岩体失稳灾害人机环系统监测与灾害防控——智能安全人机工程学及教学实践

董陇军教授 邓思佳 闫艺豪

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

随着社会和城市建设的飞速发展，人类原有生存生活空间以及开发利用的资源已经无法满足人们的需求，因此，人类的生产生活范围在不断的延伸、扩展与加深。比如，矿产资源开发由露天开采、浅部矿体开采逐渐转为地下深部开采，公路建设由常规城市公路向复杂施工条件和结构的桥梁、公路及隧道公路等发展。在发展过程中，伴随着较大的工程风险，催生诸多安全问题，如岩体失稳灾害就是严重威胁工程建设和生命财产安全的重大隐患之一。岩体内部积蓄了大量能量，且具有动态变化特征，工程开挖带来扰动与卸载，使得岩体内部出现应力集中，导致能量释放，在这种情况下，极易发生岩体失稳灾害。由2013-2017年的矿山统计数据不难看出(如图1)，岩体失稳灾害频发，其造成的人员伤亡和财产损失巨大。鉴于此，岩体失稳灾害的实时监测与有效防控对安全生产具有重要意义。

图1 2013-2017年矿山事故统计[4]

目前，对岩体失稳的分析主要利用位移、应力、声发射监测、微震监测等。位移监测即利用位移计、位移测量仪、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)、表面位移监测仪等设备，或应用钻孔探测法对岩体的表面位移和内部位移进行监测。应力监测技术是将应力计、测力计等仪器埋设在岩体内部，测量岩体内部的受力情况。位移和应力监测技术都是静态监测技术，即无法全区域开展数据采集，且获取的数据受仪器本身精度影响较大。声发射监测和微震监测是利用声发射传感器和微震传感器对结构表面和内部情况进行监测，是动态监测技术，可以在一定范围内探测到结构中因裂纹扩展、变形等原因引起能量释放而产生的弹性波信号。通过将弹性波转化为电信号，利用数据处理和分析技术推断出产生源信号的机制，再利用定位方法判断结构内部存在的潜在失稳区域(声源/震源区域)。由此可见，位移、应力、声发射和微震监测技术是岩体失稳灾害监测的重要手段，但想要找准岩体内部的损伤位置，确定潜在失稳区域，需要采用声发射和微震技术监测岩体，再对声发射源、微震源进行定位，实现对岩体失稳灾害及时有效的、有针对性的监测和防控。

对于岩体所处的人机环系统来说，对环境的监测相对较多，而对于系统中人和机械的监测相对较少，这也导致人机环系统在灾害的监测与防控方面不全面，系统无法有机统一，尚未完全、高效地发挥出系统的功能。因此，岩体失稳灾害的人机环系统监测不仅可以有效、实时掌握岩体内部情况，更有利于岩体人机环系统功能的发挥，在监测的基础之上，对危险源进行精细定位，确定岩体的潜在失稳区域，并从人机环系统角度全面、有针对性地采取防控措施，可大幅度提升岩体失稳灾害防控能力和水平。

1 岩体失稳人机环系统监测数据获取

人机环监测数据是岩体失稳灾害监测的关键内容，其对了解岩体周边所有情况提供了重要支撑，是开展岩体失稳灾害防控的基础。人机环系统监测主要是针对岩体人机环系统运行过程中的情况、有可能发生的故障或为研究系统的各参数特性，利用一定的仪器和技术手段对系统中的人、机械、环境相关参数或指标进行监测，把获得的结果进行分析、处理、比较，从而对系统中各元素做出危险或者不危险判断的活动，如图2。通过人机环系统监测，相关负责人员把监测信息及时向管理人员报告，为研究解决人机环系统功能问题或管理决策提供依据，降低岩体失稳灾害的可能性，从而不断改进和提高岩体环境中人机环系统的协调性和安全性。

图2 岩体失稳人机环从数据到预警示意图

1.1 人的监测数据获取

在岩体环境中对人的监测，主要是为获取人的健康状态、行为活动、语言活动、存在状态、心理状态、工作情况、位置信息等。对于系统中大多数人的信息获取可采用传感技术。传感技术通过各类传感器监测岩体周围人体的各种情况，把模拟信号转化成数字信号，再传递给中央处理器处理，最终将结果以定量数据或图像等方式显示至PC端。主要包括热红外人体传感技术，即通过感知人体体温发现人的存在、人的异常体温和人的行为活动；人体接近传感技术是一种用于监测人体接近的技术，可准确探知附近人物的靠近，若在危险区域使用该技术，可以对人的接近实时发出警报，提醒人不要靠近；语音识别传感技术即通过人的语音来监测人的存在，同时可以将人的语音传递给另一端，保证沟通的及时性。如在资源开发的岩体系统中，可采用热红外人体传感技术、呼吸频率传感技术来感知人健康状态的好坏，状态不好的就避免下井，可以减少因人的失误而导致的岩体失稳灾害，对于已经在井下的，若发现身体情况不佳，应及时救援，这种对人的监测可以提高人与人之间的交互，能够有效避免人因失误造成的岩体失稳灾害。

