基于GIS的矿产资源远程监管系统研究

李 凌, 李一平

(淮北职业技术学院 计算机科学技术系,安徽 淮北 235000)



基于GIS的矿产资源远程监管系统研究

李 凌, 李一平

(淮北职业技术学院 计算机科学技术系,安徽 淮北 235000)

融合计算机网络、数据传输、定位等技术并引入矿井空间位置信息研发了矿产资源远程监管系统，该系统为井下的开采人员及开采设备等安装RFID标签，在巷道的关键和边界位置安装读卡分站；在露天矿山开采设备上安装GPS监控模块；运用GIS拓扑分析技术生成矿山巷道的要素，运用GIS可视化技术，以图形的方式直观、实时显示井下情况，实时监控井下设备、工作人员的地理位置以及矿产采掘情况。

矿产资源管理；矿产开采；RFID；远程监管；实时监控；GIS；GPS；GPRS

国家近年出台的矿产资源管理的法律、法规，促进了矿政管理水平的提高，推动了矿业生产的健康发展，[1]然而在矿产资源的开发中越界开采、超层开采、争抢资源等违法、违规现象仍时有发生。本文利用计算机网络、数据传输、定位系统等技术开发出的矿产资源远程监管系统，实现基于电子地图的矿产开采实时监控，准确的人员和设备定位，可远程监管矿产开采行为，在技术上保证了执法和管理的客观公正，降低了管理成本。

一、应用技术研究

(一)RFID射频识别技术

RFID(Radio Frequency IDentification)技术利用射频信号，通过空间耦合(交变磁场或电磁场)，实现非接触双向通信，识别目标并获取目标相关数据，具有较强的抗干扰性、良好的适应性，识别精度高，操作方便等优点，广泛应用在工业自动化、交通运输控制、商业自动化等领域。[2]

RFID由识别标签、读卡器和天线组成，当装有标签的目标在有效范围内接近读卡器时，读卡器会发出无线信号，该无线信号由识别标签接收，与识别标签中的数据信息合成，然后将合成后的信息反射给读卡器，读卡器接收信息后，处理合成信息，分离并读取标签中的数据信息。

矿产资源远程监管系统为矿产采人员、矿车、采掘设备等移动目标上安装RFID标签，在各个巷道的关键和边界位置安装读卡分站，每个读卡分站拥有多个读卡器，地面主机按照RS485协议与各个读卡分站相连接；同时把车辆传感器安装在井下的运输轨道上，把红外感应器安装在生产区，实时监控设备的位置、路由等信息，再现设备的历史运行轨迹，全方位监控矿业现状。

(二)GPS定位技术

GPS(Global Positioning System)定位技术通过地面接收机，接收卫星信号观测地球，确定物体的经、纬度位置，具有精度高、功能多、保密性好、抗干扰性强的特点，广泛应用在测绘、运动物体定位、导航等众多领域。在露天矿山开采设备上安装GPS监控模块，接收GPS卫星信号，对信号进行处理，获取设备的经度、纬度、速度等信息，并通过GPRS模块传输到系统数据中心，比较电子矿界，判断是否越界开采。

(三)GPRS技术

GPRS一种新的基于GSM的移动数据通信业务，提供端到端、广域的无线IP连接，具有成本低、覆盖范围广、传输速度快、接入时间短、组网方便灵活、实时在线等诸多优点，适合传输少量的、频繁的、间断的、突发性的数据，一般用于远程监控、数据传输等方面。GPRS作为GPS的一个部件，在其技术应用中起到传输数据的功能，用于把矿山设备的位置信息传输到矿山监控中心。

(四)GIS技术

GIS(Geographic Information System)地理信息系统，是一种在计算机软硬件支持下实现地理空间数据存储、处理、检索和分析的系统，它改变了以往图形和数据的管理方式。GIS技术的发展与计算机软硬件、数据库管理、数据挖掘、网络、遥感以及数字摄影等技术发展息息相关。[3-4]将GIS技术应用于矿山监控，实现空间数据和属性数据的一体化管理，运用G IS拓扑分析技术生成矿山巷道的各个要素，运用GIS 可视化技术，以图形的方式直观、实时显示井下情况，并将井下人员的情况准确、及时地反映到地面系统，以进行更加合理的调度管理。

目前国内应用型GIS系统的开发主要有独立开发、纯二次开发、集成二次开发三种方式，集成二次开发具有开发快捷和功能扩展性都能得到保障的特点。本系统采用该种方式，选用ArcGIS 开发平台。ArcGIS组件对象丰富，有可伸缩扩展的体系结构，功能强大，技术先进成熟，具有良好的延续性。平台采用ArcEditor +MapObjects+ ArcSDE+ .Net的配置模式，该模式基于商用数据库系统，可支持多个桌面端和无限量浏览器端。

