基于大数据可视化的矿产资源储量动态监测系统

2021-07-22赵军

中国金属通报 2021年23期

赵军

（山西省第三地质工程勘察院有限公司，山西晋中 030600）

地区经济发展的重要储备经济资源中最重要的当属矿产资源，矿产是很多现代化工业的原料，工业产值的提升可以推动城市化建设。城市的基础设施建设是经济发展的体现，而资源储存量也是国防实力的象征。国家对矿产资源储量的监测显得尤为重要[1]，国土资源部的地质调查局立志于使用各种有效手段掌握矿产资源开发和储备情况，并根据现有资源和为开采已探知的资源对矿产资源的使用进行规划，监督地方政府和企业执行。通过矿产资源储量动态监测系统可以及时发现矿山的无证开采现象，部分矿山还存在以勘探的名义进行开采的现象。系统监测可以监测违法行为，违法开采会导致矿产资源开采的浪费，并破坏市场的供需平衡。过度的开采会造成生态环境问题和土地资源的破坏，监测系统还可以监测到矿山的环境污染和地质灾害，并及时采取措施，避免对人民的生命财产安全造成威胁。违规开矿不利于社会的可持续发展，也不利于矿产的有效资源分配。传统的矿产资源的统计利用遥感和定位技术进行监测，监测范围有限，违规开矿等问题数据真实性有待考证，尤其在矿产资源丰富的地区[2]，私自开采现象屡禁不绝。很难实现有效的监管。随着大数据时代的到来，大数据可视化的监察系统在各行业领域中被熟练应用，在矿产资源储量的动态监测中，可以利用大数据作为监测的数据支撑。采用大数据与定位监控技术相结合的方式，在系统中输入监测地区的地理信息，完成矿产资源储量动态监测。

1 矿产资源储量动态监测系统硬件设计

1.1 设计动态监测传感器

监测系统的硬件对能耗有一定要求，应在满足系统性能的前提下尽量保证性能功耗。传感器节点构成无线传感器，为系统提供自组织无线网络。但传感器的节点具有休眠特性，因此需要电池作为续航电力。在动态监测系统中传感器节点的结构图如图1所示。

图1 传感器节点结构示意图

传感器的节点作为动态监测系统的数据接收处理中心，要求在大数据的背景下具有高效处理数据的能力，如图1所示，在传感器中安装微处理器协助传感器进行数据处理。数据处理控制模块中微处理器与相连接[3]，天线主板和接口的底板之间依靠多脚插针连接在一起，为了满足供电电路中的日常交流电可以被随时被转换为10V一下的低电压电流，在电路中安装CC7740整流稳压器，通过整流和稳压手段进行直流电压的转换。为微型处理器供电，3V直流电源为USB接口电路供电，动态监测系统对矿产资源储量的监测从安全性考虑，应控制一定的监测距离，根据传感器的感知范围，决定安装个数，安装的传感器和节点的比例为4:1，电脑直接与节点采用虚线网络连接，可以避免建设信号基站，节省费用。

