汪 洋

（江西省煤田地質(zhì)局一九五地質(zhì)隊(duì)，江西 南昌 330200）

針對(duì)礦山資源的需求量也逐步增多，對(duì)于礦山工程的安全問題的關(guān)注度愈加提高。

當(dāng)下國(guó)內(nèi)在實(shí)施開采礦山工程時(shí)由于水文地質(zhì)災(zāi)害等因素造成的人員傷亡人數(shù)一直高居不下，除了相關(guān)開采工作人員的安全意識(shí)較薄弱以外，主要原因在于有關(guān)水文地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠完善。以江西某地區(qū)為例，地質(zhì)災(zāi)害因素與其他礦山事故存在差異，可通過提前監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警，采用多種方式的防護(hù)措施降低地質(zhì)災(zāi)害帶來的破壞，將損失量降至最低?；诘V山開采工程的水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在較大效益，但以往的預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)均停留在理論基礎(chǔ)階段，對(duì)于其實(shí)用性需要進(jìn)一步完善。

1 基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以江西某地區(qū)為例，此系統(tǒng)是針對(duì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)信息數(shù)據(jù)的收集，并對(duì)收集的信息進(jìn)行分析研究，結(jié)合水文地質(zhì)災(zāi)害模型，將整合的數(shù)據(jù)與災(zāi)害警戒線做出對(duì)比報(bào)告，對(duì)江西某礦山的水文地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分成硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩大部分，其中硬件的設(shè)計(jì)包括收集信息的感知器，交換機(jī)和數(shù)據(jù)反饋的顯示器，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)及對(duì)數(shù)據(jù)的處理子系統(tǒng)等[1]。整體系統(tǒng)框架如下圖1。

圖1 水文之地災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如上述圖1所示，災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)主要通過在監(jiān)控地點(diǎn)使用對(duì)應(yīng)的災(zāi)害探測(cè)器，對(duì)傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總分析，結(jié)合系統(tǒng)的整體框架，對(duì)突發(fā)性水文地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)的預(yù)測(cè)，對(duì)警戒參數(shù)設(shè)置最高值和最低值，將傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)成像，通過系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)分析，將整理的參數(shù)反饋至硬件傳感設(shè)備，與設(shè)定的參數(shù)范圍進(jìn)行比對(duì)，若參數(shù)數(shù)值高于閾值的最高線，即觸動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)生警報(bào)，提醒相關(guān)工作人員立刻采取有效措施，若參數(shù)數(shù)值低于閾值最低線，近似看做該數(shù)值為無(wú)效數(shù)值。數(shù)值處于參數(shù)范圍內(nèi)，表示存在水文地質(zhì)災(zāi)害，但不會(huì)造成較大影響，可提前采取對(duì)應(yīng)的防范措施。

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及探測(cè)器設(shè)置

水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)包含災(zāi)害監(jiān)測(cè)儀器、天氣預(yù)警管理站、突發(fā)因素預(yù)報(bào)顯示器等硬件設(shè)備，結(jié)合江西某地區(qū)的礦山工程需要和災(zāi)害發(fā)生頻繁地段劃分，綜合當(dāng)?shù)匕鍓K移動(dòng)較頻繁地區(qū)和人口居住相對(duì)密集區(qū)域等狀況，災(zāi)害預(yù)警站點(diǎn)以自動(dòng)化形式為主，使用遙感的形式與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)形成資源共享，并對(duì)反饋信息實(shí)現(xiàn)應(yīng)答，滿足預(yù)警的條件。當(dāng)下系統(tǒng)采用較成熟的集成式結(jié)構(gòu)體系，包含檢測(cè)站點(diǎn)/服務(wù)器雙層結(jié)構(gòu)體系模式和客戶端瀏覽器/服務(wù)端口三層結(jié)構(gòu)體系模式。綜合兩種模式結(jié)構(gòu)，使用以太網(wǎng)絡(luò)下的服務(wù)器，構(gòu)建成一個(gè)完整的基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的局域網(wǎng)。在該局域網(wǎng)落下，包含系統(tǒng)的信息感知器，數(shù)據(jù)信息交換機(jī)和相關(guān)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，均在統(tǒng)一的HTTP協(xié)議下統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)資源的開放性。為保證資源共享的前提下，多方面保證系統(tǒng)的硬件不受到外界攻擊，添加一個(gè)多層次結(jié)構(gòu)的安全框架，用來維持整體系統(tǒng)硬件設(shè)施的安全[2]。災(zāi)害信號(hào)采集器作為礦山開采工程的水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警硬件系統(tǒng)中的主要構(gòu)成元件，通過信號(hào)采集器設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的收集及判斷，判斷是否存在水文地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)信號(hào)，若不存在將數(shù)據(jù)輸出，存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，若數(shù)據(jù)存在危險(xiǎn)信號(hào)，分析數(shù)據(jù)，超過設(shè)定參數(shù)即觸發(fā)警報(bào)。