1.2 机械监测数据获取

在岩体环境中对机械的监测，主要是为获取机械的运行状态、温度、工作完成情况、存在状态、位置信息、故障信息等。对于系统中机械的监测可以采用传感技术、特性检测，常用的特性检测有超声检测、X射线检测、涡流检测、声发射检测等。

传感技术有接近传感技术，即通过感知附近的“接近物”来执行机械的开关操作，防止机械与其他岩体或人的碰撞，避免灾害发生。转速传感技术、压力传感技术，即对机械内部构件的转速、机械所施加的压力的监测，及时发现异常转速和异常压力，有针对性地排除隐患。温度传感技术可以实时监测机械的运行温度，对于异常温度可以实时发出警报。如在资源开发的岩体系统中，可以通过传感系统及互联网技术，将车辆在井下的运行情况上传到云计算平台，并通过处理分析获取定位车辆位置信息，判断其周围环境及岩体条件，并在此基础上，规划车辆的下一个行动和路线，利用这样的技术手段来实现机械的正常运行，保证安全。

超声检测即利用超声波对机械的内部缺陷和性能进行精确判定，超声波具有指向性好、穿透能力强、能量高、灵敏度高等特点。超声监测是利用超声波监测仪产生电振荡并加之于超声波探头上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大处理后以一定方式显示出来，从而判断被监测的机械内部有无缺陷，并获取缺陷的位置和大小等信息。

X射线检测是利用X射线通过物质衰减程度与被透过部位的材质、厚度和与缺陷性质有关的特性，使胶片感光成黑度不同的图像来实现。胶片曝光后经暗室处理，就会显示出机械的结构图像，根据胶片上影像的形状及其黑度的不均匀程度，可以评定被监测机械的内部情况。

涡流检测指当载有交变电流的检测线圈靠近导电机械时，由于激励线圈磁场的作用，机械试件中会产生涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到试件导电性能的影响。涡流也会产生一个磁场，这个磁场反过来又使检测线圈的阻抗发生变化。因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，可以判断出被测试机械的性能及有无缺陷等。

声发射可以对机械内部的损伤进行实时检测，声发射是机械在受到力的作用时产生的变形或破坏，会以弹性波的形式释放出能量的现象，通过对声发射信号的追踪和研究实现机械内部损伤的监测与定位。

1.3 环境监测数据获取

在岩体系统中，环境尤为重要，也是具有巨大隐患的要素，对于岩体环境的监测是实现岩体人机环系统安全的重要环节，主要包括环境温度、气体、损伤的监测。环境温度主要依靠温度传感技术来实现，可以实时将岩体内部的温度传递至管理人员处，方便管理人员做出工作决策。岩体环境中气体的监测依靠气敏传感技术，通过监测一氧化碳或其他有毒有害气体的成分和含量，并把信息传递给PC端，使人机环信息交互，工人就能在进入环境前得知空气情况，采取必要措施。

岩体的损伤监测相对复杂。岩体损伤具有复杂性、动态性、被动性等特征，这些特征决定了岩体损伤监测的重要与不易。岩体损伤监测设备的精准度和灵敏度决定监测信息的准确性，也影响岩体失稳灾害的有效防治。目前对于岩体损伤的监测主要是利用声发射和微震技术。要对岩体损伤进行监测，首先需要进行现场勘察，由于大部分岩体体量庞大，往往无法覆盖全体，在考虑成本的情况下，可以采用循环监测的方法，通过循环监测，可以了解整个岩体结构的情况，这对于灾害的预防预警有重要意义；其次，需要在对岩体的关键部位进行监测，这些位置往往具有一定的失稳条件或前兆；另外，在对岩体进行损伤监测时，需要注意岩体本身的特殊性，应采用适应岩体环境的微震和声发射传感器进行损伤监测。

