基于物联网的尾矿库在线安全监测系统

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基于物联网的尾矿库在线安全监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种尾矿库在线安全监测系统，尤指一种能够对大坝的坝体表面和内部位移、浸润线、库水位、降水量、干滩等各种数据进行自动的全天候的实时监测，并且一旦出现异常就会通过各种方式通知管理部门,做出相应的应对方案。\n背景技术\n[0002] 目前，已有一些尾矿库在线安全监测系统，但是各种数据的分类、整理、整合与运算缺乏在软件和硬件上得到有效的集成。\n发明内容\n[0003] 基于物联网的尾矿库在线安全监测系统所要解决的问题是如何使各种数据进行有效的采集和集成处理。\n[0004] 基于物联网的尾矿库在线安全监测系统，由数据采集子系统、数据传输子系统、数据分析及管理子系统三部分组成，其中数据采集子系统由安装在尾矿库坝体表面、内部以及其他区域的各项监测设备组成，其中数据采集子系统中监测项目有：坝体表面和内部位移监测、浸润线监测、库水位监测、降水量监测、干滩监测、视频监控；采集的原始数据通过数据传输子系统进行传输，数据传输子系统由无线或有线传输网络组成；原始数据流最终传到矿区数据分析及管理子系统由软件进行自动解算、分析，数据分析及管理子系统由矿区数据分析及管理子系统和县市级监控中心组成，矿区数据分析及管理子系统通过互联网与县市级监控中心实现信息共享。\n[0005] 坝体表面位移监测项目由GPS基站和位于坝体上的若干GPS接收机组网构成，GPS基站和GPS接收机上安装有无线或有线通讯模块，GPS基站通讯模块将所有GPS接收机的位置数据传输给数据分析及管理子系统。 \n[0006] 坝体内部位移监测项目由数支具有无线或有线通讯模块的固定式测斜仪串联装在测斜管内并埋入坝体内组成。\n[0007] 浸润线监测由若干具有无线或有线通讯模块的渗压计组成。\n[0008] 库水位监测由具有无线或有线通讯模块的物位计组成。\n[0009] 库区降水量监测由具有无线或有线通讯模块的翻斗式雨量传感器组成。\n[0010] 数据分析及管理子系统由监测数据采集模块、视频监控模块、数据分析模块、数据查询模块、数据输出模块、安全预警模块和系统管理模块七大模块组成，具备市、县、矿三级信息共享，具有各项监测参数的分析、预警功能。\n[0011] 基于物联网的尾矿库在线安全监测系统将一个庞大的尾矿库监控工程通过信息技术连接到一起，并且在硬件上实现集成，在软件上对所有信息采集器采集到的信息进行分类、整理、整合与运算，形成相应的表格、图形和实时的监控录像，并通过预先设定好的警戒线，对大坝进行自动的全天候的实时监控，一旦出现异常就会通过各种方式通知管理部门，做出相应的应对方案，为抢险救灾取得先机，这对于尾矿库的安全监控具有至关重要的意义。\n附图说明\n[0012] 图1是基于物联网的尾矿库在线安全监测系统架构图，数据采集子系统、数据传输子系统、数据分析及管理子系统构成了一个完整的物联网。\n具体实施方式\n[0013] 1 系统的基本情况\n[0014] 1.1 监测系统总体架构\n[0015] 基于物联网的尾矿库在线安全监测系统，由数据采集子系统、数据传输子系统、数据分析及管理子系统三部分组成，其中数据采集子系统由安装在尾矿库坝体表面、内部以及其他区域的各项监测设备组成，其中数据采集子系统中监测项目有：坝体表面和内部位移监测、浸润线监测、库水位监测、降水量监测、干滩监测、视频监控；采集的原始数据通过数据传输子系统进行传输，数据传输子系统由无线或有线传输网络组成；原始数据流最终传到矿区数据分析及管理子系统由软件进行自动解算、分析，数据分析及管理子系统由矿区数据分析及管理子系统和县市级监控中心组成，矿区数据分析及管理子系统通过互联网与县市级监控中心实现信息共享。