尾矿库灾害应急指挥平台研究

陈 凯，张 宣，张晓朴，郭利杰

（1．北京矿冶研究总院，北京102600；2．金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102600）

目前，我国尾矿库灾害应急指挥主要停留在人工方式，当真正发生险情时，往往需要通过层层汇报，将信息传递到尾矿库相关监管人员。监管人员在接到报警信息后，通过电话或者层层指派等方式来协调相关单位针对灾害进行响应和处理，这些处理过程效率低，主观性强，无法形成高效的、行之有效的灾害处理思路和途径，从而错失最佳处理时间，酿成重大事故。因此，针对尾矿库灾害的特征研发应急指挥综合业务平台势在必行。

针对目前的这种现状，本文主要开展了尾矿库应急指挥软件平台研究、尾矿库报警联动机制研究、尾矿库远程控制技术研究、故障自诊断以及故障定位技术研究。通过对这些方面的研究及系统整合可以比较完善地应对尾矿库现场的应急突发事件，为矿方尾矿库安全提供一个保障［1－2］。

1 尾矿库应急指挥软件平台

尾矿库应急指挥软件平台是根据尾矿库实际情况还原其“真实场景”，并在此基础上进行数据的实时显示、管理、监控以及分析的综合性监控平台。软件平台通过融合多源地理空间数据以及各项监测数据对尾矿库安全运行状态进行监控与分析，从而为尾矿库的安全管理及应急救援提供技术支持和险情决策依据［3－4］。

1．1 尾矿库应急指挥软件体系

尾矿库应急指挥软件以尾矿库的三维场景为基础，为此软件平台要具有创建和编辑三维场景的功能，其中三维场景要素包括基本自然要素（三维地形、建筑物、坝体、水面及干滩等）和相关监测内容的监测监控设备，并且具有上述要素的渲染和建模功能；其次，该软件平台数据格式，除了本平台具有自己的数据格式，同时该软件数据接口要能兼容通用的三维软件的数据格式，并且本软件自有的数据格式可以转换为通过的三维数据格式。方便与通用软件进行数据交换；另外，该软件平台的要有高效的三维渲染和仿真性能，同时支持3D立体显示，以便在让用户直观地感受到尾矿库的真实运行状态；然后，尾矿库在线监测设备实时采集信息要在该软件平台的三维场景中实时地显示和动态更新，以反映当前尾矿库的运行状态；最后，该软件平台具有强大的数据管理、表达和分析功能，例如监测数据的数据库管理功能、浸润线的表达以及报表等功能。

尾矿库应急指挥软件平台主要分为三维建模模块、三维场景展示模块、预警模块、数据分析模块、数据库管理模块五大模块。

1．2 三维场景建模

尾矿库应急指挥软件平台的整个基础就是三维场景的展示，为此建立一个直观、高效的三维场景显得非常重要。三维场景建模主要包括尾矿库地形建模、坝体建模、干滩、水位建模等。

1）尾矿库地形建模。根据尾矿库区域实际的基础地形数据（等高线等）构建地形模型，采用三维模型的方式还原尾矿库周围的地形地貌（图1）。

2）坝体建模。逼真的三维坝体建模（图2）是进行准确坝体分析的基础，高精度坝体建模是根据坝体施工图和现场测量成果等资料构建形成的，结合尾矿库坝体监测数据，如浸润线、位移等数据，为进一步坝体稳定性分析奠定基础。

图1 尾矿库地形建模

图2 三维坝体建模

3）干滩、水位建模。软件平台实现了在三维场景中根据监测数据（库水位高程、干滩长度等）动态实时更新，干滩、水位建模是基础，水位建模见图3。

4）巡检路线动态模拟。软件平台根据实时位置信息，对巡检员的巡检路线进行动态模拟（图4），三维场景中的漫游采用行走的方式，让操作者获得更真实的沉浸感。

图3 干滩、水位建模

图4 巡检路线

2 尾矿库报警联动机制

尾矿库报警联动机制目的是优化报警触发机制，根据异常监测数据等级，及时向不同级别管理人员汇报尾矿库安全运行过程中出现的异常情况，引起不同管理级别人员的重视，使尾矿库运行过程中出现的险情及时得到控制。

首先，根据尾矿库不同时期的各种安全运行指标的阈值，运用尾矿库灾害报警联动平台中的报警阈值动态交互功能，设置各个安全运行指标的阈值，判断尾矿库安全运行状态指标是否超过安全阈值［5－6］。

其次，尾矿库数据采集模块实时采集各种运行指标，当其超过设置的安全阈值，就会触发声光和短信报警模块（图5、图6）。另外，当实时数据采集获取到异常数据，例如传感器损毁造成的数据异常、数模转换模块运行不正常造成的数据异常、通信线路或供电线路不正常造成的不能获取实时采集数据等，系统将根据对应的不同情况，触发不同类别的报警信息，使现场管理或尾矿库安全负责人员及时获取准确的报警。

当上述不同级别、不同类型的报警被触发后，在尾矿库现场值班室的声光报警模块立即被触发，提醒尾矿库现场值班人员；另外根据触发报警的类别向预先设定的尾矿库现场管理人员和尾矿库安全负责人员的手机发送报警短信。同时根据被报警的信息是否得到现场管理人员的处理或报警原因是否有效的解决，按照一定的报警触发规则，提醒现场管理人员及时解决问题。

