呂 鵬，張滿華，符 巍

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.湖南省農(nóng)村信用社聯(lián)合社，湖南 長沙 410199)

露天礦高陡邊坡物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)

呂 鵬1，張滿華1，符 巍2

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.湖南省農(nóng)村信用社聯(lián)合社，湖南 長沙 410199)

基于某露天礦高陡邊坡在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中的失穩(wěn)特征，本文了構(gòu)建了邊坡多元信息耦合監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，建立了多層多代理分布式系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ?，考慮到邊坡監(jiān)測智能終端部署環(huán)境的復(fù)雜性和時(shí)變性，提出了可自適應(yīng)調(diào)整的多代理分層嵌套實(shí)現(xiàn)方法，提高了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕O(shè)計(jì)了雙網(wǎng)絡(luò)混合通信架構(gòu)和面向邊坡位移、應(yīng)力和聲發(fā)射監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)平臺。研究結(jié)果表明，該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠有效地對邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行耦合監(jiān)測，為露天礦高陡邊坡結(jié)構(gòu)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)防提供數(shù)據(jù)支撐。

高陡邊坡；露天礦；物聯(lián)網(wǎng)；分布式監(jiān)測；通信技術(shù)

隨著世界范圍內(nèi)露天礦開采深度不斷增大，礦山邊坡高度逐漸增加。我國冶金礦山80%以上的礦石量來自于露天開采，而且經(jīng)過較長時(shí)間的開采，許多大、中型露天礦山已由山坡轉(zhuǎn)為深凹開采及露井聯(lián)合開采[1-2]。在露天礦石剝離和地下開挖活動的共同作用下，礦山高陡邊坡極易失穩(wěn)破壞。由此帶來的滑坡、地面沉降、地表塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害對礦山作業(yè)環(huán)境及人員安全造成了極大威脅。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸應(yīng)用到礦山生產(chǎn)及地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測中，用以獲取大量的實(shí)時(shí)邊坡應(yīng)力、位移等災(zāi)害特征數(shù)據(jù)[3-6]。但是，由于露天礦爆破、裝運(yùn)等作業(yè)過程對邊坡的擾動影響及露天環(huán)境的復(fù)雜性，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山邊坡工程中的應(yīng)用受到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约疤卣鲾?shù)據(jù)的識別等因素的制約。

考慮到露天礦邊坡監(jiān)測部署環(huán)境的復(fù)雜性和時(shí)變性等特點(diǎn)，本文首先開展了相似物理模擬試驗(yàn)，獲取了某深凹露天礦高陡邊坡失穩(wěn)特征，進(jìn)而構(gòu)建了邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系架構(gòu)，提出了可自適應(yīng)調(diào)整的多代理分層嵌套實(shí)現(xiàn)方法，建立了物聯(lián)網(wǎng)多層多代理分布式系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ?，設(shè)計(jì)了雙網(wǎng)絡(luò)混合通信架構(gòu)，提高了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對該礦露天地下聯(lián)合開采過程中邊坡巖層變形、應(yīng)力等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)量測，能夠進(jìn)一步通過異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞至云端數(shù)據(jù)處理與分析平臺，為實(shí)現(xiàn)邊坡災(zāi)害的智能感知預(yù)警提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 露天礦高陡邊坡失穩(wěn)特征

某露天礦進(jìn)入深凹開采階段以來，在露天轉(zhuǎn)地下聯(lián)合開采過程中，高陡邊坡結(jié)構(gòu)地質(zhì)動力災(zāi)害已經(jīng)成為影響礦山安全開采和運(yùn)行維護(hù)的重點(diǎn)問題。高陡邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一個(gè)復(fù)雜非線性動力過程[7-8]。為了合理地選擇物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測物理量和重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，本文首先開展了相似物理模擬試驗(yàn)，以獲取該礦高陡邊坡失穩(wěn)破壞特征。設(shè)計(jì)模型尺寸為4.2 m×1.28 m×0.25 m，模型范圍與實(shí)際場景的相似比例為1-450，采用河砂作為模型骨料，石膏和大白粉作為膠結(jié)材料。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 露天轉(zhuǎn)地下開采初期邊坡失穩(wěn)特征