\n[0016] 具体的设备选型按照国家标准如表1所示。\n[0017] 表1 设备选型要达到的精度要求\n[0018] \n序号监测项目 设备精度\n1 坝体表面位移监测 水平±2.5mm，垂直±3.0mm\n2 坝体内部位移监测 ±2.0mm\n3 浸润线监测 两次测量误差小于10mm\n4 库水位监测 误差小于10mm\n5 库区降水量监测 ±0.2mm\n6 干滩监测 干滩长度误差小于1m，滩顶高程误差小于20mm\n7 视频监控 综合分辨率200万，夜视功能良好\n[0019] 2 监测系统的实现方式\n[0020] 2.1坝体表面位移监测\n[0021] 坝体表面位移监测项目由GPS基站和位于坝体上的若干GPS接收机组网构成，GPS基站和GPS接收机上安装有无线或有线通讯模块，GPS基站通讯模块将所有GPS接收机的位置数据传输给数据分析及管理子系统。 \n[0022] （A）相关规范对设备、精度的要求\n[0023] 国家安监局《尾矿库安全监测技术规范AQ2030-2010》中对于坝体表面位移监测的布设断面及测点间距作出了明确的规定，对于监测设备选型及监测精度无明确规定，原文如下：\n[0024] “5.2 表面位移\n[0025] 5.2.1 监测内容 坝体表面位移包括水平位移和竖向位移。 \n[0026] 5.2.2 监测布置 \n[0027] ——断面选择和测点布置：监测断面宜选在最大坝高断面、有排水管通过的断面、地基工程地质变化较大的地段及运行有异常反应处。 \n[0028] ——初期坝顶和后期坝顶各布设一排，每30～60m高差布设一排，一般不少于3排。 \n[0029] ——测点的间距，一般坝长小于300m时，宜取20～100m；坝长大于300m时，宜取\n50～200m；坝长大于1000m时，宜取100～300m。 \n[0030] ——各种基点均应布设在两岸岩石或坚实土基上。 \n[0031] 5.2.3 监测设施及安装 \n[0032] ——测点和基点的结构必须坚固可靠，且不易变形。 \n[0033] ——测点和土基上基点的底座埋入土层的深度不小于1.0m。冰冻区应深入冰冻层以下0.5m。”\n[0034] （B）原理\n[0035] 坝体表面位移监测项目中采用GPS静态相对定位原理，一般采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量。安置在基点的接收机固定不动，通过连续观测（即不间断接收卫星发播的定位信号），取得充分的多余观测数据，经过平差计算，改善定位精度，最终得到高精度定位结果。\n[0036] （C）预警值设计\n[0037] 各监测点坝体表面位移预警值初步设计如下：\n[0038] 水平方向预警值：10mm；垂直方向预警值：10mm。\n[0039] 注：目前，尾矿库坝体表面位移的预警值尚无明确数值，本系统坝体表面位移预警值设置的最小数值为水平方向2.5mm，垂直方向3.0mm，可根据实际情况设置多级预警值。\n[0040] 2.2坝体内部位移监测\n[0041] 坝体内部位移监测项目由数支具有无线或有线通讯模块的固定式测斜仪串联装在测斜管内并埋入坝体内组成。\n[0042] （A）相关规范对设备、精度的要求\n[0043] 国家安监局《尾矿库安全监测技术规范AQ2030-2010》中对于坝体内部位移监测的布设断面及测点间距作出了明确的规定，对于监测设备选型及监测精度并无明确规定，原文如下：\n[0044] “5.3 内部位移 \n[0045] 5.3.1 监测内容 内部位移包括内部水平位移、内部竖向位移。 \n[0046] 5.3.2 监测布置 \n[0047] ——监测断面的布置应视尾矿库的等别、坝的结构型式和施工方法以及地质地形等情况而定，宜布置在最大坝高断面及其它特征断面(原河床、地质及地形复杂段、结构及施工薄弱段等)上，可设1～3个断面。 \n[0048] ——每个监测断面上可布设1～3条监测垂线，其中一条宜布设在坝轴线附近。监测垂线的布置应尽量形成纵向监测断面。 \n[0049] ——监测垂线上测点的间距，应根据坝高、结构形式、坝料特性及施工方法与质量等而定，一般2～10m。每条监测垂线上宜布置3～15个测点。最下一个测点应置于坝基表面，以兼测坝基的沉降量。 \n[0050] ——有条件时，可参照上述要求布设内部竖向位移监测。”\n[0051] （B）工作原理\n[0052] 由数支GN-1B型固定式测斜仪串联装在测斜管内，被测物发生变形时通过装在不同高程上的倾斜传感器同步感受其变形，测量出被测结构物的倾斜角度，以此将坝体内部位移量Si计算出来。\n[0053] 计算公式如下：\n[0054] Si= Li×Sin(a+b×Fi+c×Fi2+d×Fi3)\n[0055] 式中：\n[0056] Si—被测物在第i点与铅垂线(水平线)的倾斜变形量，单位为mm；\n[0057] Li—第i支固定测斜仪两轮距间的标距，单位为mm；\n[0058] Fi—第i支固定测斜仪的实时测量值，单位为F；\n[0059] a﹑b﹑c﹑d—第i支测斜仪的标定系数。\n[0060] （C）预警值设计\n[0061] 各监测点坝体内部位移预警值初步设计为10mm。\n[0062] 注：坝体内部位移预警值设置的最小数值为2mm，可根据实际情况设置多级预警值。\n[0063] 2.3浸润线监测\n[0064] 浸润线监测由若干具有无线或有线通讯模块的渗压计组成。\n[0065] （A）相关规范对设备、精度的要求\n[0066] 国家安监局《尾矿库安全监测技术规范AQ2030-2010》中浸润线监测的规定如下：\n[0067] “6.2. 测压管水位的监测，一般采用电测水位计。有条件的可采用示数水位计、遥测水位计或自记水位计等。\n[0068] ——测压管水位，两次测读误差应不大于2cm。\n[0069] ——电测水位计的测绳长度标记，应每隔l～3个月校正一次。\n[0070] ——测压管的管口高程，在监测设施布设初期应每隔l～3个月校测一次；在中后期应至少每年校测一次。\n[0071] 6.2.4.2 振弦式孔隙水压力计的压力监测，两次读数误差应不大于1Hz。测值物理量用测压管水位来表示。”\n[0072] （B）原理\n[0073] 当被测水压荷载作用在渗压计上，将引起弹性膜板的变形，其变形带动振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值，进而计算出浸润线的高度。\n[0074] 渗压计的一般计算公式：\n[0075] Pm=k△F+b△T=k(F0-F)+b(T-T0)+Q\n[0076] 其中：\n[0077] Pm—被测渗透(孔隙)水压力量，单位为KPa；\n[0078] Q—若大气压力有较大变化时，应予以修正；\n[0079] k—渗压计的测量灵敏度，单位为KPa/F；\n[0080] △F—渗压计基准值相对于实时测量值的变化量，单位为F；\n[0081] F—渗压计的实时测量值，单位为F；\n[0082] F0—渗压计的基准值，单位为F；\n[0083] b—渗压计的温度修正系数，单位为KPa /℃；\n[0084] △T—温度实时测量值相对于基准值的变化量，单位为℃；\n[0085] T—温度的实时测量值，单位为℃；\n[0086] T0—温度的基准值，单位为℃。\n[0087] （C）预警值设计\n[0088] 浸润线预警值设计参考往年数据进行设计，可根据实际情况进行多级预警值的设计\n[0089] 2.4库水位监测\n[0090] 库水位监测由具有无线或有线通讯模块的物位计组成。