露天矿山边坡监测现状及 项目设计总体系统架构（下）

我国露天矿山滑坡灾害监测正处于从单体到区域、从群测群防到专业自动化、从单一地面监测向空-天-地多源立体监测过渡发展阶段。近年来物联网和传感器技术的迅速发展，遥感、地球物理、水文地质、地球化学、岩土工程、地貌学等多学科领域多手段联合的多传感器立体综合探测和动态观测，为露天矿山滑坡灾害成灾机理、滑坡隐患早期识别，以及实时预测预警等持续提供时空分辨率越来越高的滑坡灾害链全链条多因素的多源动态监测数据。

文章核心要点提炼：

1.从监测技术、监管体系、监管平台三个角度，详细阐释当前我国露天矿山边坡监测监管现状。
2.以露天矿山边坡监测监管现状为出发点，进一步探讨、总结我国当前露天矿山边坡监测存在的核心问题。
3.提出边坡监测项目四大设计原则：强调问题导向；推动业务创新；注重安全稳定；确保标准通用。
4.提出露天矿边坡“空天地一体化”监管项目的总体系统架构，包括系统功能架构、系统逻辑架构、部署实施架构。
5.为满足露天矿山边坡空天地一体化监管系统运作，作者提出详实的实施技术路线，以及关键技术需求。

项目设计的总体系统架构

总体设计原则

1、强调问题导向
围绕“露天矿边坡广域排查难”、“单体边坡监管自动化、智能化不足”、“新兴通导遥技术应用滞后”、“空天地一体化监管流程不通畅”等痛点问题，立足于能源局自身的职能及其与下属露天矿山单位间的事权关系，以解决实际问题为驱动、以效能建设为目标，合理规划项目建设任务。

2、推动业务创新
围绕露天矿边坡监管“高效、智能、精准、有序、安全”的目标，对露天矿边坡监测、管理和评估等过程进行创新，整合业务流程，融入先进的通讯、导航、遥感、大数据及人工智能等技术，形成空天地一体化监测体系，提高信息情报的时效性和准确性，优化监管模式及反馈机制，提升露天矿边坡监管精细化和智能化水平。

3、注重安全稳定
以应用发展为目的，坚持核心关键技术自主可控，坚持安全工程集约化管理和施工过程规范化管理。落实国家信息安全等级保护制度，强化网络和信息安全管理，落实责任机制，健全网络和信息安全标准体系，加大依法管理网络和保护个人信息的力度，加强要害信息系统和信息基础设施安全保障，确保安全可控。

4、确保标准通用
系统设计应符合应用地理信息系统的基本要求，强调标准化、规范化和统一化，保证数据格式的标准化、数据编码的标准化、数据规范的标准化。在系统设计和实施时，应充分考虑到为将来的系统扩展留有余地，能够最大限度地保护前期的投资，保证系统在今后一定时期的适用性。

系统总体架构

1.系统逻辑架构
露天矿边坡空天地一体化监管以数据体系建设为基础、以应用体系建设为核心、以基础环境建设和管理体系建设为保障构建总体框架，明确各项建设内容的定位和相互关系，使露天矿边坡空天地一体化监管项目各项建设内容相互衔接形成统一整体。

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2.系统功能架构
根据露天矿边坡监管现状问题及需求分析，按照有关技术标准，在充分利用通导遥等技术的基础上，建设露天矿山边坡空天地一体化监管平台和行业应用场景。

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应用体系建设方面：
（1）在展示层，建设领导决策分析系统，宏观掌握全域露天矿山边坡安全的总体态势，分析边坡静态形态及运动状态的关键指标，透出到领导决策分析系统，从而来辅助能源局高层管理者进行决策。
（2）在应用层，利用卫星广域普查地区露天矿山边坡，识别疑似风险边坡，调用无人机详查系统进行风险矿山违规超采判别，派发至执法人员现场核查评估边坡安全等级，督导矿山单位对极高风险边坡建设物联网实时预警子系统并接入主系统，打通边坡“天-空-地”一体化监管链条，实现该地区露天矿山边坡监管模式重塑，支撑矿山边坡日常监管中的事件处理，以及应对突发情况进行应急指挥。
（3）AI智能支撑平台借助人工智能等技术，提升边坡监管系统智慧化能力，实现边坡形态智能提取、超采行为智能发现，监督执法任务智能派发等。

