矿区岩土施工安全监测系统设计及应用

张 艳，张 柯，郭 靖

(1.陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000； 2.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611700)

矿区岩土工程是指在矿区中将土体与岩体作为施工对象的一类工程项目，它属于工程技术中的一种，旨在通过相关的技术实现局部乃至整个工程的打造[1]。该类工程的特点为施工现场的信息、参数及条件等均具有较强的随机性，且具有较强的实践性，与结构类工程相比，其成熟度、完善性及严密性均较低[2-3]。因此，针对此类工程施工过程中安全性的实时监测成为当下的研究热点。在矿区岩土工程施工安全监测领域内，通常所关注的安全参数主要有气体浓度、地面载荷、地面沉降、温度、位移及应力应变等，通过及时监测此类安全参数，实现对矿区岩土工程施工安全的有效监测[4]。以往监测中通过运用各类监测仪器依次采集各种安全参数，待完成全部参数采集任务后方可汇聚各种安全参数数据，采集效率低，整体监测时效性不佳[5]。并行采集可通过在相关控制器的操控下实现各类监测仪器的数据并行采集任务，此种采集方式响应速度更高，对提升整体监测时效性有较好的效果[6-8]。

多源是指数个数据源，在矿区岩土工程施工安全监测中，使用各类传感器实现现场各种安全参数的实时采集，这些传感器因生产厂家各异，导致各自采集的数据具有分散性，由此造成所采集数据具有多源的特性[9]；异构指数据结构存在差异，不同生产厂家所生产传感器采集到的数据结构不同，由此导致所采集数据具有异构的特性，综合具备以上2种特性的数据即为多源异构数据[10-11]。此类数据具有涵盖范围广、监测全面等特点，通过并行采集方式获得此类数据，并有效解决此类数据应用中的来源、结构及传输协议等差别问题，在此基础上运用此类数据,在矿区岩土工程施工安全监测中更具现实意义[12]。

综合以上分析，本文设计一种基于多源异构数据的矿区岩土施工安全监测系统，并将其实际应用于某矿区岩土工程施工安全监测中，实时监测施工现场的安全参数变化情况，降低岩土工程施工风险，保障施工的安全性。

1 矿区岩土工程施工特征分析

矿区岩土工程施工的特征主要表现为隐蔽性、不确定性、区域依赖性、危险性以及周边环境恶劣性等方面[13]。其特征结构如图1所示。

图1 矿区岩土工程施工特征结构Fig.1 Construction characteristic structure drawing of geotechnical engineering in mining area

(1)隐蔽性。对于矿区岩土工程而言，其施工过程中存在较多地下操作，此类操作隐蔽性强，不能直观地对此类操作实施管控[14]，导致不能及时发现操作中的问题，甚至会因此出现施工安全事故。

(2)不确定性。通常在矿区岩土工程中所存在的地质条件多变，当工程施工到一定程度时，新的地质条件也许会逐步出现;同时在对岩土实施取样时，岩土参数具有不确定性[15]，检测样本的条件与现实岩土工程之间差距较大，这些均会导致矿区岩土工程施工存在不确定性。

(3)区域依赖性。矿区岩土工程的实际施工应与施工现场的具体情况相结合，对现场的具体参数指标等明确后，有目的地实施相应施工操作。如对于不同种类土壤的施工现场而言，所需选用的施工操作方式也会存在差异。

(4)危险性。由于矿区岩土工程施工中具有较高的人员流动性，同时存在不确定的环境因素及所应用的各类设备较多，除此之外施工中使用到的火与电等，此类因素均有可能增加矿区岩土工程的危险性。

(5)周边环境恶劣性。因实际施工需求，通常矿区岩土工程均选择在较为偏远的位置施工[16-17]，此类位置的周边环境较为恶劣，且具有错综复杂的地势地形。

2 矿区岩土施工安全监测系统

2.1 矿区岩土施工安全监测系统整体架构设计

基于对矿区岩土工程施工特征的分析，得知矿区岩土工程施工中所存在的诸多安全风险。为更科学有效地防止此类安全风险，结合多源异构数据设计矿区岩土工程施工安全监测系统，实现对此类工程施工过程中现场具体安全参数指标的有效监测，保障矿区岩土工程施工的安全性。

