第２０卷第２期 矿 冶 Ｖｏ１．２０，Ｎｏ．２ ２０１１年６月 ＭＩＮＩＮＧ＆ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ Ｊｕｎｅ ２０１１ 文章编号：１００５—７８５４（２０１１）０２—００２０—０６ 尾矿库在线监测及应急指挥系统关键技术及工业应用 张 达，张晓朴，杨小聪 （北京矿冶研究总院，北京１０００７０） 摘 要：传统的尾矿库监测系统侧重尾矿库数据的采集、管理和展示，无法满足尾矿库监测和应急救 灾需求，同时，系统自身安全性、可靠性不足，在险情发生时往往已经瘫痪，无法发挥监测系统应有的作 用。为此，本文提出了一种尾矿库在线监测与应急指挥系统，通过针对恶劣环境优化的传感系统、通讯 系统和应急救援辅助工具，将尾矿库在线监测与应急指挥业务有机结合，实现集尾矿库正常运行时的在 线监测和预警、险情发生时的应急指挥及辅助救援于一体的综合化安全管理平台，从而大幅提高尾矿库 安全性。 关键词：尾矿库；在线监测；应急指挥；决策支持 中图分类号：ＴＤ７６ 文献标识码：Ａ １）ＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—７８５４．２０１１．０２．００５ ＫＥＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＯＮ．ＬＩＮＥ ＭＯＮＩＴ０ＲＩＮＧ ＡＮＤ ＥＭＥＲＧＥＮＣＹ ＳＣＨＥＤＵＬＩＮＧ ＡＳＳＩＳＴＡＮＣＥ ＳＹＳＴＥＭ ＩＮ ＴＡＩＬＩＮＧ ＲＥＳＥＲＶＯＩＲ ＺＨＡＮＧ Ｄａ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｐｕ，ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｃｏｎｇ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００７０，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｎｏ ｌｏｎｇｅｒ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｅｒｇｅｎ— ｃｙ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｕｎｉｔａｒｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅ ａ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｏｎ・ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ （ＭＳＡＳ），ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ｒｕｇｇｅｄ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ’Ｓ ｄａｉｌｙ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｒｅｓｃｕｉｎｇ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｓｅｃｕｒｉｔｙ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｔａｉｌｉｎｇｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ；ｄｅｃｉｓｉｏｎ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ 尾矿库是金属与非金属矿山安全生产的重要设 施之一，同时也是重要的泥石流危险源，一旦发生溃 座，占６３％；危库、险库和病库约有２８１０座，占 ３７％。