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基于尾矿库安全物联网决策支持系统研究

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资料介绍

尾矿库安全管理是一项非常复杂的系统工程,针对湖南黄金集团高流坑尾矿库安全管理工作人工依赖性强、智能化程度低,灾情实时判断与预警控制决策效率低等不足特点,提出物联网技术,结合先进的数据感知技术,将数据采集、处理、分析及决策等环节进行一体化综合集成,研究设计尾矿库安全物联网决策支持系统.使尾矿库建设运营参与各方加强认知和揭示尾矿库安全灾变规律,为实现尾矿库安全管理智能预警决策提供有力的辅助支持.

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V01．12 No．5

中国安全生产科学技术

第12卷第5期

2016年5月

2016

May

Science and

Journal

Technology

Safety

文章编号：1673—193X(2016)一05—0120—07

基于尾矿库安全物联网决策支持系统研究木

姜

洲1,2，陈学力3，方伟立h，吴贤国1，肖旭峰3，刘方求3

(1．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074；2．湖南省安全生产监督管理局，湖南长沙410016；

3．湖南黄金洞矿业有限责任公司，湖南长沙410016)

摘要：尾矿库安全管理是一项非常复杂的系统工程，针对湖南黄金集恩高流坑尾矿库安全管理工作人工依赖性强、

智能化程度低，灾情实时判断与预警控制决策效率低等不足特点，提出物联网技术，结合先进的数据感知技术，将数据

采集、处理、分析及决策等环节进行一体化综合集成，研究设计尾矿库安全物联网决策支持系统。使尾矿库建设运营

参与各方加强认知和揭示尾矿库安全灾变规律，为实现尾矿库安全管理智能预警决策提供有力的辅助支持。

关键词：尾矿库；物联网；安全监控；数据采集

中图分类号：X936

文献标志码：A

doi：10．1173l／j．issn．1673．193x．2016．05．021

Research on

based on Internet of

tailing pond safety Things

decision-making support system

Xueli

JIANG Zhou‘一，CHEN

3，FANG Weili。，WU

Xiangu01，XIAO Xufen93，LIU Fangqiu3

Civil

and

of Science and

Huhei

430074，China；

Technology，Wuhan

(1．School

Engineering

Mechanics，Huazhong University

2．Administration of Hunan Work

Hunan

Safety，Changsha

410016，China；

Jin

Limited

Hunan

3．Huang

Dong Mining Industff

Company

Hunan，Changsha

410016，China)

the

and

Abstract：The

safety management

tailing pond

complicated system engineering．Aiming

in disaster real· time

deficiencies，such

artificial

strong

control

dependence，low intelligence degree，low

judgement

efficiency

early warning

decision

of Hunan

Gold

Gaoliukeng tailing pond

etc．，for

safety management

tailing pond

^{based on Internct of}Things

safety

Group，a decision· making support system

was

Internet

of links

multiple

tech—

data

studied and

tailing pond

Things

with

advanced data aware

it achieved the

technology，and

nology

comprehensive integration

including

and SO on．It makes the

in construction and

collection，processing，analysis，decision· making

participating parties

operation

enhance

and reveal the disaster

tailing pond

for

cognition

regularity

pond safety，and

tailing pond．

sup—

tailing

provides strong auxiliary

and

port

realizing intelligent early

warning

decision· making

safety management

collection

Things；safety monitoring；data

Key words：tailing pond；Internet

全事故74起。事故类型以尾矿库滑坡、裂缝、溃坝、渗漏

等为主，造成死亡、失踪人数共362人。2。1。因此，加强

尾矿库安全监浏技术研究，实施动态监测，为尾矿库科

学管理提供技术支撑，对尾矿库灾害进行预警，有效预

防尾矿库事故的发生具有重要意义。

引言

尾矿库是筑坝拦截谷口或围地构成的用以堆存金

属、非金属矿山进行矿石选别后排除尾矿的场所，是一

个具有高势能的人造泥石流的危险源，已成为矿山企业

生产的最大安全隐患’1j。据国家安全生产监督管理总

局等部门统计，截至2010年底，全国11 946座尾矿库

本文结合湖南黄金集团高流坑尾矿库安全管理的

实际情况，融合先进的数据感知与传输技术¨ 1，结合物

联网技术和系统建模方法开发设计一套尾矿库安全物

联网决策支持系统，并应用于湖南黄金集团高流坑尾矿

库的日常安全管理与决策中，为实现尾矿库的安全智能

化管理提供辅助决策系统和技术支持。

477

中，四、五等小型库约占4，1％，有危库、险库、病库l

座，占总数的12．4％。与此同时，全国共发生尾矿库安

收稿日期：2015—12—25

作者简介：姜洲，博士研究生。

工程概况

通讯作者：方伟立，硕士研究生。

{基金项目：国家自然科学基金项目(51378235，71571078)；湖北

省自然科学基金重点项目(zrz2014000104)