设计包括施工现场多源异构数据采集层、数据融合与传输层及远程监测预警层的矿区岩土施工安全监测系统，系统整体架构如图2所示。该监测系统中，位于首层的施工现场多源异构数据采集层由FPGA可编程控制模块与异构设备采集模块构成，其中异构设备采集模块由布设于矿区岩土施工现场的各种传感器与数据采集仪构成，可采集施工现场的气体浓度、渗压、位移、温度及沉降等具体安全参数指标。FPGA可编程控制模块的核心为FPGA可编程控制器[18]，在此模块的控制下，可实现异构设备采集模块的多源异构数据并行采集。位于第2层的数据融合与传输层的任务是融合首层所采集到的施工现场多源异构数据，实施相应处理后，经由无线通信向远程监测预警层内传输。远程监测预警层的功能是接收来自数据传输层的多源异构数据，并对数据实施存储、监测、呈现及预警等。

图2 矿区岩土施工安全监测系统整体架构Fig.2 Overall structure diagram of geotechnical construction safety monitoring system in mining area

2.2 矿区岩土施工安全监测系统硬件设计

2.2.1 矿区岩土施工安全监测系统整体硬件

教师既是“经师”，又是“人师”。教书和育人是一个无法分开的整体，育人渗透在教学中，是教学不可或缺的组成部分，育人效果的好坏直接决定着教学质量的高低。通过教学，教师既要帮助学生掌握知识，形成技能，发展能力，又要帮助学生养成远大的理想追求，形成正确的人生态度，乐观的情感体验，宽广的人文情怀，坚韧的意志品质，精益求精的敬业精神。美国心理学家林格伦指出：“教师的教育效果取决于师生交往的质量。”[2]要改变高等学校师生关系日渐疏远的现状，教师要深入学生之中，亲近学生，了解学生，与生为友，以理服生，以情动生，以身示生，真正成为学生的人生导师。

系统整体硬件包括供电模块、人机交互显示屏模块、异构设备采集模块、FPGA可编程控制模块、RS485总线接口驱动模块、施工环境监测模块、GPRS通信模块、风险预警模块、数据储存模块及核心微控制器模块等，系统整体硬件结构设计如图3所示。

(1)供电模块的任务是向整个岩土施工安全监测系统提供电源；作为矿区岩土施工安全监测系统整体硬件核心部分的核心微控制器模块，其关键任务是对其余硬件实施协调调度。

(2)异构设备采集模块主要由若干个传感器与采集仪构成，通过将此类异构设备布设于岩土施工现象，实现对现场安全参数的实时采集。

(3)FPGA可编程控制模块的关键任务是帮助通信协议各异的异构设备实现矿区岩土施工现场的多源异构数据并行采集，同时通过协议解析将所采集的数种协议数据集成为相同的格式上传。

