尾矿库在线监测系统通信可靠性的关键技术研究

王治宇，张 达，苏 军，韩志磊

（1.北京矿冶研究总院，北京100160；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

尾矿库在线监测系统通信可靠性的关键技术研究

王治宇1，2，张 达1，2，苏 军1，2，韩志磊1，2

（1.北京矿冶研究总院，北京100160；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

尾矿库安全在线监测系统要求监测数据连续完整，对通信系统的可靠性要求较高，但系统所处的自然环境和工业环境复杂，如何提高通信系统的可靠性是业界一大难题。本文提出了多重冗余网络通信、通信分布式智能供电、网络故障自诊断、数据存储转发、系统防雷防浪涌、系统数据容错、通信QoS管理等多项保障技术。工业现场试验证明，使用本文提出的针对性技术可以有效提高通信系统的可靠性。

尾矿库；在线监测；通信系统

尾矿库安全在线监测系统作为尾矿库安全运行的重要管理手段，广泛应用于矿山企业。数据通信系统作为尾矿库在线监测系统数据运行通道，其可靠性是系统稳定性及监测数据连续性的重要指标之一。

1 尾矿库在线监测系统通信过程中的问题及难点

尾矿库安全在线监测系统要求各节点监测数据能够通过通信网络自动传输到系统平台进行分析和处理［1］，要求通信系统具有很高的实时性，能够实时响应前端设备的通信需求。通信系统实时性以通信可靠性为保障，才能准确无误地快速完成数据的传输。尾矿库安全在线监测系统的监测设备及通信设备通常都安装在野外环境中，为适应雷雨、极端低温、极端高温、大雪、风沙［2］等野外极端天气条件，就要求系统具有较高的防护水平，可靠的供电方式及防雷手段。尾矿库安全在线监测系统的通信线路较长，会经过山体、树林、工业场地、矿山生活区等各种复杂多变的地形，不仅会遭受到各种电磁噪声的干扰，还可能会遭受意外的机械损伤而导致线路中断，这就需要通信系统本身具有多重的冗余线路来保证通信不受干扰，最恶劣的情况下系统本身还应具备数据临时存储的功能，等待网络恢复正常后可以把临时数据回传到管理中心站进行处理。本文主要根据尾矿库安全在线监测系统中通信系统的上述特点及难点做出针对性研究，并提出应对的关键技术，使得整个通信系统的可靠性得到大幅度提升。

2 提高通信系统可靠性的关键技术

1）多重冗余网络通信技术

尾矿库安全在线监测系统监测设备部署比较分散，多数安装在野外环境中，而系统平台则部署在厂区的办公楼内，这就导致通信网络节点分散，线缆路径较长，线路途经范围内的环境多样，即使是环形光缆线路也难免受到极端天气、意外机械损伤、突发事件的影响而导致多处断路，从而导致网络通信中断，而架设多路由的双冗余环网又会受到线路路由以及建设投资等多方面的实际因素限制而导致不能实现。针对这样的情况，可以采用有线无线双冗余路由环网来保证通信系统的连续性并显著提高网络残存性，以达到系统数据传输不间断的要求。

该技术的核心思想是在双回路光纤通信环网的基础上，在每个节点增加基于2.4G＋5G无线Mesh网络［3］设备形成有线无线互为冗余的多重网络通信系统，在不用重新规划线路路由的情况下通过增加较少的投资来满足网络通信的不间断要求。

2）通信系统分布式智能供电技术

尾矿库安全在线监测系统传统的供电解决方式是采用值班房或者泵房等位置取电，然后通过架设供电线路到用电设备端，如果供电节点出现故障或意外断电，则整个通信网络就会因断电而产生通信中断。针对这样的情况，可以采用分布式智能供电的方式来保证通信系统供电的连续性。

通信系统分布式智能供电技术是一种采用多重供电结合供电实时监控的安保供电系统，在重点通信节点采用风力或者光伏供电自动切换装置并配备相应数量的高能锂电池作为后备电源，同时配置状态监测模块，可以实时把供电参数发送到上位系统中，系统可以监控各个供电点的供电状态参数，以便出现故障或意外时及时采取措施，保证系统供电。

3）网络故障自诊断技术

通信系统在配置了多重线路的冗余后，出现单一线路的通信故障后可以自动切换到其他线路进行通信，直到所有线路都出现通信故障而导致某个节点的网络通信彻底中断后，上位管理系统中才会显示通信中断，这个时候再开始维修就会造成一定时间的通信中断从而影响到系统数据的连续性。针对这种情况，可以采用网络故障自诊断技术来实时监控整个通信网络，一旦通信系统中出现故障节点，即使整体通信没有间断也可以准确地确定通信故障节点而及时维修。

网络故障自诊断技术是基于SNMP（Simple Network Management Information）协议的一种网络设备管理技术，SNMP协议是TCP/IP协议族中的通用子协议，该协议基于MIB（Management Information Base）［4］及其相关的结构及符号以及相关的进程管理技术形成一套管理网络设备的技术手段，可以方便直观的对网络内所有的网络设备进行数据和状态的管理。

4）数据存储转发技术

作为一个信息系统，不可能有绝对的技术手段来保证系统通信永不中断，特别是尾矿库安全在线监测系统，需要面对恶劣的野外环境、极端的天气、工业场地生产等多种不利条件的影响，为了最大程度的保证数据的完整性以及连续性，在数据源头采用对原始数据的本地化存储转发技术。

数据存储转发技术在数据源本地增加临时存储设备，并建立网络监听机制，当通信中断时，传感器采集的原始数据可以暂时存储在本地，等到网络通信恢复正常时，再通过网络把本地存储的数据传输至管理系统，以保证数据的完整连续。