数据体系建设方面:打造一个综合性地区露天矿山边坡数据汇聚融合平台，充分利用各矿山提供的本底调查资料，作为一体化监管系统的基础数据。在此基础上，构建完善的露天矿山边坡数据库，包括卫星遥感数据、无人机遥感数据、遥感二次加工数据、地面监测数据、执法过程数据等，实现边坡全链条监管数据的管理。

基础环境建设方面:主要包括本地存储平台、指挥中心场地、大屏幕显示及基础软件平台等。

3.部署实施架构
项目将一体化监管系统部署到政务内网本地平台上，利用本地存储实现集约化利用，同时保证数据的安全性。在边坡监管指挥中心实现业务数据调用和日常监督管理。

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实施技术路线、关键技术

1.实施技术路线
为满足露天矿山边坡空天地一体化监管系统的建设需要，根据系统的建设目标和建设内容，系统采用面向服务的体系架构，将各部分以松耦合的方式进行结合，通过服务间良好的接口和契约联系起来。系统技术路线如下图所示：

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感知层：是实现物联网全面感知的基础，通过MQTT协议、SOCKET通信等技术实现感知层的传输与应用。

接入层：对接移动端核查系统、矿山单位物联网实时监测预警系统等数据资源，利用SOAP、ADO、ODBC技术实现业务数据的交换。

网络层：利用无线网络、互联网、其他专网，将物联网感知层的采集数据与接入层的业务数据传输到数据服务器。

数据层：数据层包括建设综合性露天矿山边坡数据库和数据共享与交换接口设计，具体包括卫星遥感数据、无人机遥感数据、遥感二次加工数据、地面监测数据、执法过程数据等。以国产数据库软件为核心，利用NODE.JS操作数据库的性能优势，实现数据层的存储与操作。

平台层：在大数据中心建设的基础上，利用商业智能，充分挖掘分析数据价值，通过SOAP、REST、WEB SOCKET等技术，实现对外提供数据挖掘服务、地理信息服务、物联网服务、业务专项服务。

应用层：充分发挥面向服务架构的灵活性，利用HMTL5、DOJO、D3.JS、JQUERY、J2EE等前端技术，实现露天矿山边坡空天地一体化监管系统各部分的建设。

2.关键技术
（1）违规超采智能分析技术
违规超采智能分析技术整合图像处理技术、多源数据融合、人工智能等多项技术，通过无人机生产的边坡真彩色三维模型提取边坡总高度、台阶高度、帮坡角、边坡线等边坡形态参数，与初始设计规划建立地理匹配的对应关系，自动判定边坡超高、超陡等违规行为，将监管人员从烦琐而枯燥的比对任务中解脱出来，同时提高判别的准确度，实现边坡监管流程及效能的提升。

（2）物联网技术
物联网是在互联网基础上的延伸和扩展到物与物之间，进行信息交换和通信的网络。物联网的建设具有规模性、广泛参与性、管理性、技术性、物的属性等特征。以物联网、云计算等新技术和新理念为技术应用基础，着眼于极高风险边坡安全实时预警系统建设的目标，进行分析研究、统筹规划和设计建设。

（3）虚拟化技术
系统在存储、服务器、CPU、操作系统等建设方面均考虑采用虚拟化技术，提高整个系统的存储、计算和运行效率，采用统一的纯软件虚拟化解决方案，实现硬件资源的充分共享和合理化配置，节约了硬件资源的投入。
虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

（4）大数据技术
系统采用混搭模式的大数据平台，实现大数据统一管理与服务。管理异构平台（包括关系型数据库、列存数据库、流式数据处理、大数据等）下的异构数据，满足不同应用场景下，不同数据服务质量、时限要求的大数据服务需求，做到物理上分离、逻辑上统一的数据服务。