\n[0091] （A）相关规范对设备、精度的要求\n[0092] 国家安监局《尾矿库安全监测技术规范AQ2030-2010》中对于库水位监测做出了明确的规定，原文如下：\n[0093] “8.2 库水位监测\n[0094] 8.2.1 测点布置 库水位测点的布置根据坝型、筑坝及排尾方式确定，应设置在基本能代表库内平稳水位，并能满足工程管理和监测资料分析需要的地方。一般宜布置在库内排水构筑物（如排水井、排水斜槽等）上。 \n[0095] 8.2.2 监测设备 \n[0096] ——一般设置水尺或自记水位计，有条件时可设遥测水位计或自动测报水位计。\n其延伸测读高程应高于设计洪水位。 \n[0097] ——水尺零点高程每隔3～5年应校测一次。当怀疑水尺零点有变化时应及时进行校测。水位计应每年汛前检验。 \n[0098] 8.2.3 监测精度 水位监测的测量误差应小于20mm。 \n[0099] 8.2.4 测次除按水文、气象方面规定外，泄水前后应各增加监测一次、汛期还应根据需要调整测次。”\n[0100] （B）原理\n[0101] 超声波物位计的工作原理是由换能器（探头）发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。\n[0102] 超声波液位计安装在泄洪井高处，可实时测量仪器距库水面的高差，该高差值加事先已测定的仪器高程即为库水位高程。若探头安装基准面至水位零点高度为H（H可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值h为：\n[0103] \n[0104] S=c×t/2\n[0105] 式中：h为水位值；\n[0106] H为探头发射面至水位零点距离；\n[0107] S为探头发射面至水面间距离；\n[0108] c为声速；\n[0109] t为声波由发射至接收到回波阶段在空气中的传播时间。\n[0110] （C）预警值设计\n[0111] 库水位预警值设计参考往年库水位数据及库区降水量等信息进行设计，可根据实际情况进行多级预警值的设计。\n[0112] 2.5库区降水量监测\n[0113] 库区降水量监测由具有无线或有线通讯模块的翻斗式雨量传感器组成。\n[0114] （A）相关规范对设备、精度的要求\n[0115] 国家安监局《尾矿库安全监测技术规范（送审稿）AQ2030-2010》中对于监测设备选型及监测精度并无明确规定，原文如下：\n[0116] “8.3 库区降水量监测 \n[0117] 监测设备用雨量器。有条件时，可用自记雨量计、遥测雨量计或自动测报雨量计”。\n[0118] （B）原理\n[0119] 翻斗式雨量传感器是一个机械双稳态结构，当一斗室接水时，另一斗室处于等待状态，当所接雨水容积达到仪器感量时,翻斗反转力矩大于翻斗部件自重平衡力矩时，由于重力作用翻斗翻倒，将水排走处，原先翻斗部件下的翻斗则上升，成为上斗，两个翻斗依次重复上述动作，从而不间断的记录降水量，并通过监测软件来实现对库区降水量的监测、分析。\n[0120] （C）预警值设计\n[0121] 库区降水预警值设计参考往年库区降水量数据及库水位等信息来进行设计，可根据实际情况进行多级预警值的设计。\n[0122] 2.6干滩监测\n[0123] （A）相关规范对设备、精度的要求\n[0124] 国家安监局《尾矿库安全监测技术规范AQ2030-2010》中对于点间距及布设断面作出了明确的规定，对于监测设备选型及监测精度并无明确规定，原文如下：\n[0125] “7 干滩监测 \n[0126] 7.1 监测内容 \n[0127] 包括滩顶高程、干滩长度、干滩坡度。\n[0128] 7.2 滩顶高程测定 \n[0129] 7.2.1 尾矿库滩顶高程的测点布设，应沿坝（滩）顶方向布置测点，当滩顶一端高一端低时，应在低标高段选较低处检测1～3个点；当滩顶高低相同时，应选较低处不少于\n3个点；其它情况，每100m坝长选较低处检测1～2个点，但总数不少于3个点。 [0130] 7.2.2 滩顶高程测量误差应小于20mm。各测点中最低点的标高作为尾矿库滩顶标高。 \n[0131] 7.2.3 滩顶高程根据滩顶上升情况，定时做好检测，随时掌握滩顶高程，汛前必须检测一次。 \n[0132] 7.3 干滩长度测定 \n[0133] 7.3.1 视坝长及水边线弯曲情况，选干滩长度较短处布置1～3个断面。测量断面应垂直于坝轴线布置，在几个测量结果中，选最小者作为该尾矿库的沉积滩干滩长度。 [0134] 7.3.2 应在干滩设立干滩长度标尺，干滩较长时以50m为间隔，较小者以10m为间隔。 \n[0135] 7.3.3 在干滩长度发生较大变化时，及时检测，随时掌握干滩长度，汛前必须检测一次。\n[0136] 7.4 干滩坡度测定 \n[0137] 7. 检查尾矿库沉积滩干滩的平均坡度时，应视沉积干滩的平整情况，每100m坝长布置不少于2个断面。测量断面应垂直于坝轴线布置，测点应尽量在各变坡点处进行布置，且测点间距不大于10～20m（干滩长者取大值），测点高程测量误差应小于5mm。 [0138] 7.4.2 尾矿库沉积干滩平均坡度，应按各测量断面的尾矿沉积干滩平均坡度加权平均计算。 \n[0139] 7.4.3 干滩坡度与设计不符时应采取相应的处理措施。 \n[0140] 7.4.4 干滩坡度根据坡度变化情况，一季度检测一次，随时掌握干滩坡度，汛前必须检测一次。”\n[0141] （B）原理\n[0142] 通过视频采集终端捕捉干滩图像，干滩监测软件可自动识别水线，根据采集到的干滩图像，进行视频解析，计算各点干滩长度，得到当前最短干滩长度、干滩坡度，依据监测得来的数据，根据简单的数学原理便可计算出干滩的坡度。\n[0143] （C）预警值设计\n[0144] 以一个三等库为例，对各项数据的预警值如下:最小干滩预警70m，干滩坡度预警值为1.5%。\n[0145] 注：干滩长度、干滩坡度的预警值可根据实际情况进行多级预警值的设计。\n[0146] 2.7视频监控\n[0147] 相关规范对设备精度的要求\n[0148] 国家安监局《尾矿库安全监测技术规范AQ2030-2010》中对视频监控设备的选型、参数等无明确的规定，视频监控的区域可参考对“排水构筑物的检查”一项。\n[0149] 3 系统软件\n[0150] 本系统软件由监测数据采集模块、视频监控模块、数据分析模块、数据查询模块、数据输出模块、安全预警模块和系统管理模块七大模块组成，具备市、县、矿三级信息共享，具有各项监测参数的分析、预警功能。\n[0151] 3.1 软件设计所能实现的基本功能\n[0152] （1）可实时监测尾矿库的各测点传感器，可自动采集时间，并对原始数据进行滤波、计算等处理,数据以数字或相应曲线、图等形式实时显示、记录和打印。\n[0153] （2）监测数据能够保存在多种数据库内，并可进行历史数据查询，生成选定时间段内的传感器最大最小值，还可以直接生成EXCEL或其他形式报表。\n[0154] （3）软件界面清晰直观，工具条与按钮操作。以主界面和各子界面形式显示，各界面间切换灵活，界面图案可按客户要求绘制改动。\n[0155] （4）数据可以各种图形方式显示，包括浸润线、库水位、坝体内部变形、降雨量等的时间历程曲线图、X/Y坐标图、模拟图、直方图等形式，同时可存储与处理视频图像。\n[0156] （5）具有数据越限报警设置显示功能，现场即时上传报警信息时，主机会出现明显的报警画面和报警信息，同时还可提供各种声光报警等多媒体提示或手机短信报警。\n[0157] （6）能对系统中的每一用户进行口令和操作权限的管理，能对不同的用户分配不同的系统访问、操作权限级别。用户登录后的操作将写入系统日志，保障运行系统的安全性。\n[0158] （7）系统满足开放性标准的要求，方便系统功能的添加、删除、维护、修改、扩展。