù)據(jù)的背景下具有高效處理數(shù)據(jù)的能力,如圖1所示,在傳感器中安裝微處理器協(xié)助傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理控制模塊中微處理器與相連接[3],天線主板和接口的底板之間依靠多腳插針連接在一起,為了滿足供電電路中的日常交流電可以被隨時(shí)被轉(zhuǎn)換為10V一下的低電壓電流,在電路中安裝CC7740整流穩(wěn)壓器,通過整流和穩(wěn)壓手段進(jìn)行直流電壓的轉(zhuǎn)換。為微型處理器供電,3V直流電源為USB接口電路供電,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的監(jiān)測(cè)從安全性考慮,應(yīng)控制一定的監(jiān)測(cè)距離,根據(jù)傳感器的感知范圍,決定安裝個(gè)數(shù),安裝的傳感器和節(jié)點(diǎn)的比例為4:1,電腦直接與節(jié)點(diǎn)采用虛線網(wǎng)絡(luò)連接,可以避免建設(shè)信號(hào)基站,節(jié)省費(fèi)用。
用于礦山資源的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單片機(jī)的型號(hào)為C52933706,該單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)是整體的功耗較低,但是并不耽誤該單片機(jī)的工作效率,單片機(jī)擁有CMOS微處理器,單片機(jī)的芯片是經(jīng)過改造的高性能芯片。芯片的編寫程序?yàn)镕LASH快速擦寫編程程序,可以滿足礦山數(shù)據(jù)雜亂的程序存儲(chǔ)要求,在制造芯片的時(shí)候?yàn)榱吮WC芯片的高存儲(chǔ)性采用高集成固定存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存,單片機(jī)與其他的硬件結(jié)構(gòu)相連接要求硬件之間的程序指令系統(tǒng)可以相互兼容,這就需要統(tǒng)一引腳的排列方式,本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所需要的單片機(jī)是功能性較好的一款,其中振蕩器和時(shí)鐘的電路采取并聯(lián)方式,并帶有備用電源。CPU的位數(shù)為16位,且芯片的程序存儲(chǔ)器的字節(jié)數(shù)是正常存儲(chǔ)器的2倍,芯片的外觀小巧精致為節(jié)省硬件的空間作出了貢獻(xiàn)。存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間均為都高達(dá)到256字節(jié),礦山監(jiān)測(cè)的大量數(shù)據(jù)都可以被無遺漏的進(jìn)行保存。卻存儲(chǔ)區(qū)外還有4個(gè)寄存器與之相連,可以起到擴(kuò)容的作用,單片機(jī)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)中有一個(gè)是設(shè)計(jì)了足夠多的接口,以便可以和大量的并行接口相連接。芯片自身與電源相連接且可以智能啟動(dòng)電源的上電功能,在系統(tǒng)出現(xiàn)低電的情況下及時(shí)進(jìn)行電量的補(bǔ)救。芯片主要起到全方位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能,WDT監(jiān)控計(jì)時(shí)器是該芯片的一大亮點(diǎn),芯片可以監(jiān)測(cè)單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。并與單片機(jī)的程序進(jìn)行連接,共有兩種監(jiān)測(cè)狀態(tài),一種是進(jìn)行24小時(shí)的全天候監(jiān)測(cè),主要用于系統(tǒng)剛推行使用的階段,另一種是每間隔一定的單位時(shí)進(jìn)行一次監(jiān)測(cè),單位時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。對(duì)WDI引腳進(jìn)行正脈沖的監(jiān)測(cè),如果發(fā)生正脈沖的數(shù)值不正常的情況,說明發(fā)生了特殊的情況,需要對(duì)芯片的MAX813L的信號(hào)接收模塊進(jìn)行修正,輸出一個(gè)200ms的正脈沖的復(fù)位信號(hào)恢復(fù)程序的正常運(yùn)行。在與芯片連接的RESET端與正電源進(jìn)行相連,為了避免電源發(fā)生故障,需在電源上連接電源電壓監(jiān)視器隨時(shí)進(jìn)行電壓的監(jiān)測(cè),并在系統(tǒng)信號(hào)恢復(fù)的時(shí)候進(jìn)行電壓的監(jiān)測(cè),電壓的標(biāo)準(zhǔn)范圍為4.50V~5.50V,在此區(qū)間內(nèi)可以正常的進(jìn)行礦山信號(hào)的接收和發(fā)送。將單片機(jī)的兩端分別和傳感器以及MR端和地線進(jìn)行連接,在系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候也可通過手動(dòng)的方式進(jìn)行硬件的強(qiáng)制關(guān)機(jī)。
傳感器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間是通過R1Q476串口通信進(jìn)行連接的。二者之間的通信參數(shù)為8位數(shù)據(jù)位且無需校驗(yàn),信號(hào)的波特率為45.37kbps,為完成系統(tǒng)之間的通信,傳感器節(jié)點(diǎn)與上機(jī)位之間需要統(tǒng)一的通訊協(xié)議[4],建立單工通信總線,并設(shè)計(jì)統(tǒng)一的信息發(fā)送端,上位機(jī)調(diào)整為客戶端模式可實(shí)現(xiàn)n個(gè)接收端同時(shí)開放。接收端接收傳感器的數(shù)據(jù),依靠無線網(wǎng)絡(luò)連接并向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收請(qǐng)求。傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)響應(yīng),通信模式如圖2所示。
圖2 上位機(jī)通信模式
采用ZStack2021平臺(tái)利用多任務(wù)操作系統(tǒng)構(gòu)建資源的管理層。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)的注冊(cè)、登錄、運(yùn)行等功能。在系統(tǒng)運(yùn)行期間進(jìn)行終端數(shù)據(jù)處理。
