基于无线通信的尾矿库在线安全监测系统设计

刘 俊，张警行，郭 琳，袁训锋

(商洛学院 电子信息与电气工程学院，陕西 商洛 726000)

尾矿库是矿山选矿后排出的尾矿或其他工业废渣的堆放场所，也是矿山的重大危险源。因此，利用高新技术和前沿科技，不断提高尾矿库的安全管理水平，保障尾矿库生命周期各阶段的安全运行具有重要的意义。自2008年襄汾尾矿库溃坝事故发生后，全国加快了尾矿库在线安全监测系统的建设进度。与此同时，围绕尾矿库开展监测安全指标的理论研究和在线监测系统与先进技术融合的实践探索也不断推进。余万一等[1]利用互联网思维构建了基于SaaS的尾矿库在线监测系统，以降低监测系统的建设成本。郑鹏等[2]将4G通信技术应用于尾矿库安全在线监测系统中，能够提高数据无线传输的稳定性和抗干扰性。高小盼等[3]将遥感卫星和无人机航拍的数据整合得到宏观的尾矿库三维模型，再利用传感器技术实现各项安全监测指标的测量。

本文针对晋银尾矿库，开展尾矿库在线安全监测系统方案的设计，利用无线数传电台和无线网桥进行数据传输，不仅避免了传统有线通信的布线复杂、维护困难等弊端，也改善了传统的无线通信在尾矿库监测应用中所具有的缺点，比如ZigBee通信[4]，具有数据传输速率低、信号覆盖范围小等缺点；比如GPRS通信[5]，受运营商基站建设位置的制约，后期运行通信费用高等缺点。

1 设计要求及系统架构

1.1 项目概况

山西晋银矿业有限公司尾矿库属于山谷型尾矿库，设计总坝高88 m，有效库容215万m3，为三等尾矿库。初期坝坝高21 m，坝顶宽60 m，属于堆石透水坝。堆坝采用上游式筑坝方式，总外坡比1∶4，汇水面积0.65 km2。

1.2 设计要求

根据《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》(GB 51108—2015)的相关规定[6]和尾矿库的实际情况，在线安全监测系统的监测项目包括库水位监测、干滩监测、降雨量监测、浸润线监测、坝体表面位移监测、坝体内部位移监测、视频监测等7项。

1)库水位采用雷达物位计测距法实现库水位高程的计算。在溢水塔上方距离库水面20～25 m的水泥柱上安装1套库水位监测装置。

2)采用坡度推算法实现干滩长度、坡度、安全超高的测量和计算。在干滩滩顶和距离滩顶库水区方向水平距离70 m的两个干滩横剖面上分别安装3套干滩监测装置，选择在干滩平整(远离尾矿浆排放处)、有坡度的区域。

3)采用容栅式雨量计实现雨量实时测量。在库区机房的房顶上安装1套。

4)采用振弦式渗压传感器等装置实现监测点处浸润线高程的测量和计算。在高程1 200、1 220、1 243 m的三个剖面分别各安装3套渗压监测装置。

5)对坝体表面位移监测采用GPS定位法。在高程1 200、1 220、1 243 m的三个剖面分别安装1套、2套、3套GPS表面位移监测装置，GPS基站安装在库区机房附近稳固可靠的山坡上。坝体内部位移监测采用固定式测斜仪实现。在高程1 200、1 220、1 243 m的三个剖面上分别安装1套、2套、3套内部位移监测装置。

6)在上坝路口、库区机房、堆积坝坝顶左侧、初期坝坝顶、堆积坝半坡、堆积坝坝顶右侧、溢水塔等视野开阔、地质稳定的地方安装7套视频监控设备。

监测点布置图如图1所示。

图1 监测点布置图(单位：m)Fig.1 Layout of monitoring points(Unit：m)

1.3 系统硬件架构

本系统主要包含数据采集、数据传输、数据计算处理存储、信息管理和分析等四大模块。首先由现场采集模块采集尾矿库监测数据，然后通过有线或无线的方式将数据传输到库区机房的应用服务器中，再由相关采集软件、解算软件等进行数据整理、优化、计算等处理，并将结果存储到数据库服务器中，最后通过信息管理和分析软件以可视化的方式将监测数据结果显示到监控显示器或屏幕上。系统总体硬件结构拓扑图如图2所示。

图2 系统总体硬件结构拓扑图Fig.2 Overall hardware structure topology of the system

无线数传电台是一种无线数据通讯媒介，已在自动化系统中广泛使用[7-8]。本方案将其应用到尾矿库在线安全监测系统的库水位、干滩、降雨量、浸润线、坝体位移等数据的实时传输中。

