矿山远程监管系统研究

陆世东，李文胜，杨文森，曹千红，张 玲

(1.湖北省土地规划勘测院，湖北武汉 430071;2.淮北市思苑科技有限公司，安徽淮北 235000;3.中化地质矿山总局湖北地质勘查院，湖北荆州 434020)

矿山远程监管系统研究

陆世东1，李文胜2，杨文森1，曹千红1，张 玲3

(1.湖北省土地规划勘测院，湖北武汉 430071;2.淮北市思苑科技有限公司，安徽淮北 235000;3.中化地质矿山总局湖北地质勘查院，湖北荆州 434020)

为提高矿山监管工作效率，加强矿山执法力度，以自动化取代监管部门人工巡查，实现对矿山越层越界开采等违法行为的远程监管，需采用物联网和GPS定位技术，为井下开采矿山的工作人员和开采设备配备射频卡，在矿山关键位置处配备读卡分站等定位设备;为露天矿山关键开采设备安装GPS定位设备。并利用已部署的定位设备的监测数据，开发出具备地理信息数据浏览、实时监控、历史轨迹回放、越层越界报警、短信报警等功能的监控软件。

远程监管;矿山;监控设备

0 引言

近几年，国家先后出台了一系列关于矿产资源管理的法律法规和政策，推动了矿业的健康发展，同时也促进了基层矿政管理水平的提高。但是，矿产资源开发中违法违规现象仍时有发生，难以杜绝。存在不按批准的开发利用方案采矿、资源利用率低、资源浪费严重、超层越界采矿、争抢资源、监管滞后等问题。上述问题巡查监管难度很大，所花费的人力物力也很大。因此，要尽快研发完善的、高效的、性价比高的矿山远程监管系统，探索一条科技管矿的新路子，建立起一套矿产资源开发监管的长效机制。通过远程监管，能够实时了解矿产资源开发状况，掌握矿山采矿活动信息，判定是否越界开采，促进矿业秩序好转，稳定矿山生产安全形势［1］。

1 系统原理

采用物联网和GPS定位技术，对开采设备和工作人员位置和轨迹进行远程监测，以判定是否越层越界开采。系统原理如图1。

(1)井下开采监控 井下开采使用物联网技术，为工作人员、开采设备(采掘设备、矿车等)配备RFID射频卡，通过在各巷道关键位置和边界位置部署读卡分站进行位置监控，判断是否越层越界开采［2］;

(2)露天开采监控 露天开采通过卫星进行GPS监控，为关键开采设备(挖掘机、铲车、运输工程车等)安装GPS监控模块，通过无线GPRS模块把位置信息传输至数据中心，对比矿界判定是否越界开采。

图1 矿山开采远程监控原理图Fig.1 Schematic diagram of mining remote monitoring

2 系统结构

2.1 井下开采监控

对于井下开采矿山，远程监管系统结构图如图2。

系统组成及各部分功能如下：

(1)RFID射频卡 在目标移动设备上配备，通过定位分站进行非接触式信息读取，存储唯一卡号信息。射频识别设备的最大特点就是可在较大的范围内同时快速、可靠的识别许多无线标识卡，并具有微功率、识别率高、高抗干扰性、稳定可靠等优点。而且结构设计合理、体积小巧，非常便于安装和维护。

(2)定位分站 读取RFID射频卡信息，上传卡号、时间和位置信息。

(3)通讯分站 采集各定位分站信息，汇总传输至传输接口。

(4)传输接口 采集各通讯分站数据，按照通讯协议进行数据封装，汇总传输至井口人员定位数据库服务器。

(5)矿山监控服务器 存储人员定位系统数据，安装在矿山。

(6)数据交换组件 实时监控工具软件，部署在矿山监控服务器，24 h不间断提取人员定位信息并发送至通讯总站。

(7)通讯总站 把数据交换组件采集到的信息进行封装，通过GPRS或者光纤传输至国土监控中心。

(8)数据传输网络 井下监控数据通讯采用485工业总线或者工业以太网总线传输到矿山监控服务器。矿山监控服务器采用互联网TCP/IP传输方案，使用无线GPRS或光纤将监控数据传输到国土监控中心［3］。

