刘桥迪、阙尚琳
紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿
摘要：尾矿库安全在线监测系统能实时提供尾矿库监测数据，在尾矿库的日常管理中不可或缺。但尾矿库所处的自然环境复杂，系统供电通信条件恶劣，监测系统运行稳定性无法保证，这是目前国内尾矿库在线监测系统一个急需解决的难点。4G通信技术其数字蜂窝网具有数据传送率高、覆盖面广阔、可升级性强等优点，尤其是它利用公用网络，维护成本低，网络稳定性好，使用范围广。本文分析基于4G通信的尾矿库在线监测系统的实现方式和实际应用效果。
关键词：4G通信；尾矿库；安全监测
1基于4G通信的尾矿库安全在线监测系统架构
尾矿库安全在线监测系统架构从数据处理和系统使用功能角度，通常分为“监测数据采集传输”“监测数据分析和管理”“远程监管和技术服务”三个层次，其中，“数据采集传输”与“数据分析和管理”两个层次各自形成功能子系统，通过数据通信接口相关联，数据通信方式采用有线传输或者无线传输方式，目前使用最多的是光纤有线传输。这种有线通信架构往往供电也采用集中有线供电方式，其最大的问题是通信和供电线路的建设和维护费用高、容易受环境和气候影响，尤其是尾矿库这种比较恶劣的野外环境，雷电通过线缆侵入在线监测系统导致的设备故障率很高，严重影响系统整体稳定性。随着4G通信技术的引进，研发基于4G无线通信技术的分布式供电、通信一体化数据采集装备，实现数据采集装备的高度集成化、模块化，可以有效解决上述问题。如图1所示，采用4G无线通信技术的尾矿库在线监测系统架构。
2基于4G通信的分布式一体化数据采集单元设计
基于4G通信的在线监测系统关键点是研制分布式的供电通信一体化数据采集单元，该单元要完成数据采集、数据传输和供电等主要功能。其结构设计如图2所示，数据采集模块接入传感器数据进行采集和处理，数据传输模块实现数据的转换和传输，供电管理模块实现电源的控制和存储管理。同时，该单元还要求实现高度集成和小型化、模块化等辅助设计。
其中，基于4G通信技术的数据传输模块具有数据转换和传输功能，将采集数据转换成IP协议数据，利用4G通信网络传输至远程数据端口。该数据传输模块采用高性能GSM模块实现监测数据的转换和传输。该模块在900MHzMHz／1800MHz的GSM网络环境下工作，工作电压为3.3～4.8V，正常工作电流为300mA，峰值电流为500～1000mA，工作的温度范围为－25～70℃。该模块使用40pinZIF接口，支持标准的AT命令集，本系统对其进行控制就是通过发送相应的AT命令实现。模块没有内置天线，提供了１个GSC接口用于外接天线。为增强信号以及便于安装，系统采用吸盘式的GSM天线。
数据采集模块和电源管理模块其功能支持多种格式的数据采集，采集模块具有数据存储、查询、计算、输出等功能，集成度高，并采取低功耗、高防护设计，适应不同环境使用。基于4G通信技术的数据传输模式应用于尾矿库在线监测有以下几个主要优势：①通信设备功耗低，容易实现单个或少数传感器的数据采集、供电、通信一体化设计，实现分布式供电和数据采集功能；②数据传输网络为公用移动网络，无需维护，网络稳定性很好；③通信费用按流量或使用时间记取，4G移动网络的通信费用越来越低廉，数据传输成本很低。
3应用案例及使用效果
某中线法尾矿库，地处南方多雨环境，汛期雷电危害很大，属于强雷暴区，其安全监测的难度大，对在线监测系统的稳定性要求高。该尾矿库原安全在线监测系统的供电通信系统采用有线传输，线路损坏严重，维护工作量很大，系统的故障率高，运行不稳定。为提高系统稳定性，设计采用基于4G通信技术的尾矿库安全在线监测系统。系统采用基于4G通信的分布式一体化数据采集传输单元完成系统的数据采集传输和供电功能。该单元模块内配置数据采集模块、通信和4G通信模块、太阳能控制器、充电电池等，实现数据采集、转换、传输、供电、通信等功能一体化集成设计，形成分布式一体化数采单元，将数据采集、通信和供电功能集成，采用封闭式铸铝机盒设计，防水接头，具有良好的防水防潮性能。
该尾矿库安全在线监测系统共配置分布式一体化数采单元模块50套，汛期运行超过180d，总体故障率低于3％，大大提高了系统总体稳定性。与原系统的使用效果相比优势为：首先，建设成本低，无线路费用。其次，设备的雷电损坏概率小，设备本身的防护性高，运行１年设备通信供电故障次数少于2次。最后，系统维护、通信成本。无线路维护、50套数据流量卡，通信数量流量费用少于0.3万元。
目前，一般的中型尾矿库在线监测系统的监测点要几十个，传统有线通信或局部无线通信模式下，如果线缆损坏或无线通信的数据汇聚点设备损坏，则影响整个系统的数据传输。采用基于4G通信技术的分布式一体化数据采集传输模式，即使单点数据采集模块损坏，也不会影响系统整体的数据传输，可以大大提高系统的整体稳定性。同时，由于数据采集和传输的一体化集成设计，便于形成高防护、高可靠性的模块化数据采集传输设备，单个监测点的数据采集稳定性和抗干扰性能都有很大提高，而且模块化和小型化设计，便于更换，维护方便。
4结语
由于4G网的覆盖范围大，公网无需维护，流量使用费用低，基于4G通信技术的各种数据远程传输应用已经在各行业大量推广使用。随着5G通信网络的升级换代，较4G网络其传输速率更高，服务保证和网络安全性也更有优势，因此，未来基于4G和5G通信技术的各种实时监测系统应用会越来越广，矿山安全监测系统应大力发展基于公用网络的无线通信技术，提高系统的稳定性。
参考文献
[1]尾矿库在线监测系统通信可靠性的关键技术研究[J].王治宇,张达,苏军,韩志磊.有色金属(矿山部分).2015(05)
[2]数据库在尾矿库信息化平台中的应用[J].董绍艳,张红.中国科技信息.2020(02)