CN114252923A - 一种矿山巷道地下水动态时移电场网络化监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地球物理测量领域，涉及一种矿山巷道地下水动态时移电场网络化监测系统与方法，包括：现场采集系统，网络数据传输系统和数据管理与反演系统，其中，现场采集系统包括电极阵列模块、发射模块、采集模块和控制模块，通过控制模块控制发射模块、采集模块以及电极阵列模块的供电电极与测量电极的选择；数据传输系统将控制命令通过UDP/IP协议和以太网发送至现场采集系统；通过采集模块采集信号后，再由UDP/IP协议和以太网通过路由器与监测中心服务器连接；数据管理与反演系统通过软件进行远程配置，根据预先设定的时间表每天实时获取数据或按需获取数据，并将数据反演处理生成电阻率模型。实现长时间实时检测，将现场仪器永久放置，以避免多次人工反复现场测量。
Description
技术领域
本发明属于地球物理测量领域，更具体地，涉及一种矿山巷道地下水动态时移电场网络化实时监测系统与方法。
背景技术
对于矿山水害的高发地区，各种类型的地表水或地下水，通过一定的渗透通道，涌入或突入采掘工作空间，影响矿井的正常生产，甚至造成淹井重大事故，矿井突水是严重威胁井下工作人员生命安全的矿井灾害之一。现有技术中，主要通过三维建模并采用网络映射等数值处理方法将探测数据回归到原空间后再进行分析处理。但由于地下巷道矿物的存在，地下结构具有非均一性，数值模拟成果与真实情况可能存在偏差，依靠数值处理方法无法达到高精度探测要求。电阻率层析成像技术，可产生比常规电阻率技术更高的分辨率，比地震波层析成像更加经济实惠，自1987年SHIMA首次提出后，近十几年来快速发展。目前，电阻率层析成像技术广泛应用于地下水监测。能够实时监测矿山巷道地下水动态，将为井下工作人员的安全提供重大保障。
当前电阻率层析成像对矿山地下水的监测技术，电极与PC机之间联系是以电缆连接，需要测量人员携设备进入矿山巷道进行采集，现场测量时,将全部电极布置在一定间隔的测点上,多芯电缆与程序控制开关连接，在预设程序的控制下，实现电极排列方式，极距与测点之间的快速转换和数据采集，然后,通过计算机对所采集的数据进行层析成像处理，按一定图形图像形式输出结果，并将数据通过电缆返回给现场的PC。虽然与传统手工测量电阻率方法相比，避免了人工测量的误差，但是，这种检测方法也存在一些缺点，第一，由于人工检测的时限性和间断性，数据的实时性和动态性不能得到保证，无法基于数据对矿山巷道地下水的未来动态和运移提供精准的预测和推断。第二，数据从现场PC机采集后，再传输给控制中心，再生成图像，这其中有着时间差，对于地下水动态的当下发现和处理并不及时。第三，由于需要人工进入巷道测量，对矿产开采的进度和检测人员的安全也有影响，综上，当前的监测方法有较大的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种矿山巷道地下水动态时移电场网络化监测系统与方法，实现实时测量和长时间检测，将现场仪器永久放置，以避免多次人工反复现场测量。
本发明是这样实现的，一种矿山巷道地下水动态时移电场网络化监测系统，该系统包括：现场采集系统，网络数据传输系统和数据管理与反演系统，其中，
现场采集系统包括电极阵列模块、发射模块、采集模块和控制模块，通过控制模块控制发射模块、采集模块以及电极阵列模块的供电电极与测量电极的选择；
网路数据传输系统将控制命令通过UDP/IP协议和以太网发送至现场采集系统；通过采集模块采集信号后，再由UDP/IP协议和以太网通过路由器与监测中心服务器连接，进行数据传输；
数据管理与反演系统通过软件进行远程配置，根据预先设定的时间表每天实时获取数据或按需获取数据，并将数据反演处理生成电阻率模型。
进一步地，控制模块根据接收到的指令进行电极阵列模块进行切换并发送控制信号至恒压源，恒压源根据控制信号向供电电极供入相应的电流。
进一步地，所述发射模块包括DC/DC恒压源和逆变器，由恒压源提供发射电流，发射电流经逆变器变为交流信号，其中恒压源电路为DC/DC恒压源。