图2 井下开采远程监管系统结构图Fig.2 Structure diagram of remote mine monitoring and management system

2.2 露天开采监控

对于露天开采矿山，远程监管系统结构图见图3：

图3 露天开采监控结构图Fig.3 Structure diagram of open － pit monitoring

系统组成及各部分功能如下：

(1)GPS定位模块 安装在工程机械上，获取设备经度、纬度、高程等位置信息;

(2)GPRS传输模块 将位置信息传输到国土监控中心。

3 监控设备部署及参数

3.1 定位分站部署

(1)安装位置 各个移动目标出入井口、采掘工作面出入口、边界、巷道分支处、井下交通要道处;

(2)安装物理环境 便于读卡、观察、调试、检验、围岩稳定、支护良好、无淋水、无杂物的位置;

(3)设备参数 ①有线传输速率：1 200 bps;②无线工作频率：2.4 GHZ;③ 调制方式：O—QPSK;④ 防爆类型：本安;⑤ 防护等级：IP54;⑥ 工作温度：－10～60℃;⑦环境湿度：≤95%(+25℃);⑧工作电压：DC12 V;⑨工作电流：≤200 mA。

3.2 RFID标识卡部署

(1)安装对象 人员、矿车、铲车、机车、罐笼等移动目标设备应配备、安装RFID标识卡，标识卡总数至少比经常下井移动目标总数的50%还多。

(2)安装物理位置 标识卡应设置在便于读卡、观察、调试、检验、保护良好、防碰撞位置。

(3)设备参数 ① 工作电压：DC 3.7V;② 工作电流：启动状态时≤5 mA，发射状态时≤50 mA，休眠时≤350 uA;③ 发射频率：(2.405 ±0.03)GHz;④ 发射功率：－30～0 dBm;⑤发射距离：与读卡分站通信距离≥30 m;⑥调制方式：O—QPSK;⑦编码范围：1～8 000。

3.3 通讯分站、传输接口部署

通讯分站装在各定位分站汇聚节点处，物理环境要求便于读卡、观察、调试、检验、围岩稳定、支护良好、无淋水、无杂物的位置;传输接口一般安装在服务器位置处，设置在调度中心机房。

传输分站功能：

(2)接收下级数据 接收读卡分站传来的人员信息数据，并对相应数据进行解包处理、存储、显示等。

(3)设备参数 与接口的通信(主485通讯)：①传输方式为RS485、主从、半双工;② 传输速率为1 200/2 400 bps;③ 信号电压峰值为3.5～10 V;④最大传输距离为≥10 km。

与读卡分站的通信(从485通讯)：①传输方式为RS485、主从、半双工;② 传输速率为2 400/4 800 bps;③信号电压峰值为 3.5～10 V;④ 最大传输距离≥2 km。

3.4 GPS 定位设备

GPS定位设备安装在目标设备隐蔽处确保不被损坏;天线外露，保证信号无屏蔽;电源要求和发动机同线路，保证目标设备发动时同时启动定位设备。

4 监控软件设计及实现

监控软件可以基于矿产开采平面图，也可以基于矿山三维实体模型。对于露天开采以及只有一个中段面开采的矿山，推荐采用基于矿产开采平面图建立监控软件系统;对于具有多个中段面开采的矿山，推荐采用基于矿山三维实体模型建立监控系统。监控软件功能如下。