混搭架构的合理性设计包括：
Mysql关系型数据库：技术最成熟，适用于关系型业务数据的存储、处理和快速检索。

Graph：技术最成熟，适用于图计算、高并发、稳定性要求较高的应用场景，是数据集市、数据仓库的首选技术方案。

MapReduce：以开源技术为主，商用版本不够丰富，对企业应用来说挑战和机遇并存。技术最成熟，适用于处理大规模的非结构化数据，如互联网内容、日志、详单等数据管理的首选平台。

Stream：流数据适用于持续处理和分析网络运行数据，是海量实时数据处理的首选技术。

（5）工作流技术
工作流（Work Flow）就是工作流程的计算模型，即将工作流程中的工作如何前后组织在一起的逻辑和规则在计算机中以恰当的模型进行表示并对其实施计算。工作流要解决的主要问题是：为实现某个业务目标，在多个参与者之间，利用计算机，按某种预定规则自动传递文档、信息或者任务。工作流属于计算机支持的协同工作（Computer Supported Cooperative Work，CSCW）的一部分。
在工作流技术选型上，将按照稳定、可靠、成熟和低风险的原则，以及在若干项目上应用的经验，择用技术先进和设计科学的工作流引擎技术。有效的保障系统建设和实际应用的需要。

（6）面向服务架构（SOA）
系统在平台层、应用层将采用面向服务的架构（SOA）技术，实现面向服务、资源共享、统一注册、分级授权的服务组织模式与运行管理机制，形成贯穿矿山监管管理的技术体系。在技术上基于J2EE架构，实现平台公共服务、数据服务、应用服务、数据交换服务、消息服务等松耦合集成，实现面向各类业务需求的应用编排和组装。

应用系统采用SOA架构，强调技术的实用性、安全性、可靠性、先进性，保障系统的可扩充性、易维护性、开放性和统一性。整个系统以B/S的模式构建。应用系统提供具有高度灵活性、伸缩性的服务组件平台，快速实现各类业务的优化和流程的再造。

（7）集成框架技术
系统采用面向服务架构（Service-Oriented Architecture，SOA），这是一种进行系统开发的主流体系架构。在基于SOA架构的系统中，具体应用程序的功能是由一些松耦合并且具有统一接口定义方式的服务组件（也就是service）构建而成。在集成方式上，本系统采用基于工作流的集成方式，将各核心业务模块用Web service进行封装，然后对业务流程进行建模，将流程中各活动与相应封装了核心业务逻辑的Web service进行关联，最后通过工作流引擎的驱动来使这个业务系统运行起来。采用这种方式，可实现流程逻辑与业务流程的分离，对今后系统的扩展和升级带来相当大的便利。而且，还可以在今后的升级活动中充分保护现有的投资，因而可以大大节省成本。Web Service提供了一种标准方法来实现可以远程调用的业务功能。它们将访问机制从实现中分离出来，从而可以支持互操作性。因此，Web service是实现SOA（要求请求程序和提供程序之间进行松散耦合）的事实标准。良好的 EAI 体系结构应该保证不同应用系统之间的高度内聚，同时又保持各个应用系统的相对独立性，使系统之间存在着松散的藕合关系。

（8）Web Service技术
Web Services是完成特定需求的在线应用服务，其他应用软件能够通过Internet来访问并使用这项在线服务。它是一种构建应用程序的普遍模型，可以在任何支持网络通信的操作系统中实施运行，它是一种新的web 应用程序分支，是自包含、自描述、模块化的应用，可以发布、定位、通过web调用。Web Service是一个应用组件，它逻辑性的为其他应用程序提供数据与服务。

（9）GIS技术
地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）作为获取、整理、分析和管理地理空间数据的重要工具，使露天矿山边坡监管数字化更具可操作性，使实现精细化和精确化管理变为现实。


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