1.2 动态监测芯片设计

用于矿山资源的监测系统的单片机的型号为C52933706，该单片机的优势是整体的功耗较低，但是并不耽误该单片机的工作效率，单片机拥有CMOS微处理器，单片机的芯片是经过改造的高性能芯片。芯片的编写程序为FLASH快速擦写编程程序，可以满足矿山数据杂乱的程序存储要求，在制造芯片的时候为了保证芯片的高存储性采用高集成固定存储技术进行数据的保存，单片机与其他的硬件结构相连接要求硬件之间的程序指令系统可以相互兼容，这就需要统一引脚的排列方式，本文设计的系统所需要的单片机是功能性较好的一款，其中振荡器和时钟的电路采取并联方式，并带有备用电源。CPU的位数为16位，且芯片的程序存储器的字节数是正常存储器的2倍，芯片的外观小巧精致为节省硬件的空间作出了贡献。存储器和数据存储器的空间均为都高达到256字节，矿山监测的大量数据都可以被无遗漏的进行保存。却存储区外还有4个寄存器与之相连，可以起到扩容的作用，单片机的设计细节中有一个是设计了足够多的接口，以便可以和大量的并行接口相连接。芯片自身与电源相连接且可以智能启动电源的上电功能，在系统出现低电的情况下及时进行电量的补救。芯片主要起到全方位的动态监测功能，WDT监控计时器是该芯片的一大亮点，芯片可以监测单片机的运行状态。并与单片机的程序进行连接，共有两种监测状态，一种是进行24小时的全天候监测，主要用于系统刚推行使用的阶段，另一种是每间隔一定的单位时进行一次监测，单位时间可以根据实际情况进行设定。对WDI引脚进行正脉冲的监测，如果发生正脉冲的数值不正常的情况，说明发生了特殊的情况，需要对芯片的MAX813L的信号接收模块进行修正，输出一个200ms的正脉冲的复位信号恢复程序的正常运行。在与芯片连接的RESET端与正电源进行相连，为了避免电源发生故障，需在电源上连接电源电压监视器随时进行电压的监测，并在系统信号恢复的时候进行电压的监测，电压的标准范围为4.50V~5.50V，在此区间内可以正常的进行矿山信号的接收和发送。将单片机的两端分别和传感器以及MR端和地线进行连接，在系统发生故障的时候也可通过手动的方式进行硬件的强制关机。

2 矿产资源储量动态监测系统软件设计

2.1 设计传感器节点与上位机的通讯协议

传感器节点与上位机之间是通过R1Q476串口通信进行连接的。二者之间的通信参数为8位数据位且无需校验，信号的波特率为45.37kbps，为完成系统之间的通信，传感器节点与上机位之间需要统一的通讯协议[4]，建立单工通信总线，并设计统一的信息发送端，上位机调整为客户端模式可实现n个接收端同时开放。接收端接收传感器的数据，依靠无线网络连接并向传感器节点发送接收请求。传感器节点会返回数据响应，通信模式如图2所示。

图2 上位机通信模式

采用ZStack2021平台利用多任务操作系统构建资源的管理层。为实现系统基础的注册、登录、运行等功能。在系统运行期间进行终端数据处理。

2.2 设计基于大数据可视化的节点通讯命令

大数据的背景下，动态监测系统的监控通讯功能是依靠可视化通讯线程来实现的，节点的通讯命令依靠主线程向上位机提交，但主线程只有提交命令的功能，名命令的执行由剩余的线程和传感器节点完成[5]，在提交命令的任务完成后，主线程有监督任务完成的义务，隔一段时间就要对命令的完成情况进行检查，并循环检查的直到命令完全执行完毕。处理单元负责对通讯应用功能命令的数据进行处理，通信线程包含高优先级命令队列和低优先级命令队列两部分[6]。按照通讯命令的重要程度决定交给哪个队列进行处理，通讯应用功能命令可以通过节点的位置进行无线网络传输，系统的动态监测软件除了传感器节点的开发软件外还有上位机的动态信息传送软件。传感器节点的将传感结果上传到上位机，然后通过通讯接口接收命令，并在大数据无线网络中实现数据的采集和传输，传感器节点程序设计中，频繁的传输会造成节点能量快速消耗，因此基于矿区储量的变化特征，加入射频模块协助节点传输数据，来延长节点的使用寿命。传感器未关闭，即使节点休眠也不会导致工作中断。

2.3 设计系统的成果展示模块

将矿产资源的动态监测的空间动态监测作为本系统的重点。收集矿山的动态监测的相关图像或视频的数据，采用专业的遥感图像软件辅助资料的破译。并结合矿山的历史数据进行数据的对比，在成果展示模块可以采用ArcGIS等工具进行模块的搭建。采用数据分析软件对矿山的数据进行分析，并对该地区的监测数据进行简单的评价。基于大数据可视化的立体化特征，矿产资源储量动态监测的成果展示可以采取空间变化模拟的方式进行展示，可以更加具体和细节的展示出产资源储量动态监测的结果，方便人们对此进行分析。将各类专题图件融入到系统的成果展示模块中，将数据库中的信息进行立体化的展示，相关的部门进行数据的监测的时候，可以将数据转化空间模拟的检测成果。