由圖1可以看出，該高陡邊坡結(jié)構(gòu)在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中，上盤巖體斷層處受到開采的擾動作用，隨著礦體的移出，坡體載荷分布發(fā)生變化，內(nèi)部破壞從零星的剪切裂隙向貫通裂隙發(fā)展，甚至形成失穩(wěn)破壞災(zāi)情。因此，邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)樯媳P巖體。同時(shí)，單一監(jiān)測指標(biāo)無法全面反映邊坡在露井聯(lián)合開采條件下的穩(wěn)定性狀態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)收集位移、應(yīng)力、聲波等多重信號。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的邊坡穩(wěn)定性耦合監(jiān)測體系

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的邊坡監(jiān)測體系構(gòu)建

深凹露天礦高陡邊坡在露天地下開采聯(lián)合作用下失穩(wěn)破壞受到多種因素影響，同時(shí)，其失穩(wěn)特征呈現(xiàn)出復(fù)雜多樣性特點(diǎn)[9]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基于智能傳感器、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)混合通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)多個(gè)量測點(diǎn)之間通過自組織優(yōu)化組網(wǎng)、量測點(diǎn)物理量感知、量測信息的智能分析與傳輸，可以作為礦山邊坡結(jié)構(gòu)全面量測和量測的有效技術(shù)支撐。

如圖2所示，該礦山邊坡物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。

1)感知層，包括用于位移、應(yīng)力、聲波等物理量感知的智能傳感器終端，包括基于嵌入式的信息處理模塊、通信模塊和電源模塊。本文構(gòu)建統(tǒng)一信息模型定義各感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)模型，并以統(tǒng)一格式經(jīng)由異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)上傳至云端。

2)網(wǎng)絡(luò)層，包括近距離、遠(yuǎn)距離等多種通信技術(shù)及其融合，形成自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高可靠性和高效率的數(shù)據(jù)傳遞。網(wǎng)絡(luò)層主要由數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)組成，數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)主要作用是針對感知網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的傳感器進(jìn)行管理，包括身份驗(yàn)證、狀態(tài)查詢、位置查找、數(shù)據(jù)加密解密、數(shù)據(jù)模型化處理等；無線網(wǎng)關(guān)的主要作用是對感知網(wǎng)絡(luò)中不同類型傳感器形成的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)模型要求進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，并將符合數(shù)據(jù)模型要求的數(shù)據(jù)發(fā)送至應(yīng)用層存儲服務(wù)器。

3)應(yīng)用層，包括位移、應(yīng)力、聲波等監(jiān)測場景的數(shù)據(jù)匯聚和處理。應(yīng)用層設(shè)施主要包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計(jì)算和傳輸?shù)母鞣N服務(wù)器，以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行價(jià)值再造的數(shù)據(jù)分析引擎、數(shù)據(jù)可視化引擎、用戶交互軟件等。工作流程主要包括：存儲服務(wù)器收到感知網(wǎng)絡(luò)的量測數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括質(zhì)量檢測、數(shù)據(jù)分發(fā)等。當(dāng)各應(yīng)用模塊收到任務(wù)和數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和展示，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測提供可信的信息支持。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)自組織網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有四種基本結(jié)構(gòu)形態(tài)：分別是中心式、分層中心式、完全分布式和分層分布式[10-11]。本文將邊坡監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的終端設(shè)備統(tǒng)一設(shè)計(jì)，將量測終端的應(yīng)用場景結(jié)合，如圖3所示，建立分層加扁平化的邊坡結(jié)構(gòu)全面量測的系統(tǒng)架構(gòu)。

3 邊坡監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)通信方法

為了充分利用有線和無線近距離通信優(yōu)點(diǎn)，降低各自缺點(diǎn)帶來的通信風(fēng)險(xiǎn)，本文提出PLC/RF混合通信體系，充分利用電力線和無線通信各自的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行傳輸集成控制，即使一種通信方式數(shù)據(jù)傳輸失敗，也有另一種作為保障，從而有效解決物聯(lián)網(wǎng)近距離實(shí)時(shí)雙向通信問題。雙網(wǎng)絡(luò)混合通信裝置結(jié)構(gòu)見圖4。

