廖文景，朱遠樂，王淇萱

（1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012）

我國露天礦大型設備種類、數(shù)量較多，設備能否正常作業(yè)直接決定了露天礦的產(chǎn)量，所以為了保障大型設備正常工作，對設備進行定期的安全巡檢是露天開采的重要任務[1-5]。目前我國露天礦山日常安全生產(chǎn)管理主要依靠監(jiān)管人員到現(xiàn)場進行實地檢查。由于礦區(qū)安全管理范圍大，山地環(huán)境特殊，致使現(xiàn)場安全管理受到一定程度的制約和不便。因此如何充分利用高科技和信息化技術，提質(zhì)提升安全管理效率，已成為我國礦山安全技術與裝備研發(fā)的重點。近幾年來得益于低空、低速小型消費級無人機的推廣使用和相關商業(yè)軟件的研發(fā)，無人機遙感技術以其效率高、成本低、機動靈活、環(huán)境適應性強等優(yōu)點廣泛使用于露天礦山各個領域[6-9]，不少學者也對其在露天礦山中的應用進行了研究。朱正華[10]以龍山建筑石料用灰?guī)r礦為例，介紹了無人機傾斜攝影測量技術的實施運用過程，并與傳統(tǒng)測量技術進行了對比；邱亞輝等[11]研究采用固定翼無人機航測技術獲取大型露天采坑三維點云數(shù)據(jù)，經(jīng)點云去噪、剔除植被等預處理，生成露天采坑DEM 數(shù)據(jù)，分析采坑的開采范圍；郭寶宇等[12]研究了基于低空無人機傾斜攝影的礦區(qū)三維場景建模及可視化的方法，所提方法可大幅提高礦區(qū)地面監(jiān)測的工作效率和精準度并可為智慧礦山應用提供較好的數(shù)據(jù)和平臺基礎。但是在建立完整的露天礦山可視化安全風險管理預警系統(tǒng)方面研究甚少。因此，針對露天礦山的安全管理對時效的需求，基于無人機飛行平臺，提出1套集“便捷、快速、專業(yè)和全覆蓋”的智能巡航系統(tǒng)，無人機智能巡航系統(tǒng)的應用將大大提高露天礦山的安全管理效能。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)用途

通過無人機智能安全巡航采集露天礦山的地表數(shù)據(jù)，包括傾斜攝影數(shù)據(jù)、視頻記錄、航拍照片等，并結(jié)合三維建模技術生成露天礦山的三維傾斜攝影模型。利用三維GIS 技術構(gòu)建三維地球環(huán)境，通過載入傾斜攝影模型構(gòu)建出與GIS 環(huán)境相融合的虛擬露天礦山場景，可整體查看露天礦山的地貌特征，巡查露天礦山的重要安全設施運行情況，代替人工對礦區(qū)進行安全巡檢，軟件系統(tǒng)通過空間幾何計算封裝多種安全風險分析工具，為露天礦山安全風險分析提供便利支撐。

1.2 系統(tǒng)技術構(gòu)架

系統(tǒng)技術構(gòu)架圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)技術構(gòu)架圖

系統(tǒng)采用Java＋MySQL＋web 的B／S 架構(gòu)技術。服務器使用Java 語言、Swagger 開發(fā)包開發(fā)功能接口，使用Nginx 服務器實現(xiàn)文件資源的管理與分發(fā)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)層方面采用MySQL 數(shù)據(jù)庫維護業(yè)務數(shù)據(jù)，以靜態(tài)資源的方式維護GIS 資源、傾斜模型、視頻、照片等文件類數(shù)據(jù)。系統(tǒng)瀏覽器層采用熱門主流的Vue＋Element－ui 基礎架構(gòu)技術，通過widget 組件封裝業(yè)務功能，采用Cesium 三維引擎構(gòu)建虛擬露天礦山，采用Echarts 圖標庫渲染數(shù)據(jù)圖表，Turf 配合三維引擎實現(xiàn)空間幾何計算。