1.2 預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行軟件開發(fā)

預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)下的災(zāi)害預(yù)警法和基于突發(fā)性災(zāi)害的機(jī)制預(yù)測(cè)算法兩種方法。由于江西地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，氣候變化較快，使用單一的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)存在預(yù)警結(jié)果過于簡(jiǎn)化，在其基礎(chǔ)上使用突發(fā)災(zāi)害機(jī)制預(yù)測(cè)算法，預(yù)測(cè)的結(jié)果通常使用單條或多條線性函數(shù)來表達(dá)水文地質(zhì)災(zāi)害的影響元素與災(zāi)害突發(fā)概率之間的關(guān)系，使計(jì)算具有系統(tǒng)化又降低其難度。包含突發(fā)災(zāi)害系數(shù)法，礦山應(yīng)力關(guān)系法，板塊型論證法等作為關(guān)鍵元素，探討其關(guān)系是否存在線性函數(shù)關(guān)系，用一元一次方程式即可表達(dá)。

災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中由于要表述的數(shù)據(jù)信息數(shù)量過于龐大，主要包含網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，多語(yǔ)言的空間數(shù)據(jù)等，針對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行環(huán)境要求相對(duì)較高，若在同一時(shí)間段內(nèi)信息顯示量較多，易導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，為此對(duì)數(shù)據(jù)處理的子系統(tǒng)發(fā)揮其作用，將子系統(tǒng)添加至軟件系統(tǒng)中，超負(fù)荷的數(shù)據(jù)根據(jù)其收集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)需求實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的緩存或刪除功能，保證軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定可持續(xù)性。對(duì)數(shù)據(jù)的管理可通過建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)主要以原始發(fā)生過水文地質(zhì)災(zāi)害資源為主，探測(cè)器設(shè)備對(duì)滿足水文地質(zhì)災(zāi)害信息的采集，可對(duì)其統(tǒng)一建表分析，設(shè)置文件夾格式為.txt，將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式上的統(tǒng)一，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行書否存在危險(xiǎn)信號(hào)的歸類，整體數(shù)據(jù)庫(kù)的建立遵循完整可實(shí)施原則，根據(jù)Matlab軟件格式，對(duì)數(shù)據(jù)根據(jù)危害程度的不同進(jìn)行不同層次的劃分，具體可表現(xiàn)為無(wú)危險(xiǎn)信號(hào)層、輕度危險(xiǎn)信號(hào)層、中度危險(xiǎn)信號(hào)層等。各個(gè)層次之間存在相互獨(dú)立互不干擾的關(guān)系，通過建立水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)基于硬件設(shè)備收集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理功能。具體結(jié)構(gòu)圖如下述圖2所示。

圖2 軟件關(guān)系圖

1.3 水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)功能

基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，結(jié)合硬件軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)江西某地區(qū)礦山的實(shí)時(shí)圖像、音頻等進(jìn)行統(tǒng)一化對(duì)比，總結(jié)出由于環(huán)境因素造成的變化規(guī)律的功能。對(duì)江西整體地區(qū)的水文地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行更新或填充，對(duì)所有出現(xiàn)過的水文地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表分析，實(shí)現(xiàn)在固定平臺(tái)定期發(fā)布災(zāi)害預(yù)報(bào)，滿足信息的檢索和查詢等功能。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了保證基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)江西某地區(qū)礦山的預(yù)警效果進(jìn)行了多次對(duì)比試驗(yàn)，為保證整體實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，多次試驗(yàn)均在同一地區(qū)相同環(huán)境下進(jìn)行。首先采用傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)礦山進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再用文章設(shè)計(jì)的基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)對(duì)相同礦山再次進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集五組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如表1所示。

通過表1分析兩種方法對(duì)于水文地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警能力，可以得出結(jié)論：在相同地區(qū)同種環(huán)境下，經(jīng)過多次對(duì)災(zāi)害的預(yù)警檢測(cè)，基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)比傳統(tǒng)的方法對(duì)災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確率要高。

表1 水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警準(zhǔn)確率對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開展研究，通過對(duì)系統(tǒng)的軟件及硬件兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整體系統(tǒng)的優(yōu)化。未來隨著礦山資源市場(chǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)礦山的開采量也將逐步提高，為此對(duì)于水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是具有十分現(xiàn)實(shí)的意義的，希望文章的設(shè)計(jì)提高礦山勘察或開采人員的安全性，為國(guó)家礦物資源的開發(fā)提供幫助。