因我国尾矿库筑坝尾矿粒度细、上游法筑坝 多、安全设计标准较低、小型库多、受地震威胁大，加 之我国人口众多，尾矿库难以避开居民区和重要工 坝事故，不但会造成环境的严重污染，也会给下游人 民的生命财产带来巨大损失，甚至对当地经济发展 和社会稳定带来严重的负面影响。目前，我国正在 运行的尾矿库有７６１０座，其中正常运行的约４８００ 收稿日期：２０１０—１２—０８ 业、交通设施，故一旦失事，损失巨大。 ２０００年１０月１８日广西南丹宏图选厂尾矿库 垮塌，死亡２８人，伤５６人；２００６年４月２３日河北迁 安庙岭沟铁矿老尾矿库副坝溃决，死亡６人；２００６ 基金项目：科研院所研究技术开发专项资金项目（２０１０ＥＧＩ１５０５５） 作者简介：张达，高级工程师，信息系统高级项目管理师，工学博 士。主要研究方向为金属矿山灾害监测、预警及综合防治、计算机视 觉、智能仪器等。 年４月３０日陕西商洛镇安金矿尾矿库溃坝，死亡 １７人，伤５人；２００６年８月１５日山西省太原市娄烦 县新阳光选矿厂、银岩选矿厂发生尾矿坝垮塌事故， 张达等：尾矿库在线监测及应急指挥系统关键技术及工业应用 死亡５人，失踪２人，伤２０人；２００７年１１月２５日辽 等）优化和坚固化系统的关键环节、专用应急指挥 宁海城西洋铁矿尾矿坝溃坝，死亡１５人，失踪２人， 软件等，保证在最危急的时刻，应急救援系统能够获 伤３９人；２００８年９月８日山西省临汾市襄汾县新 取第一线的数据，并提供辅助性应急指挥，为尾矿库 塔矿区特别重大尾矿库溃坝事故，死亡２７７人，失踪 抢险救灾提供强有力的工具。 ４人，是我国迄今为止造成死亡人数最多的尾矿库 溃坝事故。这一串串数字表明，加强尾矿库监管，提 １ 系统总体结构 高尾矿库灾害应急救援能力刻不容缓。 尾矿库在线监测及应急指挥系统主要分为三个 传统尾矿库在线监测系统是通过尾矿库周边布 层次：泛在数据接人及传输层、数据管理及发布层、 置的传感器，采集坝体浸润线、位移、滩长度、库水位 智能分析及应急辅助层。 等相关数据，并进行存储、管理和展示。此类监测系 泛在数据接入及传输层主要负责通过坝体位移 统存在的主要问题是： 监测、渗流监测、浸润线监测、库水位、干滩、降雨量、 （１）系统的目标是进行数据的采集和展示，进 视频等手段获取尾矿库的实时运行状态信息，并将 而辅助监测尾矿库运行状态，并不是落脚在如何最 数据通过自组织网络可靠地传输到数据在线采集服 大程度减低尾矿库灾害损失； 务器，主要包括尾矿库泛在数据采集、局部无缝覆盖 （２）在尾矿库运行正常时，其安全性较高，监测 无线网络、对等无线网络传感系统组成。数据管理 价值不大，即“灵时不用”的情形； 及发布层负责将尾矿库监测数据进行存储、管理、分 （３）尾矿库险情一般发生在暴雨、地震、狂风等 类和在线展示，并协调各子系统对数据流的调用控 极端天气条件下，传统的监测系统因自身安全性不 制，主要包括基于关系数据结构的分布式存储与数 高、可靠性不强，遭受恶劣环境影响可能已经瘫痪， 据管理、多传感器数据融合以及ＷＥＢ远程数据发 导致“用时不灵”，更谈不上应急指挥。 布。智能分析及应急辅助层包括尾矿库数据及尾矿 针对这些问题，本文提出了一套针对恶劣环 库安全性监测预警系统、报警联动及预案管理系统、 境，特别是出现险情情况下高可靠性的尾矿库在线 应急指挥多媒体系统以及人员与车辆定位导航系 监测与应急指挥系统，通过（无线对等网络技术、无 统。图１显示了系统的拓扑结构。 线通讯化、本地化供电模块、提高元器件防护等级 图１尾矿库在线监测及应急指挥系统拓扑结构 Ｆｉｇ．１ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔａｉｌｉｎｇ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ 矿 冶 ２泛在数据接入及传输层 ２．