姚文靜

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014）

對(duì)于資源需求的不斷增加促使礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)力度不斷提升，由此帶來(lái)的礦產(chǎn)勘查熱潮也促進(jìn)了相關(guān)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展[1]。在探測(cè)到礦產(chǎn)信息后，需要對(duì)礦區(qū)的水工環(huán)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行全面勘查，這樣做的目的一方面是為了幫助施工建設(shè)階段作出正確決策，提高項(xiàng)目布置的合理性，另一方面，也是保障礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中人員、財(cái)產(chǎn)安全，為此，對(duì)勘查到的信息進(jìn)行分析，作出客觀評(píng)價(jià)是十分重要的[2]。與其他類型的信息評(píng)價(jià)相比，地質(zhì)信息評(píng)價(jià)涉及的因素更多，不僅是對(duì)現(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)，還要結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際環(huán)境條件，對(duì)未來(lái)長(zhǎng)期內(nèi)的地質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)作出分析，這就對(duì)評(píng)價(jià)工作提出了更高的要求。但隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算能力逐漸提高，將其應(yīng)用在地質(zhì)信息的評(píng)價(jià)中將會(huì)大大提高評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性[3]?；诖?，本文提出基于遙感技術(shù)的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查信息評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。分別在硬件和軟件兩個(gè)方面作出了具體設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。通過(guò)本文，以期為提高礦山施工的安全性提供幫助。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)傳輸器

遙感技術(shù)采集到的信息是以三維的形式存在，其可以最大限度實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的準(zhǔn)確采集，而由于地質(zhì)環(huán)境是以極微弱的程度持續(xù)變化，因此，需要一個(gè)高效的信息傳輸設(shè)備完成對(duì)遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，這也是確保評(píng)級(jí)結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素。為此，本文選用四信集團(tuán)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備F2C16作為系統(tǒng)的信息傳輸設(shè)備。其具有全工業(yè)級(jí)芯片設(shè)計(jì)，運(yùn)行條件允許寬溫寬壓，為惡劣無(wú)人值守現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了基礎(chǔ)，同時(shí)超低功耗也方便其在取電困難的現(xiàn)場(chǎng)使用，已經(jīng)有50萬(wàn)終端遍布電力、工業(yè)等現(xiàn)場(chǎng)，驗(yàn)證了其可靠無(wú)故障在線運(yùn)行的性能。其次，其自帶的WDT看門狗設(shè)計(jì)也提高了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，完備的防掉線機(jī)制也可維持?jǐn)?shù)據(jù)終端持續(xù)在線；內(nèi)嵌的Cat.1模組支持LTE和GSM三模通信，因此覆蓋范圍更廣、傳輸速率更高、運(yùn)行功耗更低。

1.2 處理器

中央處理器是本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的主要設(shè)備，其是對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算和分析的核心部件?？紤]到地質(zhì)數(shù)據(jù)規(guī)模較大，需要處理器具有更高的運(yùn)行內(nèi)存，因此，本文選用STM32MP1通用微處理器作為系統(tǒng)的處理器。其是基于混合的雙Arm Cortex-A7核和Cortex-M4核架構(gòu)產(chǎn)品，在充分滿足多種應(yīng)用的靈活性需求的同時(shí)，具備最佳性能和低功耗特性。其中，Cortex-A7內(nèi)核支持開(kāi)源操 作 系統(tǒng)（Linux/Android），Cortex-M4內(nèi) 核則沿用了STM32 MCU生態(tài)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)者可以輕松實(shí)現(xiàn)各類開(kāi)發(fā)的應(yīng)用。除此之外，其還支持主流開(kāi)源發(fā)行版操作系統(tǒng)Linux以及Android操作系統(tǒng)，對(duì)于Cortex-M4內(nèi)核的STM32Cube固件庫(kù)和嵌入式軟件包同樣適用，也可選用高級(jí)的HMI開(kāi)發(fā)提供3D圖形處理功能，在高集成度特性的加持下，其封裝的兼容性更高，可以滿足低成本PCB技術(shù)和專用電源管理IC的使用需求。內(nèi)置的STM32Cube工具套件包括基于GCC的IDE、STM32CubeProgrammer和STM32CubeMX，為系統(tǒng)提供了更加簡(jiǎn)便和快速的服務(wù)。

2 軟件設(shè)計(jì)