图3 系统整体硬件结构设计Fig.3 System overall hardware structure design drawing

(4)RS485总线接口驱动模块的职责是融合施工现场多源异构数据采集层所采集的施工现场多源异构数据，其两端分别连接微控制器模块与FPGA可编程控制模块。

(5)GPRS通信模块的主要任务是通过无线方式向远程监测预警层内的服务器传送融合后的施工现场多源异构数据。

(6)数据储存模块的主要任务是储存并备份融合后的施工现场多源异构数据。

(7)人机交互显示屏模块的作用是将采集的施工现场多源异构数据呈现给用户，用户经由该模块可对施工现场的安全数据实时监测。

(9)风险预警模块的任务是依据施工环境监测模块的监测结果，实现岩土施工安全风险预警。

2.2.2 施工现场多源异构数据采集层设计

施工现场多源异构数据采集层的核心硬件为FPGA可编程控制器，其具备自定义、结构化并行处理及灵活性等特点[19]，可帮助具备不同通信协议的传感器与采集仪实现矿区岩土施工现场的多源异构数据并行采集，并通过其协议解析功能集成所采集的数种协议数据为相同的格式上传。施工现场多源异构数据采集层硬件结构设计如图4所示。施工现场多源异构数据采集层以采集单元内传感器与采集仪等异构设备的传输接口为依据，设计其核心部分FPGA的可编程逻辑资源，设计的最终目的是向可实现各种接口采集的逻辑电路转变，同时对其核心部分的接口引脚设置约束，达到驱动设计接口的目的。图4中，SCK为同步时钟，CLK为时钟信号；PLL为锁相回路，其作用是令时钟信号达到一致，令传感器等异构设备可常规运行；MOSI与MISO分别为主输出从输入与主输入从输出；CAN为总线，TPS62243DRVTG4为转换芯片。其中，CAN总线接口是不能直接向FPGA的I/O接口接入的差分电压，经由TPS62243DRVTG4芯片转变CAN总线接口为SPI接口后，可直接向FPGA的接口接入；将SPI Master驱动设置在FPGA端，达到采集传感器等异构设备所获得矿区岩土施工现场多源异构数据的目的。

图4 施工现场多源异构数据采集层硬件结构Fig.4 Hardware structure diagram of multi-source heterogeneous data acquisition layer in construction site

2.3 矿区岩土施工安全监测系统软件设计

针对矿区岩土工程施工现场多源异构数据实施并行采集的过程如图5所示。

(1)通过异构设备采集模块内布设于矿区岩土工程施工现场的各类传感器与采集仪等异构设备采集气体浓度、位移及温度等安全参数，由FPGA可编程控制模块内的FPGA可编程控制器并行采集各异构设备所获得的多源异构数据。

(2)由于各异构设备的通信协议不同，所采集的多源异构数据的格式和通信协议也存在差别，需通过FPGA可编程控制器内设定的数据协议解析状态机实现多源异构数据通信协议和格式的解析。

(3)因各异构设备所采集的数据属于异构数据，也就是主控时钟属于异步时钟，为便于继续处理数据，应同步化此类异步时钟，避免亚稳态现象的出现。通过将异步FIFO(先进先出存储器)添加到各个异构设备上，在异构设备的采集端运用其主控时钟向异步FIFO内储存所采集数据，并通过相同的时钟在其另外一端读取数据，达到时钟同步的目的。在此基础上，以轮询法并串转换实现全部异步FIFO内有效数据向各个地址的存储器RAM存入。

图5 施工现场多源异构数据并行采集过程Fig.5 Process diagram of parallel collection of multi-source heterogeneous data in construction site

(4)通过流水线法对存入RAM内的数据实施读取与冗余校验，首个时钟周期时，对首个数据实施读取，下个时钟周期时，对下一个数据实施读取的同时对首个数据实施冗余校验，以此规律直至完成全部数据的读取与冗余校验。

(5)经由无线通信将通过冗余校验的多源异构数据上传至数据融合与传输层，完成矿区岩土工程施工现场多源异构数据的整体并行采集任务。

3 应用结果分析

以某矿区施工中岩土工程为例，将本文系统应用于该工程内，对其施工安全实施监测，检验本文系统的实际应用效果。实验岩土工程地段属于东西走向，且其东部高于西部，东部附近有采矿后遗留矿坑；工程中的局部区域有淤泥黏土层，其强度较低且具有较高的压缩性，厚度约18 cm；施工中对回填土与软基实施加固的方法分别为强夯法和固结法，主要目的是实现工程场地的平稳及降低施工后沉降。

3.1 施工现场多源异构数据采集性能检测

施工现场多源异构数据的采集性能可直接影响到矿区岩土施工安全监测的实时性。为此，首先检验本文系统在并行采集实验岩土工程施工现场多源异构数据时的实际响应情况。随机选取3个时间段进行3组实验，每组实验中所选取的异构设备组数均为2～10组，每组异构设备由温度传感器、压力传感器、气体浓度传感器及位移采集仪等构成。各实验时间段下本文系统不同组数异构设备施工现场多源异构数据并行采集用时情况统计结果详见表1。分析表1可以得出，当本文系统所使用的异构设备组数相同的情况下，在不同时间段内对实验工程施工现场多源异构数据的采集用时无过大差异；当处于相同时间段内时，随着所使用异构设备组数的增加，本文系统的并行采集用时仅出现小幅度的上升趋势，原因是本文系统实现施工现场多源异构数据采集的方式为FPGA并行采集，实际采集用时并不受异构设备数量的影响，仅受采集用时最长的单个传感器的影响。由此可见，本文系统在采集施工现场多源异构数据时能够实现快速响应，且响应用时较为稳定，整体采集性能平稳可靠。

