辽宁省尾矿库在线安全监测管理平台设计

郝 喆 张 亮

(1.辽宁大学环境学院；2.辽宁有色勘察研究院)

近年来，我国尾矿库重大事故时有发生，给人民生命财产造成了极大损害[1]。2008年9月，山西省临汾市襄汾县新塔矿业公司尾矿库溃坝事故，造成276人死亡[2]。2007年11月，海城市鼎洋矿业公司尾矿库溃坝事故，造成17人死亡、3人失踪、39人受伤。可见，提高尾矿库安全监测管理水平，确保尾矿库安全运行十分必要。《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》(GB 51108—2015)[3]对尾矿库在线监测系统提出了具体要求。通过建立在线监测系统，科学研判尾矿库在一定时间段内的安全状态，有助于进一步增强企业、社会、政府对于尾矿库灾害的预警响应能力[4]。但由于该规范实施时间较短，众多省份的尾矿库在线监测工作尚未得到有效开展，相关技术、架构、软件组成、数据处理、系统部署、硬件配置等方面仍处于探索过程中，存在诸多需要解决的问题。对此，本研究设计了辽宁省尾矿库在线安全监测管理系统平台，该平台综合运用智能传感器、无线通讯、3S、数据库等技术，实现了尾矿库安全状况进行在线实时监测和管理[5]，是开展尾矿库在线监测的有益尝试，对现场在线监测工程具有一定的指导意义。

1 设计路线及总体架构

1.1 设计路线

平台采用B/S体系结构，实现客户机的零安装(仅视频监控需安装相应的插件)，可有效减少系统的运行维护成本[6-7]。系统开发采用J2EE 3层体系架构[5]，J2EE(Java 2 Platform，Enterprise Edition)是一种利用Java 2平台来简化企业解决方案的开发、部署和管理复杂问题的体系结构[6]。

1.1.1 技术框架图

平台采用多层结构体系，包括表现层、控制层、服务层和数据层。每一层采用的技术和实物载体如图1所示。

图1 技术框架

1.1.2 主要技术

平台采用的主要相关技术包括Spring框架、Struts2框架、JSTL标签库、JS框架和Flex框架等。主要技术的原理及特点如下：

利用Spring的容器管理优势，管理所有接口服务以及系统的配置。Spring属开源框架技术，采用JavaBean来完成以往由EJB完成的工作[8]，具有简单性、可测试性和松耦合等特点，是J2EE目前的最佳选择。

利用Struts2框架实现MVC的Control层，并封装MVC的Model。Struts2通过对J2EE的servlet封装优化，接收用户请求并按照开发者意愿封装转化请求数据，可提供很多开源的数据过滤和验证接口，对MVC结构控制层的实现十分有效。

利用JSTL标签库，结合Struts 2处理后的请求数据，规范快捷地展示在JSP上。JSTL作为J2EE提供的通用标签库，可结合JSP表达式语言和MVC控制层处理后的数据，进行各种不同类型数据展示，为开发平台工作时间，也优化了JSP文件，增加了JSP文件的可读性。

利用Jquery处理客户端事件，同时实现异步请求。Jquery兼容CSS3和各种浏览器(IE 6.0+，FF 1.5+，Safari 2.0+，Opera 9.0+)，且压缩后仅需21 k，能更方便处置HTML documents、events，实现动画效果，提供AJAX交互。

利用Flex应用程序框架，使开发人员快速构建丰富数据演示、强大客户端逻辑和集成多媒体的应用程序[9]。Flex框架产品包含编译工具和IDE，经编写MXML和ActionScript代码，编译生成SWF文件，实现Flash Player观看。

1.1.3 处理时序

平台处理时序包括JS数据校验、JS数据封装、ajax封装、action请求控制器、XML数据转化、Service业务处理、应用服务平台等处理[10]，系统平台建立的处理及调用关系见图2。

1.2 总体架构

平台按照分层思想进行架构设计，总体采用5层框架结构，自下而上依次为信息采集传输层、通信网络层、数据资源层、应用支撑层和用户应用层，各个层次之间由标准化协议与接口[11]结合为一个有机的整体。利用分层结构的技术优势，既充分满足当前尾矿库在线监测预警工作，又可为将来尾矿库安全监管工作的拓展提供信息服务接口。平台总体框架结构见图3。

2 软件组成及数据同步

2.1 软件组成

尾矿库在线监测管理平台功能可同时满足政府用户和企业用户的不同工作需求[5]，将平台建设成中心版和企业版2个子系统。模块设置分别如图4、图5所示。

中心版系统集地理信息、基础信息、监测预警、预案管理、安全监管、档案管理、仿真分析等功能于一体，实现对全省各尾矿库的综合管理和监测预警。企业版系统集基础信息、安全监测、查询统计、预警发布、预案管理、安全管理、档案管理和设备管理功能于一体，可实现对所在企业尾矿库的监测和预警，将尾矿库的各类信息数据通过同步数据接口，实现与中心系统的同步迁移。通过搭建统一的尾矿库监测平台和提供多样化的综合信息服务，满足不同用户的需求，为尾矿库安全运行和应急决策提供信息支持。