无线网桥可将两个或多个网络进行连接，传输宽带可达1 Gbps，已广泛用于高速公路视频监控[9]、输电线路视频巡视[10]等环境。本方案将无线网桥引入到尾矿库在线安全监测系统中。

2 系统拓扑结构

2.1 库水位监测子系统

库水位监测硬件结构拓扑图如图3所示。数据采集软件设定采集频率和时间，开始采集时，服务器向采集器发送命令，唤起无线数传电台和雷达物位计，使其进入工作模式；当数据采集完成后，则进入休眠模式。

图3 库水位监测硬件结构拓扑图Fig.3 Hardware structure topology diagram of reservoir water level monitoring

降雨量监测的硬件结构拓扑图与图3类似，需要将雷达物位计更换为雨量计。

2.2 干滩监测子系统

干滩监测硬件结构拓扑图如图4所示。无线数传电台采用一点对多点架构模式，数据通信采用时分多址方式，即主站轮询，按时间先后排序传输数据，当六组数据采集完成后，超声波物位计和无线数传电台进入休眠模式。

图4 干滩监测硬件结构拓扑图Fig.4 Hardware structure topology of dry beach monitoring

浸润线监测和坝体内部位移监测的硬件结构拓扑图与图4相似，需要将超声波物位计更换为振弦式渗压计和固定倾斜仪。由于固定倾斜仪的通讯方式为RS485，故在坝体内部位移监测的硬件结构拓扑图中还需将图4中的模拟量采集器去除。

2.3 坝体表面位移监测

尾矿坝上各GPS监测点和GPS参考点将位置信息传输到应用服务器中，并利用GPS解算软件解算出各监测点的三维坐标，结合参考点观测数据和监测点起算坐标进行对比，从而获得各监测点的水平位移和垂直位移变化量[11]。由于GPS接收机的价格普遍较贵，本方案提出尾矿坝表面位移监测采用一机多天线方式，监测点分为两组，每组中包含1个接收机和3个天线。每组的3个天线按时间轮流接收卫星数据，并传输到接收机和上位机。GPS基站连续24 h工作。

GPS采集器可由内部单片机控制电源电路中晶闸管的引脚，实现天线信号传输的切换。坝体表面位移监测硬件结构拓扑图如图5所示。

图5 坝体表面位移监测硬件结构拓扑图Fig.5 Hardware structure topology of dam surface displacement monitoring

2.4 视频监测子系统

在尾矿库重要位置安装视频监控，用于监控尾矿库相关设施、坝体、尾矿排放等运行状态。视频监测子系统利用无线网桥实现信息传输，可采用点对点、点对多点的设计方案。视频监测硬件结构拓扑图如图6所示。

图6 视频监测硬件结构拓扑图Fig.6 Hardware structure topology of video monitoring

3 采集器硬件设计

采集器主要由单片机最小系统、通信模块和电源模块等组成。采集器通过通断外部设备的运行电源或调节外部设备运行模式控制端的高低电平实现对被控设备工作或休眠状态的切换。

3.1 通信电路

采集器的通信电路主要由MAX3232芯片及外围电子元件组成，采用RS-232串行通信方式实现与无线数传模块的信息交互。通信接口电路原理图如图7所示。

图7 通信电路原理图Fig.7 Schematic diagram of communication interface circuit

3.2 供电电路

雷达物位计供电电压为24 V，超声波物位计和渗压计供电电压为12 V，所以利用LDO升压芯片U2、场效应晶体管T1、三极管T2等元件进行供电电路的设计。图8为供电电路原理图，12 V电压输出由单片机引脚1控制；24 V电压输出由单片机引脚2控制。

图8 供电电路原理图Fig.8 Schematic diagram of power supply circuit

4 数据采集流程

浸润线、干滩、库水位、坝体内部位移等数据的采集时间和频率由上位机采集软件设置完成，通过无线通信模块发送命令给采集器，由采集器负责启动或关闭数据采集任务。某个监测点数据采集流程如图9所示。

图9 数据采集流程图Fig.9 Data acquisition flow chart

5 结论

根据《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》的相关要求和晋银尾矿库实际情况，提出了基于无线通信的尾矿库在线安全监测系统的设计方案，确定了监测指标和监测点布置图，设计了系统整体和各监测子系统的硬件结构拓扑图，给出了采集器设备中主要电路的设计原理图，描述了系统数据采集的工作流程。该设计方案原理简单，监测点布局灵活，对尾矿库的高效管理有一定的借鉴意义。