二、矿产资源远程监管系统组成

系统由软件和硬件两部分组成，其中软件部分主要完成基础信息维护、井下信息统计分析、井下信息动态定位显示等功能。硬件由射频卡、定位分站、通讯分站及总站、GPS定位设备等组成。井下以及露天矿远程监管系统组成图如图1 和图2所示：

(一)硬件部分

1.射频卡

每个射频卡具有唯一的电子编码，其内部储存着目标对象信息，安装在矿车、人员、罐笼、铲车、机车等移动设备上，平时处于睡眠状态，当进入工作区后被激活，具有功耗小、识别率高、抗干扰性强，便于携带和安装的特点。主要性能参数如下： DC3.7V的工作电压;启动时小于5mA的电流，发射时小于50mA的电流，休眠时小于350uA的电流。 2．405±0．03 GHz的发射频率;-30～0dBm的发射功率;与定位分站通信距离大于30m；

2.定位分站(射频识别设备)

定位分站可以读取射频卡的卡号、位置和时间等信息，并具有功率小、识别率高、抗干扰性强、稳定可靠等优点。主要性能参数如下：可同时识别200张以内无线标签卡，10-60m可调识别距离，-90dBm接收灵敏度，200公里/小时以内的识别速度，2.4GHz～2.5GHz ISM微波段的工作频率。定位分站采用加密计算与认证技术，防止数据破解与链路窃听，以保证数据安全；使用频道隔离技术实现同时快速识别多个移动标识卡，且相互不干扰；使用的防碰撞技术，支持多标签读写。

图1 井下远程监管系统

图2 露天矿远程监管系统

3.通信分站及总站

通信分站起到通讯网关的作用，它采用单板机采集各个定位分站的信息，把采集的信息按照通信协议进行数据封装、汇总，通过网络传输设备传输到数据中心。每个通信分站可以下接多个定位分站。通信总站把数据中心采集到的信息进行封装，通过 GPRS或者光纤传输至监控中心。

4.移动目标搜索定位分站

井下生产矿车定期更换，易导致射频卡丢失。引入红外探测技术和地感线圈作为辅助定位系统，降低了维护成本。红外探测器有主动式和被动式两种，能够探测有效范围内的工作人员以及其他热源目标。在车辆的轨道上铺设线圈，车辆通过时地感线圈的振荡频率发生改变，从而感知有矿车经过，并进一步识别、定位矿车。

5.GPS定位设备

GPS定位设备安装在目标设备隐蔽处，外露天线。为保证信号无屏蔽、不被无意损坏，启动目标设备时启动定位设备，电源与目标设备发动机同线路。

6.数据接收中心

数据中心采用TCP/IP编程，24小时运行在服务器端，实时接收各监控点通过GPRS传输的数据。其按照设计协议解析接收数据，并将接收数据按照定位存储算法存入数据库；根据设定参数，运行告警算法，运算结果实时存入告警表，以便前台查询、系统调用等。

7.数据通信系统

数据通信采用485工业总线方式，当信号衰减严重或距离过长时，采取加装485中继器的方式增加通讯距离；采用TCP/IP传输方案、无线GPRS传输线路将数据远程传输到数据中心。GPRS集成的无线DTU传输模块实现了监管系统无线数据的采集功能，[5]为无法进行有线传输的矿产企业，提供了低成本、高效率的数据传输方式。

(二)软件部分

矿产资源远程监管系统提供实时监控、GIS地图、基础信息管理、短信报警等功能。数据由两部分组成：GIS数据库和用户属性数据库。用户属性数据库包括基础数据信息、定位数据信息和实时数据信息。基础数据信息存储企业信息、设备信息、定位卡映射信息；实时数据信息存储设备实时状态和告警实时信息。

1.实时监控

实现井下设备属性数据监控及查询功能，实时监控井下设备实时位置、数量、运行轨迹, 监视定位分站的报警信息；按照设定的时间段显示设备的历史运行轨迹；显示需要前移的迎头定位分站、发生故障的定位分站；显示设备经由定位分站的路由信息以及越界开采的矿井及越界的信息。

2.GIS地图

电子地图表现的数据分为属性数据和地图数据两大类，属性数据由数据接收中心从生产现场获得，地图数据又分为行政区域地图数据和各矿井上、井下对照图数据。GIS地图功能包括“CAD数据转换入库”“电子地图后台管理”“电子地图显示管理”三部分，其核心部分是“电子地图显示管理单元”，实现功能需要AutoCAD 2008、SQL Server 2005、Visual Studio 2008、ArcGIS Server 10、ArcGIS Desktop 10、ArcSDE 10 for SQL server 2008、ArcGIS Engine 10等软件，开发语言使用C#。

3.基础信息管理

按照图层标准解读CAD图，并写入相应监控点的GIS数据库中，以便对电子地图进行动态管理；初始化定位分站，设置定位分站的位置和属性，在电子地图界面为每一个监控点添加定位分站；增加、修改、删除监控点。

