姚文靜

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟南 250014）

對于資源需求的不斷增加促使礦產(chǎn)資源的開發(fā)力度不斷提升，由此帶來的礦產(chǎn)勘查熱潮也促進了相關(guān)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展[1]。在探測到礦產(chǎn)信息后，需要對礦區(qū)的水工環(huán)地質(zhì)環(huán)境進行全面勘查，這樣做的目的一方面是為了幫助施工建設(shè)階段作出正確決策，提高項目布置的合理性，另一方面，也是保障礦產(chǎn)開采過程中人員、財產(chǎn)安全，為此，對勘查到的信息進行分析，作出客觀評價是十分重要的[2]。與其他類型的信息評價相比，地質(zhì)信息評價涉及的因素更多，不僅是對現(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的評價，還要結(jié)合礦區(qū)的實際環(huán)境條件，對未來長期內(nèi)的地質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢作出分析，這就對評價工作提出了更高的要求。但隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)據(jù)的采集和計算能力逐漸提高，將其應(yīng)用在地質(zhì)信息的評價中將會大大提高評價結(jié)果可靠性[3]?；诖?，本文提出基于遙感技術(shù)的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查信息評價系統(tǒng)設(shè)計。分別在硬件和軟件兩個方面作出了具體設(shè)計，并通過實驗驗證了所提方法的有效性。通過本文，以期為提高礦山施工的安全性提供幫助。

1 硬件設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)傳輸器

遙感技術(shù)采集到的信息是以三維的形式存在，其可以最大限度實現(xiàn)對信息的準(zhǔn)確采集，而由于地質(zhì)環(huán)境是以極微弱的程度持續(xù)變化，因此，需要一個高效的信息傳輸設(shè)備完成對遙感數(shù)據(jù)的實時傳輸，這也是確保評級結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素。為此，本文選用四信集團的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備F2C16作為系統(tǒng)的信息傳輸設(shè)備。其具有全工業(yè)級芯片設(shè)計，運行條件允許寬溫寬壓，為惡劣無人值守現(xiàn)場穩(wěn)定運行提供了基礎(chǔ)，同時超低功耗也方便其在取電困難的現(xiàn)場使用，已經(jīng)有50萬終端遍布電力、工業(yè)等現(xiàn)場，驗證了其可靠無故障在線運行的性能。其次，其自帶的WDT看門狗設(shè)計也提高了對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時，完備的防掉線機制也可維持?jǐn)?shù)據(jù)終端持續(xù)在線；內(nèi)嵌的Cat.1模組支持LTE和GSM三模通信，因此覆蓋范圍更廣、傳輸速率更高、運行功耗更低。

1.2 處理器

中央處理器是本文設(shè)計系統(tǒng)運行的主要設(shè)備，其是對地質(zhì)數(shù)據(jù)計算和分析的核心部件?？紤]到地質(zhì)數(shù)據(jù)規(guī)模較大，需要處理器具有更高的運行內(nèi)存，因此，本文選用STM32MP1通用微處理器作為系統(tǒng)的處理器。其是基于混合的雙Arm Cortex-A7核和Cortex-M4核架構(gòu)產(chǎn)品，在充分滿足多種應(yīng)用的靈活性需求的同時，具備最佳性能和低功耗特性。其中，Cortex-A7內(nèi)核支持開源操 作 系統(tǒng)（Linux/Android），Cortex-M4內(nèi) 核則沿用了STM32 MCU生態(tài)系統(tǒng)，開發(fā)者可以輕松實現(xiàn)各類開發(fā)的應(yīng)用。除此之外，其還支持主流開源發(fā)行版操作系統(tǒng)Linux以及Android操作系統(tǒng)，對于Cortex-M4內(nèi)核的STM32Cube固件庫和嵌入式軟件包同樣適用，也可選用高級的HMI開發(fā)提供3D圖形處理功能，在高集成度特性的加持下，其封裝的兼容性更高，可以滿足低成本PCB技術(shù)和專用電源管理IC的使用需求。內(nèi)置的STM32Cube工具套件包括基于GCC的IDE、STM32CubeProgrammer和STM32CubeMX，為系統(tǒng)提供了更加簡便和快速的服務(wù)。

2 軟件設(shè)計

（1）構(gòu)建評價體系。為了實現(xiàn)對地質(zhì)信息的評價，首先建立了以水工環(huán)指標(biāo)為基礎(chǔ)的評價體系，為此，需要對不同指標(biāo)在地質(zhì)安全中的影響作用大小作出分析，而指標(biāo)本身又存在多樣化的體現(xiàn)形式，無法以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進行度量，本文為了解決該問題，對指標(biāo)進行了統(tǒng)一的量化處理。以指標(biāo)在各自體系中的分布位置為基礎(chǔ)，對其危險等級進行劃分，并以每平方千米范圍內(nèi)地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)制定了如表1所示的評價體系。