图2 处理时序

图3 平台的总体框架结构

图4 中心版功能结构

图5 企业版功能结构图

2.2 数据同步

平台数据同步方法为：①在尾矿库安装部署监测数据同步客户端，以Webservice方式存在，该客户端可以访问尾矿库数据库，并提供读取各监测站实时数据的方法，数据以XML标准协议[12]来组织； ②在中心数据库中安装部署中心监测数据同步服务端，该服务端以Windows服务的形式存在，以多线程方式调用各尾矿库数据同步客户端；③将监测到的实时数据同步迁移至中心数据库中(图6)。

图6 数据同步示意

3 系统部署与用户访问

3.1 系统部署

系统部署结构如图7所示。

图7 系统部署结构

3.2 用户访问设计

系统用户访问设计方法如图8所示。

图8 用户访问设计

3.3 运行环境

3.3.1 服务器端运行环境

服务器端的软、硬件需求分别见表1和表2。

表1 服务器软件需求

表2 服务器硬件需求

3.3.2 客户端运行环境

系统客户端的软、硬件需求分别见表3、表4。

表3 客户端软件需求

表4 客户端硬件需求

4 显示硬件系统

系统大屏幕显示硬件系统包含LFP拼接单元、网络多屏幕处理器、LANBO专用线缆、服务器与控制软件，其中对系统功能影响最大的是拼接单元及网络多屏幕处理器(图9)。

图9 大屏幕控制系统框图

图10 wangluo多屏幕处理器架构

5 现场应用

基于以上在线监测平台的总体架构、软件组成、程序框图、数据同步方法、系统部署、用户访问方法，完成了在线监测平台系统研发，实现了30余座省管大型尾矿库的在线安全监测和管理。图11为辽宁省尾矿库在线安全监测管理系统的启动界面。

图11 系统启动界面

本钢集团歪头山铁矿小西沟尾矿库建于1970年，于1972年正式投产使用。该尾矿库占地面积为1.62 km2，现库容为7 423×104m3。尾矿坝总高100 m，坝顶长1 600 m ，属省管二等山谷型尾矿库。初期坝为透水堆石坝，堆积坝为尾矿堆积坝，采用水力冲积上游法筑坝。2013年，该尾矿库安装了在线安全监测管理系统，分为2个部分：一部分为矿方企业在线监测系统，另一部分为省管尾矿库监控中心平台系统，集团公司可通过互联网访问现场监测数据。矿方现场在线监测系统由数据采集监测装置(含供电、避雷设备)、信号传输设备、信号接收及处理装置、计算机终端及管理系统、中心(库区)机房5个部分组成[14]；省管尾矿库监控中心平台由远程数据采集及接收装置、中心大屏显示装置、中心计算机管理平台及机房辅助系统组成。尾矿库在线监测系统的监测项目包括浸润线、库水位、表面位移、视频、内部位移、降水量。图12为依据该平台的表面位移在线监测结果。

6 结 论

(1)辽宁省尾矿库在线监测平台的设计遵循J2EE 3层体系，可以实现客户机的零安装,有效减少系统运行维护成本；具有支持异构环境、稳定可用等优点；通过将一些通用的、繁琐的服务端任务交给中间供应商去完成，缩短了开发时间。

图12 平台做出的预警发布

(2)平台是一个集各类站点监测数据采集传输、尾矿库基础数据汇总和动态监管、在线监测预警和管理为一体的综合信息平台。平台架构的分层体系结构较好的实现了建设任务的分解，以便整个平台能够在明确接口定义的基础上进行建设，便于系统整合和资源共享。

(3)平台分别建设中心版和企业版2个系统，满足了政府用户和企业用户的不同工作需求。中心版系统可实现政府对全省各尾矿库的综合管理和监测预警；企业版系统可实现所在企业对尾矿库的监测和预警，并将各类信息数据通过同步数据接口，实现企业与中心系统的同步迁移。

(4)系统部署结构和用户访问设计结构简单，以B/S模式为主、部分采用C/S模式平衡安装维护工作量及客户端设备和系统性能的关系，可减少总体工作量，保障信息网络安全可靠，易于升级维护，系统对软、硬件配置及运行环境要求低，适用性强。

(5)LFD拼接单元采用DID液晶面板技术，可视面积大、画面分辨率高、采用VII第二代数字引擎及专业的技术，具有动态图象无拖影、数字式接口、安装便捷，功率消耗小等优点。大规模FPGA阵列式组合处理，无需Windows系统，不死机、无花屏和黑屏，具有强大的处理能力。