大數(shù)據(jù)的背景下,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控通訊功能是依靠可視化通訊線程來實(shí)現(xiàn)的,節(jié)點(diǎn)的通訊命令依靠主線程向上位機(jī)提交,但主線程只有提交命令的功能,名命令的執(zhí)行由剩余的線程和傳感器節(jié)點(diǎn)完成[5],在提交命令的任務(wù)完成后,主線程有監(jiān)督任務(wù)完成的義務(wù),隔一段時(shí)間就要對(duì)命令的完成情況進(jìn)行檢查,并循環(huán)檢查的直到命令完全執(zhí)行完畢。處理單元負(fù)責(zé)對(duì)通訊應(yīng)用功能命令的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通信線程包含高優(yōu)先級(jí)命令隊(duì)列和低優(yōu)先級(jí)命令隊(duì)列兩部分[6]。按照通訊命令的重要程度決定交給哪個(gè)隊(duì)列進(jìn)行處理,通訊應(yīng)用功能命令可以通過節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)傳輸,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件除了傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)軟件外還有上位機(jī)的動(dòng)態(tài)信息傳送軟件。傳感器節(jié)點(diǎn)的將傳感結(jié)果上傳到上位機(jī),然后通過通訊接口接收命令,并在大數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸,傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)中,頻繁的傳輸會(huì)造成節(jié)點(diǎn)能量快速消耗,因此基于礦區(qū)儲(chǔ)量的變化特征,加入射頻模塊協(xié)助節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),來延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。傳感器未關(guān)閉,即使節(jié)點(diǎn)休眠也不會(huì)導(dǎo)致工作中斷。
將礦產(chǎn)資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的空間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)作為本系統(tǒng)的重點(diǎn)。收集礦山的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的相關(guān)圖像或視頻的數(shù)據(jù),采用專業(yè)的遙感圖像軟件輔助資料的破譯。并結(jié)合礦山的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比,在成果展示模塊可以采用ArcGIS等工具進(jìn)行模塊的搭建。采用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)礦山的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并對(duì)該地區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)?;诖髷?shù)據(jù)可視化的立體化特征,礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的成果展示可以采取空間變化模擬的方式進(jìn)行展示,可以更加具體和細(xì)節(jié)的展示出產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的結(jié)果,方便人們對(duì)此進(jìn)行分析。將各類專題圖件融入到系統(tǒng)的成果展示模塊中,將數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行立體化的展示,相關(guān)的部門進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)的時(shí)候,可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化空間模擬的檢測(cè)成果。
數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換規(guī)則設(shè)定應(yīng)考慮礦山與周圍環(huán)境之間的關(guān)系,大數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)在進(jìn)行監(jiān)控凸顯展示的時(shí)候,由于礦山的生態(tài)空間有一定的交錯(cuò)現(xiàn)象,因此會(huì)出現(xiàn)大面積的圖像聚合現(xiàn)象。為了避免成果展示模塊展示出的監(jiān)測(cè)圖像不清晰,進(jìn)行細(xì)節(jié)的有優(yōu)化,圖像和實(shí)際情況具有偏差主要是因?yàn)?,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)向圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)化的時(shí)候的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化閾值的設(shè)置出現(xiàn)了問題,成果展示的模型如果出現(xiàn)轉(zhuǎn)化閾值問題,就會(huì)導(dǎo)致圖像的失真,尤其是礦山處于較為復(fù)雜的環(huán)境下的時(shí)候。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化當(dāng)中,概率閾值可以降低圖像轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定性。在轉(zhuǎn)化的類型變化閾值完全滿足數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的要求的時(shí)候,圖像才能完全符合成果展示模塊的要求,為了限制礦山空間頻繁的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致了數(shù)據(jù)變化引入閾值,控制監(jiān)控的細(xì)節(jié),考慮到礦山所處的自然環(huán)境具有一定的隨機(jī)變化性,概率閾值的表達(dá)式為:
上述公式中,a為該愛中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換成功概率值,b為隨機(jī)的整數(shù),但b的取值范圍為(0,1)。