（1）構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)信息的評(píng)價(jià)，首先建立了以水工環(huán)指標(biāo)為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)體系，為此，需要對(duì)不同指標(biāo)在地質(zhì)安全中的影響作用大小作出分析，而指標(biāo)本身又存在多樣化的體現(xiàn)形式，無(wú)法以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行度量，本文為了解決該問(wèn)題，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)一的量化處理。以指標(biāo)在各自體系中的分布位置為基礎(chǔ)，對(duì)其危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，并以每平方千米范圍內(nèi)地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)制定了如表1所示的評(píng)價(jià)體系。

表1 地質(zhì)信息指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

其中，巖性性質(zhì)按照實(shí)際巖體的劃分類別為準(zhǔn)。以此將表1作為礦山地質(zhì)信息的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)越高，表明其危險(xiǎn)系數(shù)越高。

（2）地質(zhì)信息評(píng)價(jià)。在上文制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，當(dāng)處理器接收到信息傳輸設(shè)備發(fā)送的遙感數(shù)據(jù)后，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將其轉(zhuǎn)化為與評(píng)價(jià)體系統(tǒng)計(jì)形式一致的表現(xiàn)形式?？紤]到地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)并非定值，而是隨著外界環(huán)境以及氣球自身運(yùn)動(dòng)不斷變化的，僅以當(dāng)前的遙感數(shù)據(jù)為評(píng)價(jià)依據(jù)會(huì)直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。本文對(duì)周期T內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)變化程度進(jìn)行計(jì)算，其表示為：

其中，σ表示周期T內(nèi)遙感數(shù)據(jù)的變化值，ΔB表示遙感數(shù)據(jù)的差值。礦山開(kāi)采周期雖然在初始階段有預(yù)期數(shù)值，但最終的周期主要取決于施工階段的實(shí)際情況，為了確保施工階段的安全，本文以考慮不確定因素的最長(zhǎng)施工周期為評(píng)價(jià)目標(biāo)，計(jì)算在完成開(kāi)采活動(dòng)后的時(shí)間水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)的安全性。此時(shí)的地質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算方式可以表示為：

其中，B’表示預(yù)計(jì)完成開(kāi)采活動(dòng)時(shí)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，ts表示預(yù)計(jì)施工周期。

以此為基礎(chǔ)，將該數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，對(duì)礦山的水工環(huán)勘查結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，處理器將地質(zhì)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)體系之間建立對(duì)應(yīng)管理，輸出不同指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果，最后將其集成化處理：

其中，λ表示礦山的安全系數(shù)，D表示不同指標(biāo)的等級(jí)對(duì)照結(jié)果，N表示評(píng)價(jià)體系。

通過(guò)這樣的方式得到最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 應(yīng)用測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查信息的評(píng)價(jià)成果是否能夠滿足使用需要，本文進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

（1）測(cè)試環(huán)境。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于開(kāi)發(fā)礦山，礦區(qū)覆蓋范圍為106.3km2，區(qū)域內(nèi)有明顯的斷裂構(gòu)造，在礦區(qū)以南向北展布的形式存在，最大深度為3m的不規(guī)則積水池在礦區(qū)內(nèi)分布有6處，面積在70m2～110m2之間。地面表層的主要構(gòu)成為全新統(tǒng)沖擊形成的粉質(zhì)黏土和塊石土，深層地質(zhì)構(gòu)造的主要存在形式為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組，類型以泥巖+砂巖為主，比例約為2.6：7.4，周圍巖體主要為硬質(zhì)巖，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到60MPa，部分軟質(zhì)巖摻雜其中，抗壓強(qiáng)度在30MPa左右。除此之外，區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育程度呈現(xiàn)出明顯的極化特征，礦區(qū)南部巖溶個(gè)體密度為6個(gè)/km2，其與部分密度為1個(gè)/km2～2個(gè)/km2。本文以未來(lái)180天內(nèi)的礦山水工環(huán)地質(zhì)安全系數(shù)為評(píng)價(jià)目標(biāo)，開(kāi)展了測(cè)試。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)上，利用本文設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

從圖1中可以看出，在初始階段和120天之后的時(shí)間段，礦山的安全性出現(xiàn)了明顯的下降，此時(shí)需要構(gòu)建適當(dāng)?shù)募庸檀胧┮蕴岣咂浒踩浴?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查信息的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是關(guān)系到施工建設(shè)以及生產(chǎn)活動(dòng)開(kāi)展的重要環(huán)節(jié)。本質(zhì)上，水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)是礦山整體環(huán)境的綜合體現(xiàn)，既包括水文地質(zhì)條件，也包括基礎(chǔ)的地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)，因此，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)需要以更加全面的角度進(jìn)行。本文提出基于遙感技術(shù)的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查信息評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)礦山安全性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。通過(guò)本文的研究，以期為礦山的地質(zhì)評(píng)價(jià)工作提供有價(jià)值的參考。