进一步地，控制总线以网络状布置于矿山巷道，电极模块阵列通过总线相连，总线布置于矿山巷道，电极模块由金属电极，不极化电极，控制模块和开关构成，金属电极用来发射大电流，不极化电极用于检测电压，开关由继电器控制，控制模块根据总线信号对本模块的继电器进行开关控制。电极模块通过总线与发射模块或者采集模块相连接，作为发射电极或接收电极，通过指令实现对任意两个电极进行电压滚动测量。
进一步地，同步时间戳利用单片机的RTC外设，在测量时计算出每组测量数据的时间，数据测量成功后与时间戳一同储存或发送，实现测量时间同步。
进一步地，网络数据采集系统是基于物联网的数据传输系统，采用4G/5G全网通DTU模块或者串口服务器模块构建数据传输系统。现场采集系统通过RS232/485串口与DTU模块或者串口服务器模块进行连接，串口服务器模块基于TCP或UDP网络协议利用4G/5G网络实现DTU模块与监控中心服务器数据传输。
进一步地，数据管理与反演系统在设置好现场采集系统进行计划测量后，通信控制软件以设定的间隔使用遥测链路以预定的时间间隔对现场采集系统进行轮询；数据管理与反演系统采用两个中央服务器，其中一个中央服务器托管数据库和网络应用程序，以及还作为通信服务器，运行定制的控制软件，自动联系现场采集系统，控制测量计划的上传和测量数据的下载；另外一台中央服务器作为反演服务器，运行数字反演代码并接收另一台中央服务器提出的工作需求。
一种矿山巷道地下水动态时移电场网络化监测方法，该方法包括以下步骤：
A、布置测量电极，根据待测区域的分布，控制总线网络状布置于待测区域，在目标区域每相隔一段距离放置一个电极模块，可在总线上任意增加或减少电极模块的数量，每个电极模块连接总线，经总线连接发射端和接收端。
B、根据目标区域电极布置情况，确定发射电极，选择电极网络中任何两个电极作为发射电极，按照测量目标选择测量方式和接收电极。
C、根据测量目标，将控制程序传输给现场采集系统，通过指令实现对任意两个电极进行电压值滚动测量；
D、通过RS485串口通讯线，将采集的数据打包，通过UDP/IP协议远程发送给远端监测中心服务器，同步接收测量数据，以信息时间为准。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明利用电阻率层析成像技术，实现矿山巷道地下水动态运移智能监测网络，设计出用于地下电阻率成像的新型智能化物联网观测仪器，可永久的布设在矿山巷道，现场测量和数据采集基于UDP/IP协议和以太网传递的信息对电极进行寻址和控制，然后将采集的数据再次通过UDP/IP协议和以太网发回给远端PC机，以定期提供地下电阻率成像图片，从而消除手动重复测量的需要。
本发明通过远程程序控制选择发射电极和测量电极，可以根据需求进行选择和控制。通过UDP/IP协议和以太网，在应用层协议接口和MAC控制接口之间的相互传递，从现场和计算机之间进行远程传输。利用智能监测网络远程控制进行数据采集和传输，免去数据和计算机之间的实体线路传输，可以免除带仪器到现场测量的必要，实现智能矿山的实时检测和长时间监测，避免因为检测而影响工程进度和人员设备的占用。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为总线控制及电极模块示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种矿山巷道地下水动态时移电场网络化监测系统，该系统包括：现场采集系统，网络数据传输系统和数据管理与反演系统，其中，
现场采集系统包括电极阵列模块、发射模块、采集模块和控制模块，通过控制模块控制发射模块、采集模块以及电极阵列模块的供电电极与测量电极的选择；
网路数据传输系统将控制命令通过UDP/IP协议和以太网发送至现场采集系统；通过采集模块采集信号后，再由UDP/IP协议和以太网通过路由器与监测中心服务器连接；
数据管理与反演系统通过软件进行远程配置，根据预先设定的时间表每天实时获取数据或按需获取数据，并将数据反演处理生成电阻率模型。
控制模块根据接收到的指令进行电极阵列模块进行切换并发送控制信号至恒压源，恒压源根据控制信号向供电电极供入相应的电流。
发射模块包括DC/DC恒压源和逆变器，由恒压源提供发射电流，发射电流经逆变器变为交流信号，其中恒压源电路为DC/DC恒压源，发射电极两端电压实时监测，保证供电电源稳定。
