基于无线传感网络的尾矿库监测预警系统

雷 霆 谭卓英

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 ；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；3.基康仪器(北京)有限公司，北京 100080)

基于无线传感网络的尾矿库监测预警系统

雷 霆1,2,3谭卓英1,2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 ；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；3.基康仪器(北京)有限公司，北京 100080)

针对尾矿库破坏特点，以降雨量、渗流为主监测对象，基于无线通讯技术，集成雨量计、渗压计、数据采集传输设备，构建了尾矿库数据采集系统，通过预警号、预警灯、无线预警模块组建了无线声光报警装置，形成了尾矿库无线预警系统；采用网络编程技术，以SQL Server2005为数据库平台，开发了集“感、传、知、用”于一体的尾矿库监测信息数据管理及分析预警软件，实现了监测信息及数据的远程管理、可视化操作、数据分析和远程预警。通过实际工程应用表明，系统能够快速获取并分析监测数据，及时准确地作出预警判断，系统对尾矿库工程安全运行具有重要指导意义。

尾矿库 无线传感网络 实时监测 远程预警

我国尾矿库规模小、数量多、安全度水平低，且较多小、中型尾矿库未经正规设计，存在较大的安全隐患。为了加强尾矿库大坝安全风险管理，预防尾矿库安全事故的发生，保障尾矿库及库区下游企业及人民群众的生命财产安全，建立尾矿库安全监测信息管理及预警系统是十分必要的。

尾矿库灾害的发生一般都是从渐变到突变的发展过程。因此，分析与灾害发生相关的物理量，采取适当的监测方式，通过获取影响灾害发生的相关物理量的数据变化过程，捕捉灾害前兆监测物理量的特征信息，就能有效判断尾矿库大坝失稳及灾害险情的发生，并合理决策及时预警，促进国家经济建设和保护人民生命财产安全。

传统的有线安全监测系统需要布置传感器、供电及通讯电缆，但尾矿库工程多处于偏远山区，周边环境恶劣，电缆沟开挖难度较大导致监测范围受限。而无线传感器监测系统不需开挖电缆沟及敷设电缆，通过太阳能供电系统及无线通讯模块进行信号传输，其具有测点布置范围广，低功耗环保等优点，比较适用于尾矿库工程的安全监测。史学涛、赵鸣等[1-2]将无线传输应用于大型结构健康监测，建立了结构健康远程监测系统。邬凯等[3-6]利用ZIGBEE和GPRS网络技术提高了数据无线传输的可靠程度，并基于网络编程技术和数据库平台，建立了边坡安全监测信息管理系统，实现了监测信息及数据的可视化和信息化。以上的研究及工程实例对尾矿库安全监测预警系统的研究有重要的借鉴意义，但均未对预警系统、预警装置、预警流程做深入研究，本研究结合尾矿库工程的特点，集成各类数据采集终端，基于数据库平台和网络编程技术，重点研究了预警装置及预警流程，开发了集“感、传、知、用”于一体的尾矿库监测预警系统，实现了尾矿库工程的远程预警。

1 系统结构

尾矿库工程监测预警系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括传感器、无线采集终端、通讯网关、预警装置、采集计算机及服务器、短信模块，如图1所示。硬件系统主要负责“感、传”，即感知物理量的变化，并将变化数据传输。软件系统包括数据采集及接收软件、数据分析及预警分析软件、数据库软件。软件系统主要负责“知、用”，即图形化展示物理量的数据变化，并将分析物理量的变化结果、结论应用于监测预警。

图1 尾矿库监测预警系统结构Fig.1 Monitoring and prewarning system structure for tailings

1.1 硬件系统

1.1.1 传感器

尾矿库破坏发生时往往伴随着坝体渗流的的增大，而降雨往往是发生渗流的诱因。在地形、地质等内部条件既定的条件下，诸多外部因素中降雨，尤其是大量的降雨或暴雨无疑就成了激发工程破坏的最主要外部因素之一。国内外已有许多研究者在充分考虑地形地貌、地质条件和力学性质等内在因素条件下研究降雨量、降雨强度和降雨过程与坝体失稳在时空分布上的对应关系，进而开展区域灾害预警预报研究，已取得了显著成效[7-8]。

因此，本系统确定了区域降雨量、坝体渗流为主监测量，雨量计、位移计作为主监测传感器。雨量计安装在坝顶，以便能够准确地采集现场降雨数据，渗压计安装在尾矿库坝体典型监测断面监测坝体渗流。