在获取各种数据资源的过程中，需要深入分析处理环境监测数据，统计分析可能会对岩体环境造成影响、威胁的自然因素，如降雨、地震。由此可见，如果想要重点展现出环境监测的意义，就有必要做好监测后的数据分析管理工作，全面提升对岩体环境监测的认识，保证多部门相互交流配合，强化对岩体具体环境的监测管理。此外，环境监测技术还具有连续性，由于岩体处于自然界中，而自然界是实时变化的，因此，岩体环境的情况也会伴随其产生相应的变化，若想精准地掌控岩体环境的变化规律，那么做好长期监测管理是极为重要的，能够有效预测未来岩体环境的发展趋势。

2 岩体失稳灾害监测系统及精细定位技术

岩体环境的监测结果受监测设备的影响极大，设备能否适应动态的环境，是否具有高灵敏度等都是重要的影响因素。另外，利用监测结果进行灾害源的精细定位是岩体失稳灾害防控的重要步骤，该步骤是监测结果的直观体现，能够直接地反映出岩体的潜在失稳区域，使灾害防控具有针对性和有效性。

2.1 岩体失稳灾害监测系统

在灾害监测设备研发制造方面，目前使用广泛的几种监测系统大部分由国外制造，如澳大利亚IMS系统、加拿大ESG系统、波兰SOS系统等，但这些系统的成本较高。而国内自主研发的监测设备在数据获取与处理等方面还存在一定差距。因此，针对现有微震监测设备难以捕捉小事件的缺陷、数据处理滞后的问题，笔者及其团队自行研发了灵敏度高、频响范围广、环境自适应能力强的智能感知传感器，开发了具有我国完全自主知识产权的实时高精度多维微震监测系统，融入了建立的“P波初至的多指标加权自动拾取方法”“异常到时剔除方法”“无需预先测定波速的微震震源解析迭代协同定位方法”“微震与爆破震源实时辨识方法”等核心关键技术，达到了“信号智能感知”“数据动态处理”“灾害精细预警”的效果，实现从微震监测数据到微震事件信息、从微震事件信息到灾害预警指令的全过程实时协同监测，提升岩体灾害的防控技术水平。

2.1.1 硬件设备

硬件设备主要包括加速度/速度传感器、动态采集仪、时钟同步、通讯设备等。

加速度传感器通过将岩体运动加速度转换成一个可衡量的电子信号来衡量岩体破裂、变形等微震活动，具有耐腐蚀、防冲击的优点。通过设置微震加速度传感器信号输出频率，经反复反馈优化信号输出频率，可调整传感器灵敏度，并达到30V/g以上，进而提高设备感知能力；利用传感实验研究，搭建发射频率可灵活调节的射频收发电路，利用不同地质条件下声发射事件频率信号，智能判别得到频率区间，以适应不同岩体环境；通过设置智能感知监测设备的检波器个数阈值进行干扰事件的筛选处理，研发具有噪音滤波功能的高性能感知设备，增强智能感知设备对外部噪音信号的抗干扰能力。

动态采集仪适用于测点较为集中且被测物理量快速变化的环境中，主要用于监测参数的动态变化，其可接入不同类型的传感器，兼容性好，可完成应力、应变、震动加速度、速度、位移、冲击、温度、压力等多个物理量的测量，其具有通道数可修改、抗混滤波强、采集精度高、稳定性佳等优点，既可以用于室内实验测量，也可以用于长期现场监控。

此外，研发了授时服务器可实现监测模块之间的时间同步，时间同步信号的传输方式可根据监测范围的大小及监测模块之间的距离进行调整。

2.1.2 智能监测可视化软件

智能监测可视化软件借助上述传感器实时采集到的数据，以直观的数字或图形的方式将监测结果展现出来，软件内嵌入了包括文件、编辑、处理、事件等选项的菜单及三维视图、微震事件列表、传感器坐标、数据处理等多个模块，通过加速度传感器、多功能动态采集仪对震动、视应力等多个参数的采集。软件中的数据处理模块嵌入了微震监测数据动态处理方法，包括震源信号的自动化辨识方法和P波初至多指标加权自动拾取方法。方法中充分利用解析解的高精解优势，以概率分析与相对距离为判据，实现了异常到时的准确剔除；借助频谱分析和移动时窗分析法，克服刺突和尾部震荡的影响，联合多信息权重综合确定首波初至，实现了复杂噪声环境中P波初至时刻的自动拾取。另外，在可视化软件中，可以实时查看已监测到的和刚监测到的微震事件，实现了震源自动化识别和震源拾取的功能。