1.3 系統(tǒng)業(yè)務構(gòu)架

系統(tǒng)業(yè)務構(gòu)架圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務構(gòu)架圖

系統(tǒng)涉及大量基礎數(shù)據(jù)，為保證系統(tǒng)功能之間數(shù)據(jù)的交換通暢，系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)劃分成采集層、數(shù)據(jù)層、服務層、應用層。其中采集層為無人機智能安全巡航；數(shù)據(jù)層管理傾斜模型、視頻記錄、航拍照片、GIS 資源及業(yè)務數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)；服務層包含虛擬巡視、媒體播放、綜合分析、虛擬露天礦山構(gòu)建等服務功能；應用層實現(xiàn)安全隱患管理、安全生產(chǎn)輔助、應急決策參考等應用價值。

2 系統(tǒng)功能

無人機智能巡航系統(tǒng)功能主要包括數(shù)據(jù)管理、綜合分析和安全隱患3 大模塊。數(shù)據(jù)管理模塊主要負責無人機智能安全巡航所采集數(shù)據(jù)的管理；綜合分析模塊主要以無人機智能安全巡航所生成的三維傾斜攝影模型為基礎完成多種露天礦山安全風險分析的工具構(gòu)建及相應數(shù)據(jù)的維護；安全隱患分析模塊主要是通過無人機智能安全巡航建立動態(tài)評價露天礦山安全狀況分析模塊，根據(jù)定期的全覆蓋巡航遙感掃描和大數(shù)據(jù)分析，評價研究對象的安全狀況，給出研究對象存在的安全隱患，分析造成安全隱患的影響因素，下達合理的整改指令，輔助露天礦山安全生產(chǎn)動態(tài)管理。

2.1 露天礦山數(shù)據(jù)管理模塊

無人機智能巡航露天礦山數(shù)據(jù)管理模塊包含如下功能：①礦業(yè)工程管理：維護所有關聯(lián)露天礦山的基本信息；②傾斜模型管理：維護所有無人機巡航項目的基本信息，無人機生成的傾斜攝影模型；③視頻記錄管理：維護所有無人機巡航項目的過程視頻記錄；④航拍照片管理：維護所有無人機巡航項目的航拍照片；⑤用戶管理：維護系統(tǒng)登錄所需的用戶信息。

2.2 露天礦山綜合分析模塊

1）虛擬巡視。系統(tǒng)構(gòu)建三維場景后，通過自動巡視路線編輯、巡視參數(shù)設置可以進行自由巡視。安全管理人員也可通過鼠標操作控制三維場景的平移、旋轉(zhuǎn)、遠近，從不同視角查看指定露天礦山的整體情況或局部細節(jié)情況，快速發(fā)現(xiàn)礦區(qū)存在的安全隱患。

2）圖上標注。在傾斜攝影模型的基礎上通過繪制文字、點、線、面等元素形成圖上標注，支持文字、點、折線、曲線、矩形、多邊形等多種標注類型。通過圖上標注可以在系統(tǒng)內(nèi)清晰、直觀的觀察到礦區(qū)構(gòu)筑物、工作臺階、進庫道路等的分布情況。

3）基本量算。系統(tǒng)可提供多種類型的基本量計算功能，因分析系統(tǒng)內(nèi)的傾斜模型上的任意一點都是具有矢量信息（位置坐標），因此可以通過幾何換算得到較多測量信息，可在分析系統(tǒng)內(nèi)進行角度、面積、高度和距離等基本量計算。利用三維模型的矢量信息數(shù)據(jù)，通過基本量計算功能可以快速得到露天礦山境界參數(shù)臺階高度、臺階寬度、臺階坡面角等數(shù)值。為了驗證本無人機三維傾斜攝影模型的精度，選取湖南省某露天礦山某處的平臺和坡面進行精度評價和分析，與傳統(tǒng)測量手段對比分析結(jié)果測量參數(shù)對照表見表1。由表1 得出測量參數(shù)的最大誤差為0.10 m，最小誤差為0.01 m，中誤差為0.05 m，模型的幾何精度控制在厘米級范圍內(nèi)；同時由于其數(shù)據(jù)處理的便捷和快速，提高了對露天礦山境界參數(shù)的量算效率。