4.1 矿山数据浏览

实现矿山开采平面图或矿山三维实体模型浏览。矿山开采平面图数据浏览含地图浏览、图层控制、属性查询、测量、图例等功能;三维实体模型浏览含矿山实体交互、编辑等功能。

为此，我还设立了广东省首个校内“特色教育处”，围绕“一生一兴趣，一生一特长”的目标，努力帮助学生寻找自信的基点，全面发展。

4.2 远程监控

(1)实时监控 实时监控主要是对某一个监控点进行实时监控，功能有实时显示该监控点设备种类及数量;监控各定位分站报警信息;监控设备实时位置，(如图4)。

图4 实时监控软件界面Fig.4 Software interface of real－ time monitoring

(2)历史轨迹 通过读取矿山监控数据库服务器上一个或多个人员(设备)的历史位置信息，回溯和重现人员及采矿设备在井下任意时间的三维坐标位置和活动状态，监控采矿状况。历史数据可以用于优化采矿资源配置，还可用于矿山事故发生后，定位被困人员的位置，展示被困的井下环境，指导科学搜救［4］。

(3)迎头跟进 显示需要前移的迎头定位分站(见图5)。

图5 显示迎头跟进Fig.5 Map of displaying follow － up

(4)越界报警 显示越界开采的矿井及越界的定位信息(见图6)。

图6 显示越界报警Fig.6 Map of displaying over－ time alsrm

(5)路由信息 显示设备经由定位分站的详细信息。

(6)故障分站 显示发生故障的定位分站。

(7)短信报警 将越界报警信息通过手机短信的形式发送到相关人员手机上。

(8)显示在线设备 在线设备指当前时刻被定为分站捕获的移动目标，在线设备及人员高亮显示，同时显示出设备类型(人员、矿车、铲车、挖掘机等)，不在线则变灰。

4.3 后台管理

后台管理对系统进行管理和数据初始化，功能如下：

(1)监控点管理 添加和修改监控点;

(2)定位分站管理 通过电子地图界面为每一个监控点添加定位分站，并且设置定位分站属性。

5 结语

矿山远程监管系统已经在湖北省大冶市、夷陵区以及山东省苍山县等地多家矿山实施。实践表明，矿山远程监管系统的开发和部署，以自动化取代了人工巡查，提高了工作效率，加强了执法力度，既减轻了国土资源等管理部门的压力，也为矿山企业带来了经济效益。

［1］吴冲龙，田宜平，张夏林，等.数字矿山的建设理论与方法探讨［J］.地质科技情报，2011(2)：102 －108.

［2］刘斌，周俊.关于矿山巷道信息系统建立的探讨［J］.江西测绘，2008(4)：13 －15.

［3］陆世东，杨文森，胡凯，等.矿业权实地核查数据质量检查软件研究［J］.地理信息世界，2010(6)：83－85.

［4］吴冲龙，田宜平，张夏林，等.数字矿山建设的理论与方法探讨［J］.地质科技情报，2011(2)：102 －108.

Study on the Remote Mine Monitoring and Mangement System

LU Shidong1;LI Wensheng2;YANG Wensen1;CAO Qianhong1;ZHANG Ling3
(1.Hubei Land Planning＆Surveying Institute，Wuhan，Hubei430071;2.Huaibei Siyuan Technology Company，Huaibei，Anhui2350003;3.Hubei Geological Exploration Institute，China Chemical Geology and Mine Bureau，Jingzhou，Hubei434020)

To improve the efficiency of mining supervision，strengthen the mining law enforcement，the authors replace the manual inspection by automation，and realize the remote monitoring and management of mine exploitation.Persons and mining equipment should be equipped with radio frequency card.At key positions are equipped with card readers and other pointing device.For the open mine，key mining equipment should be installed GPS positioning equipment.Finally the authors use the positioning devices data to develop the monitoring software with GIS data browsing，real－time monitoring，historical track playback，the more cross－border level alarm，SMS alarm and other functions.

remote monitoring and management;mine;monitoring equipment

F407.1;TD65

B

1671－1211(2012)02－0176－04

2011－12－31;改回日期：2012－01－16

陆世东 (1983－)，男，工程师，大地测量学与测量工程专业，从事地理信息系统及基础测绘的相关工作。E－mail：lusd1314@163.com

潘 潇)