参见图2所示。控制总线以网络状布置于矿山巷道，电极模块阵列通过总线相连，总线布置于矿山巷道，电极模块由金属电极，不极化电极，控制模块和开关构成，金属电极用来发射大电流，不极化电极用于检测电压，开关由继电器控制，控制模块根据总线信号对本模块的继电器进行开关控制。电极模块通过总线与发射模块或者采集模块相连接，作为发射电极或接收电极，通过指令实现对任意两个电极进行电压滚动测量。
同步时间戳利用单片机的RTC外设，在测量时计算出每组测量数据的时间，数据测量成功后与时间戳一同储存或发送，实现测量时间同步。
网络数据采集系统是基于物联网的数据传输系统，采用4G/5G全网通DTU模块或者串口服务器模块构建数据传输系统。现场采集系统通过RS232/485串口与DTU模块或者串口服务器模块进行连接，串口服务器模块基于TCP或UDP网络协议利用4G/5G网络实现DTU模块与监控中心服务器数据传输。
数据管理与反演系统将采集的数据进行处理并反演成像。在设置好现场采集系统并进行测量后，通信控制软件以设定的间隔使用遥测链路以预定的时间间隔对现场采集系统进行轮询；数据管理与反演系统采用两个中央服务器，其中一个中央服务器托管数据库和网络应用程序，同时作为通信服务器，运行定制的控制软件，自动联系现场采集系统，控制测量计划的上传和测量数据的下载；另外一台中央服务器作为反演服务器，运行数字反演代码并接收另一台中央服务器提出的工作需求。实际工作时可利用商用软件RES2DINV&RES3DINV对文件夹内的数据进行反演，生成图像。
在所有采集发射、网络化系统安装后，被设计为根据特定命令文件链接的测量计划进行操作。该命令文件包括相关地电测量(电阻率、感应极化、自电势等)，电极选择和数据采集参数(例如：占空比，叠加次数，标准偏差、采样窗口等)。此外，命令文件包含唯一标识符，这些标识符允许将测量结果进行上传并有数据管理系统自动处理。整个系统基于UDP/IP协议运行，可以将多达100个调度事件链接到本地存储的命令文件。
本发明现场采集系统可永久的布设在矿山巷道，现场测量和数据采集通过UDP/IP协议和以太网对电极进行远程寻址和控制，然后将采集的数据再次通过UDP/IP协议和以太网发回给远端PC机，将数据存储进文件中，从而消除手动重复测量的需要。较传统检测方法，利用智能监测网络远程控制进行数据采集和传输，免去数据和计算机之间的实体线路传输，通过UDP/IP协议和以太网，在应用层协议接口和MAC控制接口之间的相互传递，从现场和计算机之间进行远程传输。可以免除带仪器到现场测量的必要，实现智能矿山，智能监测，避免因为检测而影响的工程进度和人员设备的占用。
本发明矿山巷道地下水动态时移电场网络化监测方法，包括以下步骤：
A、布置测量电极，根据待测区域的分布，控制总线网络状布置于待测区域，在目标区域每相隔一段距离放置一个电极模块，可在总线上任意增加或减少电极模块的数量，每个电极模块连接总线，经总线连接发射端和接收端。
B、根据目标区域电极布置情况和探测需求，确定发射电极，选择电极网络中任何两个电极作为发射电极，按照测量目标选择测量方式和接收电极。
C、根据测量目标，将控制程序传输给现场采集系统，通过指令实现对任意两个电极进行电压滚动测量；
D、通过RS485串口通讯线，将采集的数据打包，通过UDP/IP协议远程发送给远端监测中心服务器，同步接收测量数据，同步过程以信息时间为准。
步骤A中所述布置电极时，每个电极由4个继电器进行控制，即每个电极拥有一个控制模块，通过一条系统总线将控制命令传输给每个电极。步骤B中所述确定发射电极和接收电极，通过每个电极的控制模块，可以将任何一个电极设置为发射电极或者接收电极，通过程序的控制，可以避免一个电极自身既作为发射电极又作为接收级电极造成的偏差。步骤C中根据不同的测量需求，通过远程程序控制，将电极控制命令发送到现场控制模块，单片机根据发送来的程序指令通过总线给电极指令，根据远程需求切换发射电极和测量电极。步骤D中数据测量完成后，将数据打包后通过物联网，远程发给远端PC机，利用STM32的RTC外设，控制同步时间戳。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种矿山巷道地下水动态时移电场网络化监测系统，其特征在于，该系统包括：现场采集系统，网络数据传输系统和数据管理与反演系统，其中，
现场采集系统包括电极阵列模块、发射模块、采集模块和控制模块，通过控制模块控制发射模块、采集模块以及电极阵列模块的供电电极与测量电极的选择；