表1 測量參數(shù)對照表

4）剖面分析。利用web3D 領域的Cesium.js 三維引擎渲染B3DM 格式的傾斜攝影模型，通過獲得剖面線兩端的坐標參數(shù)，采用空間計算把2 個坐標值轉(zhuǎn)換成1 條直線上均勻分布的n 個連續(xù)坐標值，再獲取所有坐標值的高程值與水平距離值，形成2 點連線的剖面數(shù)據(jù)。獲取瀏覽器窗口中圖表顯示區(qū)域的長寬像素大小，并結(jié)合高程值和水平距離值計算x 軸與y 軸的值域，利用Echarts.js 圖表插件渲染水平距離值與高程值的分布圖表，實現(xiàn)了長高比例與真實環(huán)境一致的剖面圖，大大降低了人工操作時出現(xiàn)“偽剖面”的誤差瓶頸，真實反映了露天礦山邊坡剖面形狀，剖面線的選擇不受限制，即在礦區(qū)范圍內(nèi)可以進行任意選擇。真實地形剖面圖也可以通過轉(zhuǎn)換直接導入系統(tǒng)封裝的數(shù)值模擬軟件上進行邊坡穩(wěn)定性計算，也可以調(diào)取不同時期的三維模型同一位置的剖面圖進行對比分析，可以快速發(fā)現(xiàn)地形、高度等的變化，相鄰點間三角計算關系如圖3。

圖3 相鄰點間三角計算關系

5）爆破警戒范圍。當露天礦山爆破時，隨機會產(chǎn)生爆破有害效應包括爆破震動、爆破作業(yè)沖擊波、爆破飛石、早爆、拒爆、炮煙中毒等。這些效應都隨距爆源距離的增加而有規(guī)律地減弱，所以在露天礦山爆破時需要規(guī)定爆破的警戒范圍。由于系統(tǒng)內(nèi)的傾斜模型上的任意一點都是具有三維矢量信息的，因此可以在分析系統(tǒng)內(nèi)進行礦區(qū)中心和拐點范圍進行爆破警戒范圍的劃定，進而可以在礦區(qū)爆破時發(fā)出指令，引導爆破警戒范圍內(nèi)的所有無關人員及時撤離。

2.3 露天礦山安全隱患模塊

在綜合分析模塊中露天礦山各種重要參數(shù)（如臺階高度、寬度、臺階坡面角等）分析時如不滿足規(guī)程規(guī)范、設計要求自動列入安全隱患表中供安全管理人員備查以及提出相應的整改意見。利用系統(tǒng)進行隱患排查的同時還可對查出的隱患在下次無人機巡航檢查時是否進行治理進行監(jiān)控，達到隱患排查與治理的閉環(huán)管理目的。同時新巡航所排查出的安全隱患又在分析系統(tǒng)內(nèi)進行了記錄，并將隱患描述與隱患定位一一對應，并提出相應的整改措施，下次無人機巡航時重點關注隱患的整改情況。

3 結(jié)語

基于MySQL 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和Cesium 三維引擎，利用WebGIS 技術構(gòu)建的基于無人機智能巡航的露天礦山安全風險分析系統(tǒng)能夠快速、快捷、全覆蓋的發(fā)現(xiàn)露天礦山存在的安全隱患，能大大降低現(xiàn)場安全管理作業(yè)人員的勞動強度，快速專業(yè)的獲取真實信息。系統(tǒng)采用遠程可訪問的空間數(shù)據(jù)庫設計，滿足不同人員角色的多用途使用，如專業(yè)人員的量算分析、巡視人員的細節(jié)排查、管理決策人員的整體查看等。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、綜合分析和安全隱患分析3 大模塊可以快速實現(xiàn)礦區(qū)的三維可視化信息管理、剖面分析、爆破警戒范圍劃定、安全隱患管理等功能。