1.1.2 采集终端

由于尾矿库工程所处环境恶劣，传统的有线采集终端因布线量大，布线施工难度高，且监测范围有限，因此，选择具备无线短距离组网传输功能的小体积无线采集终端来测量传感器数据。

无线采集终端基于IEEE Std 802.15.4标准协议来实现无线短距离通讯[9]，低功耗设计适用于野外无供电环境，采用单晶硅太阳能电池板供电，确保设备连续工作，无需维护。无线采集终端包括测量模块、无线通讯模块、电源模块。测量模块主要功能是测量所接入传感器数据；无线通讯模块主要功能是将数据发送至通讯网关，并经通讯网关传输至数据采集与接收软件；电源模块包括太阳能电池板、电池、充电电路，主要功能是将太阳能转化为电能，使无线采集终端能够持续工作。

设备大多安装在环境恶劣，维护难度较大处，因此，为了节省设备功耗，无线采集终端采用超阈值自报数据的方式，即当测量的数据超过某个设置的值时才发送数据，但1 d之内至少发送1条数据以便判断设备是否正常运行。

1.1.3 通讯网关

通讯网关包含GPRS模块、北斗卫星模块、电源模块。其主要作用是将采集终端上报的数据，通过GPRS远程传输至服务器。由于尾矿库工程往往在偏远山区，GPRS信号较弱，因此，当GPRS信号传输失败时，通讯网关能够自动采用北斗卫星模块上传数据。

1.1.4 预警装置

预警装置包括：远程短信接收控制模块、预警号、电源模块。远程短信控制模块是预警装置的核心，其能够接受远程授权号码的短信指令，控制接入的预警号的供电，达到预警人员不用抵达现场而直接预警的效果，确保将预警信息及时传递给受预警的区域，防止意外发生。

1.1.5 采集计算机、服务器及短信模块

采集计算机安装数据采集接收软件，负责采集现场终端传感器的数据，并将其检验、入库；数据库服务器负责保存数据及相关信息；WEB服务器安装信息发布及预警分析软件，负责将数据及相关信息图形化展示、分析数据得出预警结论；短信模块与WEB服务器连接，负责发出预警短信给预警装置及相关管理人员。

1.2 预警流程

(1)无线采集终端及渗压计定时测量数据。

(2)当无线采集终端测量的数据超过设置在终端储存器中的阈值时，无线采集终端通过无线短距离信号将采集的数据发送至通讯网关。

(3)通讯网关通过GPRS或者北斗卫星将无线采集终端的数据上传至服务器的数据接收软件。

(4)数据接收软件将数据入库，同时预警分析软件分析该测值是否达到预警标准。

(5)如果数据超警戒值，则预警分析软件通过与服务器串口相连的短信模块向预警装置发送预警短信，预警号响，警告附近区域人员撤离，同时发送短信给相关管理部门及人员；如果数据未超警戒值，则不发出预警信号。

图2为预警流程图。

图2 预警流程Fig.2 Early warning flowchart

2 系统软件功能

尾矿库工程监测系统软件主要包括：数据接收软件、监测信息发布及预警分析软件。数据接收软件采用C/S结构，主要对现场上传的测量数据检验、入库；监测信息发布及预警分析软件采用B/S结构，主要负责将现场监测信息及数据进行图形化展示、预警数据的分析及查询。

2.1 监测信息及数据图形化展示

系统提供所有测点的监测信息的图形化展示功能，可在测点平面布置图及断面图上体现测点监测信息；系统提供多测点的单曲线及多曲线绘制功能，可根据传感器编号和自定义时间来查询选择物理量的测值。图3为系统的数据及曲线查询界面。

图3 数据查询界面(P5水位过程曲线)Fig.3 Inquiring of monitor data (P5 Water lever process curve)

2.2 预警值分析

2.2.1 雨量预警分析

尾矿库工程失稳灾害的发生与当天降雨及前期降雨特征密切相关，采用相关性分析及统计模型分析方法，分析降雨与失稳的耦合关系，建立雨量统计模型，确定尾矿库预警的降雨阈值，根据实时的降雨查询结果和统计图进行灾害预警。