数据传输系统将控制命令通过UDP/IP协议和以太网发送至现场采集系统；通过采集模块采集信号后，再由UDP/IP协议和以太网通过路由器与监测中心服务器连接；
数据管理与反演系统通过软件进行远程配置，根据预先设定的时间表每天实时获取数据或按需获取数据，并将数据反演处理生成电阻率模型。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，控制模块根据接收到的指令对电极阵列模块进行切换并发送控制信号至恒压源，恒压源根据控制信号向供电电极供入相应的电流。恒压源两端电压实时监测，出现偏差时进行自动调整，保持供电电源稳定。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射模块包括DC/DC恒压源和逆变器，由恒压源提供发射电流，发射电流经逆变器变为交流信号，其中恒压源电路为DC/DC恒压源。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，控制总线以网络状布置于矿山巷道，电极模块阵列通过总线相连，总线布置于矿山巷道，电极模块由金属电极，不极化电极，控制模块和开关构成，金属电极用来发射大电流，不极化电极用于检测电压，开关由继电器控制，控制模块根据总线信号对本模块的继电器进行开关控制。电极模块通过总线与发射模块或者采集模块相连接，作为发射电极或接收电极，通过指令实现对任意两个电极进行电压滚动测量。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，利用单片机的RTC外设，在测量时计算出每组测量数据的时间，数据测量成功后与时间戳一同储存或发送，实现测量时间同步。
6.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，网络数据采集系统是基于物联网的数据传输系统，采用4G/5G全网通DTU模块或者串口服务器模块构建数据传输系统。现场采集系统通过RS232/485串口与DTU模块或者串口服务器模块进行连接，串口服务器模块基于TCP或UDP网络协议利用4G/5G网络实现DTU模块与监控中心服务器数据传输。
7.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，数据管理与反演系统在设置好现场采集系统进行计划测量后，通信控制软件以设定的间隔使用遥测链路以预定的时间间隔对现场采集系统进行轮询；数据管理与反演系统采用两个中央服务器，其中一个中央服务器托管数据库和网络应用程序，同时还作为通信服务器，运行定制的控制软件，自动联系现场采集系统，控制测量计划的上传和测量数据的下载；另外一台中央服务器作为反演服务器，运行数字反演代码并接收另一台中央服务器提出的工作需求。
8.一种矿山巷道地下水动态时移电场网络化监测数据传输方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、布置测量电极，根据待测区域的分布，控制总线网络状布置于待测区域，在目标区域每相隔一段距离放置一个电极模块，可在总线上任意增加或减少电极模块的数量，每个电极模块连接总线，经总线连接发射端和接收端。
B、根据目标区域电极布置情况，确定发射电极，选择电极网络中任何两个电极作为发射电极，按照测量目标选择测量方式和接收电极。
C、根据测量目标，将控制程序传输给现场采集系统，通过指令实现对任意两个电极进行电压值滚动测量；
D、通过RS485串口通讯线，将采集的数据打包，通过UDP/IP协议远程发送给远端监测中心服务器，同步接收测量数据，同步时间以信息时间为准。
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| Title |
|---|
| 郭群: "浅地表多模块电磁探测系统控制策略研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑, no. 10, 15 October 2019 (2019-10-15), pages 17 * |
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