雙網(wǎng)絡(luò)混合通信方法見圖5，包含以下步驟：①裝置的電力線通信模塊和射頻通信模塊分別通過各自模擬前端，按照各自通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通信的物理層數(shù)據(jù)傳輸；②數(shù)據(jù)以幀為單位在糾錯(cuò)模塊進(jìn)行混合，兩種或其中任何一種通信方式的幀數(shù)據(jù)經(jīng)過校驗(yàn)判定正確，兩種通信方式均以該正確的幀數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行下一層數(shù)據(jù)處理，反之，將兩個(gè)物理層接收到的幀數(shù)據(jù)在糾錯(cuò)模塊進(jìn)行字節(jié)比較，發(fā)現(xiàn)可能的錯(cuò)誤字節(jié)，并對可能錯(cuò)誤字節(jié)的所有可能值的組合進(jìn)行遍歷試錯(cuò)計(jì)算，直到其中一種通信方式校驗(yàn)正確，利用正確的數(shù)據(jù)內(nèi)容修正另一種通信模式的錯(cuò)誤幀；③處理器分別針對兩種通信模塊進(jìn)行鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、會話層、表示層、應(yīng)用層的數(shù)據(jù)處理；④通過電力線通信模塊和射頻通信模塊同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 分層加扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖4 雙網(wǎng)絡(luò)混合通信裝置結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果

4.1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

在露天轉(zhuǎn)地下開采階段，該礦高陡邊坡上盤巖體受到地下開采活動的影響較大，上盤邊坡發(fā)生失穩(wěn)的可能性大。因此，該礦上盤邊坡是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測重點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)以C#為編程語言，以Visual Studio 2015為開發(fā)平臺、SQL Server 2012為數(shù)據(jù)庫平臺。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)界面見圖6。

圖6展示了系統(tǒng)運(yùn)行過程中一天內(nèi)，應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)前設(shè)置的數(shù)據(jù)收集頻率為每10 min一次。由應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線可以看出，該礦邊坡受到礦石剝離和地下開采活動的影響，應(yīng)力處于波動狀態(tài)。該日午時(shí)，存在單次大藥量爆破事件，在事件發(fā)生4 h后，邊坡應(yīng)力突然增大。監(jiān)測表明邊坡結(jié)構(gòu)對爆破事件的相應(yīng)存在滯后性，這與前人的研究結(jié)論一致[12]。該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定地管理監(jiān)測數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)邊坡變形預(yù)測及失穩(wěn)預(yù)警提供大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖5 雙網(wǎng)絡(luò)混合通信方法

圖6 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)平臺示例

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)雙網(wǎng)絡(luò)混合通信技術(shù)。邊坡監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)量測節(jié)點(diǎn)的規(guī)模、部署環(huán)境和預(yù)期的數(shù)據(jù)量決定了通信系統(tǒng)的需求。通信技術(shù)要求具有可靠性、實(shí)時(shí)雙向性、靈活性、可擴(kuò)展性等要求[13-15]。礦山邊坡監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用場景決定了其通信網(wǎng)絡(luò)由近距離通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)距離無線通信網(wǎng)絡(luò)組成，前者主要作用是將量測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)高效地傳至網(wǎng)關(guān)，并發(fā)揮多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)進(jìn)行信息傳遞的作用，因其受信道環(huán)境的影響，成為邊坡監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最為不可靠的因素；后者主要指公共無線通信網(wǎng)絡(luò)，作用是通過網(wǎng)關(guān)將量測層的數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。

2)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。礦山邊坡監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是各種監(jiān)測量測終端多屬于固定終端，不需要頻繁進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變動，因此控制信息量較少，所以層次內(nèi)可以采用完全分布式結(jié)構(gòu)，層次間采用分層結(jié)構(gòu)。

