基于北斗的鈾尾礦庫綜合監控平臺設計

趙 發,劉玉生,沈立華,曹鵬飛,宋伶才,陳文都

(1.中核二七二鈾業有限責任公司,湖南 衡陽 421004;2.核工業計算機應用研究所,北京 100090)

隨著鈾礦冶工業的發展,美國、法國、加拿大等主要產鈾國,在經歷了不同程度的鈾礦冶廢物擴散、尾礦庫安全事故后,從20世紀70年代開始高度重視鈾礦冶廢物的處理[1]。鈾尾礦庫是貯存鈾尾礦的專用設施,其安全性已成為制約核工業安全發展的瓶頸,直接關系到周圍環境的質量狀況和附近居民的安全健康。自20世紀90年代以來,由于生產計劃調整或服務期滿等原因,中國決定關?；虿糠株P停的多個鈾礦山和水冶廠陸續進入退役治理程序,開展退役環境治理工作[2]。做好尾礦庫的監測和預警,特別是壩體變形的監測和預警,對于有效減少直接經濟損失和人員傷亡非常重要。

尾礦庫一般選擇在遠離人民生活區或采礦區建設,企業通常通過全站儀(人工定期)或沉降儀等監測設備對尾礦庫沉降進行監測。由于鈾尾礦庫一般遠離采礦區,且庫區中存儲的尾礦具有一定放射性,企業除關注尾礦庫沉降外,還需要專業人員定期對壩體浸潤線等關鍵位置進行人工測量。人工測量受天氣變化、降雨量、監測點位、周圍電磁環境等制約較大,存在監測數據誤差大、數據更新不及時、庫位內部形變無法測量、人工監測數據的采集及處理結果安全性無法保障等問題。筆者采用GNSS RTK(Real-time kinematic,實時動態)載波相位差分測量技術[3],結合雨量、內部位移、浸潤線等多種傳感器設備進行數據自動采集,利用無線加密傳輸技術,以期實現鈾尾礦壩體、庫區安全的實時監測。

1 項目概況

某鈾尾礦庫位于湖南省衡陽市,距江邊最短距離約3 km,距市區直線距離約10 km。該鈾尾礦庫為“平地型”尾礦庫,由9個壩段與3個丘陵山頭圍攔而成,占地面積約為170萬m2[4],庫內灘面面積1.36 km2,是鈾礦冶系統最大的尾礦庫,被國家列入環保安全應急管理重點尾礦庫。

1994年,該企業鈾水冶線停產,尾礦庫隨之退役,由于地形條件的變化與初期建設選址距離居民生活區及江邊較近,存在較大安全隱患[5]。

1.1 壩體情況

某鈾尾礦庫全庫容量1×107～1×108m3,壩高60～100 m,地理位置見圖1。按全庫容量和壩高考慮,該尾礦庫屬于二等庫[6];但根據鈾尾礦構筑物的等級、重要性及位置,該鈾尾礦庫應按一等庫管理。

圖1 某鈾尾礦庫位置示意

1.2 監測現狀

以人工巡檢的方式對尾礦庫的壩體表面情況進行檢查,每季度組織專業人員利用全站儀及水尺對表面位移沉降及浸潤線水位進行監測。目前監測時間跨度大,無法滿足對鈾尾礦庫各項數據的實時監測。

2 監測方案

一等尾礦壩應監測表面位移、內部位移、外坡比、浸潤線、干灘長度與坡度、視頻;庫區應監測庫水位、降水量及視頻[7]。

2.1 監測設備配置

因鈾尾礦庫已停產,壩體停止堆積、外坡比和干灘相關參數不必監測;尾礦庫滲流依托建成的滲漏回水系統已能滿足日常使用,水質采樣分析不在本次研究范圍內,遵循“適用性、先進性和經濟性”的原則進行監測設備選型(表1)。