兼容当前流行的多种数据库，包括Access、SQL Server、Oracle，并满足数据库容量的扩充、系统软件功能的增强等方面的要求。\n[0159] （8）采用先进软件开发，功能强大、灵活方便、界面美观，信息化管理，智能化监测，不仅可完全实现尾矿库安全监测的功能要求，还可根据实际需要进行软件升级,符合今后的发展方向。\n[0160] 3.2数据采集模块\n[0161] 本系统模块负责采集各种类型传感器的监测数据，并对得到的数据进行详细地分析计算，输出到系统界面和数据库中，传感器信号类型主要包括坝体外部位移(GPS)，坝体浸润线(渗压计)，库水位(水位计)，坝体内部位移(测斜仪)，降水量(雨量计)，滩顶标高。\n[0162] （1）坝体表面位移：通过对水平位移、沉降量和表面变形进行监测，确定变形的范围、大小、趋势。外部位移监测主要利用GPS定位测量方法获取各点的实时三维坐标，从而对各点的微量位移进行准确地反映。\n[0163] （2）坝体浸润线：浸润线也就是渗流流网的自由水面线，浸润线监测的目的是为了了解尾矿坝体内浸润线的位置和变化情况，用来判断坝体是否处于安全、稳定的状态，确保坝体的正常运作。浸润线监测主要是将渗压计直接布设在浸润线观测孔内，并自动定期进行数据采集工作，然后对数据进行显示和储存。\n[0164] （3）库水位：水位即河流或一些自由水体相对于某一基准面的高程。库水位观测的目的是根据现状库水位推测设计洪水水位时的干滩长度和安全超高是否满足设计的要求。库水位监测一般在库内排水构筑物上架设仪器，将测得的信号进行分析计算，确定当前的安全状况。结合库区以往的水文监测资料。\n[0165] （4）坝体内部位移：坝体内部位移监测主要是为了及时掌握尾矿坝体垂直方向的内部位移情况及规律，并分析研究其有无滑动和倾覆的趋势。\n[0166] （5）降水量：对于尾矿库来说，降雨量是影响其安全的重要环境因素，通过在排水井处设置雨量计，通过雨量计获取数据，并根据降雨量的情况对库水位的变化趋势进行预测。\n[0167] （6）滩顶标高：随着尾矿库的不断加高，滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干滩长度、标高、坡度等信息的动态变化。\n[0168] 3.3视频监控模块\n[0169] 视频监控能够十分直观地获取尾矿库区的整体情况，而且能够通过外部网络实现远程视频监控。\n[0170] （1）分屏监控，通过分屏能够实现在一个大屏幕上同时显示多个摄像头的监控录像。\n[0171] （2）录像，能够设置录像的时间和保存录像的时间。\n[0172] （3）控制摄像头，通过程序能够实时地调节摄像头的监控方向。控制摄像头摄影质量，能够控制摄像头的录像质量。\n[0173] （4）抓图截屏，能够实现实时地对监控摄像进行实时抓图并保存成bmp、jpg等多种格式。\n[0174] （5）干滩长度，用摄像机实时监测干滩各个标高上的数据变化，并将数据进行分析和保存。\n[0175] 3.4数据分析模块\n[0176] 该模块主要包括过程线分析、沉降分析、断面分析、安全预测、调洪演算等。\n[0177] 3.5数据查询模块\n[0178] 该模块主要包括历史数据查询、远程录像查询、数据下载、查询结果输出等。\n[0179] 3.6数据输出模块\n[0180] 通过对历史数据的分析，可以对所有的数据进行统计分析，整理形成日报表、周报表、月报表、季度报表、年报表，以所需的报表格式输出进行进一步分析、打印。\n[0181] 3.7安全预警模块\n[0182] 本系统的预警模块提供多种报警方式，包括短信报警、邮件报警、语音报警等方式，每种方式都有相应的优缺点，可根据实际情况的危急程序、报警级别等选择适当的报警方式，或者多种报警方式相结合，来确保用户及时收到预警。