5）系统防雷防浪涌技术

尾矿库通常坐落在野外无人的山谷地区，这样的地形容易受到雷电的攻击，而尾矿库安全在线监测系统由于是电子信息系统，更容易遭受雷电的攻击［5］。目前很多尾矿库安全在线监测系统就是因为防雷防浪涌系统设计上达不到规范要求，而导致系统在雷雨季节经常出现系统瘫痪的问题。针对这一情况，一方面需要完善防雷系统设计，一面还需要采取隔离技术来阻断雷电对设备的侵袭。

6）系统数据容错技术

尾矿库的野外环境恶劣，在系统防护上除了基本的工业宽温设计、高IP防护处理［5－6］等通用手段外，还需要充分考虑工业场地上高压用电设备、大型工程电机、高功率照明设备等用电器产生的电磁干扰。针对这种类型的电磁干扰具有地点不固定、干扰强度不固定的情况，可以采用全系统电磁屏蔽技术以及数据容错技术来提高通信系统的抗干扰能力及干扰耐受能力。

整个防护体系在对设备和线缆增加屏蔽隔离层的物理措施上，采用ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议［7］来对数据包进行差错控制，通过对数据包以及分组的识别来确认路由是否可达以及数据是否完整，如果出现不可达则要求更改路由或者监听线路直到可达，如果数据不完整则要求数据源重传。

7）通信QoS管理技术

尾矿库安全在线监测系统需要传输的数据类型较多，其中各个传感器的监测数据最为重要，节点设备的状态数据次之，而视频监控数据在规范中并没有强制性要求。针对这一情况就需要对数据传输的优先级进行区分，可以基于IEEE 802.1P标准来进行QoS上的区分。

IEEE 802.1P标准定义了从0至7的优先值，可以为第二层服务品质（QoS）或服务类（CoS）区分流量。此外，IEEE 802.1P标准也提供了多播流量过滤功能，以确保该流量不超出第二层交换网络范围。

3 工业现场试验

1）系统简述

以某尾矿库为例，该尾矿库为Ⅱ等库，库区占地面积大约4km2，主坝为堆积坝，坝高74m，围绕库区还有三个浆砌石副坝。尾矿库安全在线监测主要监测坝体的表面和内部位移、浸润线、干滩、库水位、浆砌石副坝的坝体应力、坝体渗流以及库区视频监控。

2）系统架构

根据硬件系统的布置情况，为了保障系统通信的可靠性，在硬件系统设计方面应用多重冗余通信、分布式智能供电技术、数据存储转发技术来保证硬件系统的通信可靠性，在系统数据通信方面引用通信QoS管理技术、系统数据容错技术、网络故障自诊断技术来保证数据的连续性和可靠性，同时还严格按照规范进行了防雷系统的设计，使之满足规范要求，具体系统结构见图1。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

3）试验数据及效果

该尾矿库在线安全监测系统建成运行一年以来，经历了极端天气、工业生产意外断电、通信光缆因企业生产需要而更改线路等诸多情况的考验，系统数据依然连续稳定，满足了监测系统的监测要求。表1和表2是通信系统供电情况和网络故障情况的台账统计情况，通过这些数据可以证明，在系统采用了前述针对性的技术措施之后，系统通信的可靠性得到了有效的保证。

表1 通信系统供电统计表Table 1 Communication system power supply statistics

表2 网络通信情况统计表Table 2 Network communication statistics

4 结论

尾矿库安全在线监测系统作为尾矿库安全管理的重要手段，监测数据的连续完整是衡量系统运行是否正常的重要指标。

尾矿库安全在线监测系统设备安装使用环境恶劣，通信系统的可靠性必须通过多种关键技术综合使用才能保障。

实践证明，多重冗余网络通信、分布式智能供电、网络故障自诊断、数据存储转发、系统防雷防浪涌、系统数据容错、通信QoS管理等几项关键技术的综合使用能提高系统稳定性和可靠性。

［1］国家安全监督管理总局 .尾矿库安全监测技术规范AQ 2030—2010［S］.北京：煤炭工业出版社，2011.

［2］苏军，张达 .应对极端天气条件的尾矿库安全在线监测系统技术研究［J］.中国矿业，2014（23）：190－194.

［3］杨阳，章平，欧阳伟 .极端气象下尾矿库监测通信系统的设计［J］.矿业研究与开发，2014（10）：99－103.

［4］Richard W Stevens，TCP/IP详解卷1：协议［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［5］苏 军，张 达，韩志磊，等 .尾矿库在线监测系统防雷设计［J］.金属矿山，2013（11）：126－129.

［6］张达，张晓朴，杨小聪.尾矿库在线监测及应急指挥系统关键技术及工业应用［J］.矿冶，2011，20（2）：20－25.

［7］谢希仁.计算机网络教程［M］.北京：人民邮电出版社，2002.

Study on key technologies of communication reliability of tailings pond online monitoring system

WANG Zhiyu1，2，ZHANG Da1，2，SU Jun1，2，HAN Zhilei1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

Tailings pond safety online monitoring system demands real－time communication and continuous acquisition of monitoring data.However，the natural and industrial environment of the system is complex，so how to improve communication reliability of the system has become a big problem.A series of security technologies are proposed，such as multi－redundant network communication，distributed intelligent power supply，self diagnosis of network fault，data stored and retransmission，system lightning and surge protection，system data fault tolerance，communication of QoS management and so on.The industrial field test shows that the specific technologies proposed in this paper can effectively improve the reliability of communication.

tailings pond；online monitoring；communication system

TD76

A

1671－4172（2015）05－0092－03

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2011AA060406）

王治宇（1978－），男，助理工程师，电气工程及自动化专业，主要研究方向为矿山案例监测技术。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.019