１尾矿库泛在数据采集 为了实现尾矿库的全方位监测，需要从多角度、 多层次来获取尾矿库的运行状态，因此，系统通过布 设传感器，监测浸润线、坝体内部位移、坝体表面位 移、坝体渗流量、浊度、干滩长度与安全超高、库水 位、降雨量、人员定位、视频等多种项目内容，从而全 方位获取尾矿库运行情况。 针对坝体位移监测，坝体表面监测采用高精度 的ＧＰＳ位移监测系统、智能全站仪，融合了现代大 地测量新技术、变形监测分析技术、数据通讯技术、 计算机网络技术等，可以实时地获取监测点的垂直 位移、水平位移。坝体内部监测采用位移计和倾斜 仪等监测手段。 浸润线是尾矿坝监测项目中非常重要的一项。 采用在坝体钻孔安装测压管，管中放置渗压计，监测 管中水位的变化情况，从而实现坝体水位数据实时、 动态的自动化监测和存储。 库水位监测采用液位计，可以实现尾矿库内水 位变化情况的连续不问断监测，且不受天气影响。 降雨量通过雨量计实现实时监测，结合相关数 据分析库水位变化是否对坝体位移和浸润线产生影 响。 坝体渗流监测采用超声波量水堰方法，并结合 浊度仪获取坝体渗流水的浊度，对于尾砂渗漏等异 常情况进行监测。 干滩长度监测采用多目视觉技术，利用两台或 两台以上的高分辨率长焦摄像机，根据多目视觉的 立体视差成像原理，利用图像处理和模式识别技术， 采用宽带数据通信和高速计算机分析手段，实现对 尾矿库干滩长度自动化实时监测。 视频监测利用生产现场安置的摄像机，实时拍 摄、传输尾矿生产影像，存储在监控中心的主机上， 随时查看坝体尾矿排放、坝体筑坝的情况，并且可以 任意的放大、拖动局部坝体影像，有效地解决了尾矿 工巡视时间间隔长、受天气条件影响大等不利因素。 ２．２局部无缝覆盖应急指挥网络 应急救援体系需要全面掌控事态发展趋势，并 且具有通讯及时、反映迅速的特点。为此，本系统在 地基稳定、没有滑坡倾向的山体等处架设无线通讯 基站，通过大直径蜂窝网络保证在尾矿库关键监测 区域内无线信号的全域覆盖。一旦发生险情时，信 号覆盖范围内的移动目标均可以接入无线网络，通 过ＩＰ电话、无线视频、网络等通讯手段，保证应急救 援工作的迅速反应、有秩序、高效率开展，最大程度 的降低损失。 ２．３对等无线网络传感系统 尾矿库通讯系统是整个监测系统关键环节。传 统通讯系统多采用星形、总线、环形、树形等结构，一 旦网络中某一个节点发生故障，则数据通讯就会阻 塞，从而导致通讯系统瘫痪。为解决通讯瘫痪，本系 统采用无线对等网络技术，每个监控节点之间自主 组网，一旦某一个节点出现故障，其他监控节点之间 会重新建立路由，保证监测数据的可靠传输。同时， 故障节点被定位，通知系统管理员及时解决，从而保 障了通讯系统的安全性、可靠性。 ３数据管理及发布层 ３．１ 基于关系数据结构的分布式存储与数据管理 通过建立基于分布式关系数据结构的存储与管 理模式，将采集获取的海量泛在信息数据进行结构 化存储。支持异地存储和流式调用，并进行冗余数 据备份，确保基础数据的安全和高效访问。 ３．２ 多传感器数据融合 针对浸润线、渗流量、坝体位移、干滩长度、安全 超高、库水位、降雨量等多项监测内容，利用不同的 传感器，采用不同的监测方法进行监测。尾矿库的 安全状态最终根据各个传感器观测得到的各项监测 数据进行综合评估和分析。因此，在系统中采用主 元分析方法进行多传感器数据融合，以提高监测预 警的准确性、可靠性和有效性。 ３．３ ＷＥＢ远程数据发布 建立基于客户端的、基于ＡＪＡＸ技术的ＷＥＢ远 程监控平台，用户和管理者可以在任何联网的计算 机或其他终端访问系统，从而实现远程监控、远程管 理、远程指挥。同时，按照用户差别实行远程分级权 限管理。 ４智能分析及应急辅助层 ４．１尾矿库安全性监测预警系统 将多角度、多层次的传感器监测信息相互融合， 通过数据管理系统的有序存储、整理和过滤，使准确 程度高、真实有效的库区状态数据送人尾矿库安全 性分析模块，从而实时反馈监测信息并评估尾矿库 健康状况，一旦通过监测数据的趋势分析发现在未 来时刻可能存在险情时，即刻发出安全预警信号，通 知库区管理人员使险情消灭在萌芽状态。