该监测系统硬件及可视化界面，如图3。

图3 监测系统硬件及可视化界面图

2.2 未知波速的声源/震源三维定位方法

目前针对微震源和声发射源的定位有很多，如Geiger定位法、双重残差法、时差定位法等，这些传统定位方法的定位精度严重依赖于迭代算法和预先测量的波速值，且已有的解析定位方法因含有平方根而存在解不唯一的问题，尤其是预先测量波速这一问题。由于岩体是各向异性材料，不同区域的岩体波速是完全不同且动态变化的，采取确定的唯一平均波速值作为岩体的波速不妥，其准确性与定位的精细度要求不平衡。为解决这些定位难题，避免岩体失稳灾害防控措施失效，笔者提出未知波速系统中声源/震源三维解析综合定位方法和含空区的三维定位法。

2.2.1 声源/震源三维解析综合定位方法

为消除异常到时和预先测定波速的影响，笔者开发了声源/震源三维解析综合分析定位方法。具体步骤为：

(3)通过对

F

，

F

和

F

设置一个区间(

a

,1-

a

)，选择

a

和1-

a

作为

F

，

F

和

F

的控制值，可以计算出解集

S

，

S

和

S

。用

S

，

S

和

S

来表征与正确定位结果有偏差的异常定位结果。

(6)对异常到达进行过滤后，再采用迭代解析定位方法对

n

-1个清除后的源进行定位，获得定位结果，见式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：

v

—声发射源到触发传感器的P波平均速度值,m/s；

t

0—第一个事件的起始时间,s；

Δ—表示一个参数的扰动；

e

—表示扰动和数据误差的高阶项。通过求解，可求得准确的源坐标

x

,

y

,

z

，该解析综合定位方法也可称为时差法(Trigger Difference，TD)，与目前广泛使用的预先测速的定位方法(Location Method of Pre-measured Velocity，LM-PV)相比，TD法消除了预测波速引起的定位误差，具有精度高的显著优势。

2.2.2 含空区的三维定位方法

(3)

式中：

每个网格点得到相对应的

D

值。随着

D

值的增加，

P

与未知源

P

的偏差越大。因此，最小

D

值所对应的坐标为震源坐标。该方法在计算时将弹性波的波速视为未知，以减少监测过程中波速变化引起的定位误差，能有效地适应不规则的三维岩体结构。

上述2种定位方法均有效提高了结构内震源定位的精度，对于岩体失稳灾害的危险区域确定具有重要意义。

3 基于智能安全人机工程学的岩体失稳灾害防控技术

灾害防控是人机环系统安全防控问题。可将智能安全人机工程的相关知识应用到岩体灾害防控中。笔者认为智能安全人机工程学是指以新一代信息技术为工具，以生理学、心理学、环境学等学科知识为基础，以满足人们日益增长的美好生活与工作的需求为出发点，以将安全理念彻底融入到人机环系统的设计、实施、运行、维护全生命周期为侧重点，以实现系统本质安全为目标，以实现“人—机—环—信”系统自适应、自训练、自维护、自学习、自优化为最终目的一门新兴交叉综合学科。对于具体岩体灾害防控的人机环问题，主要包括灾害预警与控制。

安全预警是岩体灾害防控的一项重要内容，一套完整的、科学的、系统的、全方位的岩体安全智能预警系统，可以充分挖掘数据特征，并从信息的动态变化中提取关键指标，通过预警等手段更加有效地保障岩体人机环系统安全，适应岩体失稳灾害防控的需求。在岩体环境的人机环系统设计上，可融入智能安全人机工程概念，在系统的本质设计上注重自适应、自训练、自维护，可达到本质安全的目标，从根源上实现岩体灾害的有效防控。同时，在上述的岩体人机环系统的监测数据获取与分析处理基础之上，可通过建立岩体灾害智能预警系统，实现对岩体致灾因子的实时诊断和评价，进行系统自维护、自优化，并做出预警行为，达到对岩体灾害有效防控的目的。在接收系统预警之后，需要及时对维护情况进行检查，对必要潜在失稳区域进行更有力的控制，采取相应控制管理措施，降低岩体失稳灾害发生可能性，减少人员的伤亡与损失。

3.1 岩体失稳灾害的预警

以岩体的人机环系统监测数据结果为依据，结合岩体失稳监测系统及其各个模块建立岩体失稳灾害智能预警系统，如图4。该系统在接收到异常的人、机械、环境数据或信息时，可以发出警报，或以亮灯形式实时提醒管理人员，管理人员可依据可视化窗口查看系统的自维护、自优化情况，并根据实际制定管理方案。