同时，本系统可人工录入气象系统的降雨预报值，通过降雨量统计预警模块，达到提前预警效果。

2.2.2 渗流预警分析

尾矿库地质灾害的发生往往伴随着坝体的渗漏，将设计浸润线的渗压计水位测值设置进预警分析软件中，作为渗流预警的水位阈值。

3 工程实例

辽宁某尾矿坝工程安装了一套无线传感监测系统进行渗流监测。该工程监测管理中心站设在运行管理单位，现场设备有无线数据中心1套，无线终端10台，渗压计10支。图4为该工程现场设备平面布置图。该工程无线数据中心放置在坝顶JP2-3测压管附近，安装示意图如图5所示，该测点位置高程最高，与最远测点无线终端间可视距离约200 m，能满足无线传感网络通讯距离的要求。同时，现场采用5瓦太阳能电池板对无线数据中心和无线终端进行太阳能供电，保证了无线传感系统的持续工作。

目前该工程通讯状况良好，采集的数据可靠稳定，节省了大量的电缆土方开挖工作、安装调试工期及工程预算。

图4 辽宁某尾矿库工程平面布置Fig.4 Plan layout of monitoring devices in a tailing

图5 某尾矿库工程无线数据中心安装示意Fig.5 A case of Communication Gateway Device Installation in a tailing

4 结 论

(1)针对尾矿库失稳破坏机理选择了以雨量计和渗压作为主监测传感器；针对尾矿库施工成本高选择了以无线采集终端作为主要监测终端，以GPRS方式作为通讯网关远程通讯方式；针对尾矿库预警的高效性选择了以预警号及短信控制器作为预警装置；针对尾矿库设备维护难度大选择了以太阳能供电系统作为采集设备的电源，组成了稳定有效的尾矿库远程安全监测硬件系统。

(2)开发了尾矿库安全监测信息管理及预警发布软件，实现了对监测信息及数据的可视化、信息化管理、远程采集、数据分析及预警发布，为运行管理单位及时了解工程运行状态、快速决策及预警发布提供了强有力的平台支持。

(3)通过在辽宁某尾矿库监控中的应用，表明系统具有实时性、稳定性、高效性、低成本等特点。根据渗透压力和降雨的监测数据，能综合判断尾矿库的实时安全状况，为尾矿库的工程防灾减灾提供参考依据。

[1] 史学涛,赵 鸣.大型结构健康监测的无线传感器系统[J].结构工程师，2005，21(4):85-89. Shi Xuetao，Zhao Ming.Wireless sensing system for health monitoring of key structures[J].Structural Engineers，2005，21(4)：85-89.

[2] Lynch，Law .Validation of a wireless modular monitoring system for structures[C]∥Proceedings of SPIE 9th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials.San Diego:[s.n],2002:202-208.

[3] 邬 凯，盛 谦，张勇慧.山区公路路基边坡地质灾害远程监测预报系统开发及应用[J].岩土力学,2010，31(11):3683-3687. Wu Kai，Sheng Qian，Zhang Yonghui.Development of real-time remote monitoring and forecasting system for geological disasters at subgrade slopes of mountainous highways and its application[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31(11):3683-3687.

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(责任编辑 徐志宏)

School Civil and Enviromnental Engineering System of Tailing Pond bases on Wireless Sensor Networks

Lei Ting1,2,3Tan Zhuoying1,2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeijing，Beijing100083，China; 2.StateKeyLaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMinesofMinistryofEducation，Beijing100083，China; 3.GeokonInstruments(Beijing)Co.，Ltd.，Beijing100080，China)

According to the destruction of tailings，mainly in order to monitor rainfall and seepage，based on wireless communication technique，and integrated with pluviometer，piezometer，data acquisition and transmission unit，a data acquisition system for tailings pond is established.By warning alarm，warning lights and warning SMS module，a wireless sound and light alarm device is set up，forming a pre-warning device system for tailings ponds.Based on network programming techniques and SQL Server 2005 database，the pre-warming software system for management and analysis of tailings monitoring information and data with the integration of “remote monitoring，communication，forecasting and application” was developed，which realized the remote management，visualization，data analysis and remote pre-warning” of monitored information and data.According to the field application，this system can quickly acquire and analyze the monitored data and precisely forecast the situations.It has important guiding meaning for the safe operation of the tailings.

Tailings pond，Wireless sensor networks，Real-time monitoring，Remote pre-warning system

2013-10-26

国家自然科学基金项目(编号：51174013)，国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2010CB731501)，长江学者和创新团队发展计划项目(编号：IRT0950)。

雷 霆(1986—)，男，博士研究生。通讯作者：谭卓英(1965—)，男，教授，博士研究生导师。

TD76

A

1001-1250(2014)-01-125-04