该安全性 张 达等：尾矿库在线监测及应急指挥系统关键技术及工业应用 监测预警系统有如下功能： 太阳能电池、风力发电、风光互补发电等多种方式， （１）实现前端采集系统的数据查询、维护功能； 相互弥补自身发电的缺点。同时，借助电力稳压系 （２）实现坝体位移、浸润线、库水位等监测物理 统，为监测和应急指挥系统的正常运行构建多平台、 量的过程线分析； 多体系、多层次的保障。 （３）库水位与坝体位移、浸润线相关性分析； ５．２网络通讯无线化 （４）结合尾矿库各个子项监测数据，实现尾矿 网络通讯是进行尾矿库在线管理的基础。通过 库安全系数评定； 线缆方式进行布设，可靠性差，一旦坝体坍塌，则电 （５）实现坝体险情及时报警。 缆容易拉断，导致通讯中断。故本系统采用无线网 ４．２报警联动及预案管理系统 络覆盖技术，在安全区域建立无线蜂窝网络，覆盖关 库区将要发生或已发生的险情及时报警是在线 键监测区段，在这些区域内，无线终端（手机、笔记 监测系统实现的目标。本系统报警联动是指当监测 本、专用监测装备、无线摄像头等）均可接入并工 到库区有险情时，或者预测到潜在的险情时，报警系 作。另外，传感器之间采用自组织对等网络，当某一 统自动启动报警联动程序，及时通过手机短信、邮 个网络节点出现故障，则通讯系统可以重新路由，并 件、声光报警、闪烁等多种告知方式向工作人员报 正常工作。 警，同时启动相关的联动应急流程。应急预案是指 ５．３元器件防护等级升级 在上述联动流程中，启动事先预先设置好的各种险 针对尾矿库恶劣的户外条件，检测元件和装置 情预案，能实现针对性、有序性地排除库区发生的险 均采用宽温、宽电压、高ＩＰ防护等级处理，在户外的 情。 装备还进行冬季自动加热处理，保证系统顺利工作。 ４．３应急指挥多媒体系统 ５．４故障诊断与定位 险情发生时，远离库区的应急指挥中心能全面、 对于发生故障的网络节点、传感器、装置，采用 准确、实时地掌握险情状态及发展趋势是应急救援 “心跳”监测的方式进行故障监测，即这些设备定期 的关键，它决定能否拿出正确的救援方案，节省救援 向中央监测计算机发送心跳指令，说明系统工作正 时间。历史上库区救援受阻、失败的教训都是对现 常。一旦在超时时间内未接到设备的“心跳”数据， 场险情估计错误造成。本系统借助ＩＰ电话、语音对 则中间监测计算机会进行报警联动并远程通过看门 讲及时了解遇险人员和险情状态，借助在线移动视 狗重新启动设备，从而最快速度的排除故障。 频接人技术准确预测险情发展趋势。为应急指挥调 度和辅助决策提供支持。 ６工业现场试验 ４．４人员及车辆定位系统 本系统已经在北方铜业股份有限公司铜矿峪十 通过ＧＰＳ模块，实现巡线工记巡查车辆的定 八河尾矿库和山西鲁能集团晋北铝业上封村赤泥库 位，一方面约束巡查人员，另一方面当发生险情时， 进行了现场试验。图２、图３、图４分别为工业现场 可以快速定位事发地点，并启动相关应急救援工作。 尾矿库布设监测项目、尾矿库供电和通讯模块与在 ５ 系统坚固化 线监测系统数据实时分析示意图。 在工业试验现场的尾矿库周围布设监测单元 为了保证系统在发生紧急情况下仍然能够可靠 （渗压计、ＧＰＳ监测点、测斜仪、液位计、雨量计等）， 工作，必须进行尾矿库在线监测与应急指挥系统的 利用工业通讯总线使监测单元与监测数据采集服务 坚固化工作。本文围绕系统中的薄弱环节，在如下 器相连接，实时采集到各个监测单元变化信息，这些 方面进行了坚固化处理。 实时变化信息通过有线网络或无线网络系统及时地 ５．１基于风光互补技术的本地化供电系统 传输并存储到尾矿库管理中心。尾矿库管理中心与 尾矿库周围地形复杂、架设输电线成本高，同 矿山监控中心之间，利用对等无线网络系统接人在 时，借鉴历史上尾矿库事故发生时，库区监测单元电 线监测系统，实时的对监测信息进行分析处理，以便 力供应系统可能出现瘫痪。