4.短信报警

短信报警设备通过串口安装在数据中心服务器，采用短信Modem实现，短信报警功能使用VB6.0开发，底层动态数据库采用VC++编写，集成在数据中心。

三、核心算法实现

(一)设备定位

当携带射频卡的开采设备进入定位分站的有效捕获范围时，定位分站不间断的发出信息，此时称为进站时间；当开采设备不在定位分站的捕获范围时，不能被检测到时，定位分站停止发送信息，此时称为离站时间。进站时间至离站时间这一段时间间隔称为设备停留时间。其采用定位存储算法计算出设备的停留时间并记录整个过程。包含定位分站号和射频卡号的定位信息由定位分站发送；经过通信总站附加上时间信息，形成一个包含定位分站号和射频卡号以及捕获时间的信息记录。采用定位存储算法判断数据匹配的情况，进而计算设备的停留和离开时间，形成了包含该设备进入定位分站时间、停留时间以及离站时间的完整路由信息。设备定位存储算法是整个系统业务逻辑的核心，是数据的源头，直接影响数据的存储效率和程序运行的效率。

(二)设备运动轨迹描述

比对设备路由定位分站的顺序，获得设备的路由序列，按照设备进站时间排序路由序列，获取设备路由信息数据，并用图形描述路由数据信息。

(三)告警算法

告警算法采用设备的停留时间进行设计，通过开采设备的停留时间来衡量该生产区的活跃程度。根据生产边界和迎头跟进的生产特点，设定停留时间报警阀值，当设备的停留时间超出此阀值时，认定开采越界，发出告警信息。

(四)移动目标定位

移动目标通过地感线圈和红外探测器进行捕获，不同于RFID射频卡定位，该定位信息目标无唯一标识、无站点滞留时间，只记录探测到目标的时间，无法具体到某一个目标，无法记录站点滞留时间，只能记录某定位分站捕获目标时间。几个探测器连接到移动目标定位分站(称为探测分站)，每个探测分站设置子地址，定位分站地址和探测器地址组合后形成二级编号，通过后台管理程序和井下某一位置关联起来，实现移动目标的定位。

四、结束语

融合计算机网络、数据传输、定位系统等技术并引入矿井空间位置信息研发的矿产资源远程监管系统，通过定位矿车和矿工等对象，比对矿界，确定采矿位置是否合法，为管理人员及时发现并制止越界开采、违规开采等违法违规行为创造了条件，同时该系统可以准确计量矿山采量，实现矿山储量的动态管理、矿产资源的科学规划；以利于矿山科学、合理地利用资源。另外，该系统提供的矿山监控信息，可以供政府及税务、国土、安监、环保、公安等部门共享，从而实现应急联动、合力监管。基于GIS的矿产资源远程监管系统集井下人员以及设备的实时监控、定位、越界告警、开采历史轨迹重现等功能于一体，对矿山的科学规范监管发挥着重要作用。

[1] 丁全利,袁可林.整顿促规范规范促发展[J].国土资源通讯,2008(13):30-33.

[2] 刘元法,康淑霞.基于RFID技术在矿山井下人员跟踪定位系统的研究[J].矿山机械,2007(3):24-25.

[3] 王疆霞.GIS技术及其在水温和水资源方面的应用[J].西北地质,2003,36(1)：109-113.

[4] 时鑫,时森,何长征.基于GIS的井下人员实时定位监控系统[J].煤炭技术,2010(10):92-93.

[5] 宋韦剑,李淑贞,闵 涛,等.矿产资源开采远程监控系统的研究与实现[J],国土资源科技管理, 2013(3):93-97.

[责任编辑 李潜生]

ResearchonRemoteMineralResourcesMonitoringandManagementSystemBasedonGIS

LI Ling, LI Yi-ping

(Department of Computer Science and Technology,Huaibei Vocational and Technical College,Huaibei Anhui 235000, China)

Using computer network, data transmission, positioning technologies and introducing mine spatial information, the paper researches remote mineral resources monitoring and management system, which installs RFID tags for the underground miners and mining equipment, and fixes card reading station in the key and boundary position of roadway; GPS control module is installed on the open pit mining equipment; GIS topology analysis technique is used to generate the factors of the mine tunnel. Taking advantage of GIS visualization technology, the real-time underground mining conditions is displayed graphically, the equipment and the location of the miners can also be obtained.

RFID; remote monitoring and management；real-time monitoring；GIS；GPS；GPRS

2014-04-20

安徽高校省级自然科学研究项目(KJ2013Z290)。

李 凌(1971-)，女，安徽萧县人，副教授，硕士。研究方向：图像处理、信息处理。

TP277

：A

：1008-6021(2014)03-0125-04