2.2 監測設備布設

根據尾礦庫第一攔水壩現場實際環境,按照《尾礦庫在線安全監測系統工程技術規范》 (GB 51108—2015)要求,對監測設備進行布設:1)廠區調度樓樓頂布設1個GNSS基準站,與尾礦壩直線距離不足3 km,滿足各監測點高精度基線解算的要求;2)第一攔水壩壩頂布設3個表面位移監測點、3個浸潤線監測點、2個內部位移監測點和1臺攝像機;3)第一攔水壩環壩公路與排水渠間坡面布設2個表面位移監測點、2個浸潤線監測點、2個內部位移監測點;4)第一攔水壩排水溝平面布設2個表面位移監測點、2個浸潤線監測點;5)尾礦庫庫區布設2個水位監測點、1個雨量監測點;6)泵房布設1臺攝像機。

庫區監測設備通過太陽能供電并部署加密網關,壩體監測設備利用市電統一供電,通過光纖將采集到的信息實時匯集于控制箱,按照約定的統一格式將信息回傳至核工業計算機應用研究所。

表1 某鈾尾礦庫監測設備配置

圖2 某鈾尾礦庫第一攔水壩監控設備布設

3 綜合監測平臺設計

綜合監測平臺依托各監測設備實時獲取的尾礦庫監測數據,構建監測預警體系,及時發現尾礦壩壩體變化情況,適時發出警示信息,為避險決策和應急處置提供關鍵性依據。綜合監測是尾礦庫防災減災的重要手段[8]。

3.1 體系架構

以計算、存儲、網絡、安全等基礎設施為支撐,以中核集團北斗服務平臺為中樞,接入北斗位移監測站、滲壓計、雷達水位計、雨量計等前端設備,獲取實時監測數據,向管理部門及業務部門提供全景監測、智能預警和統計分析等應用服務,綜合監測平臺體系架構見圖3。

圖3 某鈾尾礦庫綜合監測平臺架構

3.2 技術實現

圍繞鈾尾礦庫安全監測的核心需求,結合實際應用場景,遵循軟件開發及質量管理相關要求,采用“自上向下”的設計方法和微服務的技術理念,綜合監測平臺在邏輯上劃分為數據層、服務層和展現層。

數據層結合位移監測、雨量監測、庫區水位監測、視頻監測、浸潤線監測、內部位移和系統運行日志等數據的特點,采用關系型數據庫進行分類存儲,提升大量數據的查詢性能和統計分析性能。系統運行日志數據采用文件系統按照時間進行分類文件存儲。對于基礎數據的訪問,Web端通過封裝的統一數據訪問引擎實現。

服務層綜合采用多種技術手段對外提供支撐服務接口,有效支撐子系統的運行。對外部的數據引接開發消息調度總線。消息推送服務主要實現消息推送、數據管理、位置監控相關功能,將接收到的消息立即轉發至客戶端。引接的數據及查詢、表現的數據接入Redis統一的Web訪問緩存,數據訪問服務和Web前端可快速訪問Redis緩存,保障消息引接效率和Web訪問性能。常規業務采用更穩健、通用的技術架構和Tomcat中間件實現。所有服務最終以微服務的形態進行集成,并通過NGINX進行發布,供前端應用。

展現層采用最新的JavaScript、HTML5、WebGL技術實現在線監測、智能預警的高性能顯示,同時采用ECharts將監控信息和指標以直觀、美觀的方式進行表現。綜合監控平臺總體采用B/S(Browser/Server)架構。

3.3 安全接入

遵循國家《信息安全等級保護管理辦法》[9]和《信息系統安全等級保護實施指南》[10]進行分級分域管理,受限域與公共域不直接相連,通過過渡域隔離;業務終端與業務服務器間通過受限域的防火墻進行訪問控制,不同等級網絡之間通過單向傳輸設備進行通信,建立安全的訪問路徑。

綜合監測平臺依托商網運行,在商網已有的安全策略基礎上,根據數據遠程安全傳輸的需要,基于4G/5G移動網絡、異構通信網絡等多種通信方式,結合商用密碼技術和安全防護理念,構建保障數據遠程傳輸的移動安全監測系統,通過在數據匯聚端進行加密,在接入區域配備加解密、認證、鑒權等設備,實現終端設備安全接入、網絡通信安全可靠、業務信息安全傳輸的功能,確保整個系統的安全保密(圖4)。