为此，本系统增加了本 预测预防尾矿库可能存在的潜在险情。同时，试验 地化供电模块，解决尾矿库在发生溃坝或工业电力 现场考虑到坝体险情出现时，尾矿库前端监测系统 断电等情况下系统的瘫痪，保障监测单元、通讯系统 因险情事故导致的电源故障，增加了本地化供电模 及监测系统能不问断的工作。本地化供电模块包括 块（风能、太阳能），增强了该系统的抗干扰能力与 张达等：尾矿库在线监测及应急指挥系统关键技术及工业应用 ・２５・ （ａ）监测数据过程线分析 （ｂ）浸润线断面分析 图４尾矿库在线监测与应急指挥数据发布系统 Ｆｉｇ．４ Ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｄａｔａ ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔａｉｌｉｎｇ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ７ 结论 高等教育出版社，２００３． ［５］李忠奎，廖国礼．尾矿库溃坝监测预警系统设计研究 本文提出的尾矿库在线监测及应急指挥系统融 ［Ｊ］．有色金属（矿山部分），２００８（６）：３３—３５． 合了风光互补供电系统、无缝覆盖通讯网络、移动音 ［６］陈殿强，何峰，王来贵．凤城市某尾矿库溃坝数值计算 ［Ｊ］．金属矿山，２００９（１ｏ）：７４—８Ｏ． 视频终端及其无缝漫游等多种新技术，实现了坝体 ［７］杨小聪，袁子清，周汉民，等．尾矿库安全在线监测系 监测信息的自动化采集和分析处理，完善了尾矿库 统在铜矿峪矿尾矿库的应用［Ｊ］．金属矿山，２０１０（４）： 应急预案设计及智能筛选功能，为尾矿库安全构建 ７０—７２． 了一个抗干扰性强、性能稳定、反映迅速的可视化监 ［８］刘高峰．尖山铁矿尾矿库安全自动监测系统设计［Ｊ］． 测分析及应急指挥调度平台。 现代矿业，２００９（８）：１１８—１２０． 通过该平台在两个尾矿库的正常运行，证明了 ［９］李全明，谢旭阳，陈守仁，等．尾矿库安全监测关键点 ［Ｊ］．劳动保护，２００８（１２）：９７—９９． 该系统可以提高我国尾矿库灾害应急指挥综合业务 ［１０］曾群伟，谢殿荣，苏举端，等．尾矿库溃坝的安全监测 平台的技术水平，降低成本，使得我们的尾矿库灾害 ［Ｊ］．工业安全与环保，２０１０，３６（１）：４４—４６． 应急指挥综合业务平台更经济、更可靠、更准确、更 （１１］巩向伟，侯丰奎，张卫东，等．水库大坝安全监测系统 高效、更智能化、更易于操作，从而推动我国尾矿库 及自动化［Ｊ］．水利规划与设计，２００７（２）：６５—６８． 灾害应急指挥技术的发展，提高了我国尾矿库的安 ［１ ２］Ｂｕｓｅｌｌｉ Ｌ，Ｂｕｓｅｌｌｉ Ｇ，Ｌｕ Ｋ，Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ— 全生产管理水平。 ｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，２００ １， ４８：１１—２３． 参考文献： ［１３］王山东，赵景程，王昌民，等．数字尾矿库研究［Ｊ］． 金属矿山，２００４（１０）：４６—４９． ［１］尾矿库安全技术规程编写组．尾矿库安全技术规程 ［１４］李建华，边馥苓．工程地质三维空间建模技术及其应 ［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２００５． 用研究［Ｊ］．武汉大学学报（信息科学版），２００３（２）： 【２］田文旗，薛剑光．尾矿库安全技术与管理［Ｍ］．北京： ２５—２９． 煤炭工业出版社，２００６． ［１５］黄金英，石国锋，王微微．图像识别技术在尾矿库自 ［３］赵志仁．大坝安全监测设计［Ｍ］．郑州：黄河水利出版 动化安全监测系统中的应用［ｃ］／／第三届尾矿库安全 社，２００３． 运行技术高峰论坛文集，２０１０． ［４］黄杏元，马劲松，汤勤．地理信息系统概论［Ｍ］．北京：