本文建立的分層加扁平化的邊坡耦合監(jiān)測系統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有以下特性。①對等性：該架構(gòu)中，每個(gè)量測終端都是相同的，都包含全面量測網(wǎng)絡(luò)的全部信息，無主從之分，量測終端之間的來去雙向鏈路都相同。②抗毀性：原則上物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)沒有嚴(yán)格的控制中心，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地位平等，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障，不會影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。③多跳性：該架構(gòu)中的信息多跳是由網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)完成，而不是通過專用的路由設(shè)備完成。④動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：考慮到信道受天氣環(huán)境、障礙物的影響較大，量測終端所組成的通信節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)動態(tài)的分割和合并。

4.3 應(yīng)用效果

該邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用近一年時(shí)間以來，有效保障了該礦露天轉(zhuǎn)地下開采過程的生產(chǎn)安全，體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行：雙網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和分層加扁平化自組織網(wǎng)絡(luò)保障了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。在復(fù)雜的自然因素(降水等)和人為因素(開采活動)干擾下，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集與傳輸。

2)智能預(yù)測預(yù)警：該系統(tǒng)采集到的海量數(shù)據(jù)為實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性智能分析提供了基礎(chǔ)。監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)云計(jì)算平臺進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理，利用支持向量機(jī)等人工智能算法，成功地實(shí)現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性智能分析、變形預(yù)測和滑坡預(yù)警。

5 結(jié) 論

1)基于某深凹露天礦地質(zhì)特點(diǎn)與開采設(shè)計(jì)，本文首先建立了相似物理模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ停@取了該礦露天轉(zhuǎn)地下開采過程中邊坡失穩(wěn)危險(xiǎn)區(qū)域與失穩(wěn)特征，確定了邊坡重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域與監(jiān)測指標(biāo)。

2)考慮到露天礦邊坡監(jiān)測部署環(huán)境的復(fù)雜性和時(shí)變性等特點(diǎn)，本文搭建了由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的礦山邊坡物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，構(gòu)建了統(tǒng)一信息模型定義各感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)模型，并以統(tǒng)一格式經(jīng)由異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)上傳至云端，通過PLC/RF混合通信體系，充分利用電力線和無線通信各自的優(yōu)點(diǎn)，有效解決了物聯(lián)網(wǎng)近距離實(shí)時(shí)雙向通信問題，提高了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3)利用C#編程語言，以Visual Studio 2015和SQL Server 2012平臺，開發(fā)了邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺。監(jiān)測實(shí)例表明，邊坡的穩(wěn)定性受到采礦作業(yè)的影響，對大藥量爆破作業(yè)的相應(yīng)具有一定的滯后性。該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠?yàn)檫M(jìn)一步通過異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞至云端數(shù)據(jù)處理與分析平臺，實(shí)現(xiàn)邊坡災(zāi)害的智能預(yù)測預(yù)警提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Design of internet of things on stability monitoring of open-pit slopes

LYU Peng1，ZHANG Manhua1，F(xiàn)U Wei2

(1.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Hunan Rural Credit Cooperative，Changsha 410199，China)

The failure mechanism of the high and deep slope of an iron open-pit is analyzed.Based on the failure mechanism，an internet of things (IoT) system for the slope is built.The internet of things system is reliable and flexible for the complex environment of open-pit mine.The bidirectional hybrid communication technique and intelligent terminal is designed，which can collect the displacement，stress and acoustic emission data of the slope.Stress monitoring data of two points are taken as an example to show the results from this internet of things system.The IoT system can efficiently monitor the stability of the high and deep slope.The method will provide data to predict disasters of slope of open-pit mines.

high and deep slope；open-pit mine；internet of things；distributed monitoring；communication

2017-02-10 責(zé)任編輯：宋菲

國家科技支撐計(jì)劃資助(編號：2015BAK38B01)

呂鵬(1983-)，男，博士研究生，主要從事礦山物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0方面的研究，E-mail：lvpeng177@163.com。

TD854+.6；TP311.52

A

1004-4051(2017)07-0142-05