圖4 安全接入

3.4 平臺部署

根據總體架構,綜合監控平臺分為監控終端區、通信網絡區、安全接入區、北斗服務平臺和系統用戶等5個邏輯區域。

監控終端區設置用于監控壩體及庫區安全使用的前端感知終端設備,所有監控終端通過有線或短距離無線方式進行數據匯聚,匯聚設備加裝硬件加密模塊及安全加密組件,允許接入北斗服務平臺,確保監控終端的保密性、封閉性和可控性。

通信網絡區包括北斗短報文和運營商4G/5G移動通信網絡,為了防止受到非法接入和攻擊,移動通信網絡采用APN/VPDN接入方式,確保通信網絡的安全性。

安全接入區監控終端通過移動通信網絡接入,采用多層綜合防護技術確保接入安全。第1道安全防線基于VPDN技術,實現用戶認證、設備認證、信道保護、接入控制等;第2道安全防線基于IPSec技術,實現監控終端與IPSecVPN安全網關之間的網絡層加密;最后的安全防線是按照等級保護三級要求,部署必要的邊界防護設備。另外,通過異構網絡接入時,部署接入認證網關和邊界防護設備,實現異構網絡的安全接入。

北斗服務平臺運行在商網,包含綜合管理域、應用服務域和互通隔離域。綜合管理域部署了移動設備管控服務器、移動應用發布服務器和密鑰管理系統,實現入網鑒權認證、設備在線管控和應用安全管理等功能;應用服務域部署尾礦庫綜合監測服務器和其他通用業務服務器,滿足業務應用平滑擴展需求;互通隔離域部署了應用前置、雙向隔離網閘和應用后置,實現與商網內部應用的互聯互通。

系統用戶主要包括企業管理部門、業務部門,經統一認證授權后均可通過商網獲取部署在北斗服務平臺上的尾礦庫綜合監測平臺,遠程獲取登錄、在線監測、數據下載等權限。綜合監控平臺總體部署網絡拓撲結構見圖5。

圖5 綜合監控平臺網絡拓撲結構

4 功能實現

綜合監測平臺實時處理監測數據,主要實現全景監測、預警管理、統計報表和系統管理功能,并進行界面友好的可視化展示。

4.1 全景監測

顯示當前登錄用戶管理的所有監測點的信息,包括地圖位置信息、隱患點和預警統計分類、地圖類型切換等功能(圖6)。在設備區域可瀏覽相關設備圖片、實時數據、在線情況等,通過篩選功能可選擇需查看的監測設備,并展示所選設備的實時監測數據、當天最新監測數據曲線、數據表格、監測點信息、狀態、預警等信息。

4.2 預警管理

針對不同監測點位的地理位置特點和安全監測規范要求,對各設備的預警閾值進行配置。實時反饋各類監測數據對預警閾值的反饋,在監測數據觸發預警閾值后對預警信息進行記錄。預警管理提供多種查詢處理方法,并根據預警信息向用戶提供處理建議。

圖6 全景監測功能界面

4.3 統計報表

根據所選的設備及時間區間、數據查詢類型,將監測數據以統計報表、統計圖表、統計月報等形式展示,同時提供各類監測數據報表下載功能,用戶可以按月下載,便于對尾礦庫穩定性進行深入分析。

4.4 系統管理

系統管理主要實現用戶添加、刪除、禁用、啟用,以及角色配置、隱患點配置等功能,實現對登錄平臺用戶權限的設置;同時提供對新增設備的同步,實現新增監測點位、新增傳感器數據接入及配置功能。

5 工程應用

鈾尾礦庫綜合監控平臺是中核集團承擔的系列北斗三號示范項目之一,是“核+北斗”融合發展的成果。目前,尾礦庫綜合監控平臺已經正常部署,穩定運行1年有余。項目融合處理多種監測傳感器的數據,實現了該鈾尾礦庫的實時綜合監測和監測數據在專用無線加密網絡通道中的安全傳輸。

6 結論

某鈾尾礦庫綜合監控平臺充分發揮北斗信息服務平臺的優勢,利用北斗信息服務及各類傳感器相結合的自動化監測手段,提升了鈾尾礦庫的監測效果;利用專用無線加密通道進行數據傳輸,解決了數據不出行業的安全需求;為更好地運用北斗+云平臺、大數據、物聯感知等信息技術,推動北斗技術深度應用積累了寶貴的工程經驗。