湖南黄金集团高流坑尾矿库位于矿区西面2．6公

里处黄金河北岸，该库址为三面环山的冲沟，河沟坡降

万方数据

· 121·

第5期

中国安全生产科学技术

较小，沟口段较窄，较平缓，250 m以内逐渐开阔，至500

m处河沟又分成两条支沟，西沟较短，东沟较长为主沟。

000

然．蒜区域

从500 m以上至1

m范围即为主要库区。库区占地

约330亩，其中主要为山地，约300亩，退耕地约30亩。

库区高程150～250 m，汇水面积1．37 km2，流域长2．1

km，平均坡降0．11总库容496万m3，可使用20年。总

投资(工程直接费)750万元。该库尚有远景扩容余地，

若堆到280 m高程，总库容可达900万m3，服务年限37

年。该尾矿库坝体区域与库存区域的现状如图1所示。

系统设计

本文结合湖南黄金集团高流坑尾矿库安全管理实

际情况，从安全物联网决策支持系统的总体结构设计来

看，尾矿库安全物联网决策支持系统具体包括感知层、

支撑层、应用层三大部分，如图2所示。

2．1

感知层

感知层是基础数据与信息的来源，可看作是尾矿库

安全物联网决策支持系统的末端神经，主要完成相关监

测数据和知识的采集、转换、汇集和传输”1。一方面，系

统通过传感器技术，对坝体外部位移、坝体浸润线、库水

位、坝体内部位移、降水量、干滩数据等各项数据进行实

时监测，获取实时监测数据；另一方面，对系统决策所需

图1 尾款库坝体区域和库存区域现状

Status of dam

and

inventory

Fig．1

regional

的相关分散零碎的知识进行系统化整理，形成包括致险

因素库、模型库、样本库等类别的知识库。

，／，Z赢、

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先验知谚{

监

感

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一需一

图2尾矿库安全物联网决策支持系统框架

Framework

network

tailings security

Fig．2

system

万方数据

· 122·

第12卷

中国安全生产科学技术

2．2

支撑层

支撑层是中间层，为下游感知层采集得到的数据提

联网决策支持系统感知层需要解决的关键技术问题。

针对尾矿库安全预警控制任务的需求，结合无线传

感网络先进的数据采集与传输技术卜“，设计构建面向

尾矿库安全控制的实时监测无线传感网络，由传感器节

点、汇聚节点及监控中心三部分组成，如图3所示。

供无障碍传输通道，并为上游应用层的作业控制和业务

管理等提供高效的信息交互技术手段。支撑层的主要

功能是数据的存储与处理：一方面将传感技术与移动通

信技术有机融合，对感知层获取的物体属性转化而成的

信息进行实时快捷存储；另一方面，对获取数据进行有

效性处理，包括数据缺失估计、数据降噪处理和数据时

序预测分析’6。，为应用层基于数据的决策支持管理提供

可靠的数据基础

r。。。’。。。r‘‘‘‘‘‘ 。’’’’’。。‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘’’’‘。‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘’’’‘’’。。‘‘‘‘‘‘’’‘‘‘。‘‘’。。。。。‘。‘。‘‘‘’‘’‘’。。。、

；传；光纤位移光纤倾斜

光纤压力

光纤测缝{

2．3

应用层

应用层是以实践应用为导向，将感知层与支撑层传

输来的信息进行分析、诊断、挖掘和反馈等，并通过各种

设备与人进行交互，便于决策人员进行正确的控制与决

策，实现智能化的管理、应用和服务。主要分为四大中

心模块：项目信息中心、工程监测中心、风险管理中心和

应急救援中心。

监控中心服务器

--·

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●---·

--·

-·

_·

●·

‘

图3 尾矿库安全物联网决策支持系统感知层无线传感网络

3．

safe

系统研发关键技术

Fig．3 Tailings

thing networking perception layer

of wireless sensor network decision

supportsystem

3．1

感知层

考虑到尾矿库灾变的影响机制复杂，涉及岩土环境

的时空变化效应，如何选取适用于尾矿库监测特点的数

据感知技术成了一个急待解决的问题。同时，传统尾矿

库的安全监控往往以人工测量为主，存在监测效率低、

监测不及时、易出错等诸多不足，无线传感网络(WSN)

技术为尾矿库变形安全监测数据采集与传输提供了切

实可行的解决途径。目前，基于WSN的尾矿库变形实

时在线自动监测仍处于研究阶段，研究关于尾矿库监测

无线传感网络及相关知识库的构建，成为尾矿库安全物

1)传感器节点。传感器节点是无线传感网的基础，

其被部署于监测区域对监测项目的相关指标特征进行

监测。无线传感器节点的选择对于尾矿库变形安全监

测网的有效性起着至关重要的作用，根据尾矿库变形监

控量测中不同的监测对象和监测项目的实际情况，采用

相对应的传感器类型，如VWD一250型位移计、JL一1

型静力水准仪、GN一1B固定式测斜仪等传感器将运用

于尾矿库的安全监测，如图4所示。

1型静力水准仪

IB固定式测斜仪

(c)GN

250型位移t

(b)JL

(a)VWD

图4传感器类型

of sensor

Fig．4 Types

2)汇聚节点。汇聚节点主要功能是与控制中心和

据，并将数据传输给二级汇聚节点；二级汇聚节点将数

据传输给数据监控中心。汇聚节点需要同时配置串口、

以太网等通信接口方便与计算机网络连接。

传感器节点进行数据交换，一般由两级汇聚节点构成。

其中，一级汇聚节点汇总处理所有传感器节点采集的数

万方数据

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