图4 岩体失稳灾害人机环预警系统

对于系统内人的预警，主要针对人的健康状态和行为活动。人在岩体环境中，通过传感技术能够实时监测其相关状态，并将状态传输到另一端。人在作业过程中，若出现体温过高、呼吸急促等问题，传感技术能及时接收，并通过预警系统将这一信息传递给作业人员本人和另一端的管理人员，通过智能安全人机的人人交互与人机交互，可以实现高效、实时的人的异常状态预警。此外，人的行为活动也可以通过传感技术传递，管理人员在PC端接收到异常行为活动警报后，可以通过语音技术，对作业人员进行提醒和警告，防止人失误造成的岩体灾害。

对于系统内机械的预警，主要针对机械的异常状态和工作情况。机械在岩体环境中，其运转状态是管理人员关注的重点，机械结构损伤、异常的温度、转速、压力等都可能导致机械运行超出岩体的承受能力，进而出现失稳灾害。预警系统可以通过传感技术或损伤检测等对异常信息进行预警，相关人员可以及时针对问题采取措施。此外，在智能安全人机工程系统中，还可利用系统自适应、自维护等特点对异常情况进行修复。

对于系统内环境的预警，主要针对物理环境和岩体损伤。通过传感技术可获取环境温度及气体异常信息，并由预警系统将异常情况进行警报。在进入环境前，应做好应对措施，或采取一定手段，排除异常情况后，再进入环境。对于岩体损伤，将微震或声发射设备采集拾取到的事件数，采用监测系统的数据处理模块计算出主动震源的实时波速，并绘制出固定时间长度的微震事件个数和波速值的变化趋势图，同时，对监测数据进行未知波速的震源定位，分析微震事件个数、波速值的变化趋势以及声源/震源的定位结果，综合三者结果，获得岩体失稳灾害前兆信息，以此对灾害进行实时预警。

3.2 岩体失稳灾害的控制

对岩体失稳灾害的控制是岩体失稳灾害防控过程中最为重要的一环，在前期工作基础之上，需要采取一定的控制措施，对潜在失稳区域进行约束。在灾害控制上，可以采取的手段主要有岩体支护和人机环功能的协调。

岩体支护主要有锚杆支护、锚喷支护、锚索支护等方式，但这些支护方式无法反映自身和岩体的承载能力和承载情况，容易造成支护的失效，进而导致岩体失稳灾害的发生，因此笔者研发了一种基于多信息感知的灾害预警锚杆。灾害预警锚杆上设置有多种信号传感器以及光电预警器，可以实时反映锚杆安装位置岩体的各种信息，并通过预警器对多种信号传感器感知到的信息进行预警。安装的多种传感器包括振动传感器、位移传感器、压力传感器采集监测数据，可获得能够反映岩体情况的参数，通过搭建云计算平台进行计算，再通过信号传输实现灾害预警，对有失稳风险的岩体及时采取控制措施，这种支护方式能够准确、快速、有效的在局部范围内进行实时监测预警与控制。

人机环功能的协调指在不同的岩体环境中，采取不同的控制手段进行相关作业，实现人机环的协调，达到效能和安全性较高的状态。在岩体失稳灾害风险较大的环境中，或者在人体暴露面积较大的岩体环境中，人所受到的岩体失稳威胁较大，因此，在岩体人机环系统中，可引入智能安全人机工程，利用系统自适应、自训练、自维护、自学习、自优化的优势和技术的互联实现灾害的有效控制，针对岩体的作业，也应当采用智能化机械，用机械代替人工作，主要包括无人驾驶车辆(其应用流程如图5)、无人机等，人只需进行远程的设备管理和维护，不进入岩体环境，不会有暴露于岩体失稳环境中的风险，进而降低岩体灾害损失。对于危险性较小或人体暴露面积较小的岩体环境，人可以进入环境作业，但也要配备必要的安全设备或工具。

图5 无人驾驶汽车作业应用流程图

4 结论

岩体失稳灾害的防控需重点关注静态和动态的岩体环境外，还应对岩体环境内的人和机进行实时、有效、系统的监测。本文阐述了人机环系统监测数据的获取技术，对于人利用传感和红外技术，对于设备利用传感技术和特性检测，对于环境利用传感和声学技术。针对环境的监测主要包括2个方面，一是物理环境监测，二是岩体损伤检测。其次，介绍了自主研发的岩体失稳灾害监测系统及系统涉及的声源/震源三维解析综合定位方法与含空区的三维定位方法。最后，以岩体失稳灾害防控为目的，建立了灾害预警系统，该系统包含人、机械和环境3个方面，是涵盖“监测数据→预警信息→防控方法”全过程的综合系统，有望为岩体工程的全生命周期安全提供理论与技术指导。