表1 地質(zhì)信息指標(biāo)評價等級標(biāo)準(zhǔn)

其中，巖性性質(zhì)按照實際巖體的劃分類別為準(zhǔn)。以此將表1作為礦山地質(zhì)信息的評價標(biāo)準(zhǔn)，評價結(jié)果等級越高，表明其危險系數(shù)越高。

（2）地質(zhì)信息評價。在上文制定評價標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，當(dāng)處理器接收到信息傳輸設(shè)備發(fā)送的遙感數(shù)據(jù)后，首先需要對數(shù)據(jù)進行計算，將其轉(zhuǎn)化為與評價體系統(tǒng)計形式一致的表現(xiàn)形式?？紤]到地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)并非定值，而是隨著外界環(huán)境以及氣球自身運動不斷變化的，僅以當(dāng)前的遙感數(shù)據(jù)為評價依據(jù)會直接影響評價結(jié)果的可靠性。本文對周期T內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)變化程度進行計算，其表示為：

其中，σ表示周期T內(nèi)遙感數(shù)據(jù)的變化值，ΔB表示遙感數(shù)據(jù)的差值。礦山開采周期雖然在初始階段有預(yù)期數(shù)值，但最終的周期主要取決于施工階段的實際情況，為了確保施工階段的安全，本文以考慮不確定因素的最長施工周期為評價目標(biāo)，計算在完成開采活動后的時間水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)的安全性。此時的地質(zhì)數(shù)據(jù)計算方式可以表示為：

其中，B’表示預(yù)計完成開采活動時的地質(zhì)數(shù)據(jù)，ts表示預(yù)計施工周期。

以此為基礎(chǔ)，將該數(shù)據(jù)作為評價目標(biāo)，對礦山的水工環(huán)勘查結(jié)果進行評價，處理器將地質(zhì)數(shù)據(jù)與評價體系之間建立對應(yīng)管理，輸出不同指標(biāo)的評價結(jié)果，最后將其集成化處理：

其中，λ表示礦山的安全系數(shù)，D表示不同指標(biāo)的等級對照結(jié)果，N表示評價體系。

通過這樣的方式得到最終的評價結(jié)果。

3 應(yīng)用測試

為了測試本文設(shè)計的評價系統(tǒng)對礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查信息的評價成果是否能夠滿足使用需要，本文進行了試驗測試。

（1）測試環(huán)境。實驗數(shù)據(jù)來源于開發(fā)礦山，礦區(qū)覆蓋范圍為106.3km2，區(qū)域內(nèi)有明顯的斷裂構(gòu)造，在礦區(qū)以南向北展布的形式存在，最大深度為3m的不規(guī)則積水池在礦區(qū)內(nèi)分布有6處，面積在70m2～110m2之間。地面表層的主要構(gòu)成為全新統(tǒng)沖擊形成的粉質(zhì)黏土和塊石土，深層地質(zhì)構(gòu)造的主要存在形式為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組，類型以泥巖+砂巖為主，比例約為2.6：7.4，周圍巖體主要為硬質(zhì)巖，抗壓強度可達到60MPa，部分軟質(zhì)巖摻雜其中，抗壓強度在30MPa左右。除此之外，區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育程度呈現(xiàn)出明顯的極化特征，礦區(qū)南部巖溶個體密度為6個/km2，其與部分密度為1個/km2～2個/km2。本文以未來180天內(nèi)的礦山水工環(huán)地質(zhì)安全系數(shù)為評價目標(biāo)，開展了測試。

（2）實驗結(jié)果。在上述實驗環(huán)境的基礎(chǔ)上，利用本文設(shè)計的評價系統(tǒng)對其進行評價，其評價結(jié)果如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)評價結(jié)果

從圖1中可以看出，在初始階段和120天之后的時間段，礦山的安全性出現(xiàn)了明顯的下降，此時需要構(gòu)建適當(dāng)?shù)募庸檀胧┮蕴岣咂浒踩浴?/p>

4 結(jié)語

對礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查信息的準(zhǔn)確評價是關(guān)系到施工建設(shè)以及生產(chǎn)活動開展的重要環(huán)節(jié)。本質(zhì)上，水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)是礦山整體環(huán)境的綜合體現(xiàn)，既包括水文地質(zhì)條件，也包括基礎(chǔ)的地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)，因此，對其進行評價需要以更加全面的角度進行。本文提出基于遙感技術(shù)的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查信息評價系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了目標(biāo)時間范圍內(nèi)對礦山安全性的準(zhǔn)確評價。通過本文的研究，以期為礦山的地質(zhì)評價工作提供有價值的參考。