表1 不同分组的并行采集用时情况Tab.1 Parallel acquisition time of under different groups ms

3.2 数据传输性能检测

在监测矿区岩土工程施工安全过程中，对所采集施工现场多源异构数据的传输性能同样可影响到最终的监测效果。因此，需检测本文系统的数据传输性能。以传输时延与丢包数目作为检测指标，以每5 min传输4 000个数据包作为1次传输实验，通过120次数据传输实验检测本文系统的数据传输性能，保证实验检测结果的可靠性。实验检测结果如图6所示。由图6可看出，本文系统在120次数据传输实验检测中，传输时延未出现较大波动，始终处于60～80 ms，数据传输效率高，传输性能稳定；另外，数据传输的丢包数目较低，丢包数目区间为0～2个，且大部分检测中未出现丢包或者仅出现1个丢包数目，数据传输的整体成功率较高，具有较高的数据传输可靠性。

图6 系统数据传输性能检测结果Fig.6 Test results of system data transmission performance

3.3 远程监测性能检测

以实验岩土工程的地面沉降、载荷及温度远程监测结果为例，通过呈现本文系统的以上3种远程监测结果，检测本文系统的远程监测性能。由实验岩土工程中随机选取3处地面测点，通过本文系统分别对其累计沉降、累计载荷及温度实施远程监测，所得监测结果如下。

(1)以每半个月为一个监测周期，获得2019年9月1日—12月31日实验岩土工程3处地面测点的累计沉降监测结果，如图7所示。

图7 岩土工程各地面测点的累计沉降监测结果Fig.7 Cumulative settlement monitoring results of each ground measurement point in geotechnical engineering

通过图7可得出，经由本文系统能够实现对实验岩土工程施工过程中地面累计沉降安全参数的监测。监测结果显示，所选取的3个地面测点的累计沉降均呈现不同程度的升高趋势，其中地面测点3的整体累计沉降值相对更高。

(2)继续以每半个月为一个监测周期，获得2019年9月1日—12月31日实验岩土工程3处地面测点的累计载荷监测结果如图8所示。由图8能够看出，通过本文系统可监测到实验岩土工程施工过程中地面的累计载荷安全参数。依据监测结果得知，3个地面测点的累计载荷值均呈现上升状态，其中地面测点3的整体累计载荷值最高。

图8 岩土工程各地面测点的累计载荷监测结果Fig.8 Cumulative load monitoring results of each ground measurement point in geotechnical engineering

(3)以每24 h为一个监测周期，获得2019年9月1—10日实验岩土工程3处地面测点的温度监测结果如图9所示。

图9 岩土工程各地面测点的温度监测结果Fig.9 Temperature monitoring results of each ground measurement point in geotechnical engineering

由图9能够得出，通过系统可监测到实验岩土工程施工过程中的地面温度安全参数及其变化情况。由监测结果可知，3个地面测点的温度值均呈现波动上升趋势，其中地面测点1与测点2的整体温度波动趋势更明显。

综合以上监测结果可得出，本文系统能够实现对实验岩土工程施工过程中各种安全参数的有效监测，监测效果显著，监测性能稳定可靠。依据本文系统的施工现场安全参数监测结果，结合预先设定的预警阈值，可准确分析出施工中的安全风险事项并发出预警，提升矿区岩土工程施工的安全性，具有较高的实际应用价值。

4 结论

本文设计了基于多源异构数据的矿区岩土施工安全监测系统，并将其应用于某矿区的岩土工程施工监测中，实际应用结果显示，该系统在采集施工现场多源异构数据时具有稳定迅速的响应性能；在数据传输过程中延时较低且无过大波动，数据丢包量极少，数据传输具有较高的效率与成功率，数据传输性能稳定可靠；在施工现场安全参数监测方面效果显著，可实现对实验岩土工程施工过程中各种安全参数的有效监测，达到安全监测矿区岩土工程施工的目的，为提升施工的安全性提供保障。