動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果報(bào)表中要展示檢測(cè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果,因此,礦山資源評(píng)價(jià)是研究該礦山的資源利用的有效手段。因此在對(duì)礦山資源的監(jiān)測(cè)結(jié)果報(bào)表的數(shù)據(jù)支撐的應(yīng)試經(jīng)過評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)。在本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)礦產(chǎn)資源的評(píng)價(jià)是在資源的類型的確立的基礎(chǔ)上,并根據(jù)國(guó)家的要求對(duì)評(píng)價(jià)的因子進(jìn)行選定,本文系統(tǒng)的評(píng)價(jià)報(bào)表上顯示以下因子,礦產(chǎn)的種類、礦產(chǎn)的分布范圍和礦產(chǎn)的資源數(shù)量,在成果展示模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換,包括礦山的資源圖片和礦山的地形圖。在報(bào)表生成之前要建立數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)中收集的數(shù)據(jù)為該礦山的評(píng)價(jià)因子。而對(duì)因子的評(píng)價(jià)分析方法采取的是降維處理成分分析法,對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行綜合權(quán)重的確定,在傳統(tǒng)的因子確定方面,采用的是代表性因子權(quán)重確定法,而本文設(shè)計(jì)的方法則是為所有的因子都進(jìn)行了權(quán)重的計(jì)算,這樣得出的結(jié)果更加準(zhǔn)確。
當(dāng)需要指定生成某項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的報(bào)表的時(shí)候,可以將指標(biāo)進(jìn)行處理,系統(tǒng)中進(jìn)行該項(xiàng)指標(biāo)的查詢。會(huì)自動(dòng)給出礦山該指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)。也可以進(jìn)行需要年份的查詢,數(shù)據(jù)庫(kù)中會(huì)基于上一步的成果展示顯示變化明顯的數(shù)據(jù),在系統(tǒng)中設(shè)置正常數(shù)據(jù)的閾值,就能智能化的挑出不正常的數(shù)據(jù),并進(jìn)行明顯的標(biāo)記。通過多年分析得到各項(xiàng)指標(biāo)的時(shí)間序列變化情況,達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。
動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)和信息非常全面,因此用戶需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理,系統(tǒng)使用的文件型數(shù)據(jù)庫(kù)在使用方便的同時(shí),安全性保障相對(duì)不高,大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)泄露事件頻頻發(fā)生,設(shè)置系統(tǒng)的登錄密碼和使用加密算法是基礎(chǔ)的防護(hù)措施,在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中采用Algorithm算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密,將文件進(jìn)行A級(jí)加密后還可以加上用戶的私人密鑰,并將龐大的數(shù)據(jù)包進(jìn)行壓縮。在數(shù)據(jù)庫(kù)中即使非法竊取數(shù)據(jù)的人員得到了數(shù)據(jù)包也無法打開[7]。在用戶需要的時(shí)候可采用采集數(shù)據(jù)的原始密碼打開數(shù)據(jù)包,并對(duì)儲(chǔ)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。生成相應(yīng)的報(bào)表。實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)可視化的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性,對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行測(cè)試。與傳統(tǒng)的遙感礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比,哪個(gè)系統(tǒng)平面監(jiān)測(cè)精度和儲(chǔ)量精度更高。
使用三種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)某礦山進(jìn)行礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),該礦山位于高原地區(qū)海拔在2500m以上,礦山中的井田總面積為50km2,礦層的平均厚度為2.5m,礦層傾角為20°以下。礦井之間的間距為20~25m,整個(gè)礦山的地質(zhì)條件并不復(fù)雜。通過歷史數(shù)據(jù)可以看出地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,該礦去年的瓦斯涌出量達(dá)到182.37m3/min,礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器的監(jiān)控地點(diǎn)如表1所示。
表1 系統(tǒng)傳感器的安裝地點(diǎn)和參數(shù)
如表1所示:共設(shè)置五個(gè)傳感器安裝點(diǎn),對(duì)該礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量進(jìn)行全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)控。
分別使用本文設(shè)計(jì)的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的遙感礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該地區(qū)的礦產(chǎn)儲(chǔ)量進(jìn)行監(jiān)測(cè),平面監(jiān)測(cè)精度和儲(chǔ)量精度結(jié)果如表2。
表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示,通過數(shù)據(jù)對(duì)比我們可以清晰的看出,無論是平面精度還是儲(chǔ)量精度,本文設(shè)計(jì)的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度偏差更小,尤其是儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)精度,比傳統(tǒng)的遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)偏差小了5t。
本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)基站的依賴,并提高了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)精度,督促礦山的開采者遵紀(jì)守法,在合法的范圍內(nèi)進(jìn)行礦產(chǎn)的開發(fā)。