数据的转换规则设定应考虑矿山与周围环境之间的关系，大数据可视化的技术在进行监控凸显展示的时候，由于矿山的生态空间有一定的交错现象，因此会出现大面积的图像聚合现象。为了避免成果展示模块展示出的监测图像不清晰，进行细节的有优化，图像和实际情况具有偏差主要是因为，监测数据向图像进行转化的时候的数据转化阈值的设置出现了问题，成果展示的模型如果出现转化阈值问题，就会导致图像的失真，尤其是矿山处于较为复杂的环境下的时候。在本文设计的系统的数据转化当中，概率阈值可以降低图像转化的不稳定性。在转化的类型变化阈值完全满足数据转化的要求的时候，图像才能完全符合成果展示模块的要求，为了限制矿山空间频繁的转化导致了数据变化引入阈值，控制监控的细节，考虑到矿山所处的自然环境具有一定的随机变化性，概率阈值的表达式为：

上述公式中，a为该爱中数据的转换成功概率值，b为随机的整数，但b的取值范围为（0,1）。

2.4 生成动态监测结果报表

动态监测结果报表中要展示检测系统的评价结果，因此，矿山资源评价是研究该矿山的资源利用的有效手段。因此在对矿山资源的监测结果报表的数据支撑的应试经过评价的数据。在本文设计的动态监测系统中对矿产资源的评价是在资源的类型的确立的基础上，并根据国家的要求对评价的因子进行选定，本文系统的评价报表上显示以下因子，矿产的种类、矿产的分布范围和矿产的资源数量，在成果展示模块对数据进行了转换，包括矿山的资源图片和矿山的地形图。在报表生成之前要建立数据库，数据库中收集的数据为该矿山的评价因子。而对因子的评价分析方法采取的是降维处理成分分析法，对评价因子进行综合权重的确定，在传统的因子确定方面，采用的是代表性因子权重确定法，而本文设计的方法则是为所有的因子都进行了权重的计算，这样得出的结果更加准确。

当需要指定生成某项监测指标的报表的时候，可以将指标进行处理，系统中进行该项指标的查询。会自动给出矿山该指标的历史数据。也可以进行需要年份的查询，数据库中会基于上一步的成果展示显示变化明显的数据，在系统中设置正常数据的阈值，就能智能化的挑出不正常的数据，并进行明显的标记。通过多年分析得到各项指标的时间序列变化情况,达到动态监测的目的。

动态监测系统接收的数据和信息非常全面，因此用户需要对数据库进行管理，系统使用的文件型数据库在使用方便的同时，安全性保障相对不高，大数据时代数据泄露事件频频发生，设置系统的登录密码和使用加密算法是基础的防护措施，在本文设计的系统中采用Algorithm算法进行数据加密，将文件进行A级加密后还可以加上用户的私人密钥，并将庞大的数据包进行压缩。在数据库中即使非法窃取数据的人员得到了数据包也无法打开[7]。在用户需要的时候可采用采集数据的原始密码打开数据包，并对储量数据进行分析。生成相应的报表。实现大数据可视化的矿产资源储量动态监测。

3 系统测试

为了验证本文设计的矿产资源储量动态监测系统的实用性，对系统的监测精度进行测试。与传统的遥感矿产资源储量动态监测系统相比，哪个系统平面监测精度和储量精度更高。

3.1 测试准备

使用三种动态监测系统对某矿山进行矿产资源储量动态监测，该矿山位于高原地区海拔在2500m以上，矿山中的井田总面积为50km2，矿层的平均厚度为2.5m，矿层倾角为20°以下。矿井之间的间距为20~25m，整个矿山的地质条件并不复杂。通过历史数据可以看出地质条件简单，该矿去年的瓦斯涌出量达到182.37m3/min，矿产资源储量动态监测系统的传感器的监控地点如表1所示。