图5 声光报警模块

图6 短信报警模块

3 尾矿库远程控制

当尾矿库发生险情时，最重要的是能够在第一时间控制尾矿库的控制系统进行应急控制，执行诸如泄洪、停止尾砂输送等。本文应用开发远程控制技术，通过Web网络，实现尾矿库现场的执行机构的快速可靠控制。

随着互联网被人们广泛的使用，许多远程控制系统都采用了以太网的远程控制方式。但是针对尾矿库远程控制的特点，本文在采用以太网远程监控技术的同时增加了利用GSM网络通过短消息（SMS）去对尾矿库现场进行远程监控。鉴于此，用户可以通过PC机或手机短信了解现场情况，如果现场发生紧急情况时，通过PC机或手机短信控制执行机构的开关，用于泄洪或者停止尾砂输送。同时，当出现险情时，位于尾矿库内部的控制器可以第一时间向户主发送报警短信，进而可以快速的通知安全职能部门，从而使警情得到及时的处理。该系统主要面向矿山尾矿库，其功能是能够让用户通过该系统进行尾矿库现场的远程监测和控制，系统总体设计结构，见图7。系统通过各类传感器监测尾矿库情况，当出现异常情况时，及时产生报警信号并通过GSM网络给用户发送报警信息。同时，用户也可以通过以太网或GSM网络控制现场执行机构的开关。

4 故障自诊断以及故障定位技术研究

在尾矿库在线监控系统中，故障往往是发生相当长一段时间后，才依靠人工判断数据异常等方式被发现。这种故障发生的不确定性和维护的滞后性为尾矿库灾害应急处理埋下了隐患。建立系统故障自诊断及故障点智能定位，可以实时监控网络数据流量、收发状态节点等信息，对网络中断、流量异常、意外断电等故障进行在线诊断，并对故障点及时定位，给出解决方案或处理意见，实现网络化故障诊断与处理功能，提高系统稳定性和健壮性。

4．1 EPS（UPS）供电故障自诊断及定位技术

EPS应急电源主要应用在各类恶劣工况环境，为各种不能断电的负载设备提供纯净正弦波的高质量供电电源，在尾矿库在线监测系统中多处采用，其供电状态的在线监控和故障及时诊断和定位是保证监测系统正常运行的关键所在。

图8是单相EPS电源电路原理图，在系统控制器中开发远程在线实时监控功能，并配置标准RS232／RS485通讯接口，保证系统状态实时获取。配置串口服务器可直接将状态数据接入通信网络，远程监控，保证EPS电源分布配置，不受物理位置限制。同时，通过串口服务器的IP，可以定位EPS的位置，便于及时发现故障位置及时处理。

4．2 数据流量监控及故障诊断技术

1）路由器数量流量监控。路由器提供端口镜像功能，可将LAN口的其他端口的流量自动复制到镜像端口（LAN1端口），实时提供各端口的传输状况的详细资料，以便网络管理人员进行流量监控、性能分析和故障诊断。根据路由器流量监控功能，二次开发，获取各监测点数据流量，通过数据流量分析监测点数据是否异常，再结合该点的供电状态分析该监测点的故障原因。

2）环网交换机故障信号监控。有线无线无缝接入的环网通信中，使用具有网管功能的交换机作为环网节点和数据接入点。具有网管功能的交换机具有异常报警功能，将数据异常通过继电器信号输出，通过监控该交换机的故障信号可以分析线路的运行状态，供系统故障诊断使用。

图7 系统结构图

图8 单相EPS电源电路原理图

3）监测设备输出的采集信号为固定区间，可以通过采集数据分析监测设备的运行状态和故障诊断。例如，采集设备数据输出信号为电流信号时，电流范围为一般在4～20mA，采集的电流信号超出该范围的原因可能是设备安装问题和设备本身性能问题，没有信号可能是供电问题，结合该设备的供电状态信息可以分析出设备运行状态和故障原因。

5 总 结

尾矿库在灾害发生时将极大的影响矿方的生产及人员安全，而已有的人工监测方式存在很多问题，如果现场出现应急突发事件将很难得到及时有效的解决。本文通过开发了一套尾矿库应急指挥软件平台，可以有效的还原现场的三维形态，根据现场的实际情况进行调度，如果现场出现异常情况将通过声光报警及短信的方式及时通知业主，并且让业主通过远程控制的方式来执行泄洪、停止尾砂输送等操作，用于保障尾矿库的现场安全；同时还研究了故障自诊断以及故障定位技术，可以尽早预防尾矿库灾害的发生。

［1］ 雷宇斌，肖祥红，王乐洋．多种变形观测在尾矿库坝运行安全监测中的应用［J］．西部探矿工程，2008（7）：214－216．

［2］ 张晓朴，张达，苏军．基于固定式探测仪的尾矿坝体变形监测［J］．有色金属：矿山部分，2012，64（5）：41－43．

［3］ 陈凯等．极端气象条件下金属矿山尾矿库在线监测系统研究［J］．矿冶，2014（1）：1－6．

［4］ 陈善刚，苏军，袁子清，等．尾矿库安全在线监测技术探讨［J］．有色金属：选矿部分，2011（3）：64－67．

［5］ 王永全，苏军．尾矿坝体位移检测技术及发展方向［J］．有色金属：矿山部分，2011，63（5）：5－8．

［6］ 苏军，邢宝盈，张晓朴，等．某赤泥尾矿库在线监测系统研究［J］．有色金属：矿山部分，2013，65（3）：64－67．